Dlaczego fizycy potrzebują nowego zderzacza?
Jeśli zapytasz fizyków, jakiego innego zderzacza będą potrzebować w najbliższej przyszłości, najprawdopodobniej otrzymasz odpowiedź, że jest to zderzacz elektronowo-pozytonowy.

Dlaczego w ogóle potrzebujemy nowego zderzacza i dlaczego nie możemy sobie poradzić z samym LHC?

Odpowiedź na to pytanie tkwi w naturze przyspieszonych cząstek. Protony przyspieszane w LHC uczestniczą w procesach „silnego” oddziaływania. Oddziaływanie „silne” jest jednym z czterech podstawowych oddziaływań natury obok oddziaływań „słabych”, elektromagnetycznych i grawitacyjnych. Jak sama nazwa wskazuje, „silna” interakcja jest najsilniejszym ze wszystkich typów interakcji. Jego siła znacznie przewyższa siły oddziaływań „słabych” i elektromagnetycznych, a tym bardziej grawitacji, która (jakkolwiek dziwnie może się to wydawać!) jest najsłabszym ze wszystkich istniejących oddziaływań. Dlaczego więc większość ludzi nigdy nie słyszała o istnieniu „silnej” siły, mimo że wszyscy dobrze znamy grawitację i elektryczność? Tłumaczy się to faktem, że oddziaływanie „silne” działa tylko na bardzo małe odległości porównywalne z rozmiarami jąder atomowych. Na przykład, ze względu na „silne” oddziaływanie, protony i neutrony są utrzymywane razem w jądrach atomowych. Bez niego protony rozleciałyby się w różnych kierunkach pod wpływem elektrycznych sił odpychania. A neutrony, które w ogóle nie mają ładunku elektrycznego, po prostu nie mogą być trzymane w jądrach.

można dokonać odkrycia, ale aby dokładnie zmierzyć parametry nowo odkrytych cząstek, potrzeba czegoś innego.

Tym „nieruchomym” są właśnie zderzacze elektron-pozyton. W przeciwieństwie do protonów elektrony i pozytony nie biorą udziału w procesach „silnego” oddziaływania. Ich interakcja wynika z procesów elektrosłabych. Ze względu na specyfikę tych oddziaływań przekroje do tworzenia nowej fizyki i tła są niewielkie. Z tego powodu zderzacz elektronowo-pozytonowy jest trudny w użyciu do wstępnego odkrycia (choć jest to możliwe). Jeśli jednak odkrycia już dokonano, a masa nowych cząstek jest w przybliżeniu znana, to wtedy. regulując w odpowiedni sposób energię zderzających się elektronów i pozytonów, możliwe jest zwielokrotnienie prawdopodobieństwa generowania zdarzeń sygnałowych, przy zachowaniu niewielkich teł. Tak więc zderzacz elektron-pozyton będzie dobrym dodatkiem do LHC.

Zderzacze elektronowo-pozytonowe
W ten moment istnieją dwa konkurencyjne projekty dotyczące przyszłego zderzacza elektronów i pozytonów. Nazwa pierwszego projektu to Międzynarodowy Zderzacz Liniowy (ILC), o czym szczegółowo. Zakłada się, że energia zderzenia w tym zderzaczu wyniesie 500 GeV przy długości zderzacza 31 km. Projekt przewiduje możliwość zwiększenia energii zderzenia do 1 TeV, a długość zderzacza zostanie zwiększona do 50 km. Technologia, która ma zostać wykorzystana do budowy ILC, jest dobrze ugruntowana. Pod wieloma względami opiera się na technologii stworzonej do budowy TESLA. Akcelerator TESLA miał powstać na terenie ośrodka badawczego DESY (Hamburg, Niemcy). Pod względem parametrów technicznych jest podobny do ILC. Budowa została praktycznie zatwierdzona i odwołana w ostatniej chwili z powodu trudności finansowych. ILC to międzynarodowy projekt, którego kraje uczestniczące mogą zaoferować własne terytorium pod budowę. Rosja, jako uczestnik ILC, zaproponowała, że ​​wybuduje go w Dubnej.

Compact Linear Collider, w skrócie CLIC, jest drugim projektem konstrukcyjnym zderzacza elektronowo-pozytonowego. Oczekiwana energia zderzenia wyniesie 3 TeV z możliwością późniejszego zwiększenia do 5 TeV. Długość kompleksu akceleratora wyniesie 48,3 km. Energia CLIC przewyższa energię ILC. To zdecydowany plus. Jednak technologia CLIC nie została jeszcze opracowana tak dokładnie, jak w przypadku ILC. Zajmie to jeszcze co najmniej kilka lat.

Na pierwszy rzut oka energia zderzacza elektron-pozyton jest znacznie mniejsza niż energia LHC. Jednak w przeciwieństwie do elektronów, które są naprawdę cząstkami elementarnymi, protony mają strukturę wewnętrzną. Składają się one z kwarków utrzymywanych razem przez „silną” siłę przenoszoną przez gluony. Kiedy protony zderzają się w zderzaczu, w rzeczywistości dochodzi do zderzeń między ich składowymi kwarkami i gluonami, z których każdy przenosi tylko niewielką część całkowitej energii protonów. Porównując energię tych zderzeń z energią zderzacza elektron-pozyton okazuje się, że są one porównywalne.

W każdym razie ostateczna decyzja o potrzebie budowy zderzacza elektron-pozyton i wyborze technologii zapadnie dopiero po uzyskaniu wyników w LHC.

Dlaczego liniowy?

I dlaczego przyszły zderzacz elektronów z pozytonami miałby być liniowy? Rzeczywiście, w tym przypadku traci się główną zaletę akceleratorów pierścieniowych, w których cząstki są wielokrotnie przyspieszane, przechodząc przez te same przyspieszające elementy podczas poruszania się po okręgu. Na przykład przyspieszenie protonów w LHC z energii 450 GeV do energii 7 TeV ma nastąpić w ciągu 20 minut. W tym czasie wiązka protonów pokonuje odległość 36∙10 7 km (co jest w przybliżeniu dwukrotnością odległości Ziemi od Słońca). Po prostu niemożliwe jest zbudowanie zderzacza liniowego o takiej długości. Tak więc, aby zbudować zderzacz liniowy, konieczne jest znaczne zwiększenie szybkości przyspieszania. Mimo to długość zderzacza wyniesie kilkadziesiąt kilometrów. Inną wadą zderzaczy liniowych jest możliwość zainstalowania tylko jednego zestawu eksperymentalnego, ponieważ istnieje tylko jeden punkt zderzenia wiązki. Na przykład na LHC są 4 takie punkty.

Wydawałoby się, że skoro fizycy naprawdę potrzebują zderzacza elektronów i pozytonów, dlaczego nie zrobić z niego pierścienia? Niestety, możliwości stworzenia pierścieniowego zderzacza elektron-pozyton są ograniczone przez samą naturę. Gdy naładowane cząstki poruszają się po okręgu, generowane jest promieniowanie synchrotronowe, w wyniku którego cząstki tracą swoją energię. Efekt ten jest praktycznie nieistotny dla protonów (nawet przy energiach LHC). Jednak elektrony, których masa jest prawie 2000 razy mniejsza od masy protonu, stracą znaczną część swojej energii z powodu promieniowania synchrotronowego. Wyjście w budowie zderzacza liniowego. Możliwość zbudowania takiego zderzacza została zademonstrowana w Stanford, gdzie znajduje się jedyny na świecie liniowy zderzacz elektron-pozyton.

Zderzacz mionów
Elektron należy do klasy leptonów, grupy cząstek biorących udział w oddziaływaniach elektrosłabych. Innym przedstawicielem tej klasy cząstek jest mion. Jest to ujemnie naładowana cząstka elementarna, której masa jest 210 razy większa od masy elektronu, co pozwala nie martwić się promieniowaniem synchrotronowym podczas przyspieszania mionowego w akceleratorze pierścieniowym. Mion byłby idealną cząstką do przyspieszania, gdyby nie jego krótki czas życia. To tylko 1,6 µs. W tym czasie miony muszą zostać rozpędzone do prędkości relatywistycznych. To stwarza poważne trudności techniczne. Poważne wysiłki w celu opracowania technologii zderzacza mionów rozpoczęły się w połowie lat 90. XX wieku. Obecnie istnieje projekt koncepcyjny zderzacza mionowego o energii w zakresie 1,5-4 TeV. Jednak realizacja tego projektu to najprawdopodobniej kwestia bardziej odległej przyszłości niż budowa zderzacza elektron-pozyton.

Być może pierwszym krokiem w kierunku stworzenia zderzacza mionów będzie budowa fabryki neutrin.

Neutrino to cząstka o zaskakująco małym przekroju oddziaływania, która w efekcie ma ogromną siłę penetracji. Na przykład, aby neutrino uderzyło w żelazną barierę, wielkość tej bariery musi być porównywalna z odległością Słońca od Jowisza. Paul Dirac, naukowiec, który jako pierwszy zaproponował tę cząstkę teoretycznie, założył się nawet, że nigdy nie zostanie znaleziona eksperymentalnie (naprawdę, jak można ją wykryć, jeśli nie wchodzi w interakcje z niczym?). Jednak przegrał zakład. Cząstka została odkryta za życia naukowca. Obecnie aktywnie badane są właściwości neutrin. W tym celu stosuje się w szczególności wiązki neutrin. Na pierwszy rzut oka wydaje się niewiarygodne, jak w ogóle można stworzyć wiązkę neutrin? Jak sprawić, by cząstki, które nie mają ładunku elektrycznego i wyjątkowo niechętnie oddziaływały z materią, leciały w jednym kierunku? W tym celu stosuje się wstępnie przyspieszone naładowane cząstki (na przykład miony), które podczas rozpadu dają neutrina. Jeśli wiele mionów leci w tym samym kierunku, to powstałe neutrina również będą lecieć w tym samym kierunku. Oto wiązka neutrin dla Ciebie! Jedyny problem polega na tym, że miony żyją niezwykle krótko, a podczas ich życia nie można ich akumulować w dużych ilościach. A raczej to nie zadziałało. Ta luka ma za zadanie wypełnić projekt fabryki neutrin, który opiera się na stworzeniu „magazynowych” pierścieni mionowych, co z kolei jest pierwszym krokiem w kierunku stworzenia zderzacza mionowego.

Następny hadron?
I czy zostanie zbudowany kolejny zderzacz hadronów, przewyższający energię LHC? Przecież prędzej czy później era precyzyjnych pomiarów (do których potrzebny jest przede wszystkim liniowy zderzacz elektron-pozyton) i zderzacz znów będzie potrzebny do badania nowych zakresów energii. Taki projekt istnieje. W 2010 roku CERN ogłosił plany budowy zderzacza hadronów 35 TeV w tunelu LHC (po jego wyłączeniu).

Limit technologii
Każda kolejna generacja akceleratorów jest coraz większa i droższa. Ogromny koszt i złożoność projektu wynika w dużej mierze z faktu, że istniejąca technologia akceleracji osiągnęła swój limit. Dlatego w nowej generacji akceleratorów liniowych muszą być utrzymywane ogromne pola przyspieszające. Jednak wraz ze wzrostem natężenia pola wewnątrz elementów przyspieszających dochodzi do przebić, co prowadzi do ich zniszczenia. Aby poradzić sobie z tym problemem, stosuje się specjalne konstrukcje i drogie materiały. W przypadku ILC i CLIC z dużym trudem udało się stworzyć przyspieszające gradienty rzędu 100 MeV/m.

Jest mało prawdopodobne, aby tę wartość można było znacznie zwiększyć. Definiuje to limit technologiczny dla zderzaczy liniowych.

W zderzaczach pierścieniowych przyspieszenie gradientów nie stanowi problemu, ponieważ cząstki mogą być wielokrotnie przyspieszane w okręgu.

Jednak im wyższa energia przyspieszanych cząstek, tym trudniej jest utrzymać je po torze kołowym wewnątrz akceleratora. W tym celu stosuje się silne pola magnetyczne. W LHC pole magnetyczne wynosi 8,33 Tesli. Przy kolejnym zderzaczu hadronów, który ma znajdować się w tunelu LHC, po zakończeniu pracy LHC (omówiono to nieco wyżej), pole magnetyczne wyniesie około 20 Tesli. To prawie granica nowoczesnej technologii. Innym sposobem jest zwiększenie rozmiaru pierścienia przyspieszającego, w wyniku czego krzywizna trajektorii cząstek maleje, dzięki czemu łatwiej jest utrzymać je wewnątrz zderzacza. Biorąc jednak pod uwagę, że wielkość współczesnych zderzaczy wynosi już kilkadziesiąt kilometrów, ich dalszy wzrost wydaje się bardzo problematycznym i czasochłonnym zadaniem.

Ze względu na gigantyczny koszt nowych akceleratorów, pytania dotyczące ich budowy są dyskutowane na poziomie krajowym. A nawet stać się kartą przetargową w rękach polityków. Warto przypomnieć chociażby projekt SSC (Superconducting Super Collider).

Ten zderzacz hadronów o energii wiązki 20x20 TeV miał być zbudowany w USA. Tak, to nie literówka! Całkowita energia zderzających się wiązek powinna wynosić 40 TeV.

To prawie trzykrotność maksymalnej energii LHC, która zostanie osiągnięta dopiero po pracach projektowych mających na celu ulepszenie zderzacza, zaplanowanych na 2012 rok. Długość pierścienia przyspieszającego SSC miała wynosić 87,1 km (długość LHC 27 km). Budowa miała się zakończyć w 1999 roku. Rozpoczęła się realizacja projektu. Wykopano 22,5 km tunelu, zalanych zostało 17 kopalń. Niestety projekt został później zamknięty.

Czy to wszystko nie oznacza końca fizyki akceleratorowej? Budowa nowych zderzaczy przy użyciu istniejących technologii staje się coraz bardziej kosztowna. A projekty trwają dziesiątki lat. Tak więc po raz pierwszy o budowie LHC dyskutowano w 1984 roku, a oficjalne uruchomienie zderzacza miało miejsce dopiero pod koniec 2009 roku. Może nie jest odległy dzień, w którym budowa nowego zderzacza nie będzie już możliwa? Możliwym wyjściem z tej sytuacji jest rozwój nowych technologii.

Akceleratory plazmowe
Jedną z najbardziej obiecujących technologii jest metoda akceleracji plazmy. Jaka jest jego istota? Jak stwierdzono powyżej, nowoczesna technologia przyspieszenie prawie osiągnęło swój limit. Dalszy wzrost pól przyspieszających prowadzi do awarii i zniszczenia ścian elementów przyspieszających. Ale jeśli tak, to może w ogóle da się obejść bez ścian? Duże pola elektryczne mogą powstawać np. w plazmie. Plazma to gaz złożony z dodatnio naładowanych jonów i ujemnie naładowanych elektronów. Plazma jest zwykle elektrycznie obojętna, ponieważ elektrony i jony są równomiernie rozmieszczone w objętości plazmy. A jeśli istnieje sposób na ich oddzielenie? Następnie wygenerowane pola elektryczne można wykorzystać do przyspieszenia cząstek. Ale jak osiągnąć taką separację?

Można to zrobić za pomocą lasera impulsowego lub wiązki elektronów.

Przelatująca przez plazmę wiązka elektronów popycha elektrony plazmy na drodze.

W tym przypadku jony praktycznie się nie poruszają, ponieważ ich masa jest znacznie większa niż masa elektronów. W efekcie w miejscu, przez które właśnie przeszła wiązka elektronów, na bardzo krótki czas tworzy się obszar wypełniony ładunkiem dodatnim. Zaraz za nim znajduje się obszar, w którym elektrony plazmy wróciły już na swoje miejsca, zamykając się za mijaną wiązką. Na pograniczu tych regionów (w bardzo duża objętość) tworzą ogromne pola elektryczne. Ta sekcja porusza się za wiązką elektronów, a cząstka, która wejdzie do tej sekcji, będzie doświadczać stałego przyspieszenia.

W języku angielskim ta technologia nazywa się akceleracją wakefield, czyli dosłownie „akceleracją w śladzie”. Ta analogia nie jest przypadkowa. Wyobraź sobie surfera ślizgającego się po desce na grzbiecie fali. Jeśli jest to fala naturalna, to przyjemność surfera nie trwa długo (aż fala osłabnie). Ale co, jeśli ta fala jest stale karmiona? Na przykład łódź motorowa może płynąć naprzód, tworząc za sobą „strumień budzący”. Surfer może jeździć na grzbiecie tej fali. Jednocześnie nie potrzebuje nawet liny, aby utrzymać łódź. Wszystko czego potrzebujesz to fala.

Opisany pomysł nie jest nowy. Po raz pierwszy została sformułowana w pracach Budkera i Vekslera w połowie lat pięćdziesiątych. Jednak przez długi czas pozostawał nieodebrany ze względu na dużą liczbę problemów technicznych i duży zapas konwencjonalnej technologii przyspieszania. W tej chwili technologia przyspieszania plazmy aktywnie się rozwija. Potencjał jest ogromny! Wykazano, że przyspieszające gradienty mogą przekraczać 100 GeV/m. To 1000 razy więcej niż CLIC (najpotężniejszy w opracowywanym zderzaczu elektron-pozyton). Przy takim tempie przyspieszenia, aby rozpędzić protony do energii LHC, potrzebny jest akcelerator o długości zaledwie 70 metrów (zamiast 27 km). Niestety nie wszystko jest takie proste. A na drodze do stworzenia tego rodzaju zderzaczy wciąż pozostaje do rozwiązania ogromna liczba problemów technicznych. Aby wykorzystać utworzone wiązki w eksperymentach, konieczne jest, aby energia cząstek w wiązce miała w przybliżeniu taką samą wartość. Przez długi czas nie udało się tego osiągnąć. Energia przyspieszonych cząstek okazała się rozproszona w niezwykle szerokim zakresie. Jednak w ostatnie lata w tej kwestii poczyniono znaczne postępy. Kolejnym problemem jest skalowanie technologii.

Jak utrzymać duży gradient przyspieszenia na długich dystansach?

Wszakże początkowo tak ogromne przyspieszenia mogły powstawać na odległościach nieprzekraczających kilku milimetrów. Poczyniono również pewne postępy w rozwiązywaniu tego problemu. Aby zademonstrować fundamentalną możliwość utrzymania dużych gradientów na stosunkowo dużych odległościach, przeprowadzono eksperyment. Na końcu Stanford Linear Collider (SLC), który przyspiesza elektrony do 42 GeV, dostarczono dodatkową sekcję akceleratora opartą na technologii przyspieszania plazmy. Długość odcinka wynosiła około 85 cm, przy czym energia elektronów była tam podwojona (maksymalna energia elektronów wynosiła 857 GeV). Jest to tym bardziej fantastyczne, że aby rozpędzić elektrony do 42 GeV, przy samym zderzaczu potrzeba 3 km.

Pomimo takich sukcesów, stworzenie zderzaczy wieloTeV opartych na tej technologii zajmie prawdopodobnie kilkadziesiąt lat. Ale w ciągu najbliższych kilku lat mogą pojawić się małe akceleratory o energii około 1 GeV, które zmieszczą się na stole. Takie akceleratory można wykorzystać np. do tworzenia zwartych źródeł promieniowania synchrotronowego.

Co jeszcze?

Mówiąc o akceleratorach przyszłości, nie mogłem niestety wymienić wielu innych projektów, których celem nie jest podbijanie nowych granic energetycznych, ale tworzenie wiązek o wysokiej intensywności do badania rzadkich procesów (np. projekty SuperKEKB czy SuperB). Nie wspomniałem też o projektach wiązek jonowych, takich jak budowa dużego kompleksu akceleracyjnego FAIR, modernizacja akceleratora RHIC, czy projekt nowego zderzacza jonów NICA w Dubnej. Być może trudno wymienić wszystko w krótkim wykładzie. Mamy nadzieję, że większość z tych projektów zostanie zrealizowana.

Wielki Zderzacz Hadronów został nazwany „Maszyną Zagłady” lub kluczem do tajemnicy wszechświata, ale jego znaczenie jest niezaprzeczalne.

Jak powiedział kiedyś słynny brytyjski myśliciel Bertrand Russell: „- to jest to, co wiesz, filozofia to to, czego nie wiesz”. Wydawałoby się, że to prawda wiedza naukowa dawno oddzielona od swoich początków, co można znaleźć w badaniach filozoficznych Starożytna Grecja, ale tak nie jest.

Przez cały XX wiek naukowcy próbowali znaleźć w nauce odpowiedź na pytanie o strukturę świata. Proces ten przypominał poszukiwanie sensu życia: ogromna ilość teorii, założeń, a nawet szalonych pomysłów. Do jakich wniosków doszli naukowcy na początku XXI wieku?

Cały świat składa się z cząstki elementarne, które są ostatecznymi formami wszystkiego, co istnieje, czyli tego, czego nie można podzielić na mniejsze elementy. Należą do nich protony, elektrony, neutrony i tak dalej. Cząstki te są ze sobą w ciągłej interakcji. Na początku naszego stulecia wyrażał się w 4 podstawowych typach: grawitacyjnym, elektromagnetycznym, silnym i słabym. Pierwszy jest opisany przez Ogólną Teorię Względności, pozostałe trzy są połączone w ramach Modelu Standardowego (teoria kwantowa). Zasugerowano również, że istnieje inna interakcja, nazwana później "polem Higgsa".

Stopniowo pojawia się idea łączenia wszystkich podstawowych interakcji w ramach „ teoria wszystkiego", który początkowo był postrzegany jako żart, ale szybko wyrósł na potężny kierunek naukowy. Dlaczego jest to potrzebne? Wszystko jest proste! Bez zrozumienia, jak funkcjonuje świat, jesteśmy jak mrówki w sztucznym gnieździe — nie przekroczymy naszych ograniczeń. Ludzka wiedza nie może (cóż, lub PA nie może, jeśli jesteś optymistą) ogarnąć w całości strukturę świata.

Rozważana jest jedna z najsłynniejszych teorii, która twierdzi, że „obejmuje wszystko” teoria strun. Oznacza to, że cały Wszechświat i nasze życie są wielowymiarowe. Mimo rozwiniętej części teoretycznej i wsparcia znanych fizyków, takich jak Brian Greene i Stephen Hawking, nie ma to potwierdzenia eksperymentalnego.

Kilkadziesiąt lat później naukowcy znudzili się nadawaniem z trybun i postanowili zbudować coś, co powinno raz na zawsze umieścić kropkę nad „i”. W tym celu powstała największa na świecie placówka eksperymentalna - Wielki Zderzacz Hadronów (LHC).

"Do zderzacza!"

Co to jest zderzacz? Z naukowego punktu widzenia jest to akcelerator naładowanych cząstek zaprojektowany do przyspieszania cząstek elementarnych w celu lepszego zrozumienia ich interakcji. W kategoriach laika jest to wielka arena (lub piaskownica, jeśli wolisz), na której naukowcy walczą, aby udowodnić swoje teorie.

Po raz pierwszy pomysł zderzenia cząstek elementarnych i zobaczenia, co się stanie, wyszedł od amerykańskiego fizyka Donalda Williama Kersta w 1956 roku. Zasugerował, że dzięki temu naukowcy będą mogli zgłębić tajemnice wszechświata. Wydawałoby się, że co złego jest w spychaniu razem dwóch wiązek protonów o łącznej energii milion razy większej niż w przypadku syntezy termojądrowej? Czasy były odpowiednie: zimna wojna, wyścig zbrojeń i tak dalej.

Historia powstania LHC

Brücke-Osteuropa / wikimedia.org
(CC0 1.0)

Pomysł stworzenia akceleratora do pozyskiwania i badania naładowanych cząstek pojawił się na początku lat 20., ale pierwsze prototypy powstały dopiero na początku lat 30. XX wieku. Początkowo były to wysokonapięciowe akceleratory liniowe, czyli naładowane cząstki poruszające się po linii prostej. Wersja pierścieniowa została wprowadzona w 1931 roku w USA, po czym podobne urządzenia zaczęły pojawiać się w wielu rozwiniętych krajach - Wielkiej Brytanii, Szwajcarii i ZSRR. Dostali nazwę cyklotrony, a później zaczął być aktywnie wykorzystywany do tworzenia broni jądrowej.

Należy zauważyć, że koszt budowy akceleratora cząstek jest niewiarygodnie wysoki. Europa, która podczas zimnej wojny nie odgrywała pierwszorzędnej roli, zleciła jej stworzenie Europejska Organizacja Badań Jądrowych (często czytany CERN po rosyjsku), który później zajął się budową LHC.

CERN powstał w wyniku zaniepokojenia społeczności światowej badaniami jądrowymi w USA i ZSRR, które mogą doprowadzić do ogólnej eksterminacji. Dlatego naukowcy postanowili połączyć siły i skierować je w pokojowym kierunku. W 1954 r. CERN oficjalnie narodził się.

W 1983 roku pod auspicjami CERN odkryto bozony W i Z, po czym kwestia odkrycia bozonów Higgsa stała się tylko kwestią czasu. W tym samym roku rozpoczęto prace nad budową Wielkiego Zderzacza Elektronów i Pozytronów (LEPC), który odegrał kluczową rolę w badaniach odkrytych bozonów. Jednak już wtedy stało się jasne, że pojemność stworzonego urządzenia będzie wkrótce niewystarczająca. A w 1984 roku podjęto decyzję o budowie LHC, zaraz po demontażu BEPC. Tak było w 2000 roku.

Budowę LHC rozpoczętą w 2001 r. ułatwiał fakt, że odbywała się na terenie dawnego BEPK, w dolinie Jeziora Genewskiego. W związku z kwestiami finansowania (w 1995 r. koszt szacowano na 2,6 mld franków szwajcarskich, do 2001 r. przekraczał 4,6 mld, w 2009 r. wynosił 6 mld dolarów).

Na ten moment LHC znajduje się w tunelu o obwodzie 26,7 km i przebiega jednocześnie przez terytorium dwóch krajów europejskich - Francji i Szwajcarii. Głębokość tunelu waha się od 50 do 175 metrów. Należy również zauważyć, że energia zderzeń protonów w akceleratorze sięga 14 teraelektronowoltów, czyli 20 razy więcej niż wyniki uzyskane za pomocą BEPC.

„Ciekawość nie jest wadą, ale wielką obrzydliwością”

27-kilometrowy tunel zderzacza CERN znajduje się 100 metrów pod ziemią w pobliżu Genewy. Znajdą się tu ogromne elektromagnesy nadprzewodzące. Po prawej stronie są wagony transportowe. Juhanson/wikipedia.org (CC BY-SA 3.0)

Dlaczego potrzebna jest ta stworzona przez człowieka „maszyna zagłady”? Naukowcy spodziewają się zobaczyć świat taki, jaki był tuż po Wielkim Wybuchu, czyli w momencie powstawania materii.

Cele, które naukowcy postawili sobie podczas budowy LHC:

1. Potwierdzenie lub odrzucenie Modelu Standardowego w celu dalszego tworzenia „teorii wszystkiego”.
2. Dowód na istnienie bozonu Higgsa jako cząstki piątego oddziaływania fundamentalnego. Według badań teoretycznych powinna wpływać na oddziaływania elektryczne i słabe, łamiąc ich symetrię.
3. Badanie kwarków, które są cząstką fundamentalną, która jest 20 tys. razy mniejsza od składających się z nich protonów.
4. Pozyskiwanie i badanie ciemnej materii, która stanowi większość wszechświata.

Nie są to jedyne cele przypisane przez naukowców LHC, ale reszta jest bardziej pokrewna lub czysto teoretyczna.

Co osiągnięto?

Niewątpliwie największym i najważniejszym osiągnięciem było oficjalne potwierdzenie istnienia bozon Higgsa. Odkrycie piątego oddziaływania (pole Higgsa), które zdaniem naukowców wpływa na pozyskiwanie masy przez wszystkie cząstki elementarne. Uważa się, że gdy symetria zostaje zerwana podczas działania pola Higgsa na inne pola, bozony W i Z stają się masywne. Odkrycie bozonu Higgsa ma tak duże znaczenie, że wielu naukowców nazwało je „cząsteczkami boskimi”.

Kwarki łączą się w cząstki (protony, neutrony i inne), które nazywane są hadrony. To oni przyspieszają i zderzają się w LHC, stąd jego nazwa. Podczas działania zderzacza udowodniono, że oddzielenie kwarka od hadronu jest po prostu niemożliwe. Jeśli spróbujesz to zrobić, po prostu wyciągniesz inny rodzaj cząstki elementarnej, na przykład z protonu - mezon. Pomimo tego, że jest to tylko jeden z hadronów i sam w sobie nie niesie ze sobą nic nowego, dalsze badania interakcji kwarków powinny być prowadzone właśnie małymi krokami. W badaniu podstawowych praw funkcjonowania Wszechświata pośpiech jest niebezpieczny.

Chociaż same kwarki nie zostały odkryte w procesie wykorzystania LHC, ich istnienie do pewnego momentu postrzegano jako matematyczną abstrakcję. Pierwsze takie cząstki znaleziono w 1968 roku, ale dopiero w 1995 roku oficjalnie udowodniono istnienie „prawdziwego kwarka”. Wyniki eksperymentów potwierdza możliwość ich odtworzenia. Dlatego osiągnięcie podobnego wyniku przez LHC jest postrzegane nie jako powtórzenie, ale jako utrwalający dowód ich istnienia! Chociaż problem z rzeczywistością kwarków nigdzie nie zniknął, bo są po prostu nie można wyróżnić z hadronów.

Jakie są plany?

Hans G / flickr.com (CC BY-SA 2.0)

Główne zadanie stworzenia „teorii wszystkiego” nie zostało rozwiązane, ale trwa teoretyczne badanie możliwych opcji jej manifestacji. Do tej pory pozostaje jeden z problemów unifikacji Ogólnej Teorii Względności i Modelu Standardowego inny obszar ich działania, w związku z którymi drugi nie uwzględnia cech pierwszego. Dlatego ważne jest, aby wyjść poza Model Standardowy i dojść do granicy nowa fizyka.

Supersymetria - naukowcy uważają, że łączy bozonowe i fermionowe pola kwantowe do tego stopnia, że ​​mogą się one zamieniać w siebie. Jest to rodzaj konwersji, który wykracza poza zakres Modelu Standardowego, ponieważ istnieje teoria, że ​​symetryczne odwzorowanie pól kwantowych opiera się na grawitony. Mogą one, odpowiednio, być elementarną cząstką grawitacji.

Bozon Madala- hipoteza o istnieniu bozonu Madala sugeruje, że istnieje inne pole. Tylko jeśli bozon Higgsa oddziałuje ze znanymi cząstkami i materią, to bozon Madala oddziałuje z Ciemna materia. Pomimo tego, że zajmuje dużą część Wszechświata, jego istnienie nie jest objęte Modelem Standardowym.

Mikroskopijna czarna dziura jednym z badań LHC jest stworzenie czarnej dziury. Tak, tak, dokładnie ten czarny, pochłaniający wszystko obszar w kosmosie. Na szczęście w tym kierunku nie poczyniono żadnych znaczących postępów.

Dziś Wielki Zderzacz Hadronów jest wielofunkcyjnym ośrodkiem badawczym, na podstawie którego powstają i eksperymentalnie potwierdzane są teorie, które pomogą nam lepiej zrozumieć strukturę świata. Fale krytyki często narastają wokół wielu trwających badań, które są oznaczone jako niebezpieczne, w tym od Stephena Hawkinga, ale gra jest zdecydowanie warta świeczki. Nie będziemy mogli pływać po czarnym oceanie zwanym Wszechświatem z kapitanem, który nie ma map, kompasu, podstawowej wiedzy o otaczającym nas świecie.

Jeśli znajdziesz błąd, zaznacz fragment tekstu i kliknij Ctrl+Enter.

W przeciwieństwie do swoich odpowiedników w biologii (którzy mogą zamawiać gryzonie, pierścienice lub pijawki online), fizycy muszą tworzyć własne obiekty testowe.

Kiedy fizycy potrzebują cząstek do akceleratorów, przychodzą na naszą stronę i zostawiają ogłoszenia w komentarzach, oferując miejsca pracy dla wolnych cząstek. Czasami potrzebują cząstek o pozytywnym nastawieniu, czasami bardziej neutralnych. Fizycy następnie zapraszają cząstkę na randkę, a jeśli wszystko pójdzie dobrze, zaproponują udział w procesie przyspieszania. Tak powstał bozon Higgsa.

Jeśli. W przeciwieństwie do swoich odpowiedników w biologii (którzy mogą zamawiać gryzonie, pierścienice lub pijawki online), fizycy muszą tworzyć własne obiekty testowe. Nie jest łatwo uzyskać wystarczającą ilość cząstek do zderzenia z dużą prędkością w Wielkim Zderzaczu Hadronów.

Zanim umieścimy je w akceleratorze cząstek, zastanówmy się, dlaczego musimy to zrobić. Czym są akceleratory i dlaczego nie możemy przyspieszyć czegoś bardziej istotnego niż cząstki?

Najbardziej znanym akceleratorem cząstek jest Wielki Zderzacz Hadronów, 27-kilometrowy okrągły potwór zakopany pod ziemią. Znajduje się w Szwajcarii, LHC działa w ramach Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych, czyli CERN (skrót ma sens, jeśli znasz jego francuską pisownię). LHC stał się dość popularny w 2012 roku, kiedy zderzenia cząstek rzuciły światło na ślady bozonu Higgsa, dla którego ten akcelerator został zbudowany. Odkrycie bozonu Higgsa pozwoliło fizykom z większą pewnością mówić o polu Higgsa, a także o tym, jak materia we wszechświecie nabiera masy.

Ale jeśli LHC jest supergwiazdą w świecie akceleratorów, istnieje wiele innych mniej znanych studiów, które tworzą własne płyty. Ogólnie na świecie jest około 30 000 akceleratorów i być może należy im podziękować za najbardziej praktyczne wynalazki. I to nie tylko słowa. Naukowcy, którzy chcieli zbadać superchłonne polimery stosowane w jednorazowych pieluchach, napotkali problemy, badając je, gdy są mokre, więc – ta-da – przeszli na mikroskopię rentgenowską (która wykorzystuje przyspieszenie cząstek). Będąc w stanie zidentyfikować i zbadać strukturę łańcuchów molekularnych, naukowcy byli w stanie prawidłowo sformułować odpowiednią formułę, utrzymując nowoczesne pieluchy w suchości i dzięki akceleratorom cząstek.

Ponadto akceleratory są dobrze wykorzystywane w środowisku medycznym, w szczególności - w badaniu sposobów leczenia raka. Akceleratory liniowe (gdy cząstki zderzają się z celem w linii prostej) wystrzeliwują elektrony w metalowy cel, co skutkuje bardzo precyzyjnymi, wysokoenergetycznymi promieniami rentgenowskimi, które mogą leczyć nowotwory. I oczywiście bez akceleratorów w teoretycznej fizyce cząstek elementarnych, nigdzie - każda teoria wymaga praktyki. Teraz, gdy już trochę wiemy, do czego służą boostery, porozmawiajmy o tym, czym je karmić.

Jak powiedzieliśmy powyżej, naukowcy z CERN wytwarzają dla siebie cząstki. Można to porównać do tego, że księgowy składa swój własny kalkulator. Ale dla fizyki cząstek nie stanowi to problemu. Wszystko, co naukowcy muszą zrobić, to zacząć od wodoru, wybić elektrony duoplazmatronem i zostać sam na sam z protonami. Brzmi prosto, ale w rzeczywistości jest trudniejsze. W każdym razie nie jest to takie łatwe dla tych, którzy nie dostają kartek urodzinowych od Stephena Hawkinga.

Wodór to gaz, który wchodzi do pierwszego stopnia akceleratora cząstek, duoplazmatronu. Duoplasmatron to bardzo proste urządzenie. Atomy wodoru mają jeden elektron i jeden proton. W duoplazmatronie atom wodoru jest usuwany z elektronu za pomocą pola elektrycznego. Pozostaje plazma protonów, elektronów i jonów molekularnych, które przechodzą przez kilka sieci filtrów, pozostawiając tylko protony.

LHC wykorzystuje nie tylko protony do rutynowych zadań. Fizycy z CERN-u rozbijają również jony ołowiu, aby zbadać plazmę kwarkowo-gluonową, która mgliście przypomina nam, jak wszechświat wyglądał dawno temu. Spychając razem jony metali ciężkich (działa również ze złotem), naukowcy mogą na chwilę stworzyć plazmę kwarkowo-gluonową.

Jesteś już wystarczająco oświecony, aby zrozumieć, że jony ołowiu nie pojawiają się magicznie w akceleratorze cząstek. Oto jak to się dzieje: Fizyk z CERN-u zaczyna zbierać jony ołowiu ze stałego ołowiu-208, specjalnego izotopu pierwiastka. Ołów lity jest podgrzewany do pary - do 800 stopni Celsjusza. Potem go pobili wstrząs elektryczny, który jonizuje próbkę, tworząc plazmę. Nowo utworzone jony (atomy z ładunkiem elektrycznym, które zyskały lub straciły elektrony) są skupione w akceleratorze liniowym, który je przyspiesza, powodując utratę jeszcze większej liczby elektronów. Następnie oddalają się jeszcze bardziej i przyspieszają - a jony ołowiu są gotowe, by podążać ścieżką protonów i rozbijać się we wnętrznościach Wielkiego Zderzacza Hadronów.

Wielki Zderzacz Hadronów, najpotężniejszy na świecie akcelerator cząstek, który jest testowany w Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN), był przedmiotem procesu sądowego jeszcze przed jego uruchomieniem. Kto i dlaczego pozwał naukowców?

Nie oceniaj Wielkiego Zderzacza Hadronów... Mieszkańcy stanu Hawaje Walter Wagner i Luis Sancho złożyli pozew przeciwko CERN w federalnym sądzie okręgowym w Honolulu, a także amerykańscy uczestnicy projektu - Department of Energy, National Science Foundation i Fermi National Accelerator Laboratory, z tego powodu.

⦳⦳⦳⦳⦳

Amerykanie obawiali się, że zderzenia niezwykle energetycznych cząstek subatomowych, które zostaną przeprowadzone w akceleratorze, symulują zachodzące zdarzenia we Wszechświecie w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu, potrafi tworzyć obiekty zagrażające istnieniu ziemi.

Wielki Zderzacz Hadronów w CERN. W pudełku - symulacja procesu produkcji bozonu Higgsa w detektorze CMS

Zagrożeniem, według powodów, są przede wszystkim tzw. czarne dziury – obiekty fizyczne, które mogą wchłonąć niektóre obiekty na naszej planecie - na przykład jakieś duże miasto.

Pomimo tego, że pozew został wniesiony do sądu na początku kwietnia 2008 roku, biegli wcale nie potraktowali go jako żartu primaaprilisowego.

I umówili się na dzień 6 kwietnia w Centrum Badań Jądrowych Otwórz drzwi, zapraszając przedstawicieli społeczeństwa, dziennikarzy, studentów i młodzież szkolną do zwiedzania akceleratora, aby na własne oczy mogli nie tylko zobaczyć unikalny instrument naukowy, ale także uzyskać wyczerpujące odpowiedzi na wszystkie swoje pytania.

Przede wszystkim oczywiście organizatorzy projektu starali się przekonać zwiedzających, że LHC w żaden sposób nie może być winowajcą „końca świata”.

Tak, zderzacz znajdujący się w tunelu pierścieniowym o obwodzie 27 km (od angielskiego zderzenia - „zderzenie”) jest w stanie przyspieszać wiązki protonów i zderzać je z energiami do 14 teraelektronowoltów 40 milionów razy na sekundę.

Fizycy wierzą, że w tym przypadku będzie możliwe odtworzenie warunków, które zaistniały jedną bilionową sekundy po Wielkim Wybuchu, a tym samym uzyskanie cennych informacji o samym początku istnienia wszechświata.

Wielki Zderzacz Hadronów i czarna dziura

Ale w związku z faktem, że w tym przypadku pojawi się czarna dziura, lub ogólnie nie wiadomo co, przedstawiciel CERN, James Gills, wyraził wielkie wątpliwości. I to nie tylko dlatego, że ocena bezpieczeństwa zderzacza jest stale prowadzona przez teoretyków, ale również opiera się po prostu na praktyce.

„Ważnym argumentem, że eksperymenty CERN są bezpieczne, jest samo istnienie Ziemi” – powiedział.

„Nasza planeta jest stale narażona na przepływ promieniowania kosmicznego, którego energia nie jest gorsza i często przewyższa energię Cerna i nie została jeszcze zniszczona przez czarną dziurę lub z innych przyczyn.

Tymczasem, jak obliczyliśmy, w czasie istnienia Wszechświata przyroda wykonała co najmniej 1031 programów podobnych do tego, który właśnie zamierzamy zrealizować.

Nie widzi żadnego szczególnego niebezpieczeństwa w możliwości niekontrolowanej reakcji anihilacji z udziałem antycząstek, która powstanie w wyniku eksperymentów.

„Antymateria jest rzeczywiście produkowana w CERN,– potwierdził naukowiec w rozmowie z magazynem New Scientist.

„Jednak te okruchy, które można sztucznie stworzyć na Ziemi, nie wystarczyłyby nawet na najmniejszą bombę.

Niezwykle trudno jest przechowywać i akumulować antymaterię (a niektóre jej rodzaje są w ogóle niemożliwe)”...

Wielki Zderzacz Hadronów i Bozon

Poszukiwanie bozonu. Nawiasem mówiąc, ten sam magazyn napisał, że rosyjscy specjaliści - profesor Irina Arefyeva i doktor nauk fizycznych i matematycznych Igor Volovich z Instytutu Matematycznego Steklov w Moskwie - wierzą, że eksperyment na dużą skalę w CERN może doprowadzić do pojawienia się pierwszego . .. wehikuł czasu na świecie.

Poprosiłem profesor Irinę Yaroslavovna Arefyeva o skomentowanie tej wiadomości. I oto co powiedziała:

„Wciąż sporo wiemy o strukturze otaczającego nas świata. Pamiętajcie, starożytni Grecy wierzyli, że wszystkie przedmioty składają się z atomów, co po grecku oznacza „niepodzielne”.

Jednak z czasem okazało się, że same atomy mają dość złożoną strukturę, składającą się z elektronów, protonów i neutronów. W pierwszej połowie XX wieku nagle okazało się, że te same elektrony z protonami i neutronami z kolei można podzielić na kilka cząstek.

Początkowo lekkomyślnie nazywano je elementarnymi. Jednak na razie okazuje się, że wiele z tych tak zwanych cząstek elementarnych może z kolei podzielić…

Generalnie, gdy teoretycy próbowali zebrać całą zdobytą wiedzę w ramach tzw. Modelu Standardowego, okazało się, że według niektórych źródeł bozony Higgsa są jego centralnym ogniwem”.

Tajemnicza cząstka otrzymała swoją nazwę od profesora Petera Higgsa z Uniwersytetu w Edynburgu. W przeciwieństwie do profesora Higginsa ze słynnego musicalu nie zajmował się nauczaniem poprawnej wymowy ładnych dziewcząt, ale poznawaniem praw mikroświata.

A w latach 60. ubiegłego wieku przyjął następujące założenie: „Wszechświat wcale nie jest pusty, jak nam się wydaje.

Cała jego przestrzeń wypełniona jest jakimś rodzajem lepkiej substancji, za pomocą której dokonuje się np. grawitacyjne oddziaływanie między ciałami niebieskimi, zaczynając od cząstek, atomów i molekuł, a kończąc na planetach, gwiazdach i galaktykach.

Mówiąc po prostu, P. Higgs zasugerował powrót do pomysłu „światowa transmisja” który kiedyś został odrzucony. Ale ponieważ fizycy, podobnie jak inni ludzie, nie lubią przyznawać się do swoich błędów, nowa-stara substancja nazywa się teraz „Pole Higgsa”.

A teraz uważa się, że to właśnie to pole sił nadaje masę cząsteczkom jądrowym. A ich wzajemne przyciąganie zapewnia nośnik grawitacji, który pierwotnie nazywano grawitonem, a teraz bozonem Higgsa.

W 2000 roku fizycy myśleli, że w końcu „złapali” bozon Higgsa. Jednak seria eksperymentów przeprowadzonych w celu przetestowania pierwszego eksperymentu wykazała, że ​​bozon ponownie wymknął się. Niemniej jednak wielu naukowców jest przekonanych, że cząsteczka nadal istnieje.

A żeby go złapać, wystarczy zbudować bardziej niezawodne pułapki, stworzyć jeszcze potężniejsze akceleratory. Jeden z najwspanialszych instrumentów ludzkości został zbudowany wspólnym wysiłkiem w CERN pod Genewą.

Łapią jednak bozon Higgsa nie tylko po to, by upewnić się, że przewidywania naukowców są trafne, ale by znaleźć innego kandydata do roli „pierwszej cegły Wszechświata”.

« Istnieją w szczególności egzotyczne założenia dotyczące budowy wszechświata,

- Profesor I.Ya kontynuował swoją historię. Arefiewa.

– Tradycyjna teoria mówi, że żyjemy w czterowymiarowym świecie

- trzy współrzędne przestrzenne plus czas.

Teoria pomiaru Wielkiego Zderzacza Hadronów

Istnieją jednak hipotezy sugerujące, że w rzeczywistości istnieje więcej wymiarów - sześć, dziesięć, a nawet więcej. W tych pomiarach siła grawitacyjna może być znacznie wyższa niż zwykła g.

A grawitacja, zgodnie z równaniami Einsteina, może wpływać na upływ czasu. Stąd hipoteza "wehikuł czasu". Ale nawet jeśli istnieje, to na bardzo krótki czas iw bardzo małej objętości.

Równie egzotyczna, zdaniem Iriny Jarosławowej, jest hipoteza powstawania w zderzeniu zderzających się belek miniaturowe czarne dziury. Nawet jeśli zostaną uformowane, ich żywotność będzie tak znikoma, że ​​niezwykle trudno będzie je po prostu wykryć.

Chyba że przez znaki pośrednie, na przykład promieniowanie rentgenowskie Hawkinga, a nawet wtedy dopiero po zniknięciu samej dziury.

Jednym słowem, według niektórych obliczeń reakcje zajdą w objętości zaledwie 10–20 metrów sześciennych. cm i tak szybko, że eksperymentatorzy muszą się męczyć, aby umieścić odpowiednie czujniki we właściwych miejscach, zebrać dane, a następnie odpowiednio je zinterpretować.

Ciąg dalszy nastąpi… Od chwili, gdy Profesor Arefieva wypowiedział powyższe słowa, minęło prawie pięć lat do momentu napisania tych wierszy.

W tym czasie miał miejsce nie tylko pierwszy testowy start LHC i kilka kolejnych. Jak już wiesz, wszyscy przeżyli i nic strasznego się nie wydarzyło. Prace trwają...

Naukowcy narzekają tylko, że bardzo trudno jest im monitorować stan całego wyposażenia tej wyjątkowej instalacji naukowej. Jednak już marzą o zbudowaniu gigantycznego akceleratora cząstek nowej generacji, Międzynarodowego Zderzacza Liniowego (ILC).

CERN, Szwajcaria. Czerwiec 2013.

W każdym razie, oto co piszą o tym Barry Barish, Distinguished Professor w California Institute of Technology, który kieruje projektem Międzynarodowego Zderzacza Liniowego i jego koledzy.

– Nicholas Walker Walker, specjalista fizyki akceleratorów z Hamburga oraz Hitoshi Yamamoto, profesor fizyki na Uniwersytecie Tohoku w Japonii.

Wielki Zderzacz Hadronów Przyszłości

„Projektanci ILC określili już główne parametry przyszłego zderzacza” – donoszą naukowcy.

- Jego długość to ok. 31 km; główną część zajmą dwa nadprzewodnikowe akceleratory liniowe, które zapewnią zderzenia elektron-pozyton o energii 500 GeV.

Pięć razy na sekundę ILC wygeneruje, przyspieszy i zderzy blisko 3000 pęczków elektronów i pozytonów w impulsie 1 ms, co odpowiada mocy 10 MW dla każdej wiązki.

Sprawność elektrowni wyniesie około 20%, dlatego całkowita moc potrzebna ILC do przyspieszenia cząstek wyniesie prawie 100 MW”.

Aby wytworzyć wiązkę elektronów, cel z arsenku galu zostanie napromieniowany laserem; w tym przypadku w każdym impulsie zostaną z niego wybite miliardy elektronów.

Elektrony te zostaną natychmiast przyspieszone do 5 GeV w krótkim liniowym akceleratorze nadprzewodzącym, a następnie wstrzyknięte do pierścienia magazynującego o długości 6,7 km znajdującego się w centrum kompleksu.

Poruszające się w pierścieniu elektrony będą generować promieniowanie synchrotronowe, a wiązki kurczą się, co zwiększa gęstość ładunku i intensywność wiązki.

W połowie podróży, przy napięciu 150 MeV, wiązki elektronów zostaną lekko odchylone i przesłane do specjalnego magnesu, tzw. undulatora, gdzie część ich energii zostanie zamieniona na promieniowanie gamma.

Fotony promieniowania gamma trafią w tarczę ze stopu tytanu obracającą się z prędkością około 1000 obr./min.

W tym przypadku powstaje wiele par elektron-pozyton. Pozytony zostaną wychwycone, przyspieszone do 5 GeV, po czym spadną do innego pierścienia zwężającego, a na koniec do drugiego głównego liniowego akceleratora nadprzewodzącego na przeciwległym końcu LS.

Gdy energia elektronów i pozytonów osiągnie końcową wartość 250 GeV, pędzą one do punktu zderzenia. Po zderzeniu produkty reakcji trafią do pułapek, gdzie zostaną naprawione.

Wideo Wielkiego Zderzacza Hadronów

AKCELERATOR CZĄSTECZEK
instalacja, w której za pomocą pól elektrycznych i magnetycznych uzyskuje się ukierunkowane wiązki elektronów, protonów, jonów i innych naładowanych cząstek o energii znacznie wyższej niż energia cieplna. W procesie przyspieszania prędkości cząstek wzrastają, często do wartości zbliżonych do prędkości światła. Obecnie wiele małych akceleratorów znajduje zastosowanie w medycynie (radioterapia), a także w przemyśle (np. do implantacji jonów w półprzewodnikach). Wielkie akceleratory wykorzystywane są głównie do celów naukowych - do badania procesów podjądrowych i właściwości cząstek elementarnych.
(patrz także CZĄSTECZKI ELEMENTARNE). Zgodnie z mechaniką kwantową wiązka cząstek, podobnie jak wiązka światła, charakteryzuje się określoną długością fali. Im większa energia cząstek, tym krótsza długość fali. A im krótsza długość fali, tym mniejsze obiekty, które można badać, ale więcej rozmiarów akceleratory i tym trudniejsze. Rozwój badań nad mikrokosmosem wymagał coraz większej energii wiązki sondującej. Pierwszymi źródłami promieniowania wysokoenergetycznego były naturalne substancje promieniotwórcze. Ale dali naukowcom tylko ograniczony zestaw cząstek, intensywności i energii. W latach 30. naukowcy rozpoczęli prace nad instalacjami, które mogłyby wytwarzać bardziej zróżnicowane wiązki. Obecnie istnieją akceleratory, które umożliwiają uzyskanie dowolnego rodzaju promieniowania wysokoenergetycznego. Jeśli na przykład wymagane jest promieniowanie rentgenowskie lub promieniowanie gamma, wówczas przyspieszane są elektrony, które następnie emitują fotony w procesach promieniowania bremsstrahlung lub synchrotronowego. Neutrony są generowane przez bombardowanie odpowiedniego celu intensywną wiązką protonów lub deuteronów. Energia cząstek jądrowych jest mierzona w elektronowoltach (eV). Elektrowolt to energia, którą uzyskuje naładowana cząstka, niosąc jeden ładunek elementarny (ładunek elektronu), podczas poruszania się w polu elektrycznym między dwoma punktami o różnicy potencjałów 1 V. (1 eV AKCELERATOR CZĄSTEK 1,60219 * 10-19 J. ) Akceleratory umożliwiają uzyskanie energii w zakresie od tysięcy do kilku bilionów (10 12) elektronowoltów - w największym na świecie akceleratorze. Aby wykryć rzadkie procesy w eksperymencie, konieczne jest zwiększenie stosunku sygnału do szumu. Wymaga to coraz bardziej intensywnych źródeł promieniowania. Przednia krawędź nowoczesna technologia Akceleratory są określone przez dwa główne parametry - energię i intensywność wiązki cząstek. Nowoczesne akceleratory wykorzystują liczne i różnorodne rodzaje technologii: generatory wysokiej częstotliwości, szybką elektronikę i automatyczne systemy sterowania, złożone urządzenia diagnostyczne i sterujące, urządzenia ultrawysokiej próżni, silne magnesy precyzyjne (zarówno „konwencjonalne”, jak i kriogeniczne) oraz złożone systemy regulacje i mocowania.
PODSTAWOWE ZASADY
Podstawowy schemat przyspieszania cząstek obejmuje trzy etapy:
1) tworzenie i wstrzykiwanie wiązki, 2) przyspieszanie wiązki i 3) wydobywanie wiązki na cel lub kolizja wiązek zderzających się w samym akceleratorze.
Formowanie i wtryskiwanie wiązki. Początkowym elementem każdego akceleratora jest wtryskiwacz, który ma źródło ukierunkowanego przepływu cząstek o niskiej energii (elektrony, protony lub inne jony) oraz wysokonapięciowe elektrody i magnesy, które wyciągają wiązkę ze źródła i ją tworzą. W źródłach protonów pierwszych akceleratorów gazowy wodór przechodził przez obszar wyładowania elektrycznego lub w pobliżu rozżarzonego włókna. W takich warunkach atomy wodoru tracą swoje elektrony i pozostają tylko jądra - protony. Ta metoda (i podobnie jak w przypadku innych gazów) w ulepszonej postaci jest nadal wykorzystywana do otrzymywania wiązek protonów (i ciężkich jonów). Źródło tworzy wiązkę cząstek, która charakteryzuje się średnią energią początkową, prądem wiązki, jej wymiarami poprzecznymi oraz średnią rozbieżnością kątową. Wskaźnikiem jakości wtryskiwanej wiązki jest jej emitancja, tj. iloczyn promienia wiązki i jej rozbieżności kątowej. Im niższa emitancja, tym wyższa jakość końcowej wiązki cząstek o wysokiej energii. Analogicznie do optyki, prąd cząstek podzielony przez emitancję (odpowiadającą gęstości cząstek podzielonej przez rozbieżność kątową) nazywany jest jasnością wiązki. Wiele zastosowań nowoczesnych akceleratorów wymaga najwyższej możliwej jasności wiązki.
Przyspieszenie wiązki. Wiązka jest formowana w komorach lub wtryskiwana do jednej lub kilku komór akceleratora, w których pole elektryczne zwiększa prędkość, a tym samym energię cząstek. W pierwszych, najprostszych akceleratorach, energia cząstek została zwiększona w silnym polu elektrostatycznym wytworzonym wewnątrz komory wysokiej próżni. Maksymalną energię, jaką można było w tym przypadku osiągnąć, była określona wytrzymałością dielektryczną izolatorów akceleratora. W wielu nowoczesnych akceleratorach jako wtryskiwacze nadal stosuje się elektrostatyczne akceleratory elektronów i jonów (do jonów uranu) o energiach od 30 keV do 1 MeV. Uzyskanie wysokiego napięcia pozostaje dziś trudnym problemem technicznym. Można to uzyskać ładując grupę kondensatorów połączonych równolegle, a następnie podłączając je szeregowo do szeregu lamp przyspieszających. W ten sposób w 1932 roku J. Cockcroft i E. Walton uzyskali napięcia do 1 MV. Istotną praktyczną wadą tej metody jest to, że do zewnętrznych elementów układu przykładane jest wysokie napięcie, co jest niebezpieczne dla eksperymentatorów. Inną metodę uzyskiwania wysokiego napięcia wynalazł w 1931 r. R. Van de Graaf. W generatorze Van de Graaffa (rys. 1) taśma dielektryczna przenosi ładunki elektryczne ze źródła napięcia o potencjale ziemi na elektrodę wysokiego napięcia, zwiększając w ten sposób jej potencjał względem ziemi. Jednostopniowy generator Van de Graaffa umożliwia uzyskanie napięć do 10 MV. Protony o energiach do 30 MeV zostały wyprodukowane w wielostopniowych akceleratorach wysokonapięciowych.

Jeśli nie potrzebujesz ciągłej wiązki, ale krótki impuls wysokoenergetycznych cząstek, możesz skorzystać z tego, że przez krótki czas (mniej niż mikrosekundę) izolatory są w stanie wytrzymać znacznie wyższe napięcia. Diody przełączające pozwalają uzyskać napięcia do 15 MV na stopień w obwodach o bardzo niskiej impedancji. Umożliwia to uzyskanie prądów wiązki rzędu kilkudziesięciu kiloamperów, a nie dziesiątek miliamperów, jak w akceleratorach elektrostatycznych. Zwykły sposób uzyskania wysokiego napięcia opiera się na obwodzie generatora impulsów Marksa, w którym bateria kondensatorów jest najpierw ładowana równolegle, a następnie łączona szeregowo i rozładowywana przez jedną szczelinę wyładowczą. Impuls wysokiego napięcia generatora wchodzi do długiej linii, która tworzy impuls, ustalając jego czas narastania. Linia jest obciążona elektrodami przyspieszającymi wiązkę. Przy napięciu przyspieszającym o wysokiej częstotliwości konstrukcja akceleratora wytrzymuje znacznie silniejsze pola elektryczne bez przebicia niż przy stałym napięciu. Jednak wykorzystanie pól o wysokiej częstotliwości do przyspieszania cząstek jest utrudnione przez fakt, że znak pola zmienia się szybko i okazuje się, że pole przyspiesza lub zwalnia. Pod koniec lat dwudziestych zaproponowano dwie metody przezwyciężenia tej trudności, które są obecnie stosowane w większości akceleratorów.
AKCELERATORY LINIOWE
Możliwość zastosowania pól elektrycznych o wysokiej częstotliwości w długich akceleratorach wielostopniowych polega na tym, że takie pole zmienia się nie tylko w czasie, ale także w przestrzeni. W każdej chwili natężenie pola zmienia się sinusoidalnie w zależności od położenia w przestrzeni, tj. rozkład pola w przestrzeni ma postać fali. I w każdym punkcie przestrzeni zmienia się sinusoidalnie w czasie. Dlatego maksima pola poruszają się w przestrzeni z tzw. prędkością fazową. Dzięki temu cząstki mogą poruszać się w taki sposób, że lokalne pole cały czas je przyspiesza. W akceleratorach liniowych pola o wysokiej częstotliwości po raz pierwszy zastosowano w 1929 roku, kiedy norweski inżynier R. Wideröe przyspieszył jony w krótkim układzie sprzężonych rezonatorów wysokiej częstotliwości. Jeżeli rezonatory są zaprojektowane w taki sposób, że prędkość fazowa pola jest zawsze równa prędkości cząstek, to wiązka jest stale przyspieszana podczas ruchu w akceleratorze. Ruch cząstek w tym przypadku przypomina ślizganie się surfera po grzbiecie fali. W takim przypadku prędkości protonów lub jonów w procesie przyspieszania mogą znacznie wzrosnąć. W związku z tym prędkość fazowa fali vphase również powinna wzrosnąć. Jeśli elektrony mogą być wstrzykiwane do akceleratora z prędkością bliską prędkości światła c, to w tym reżimie prędkość fazowa jest prawie stała: vfaza = c. Inne podejście, które umożliwia wyeliminowanie wpływu fazy spowalniającej pola elektrycznego o wysokiej częstotliwości, opiera się na zastosowaniu konstrukcji metalowej, która podczas tego półcyklu osłania wiązkę przed polem. Metoda ta została po raz pierwszy zastosowana przez E. Lawrence'a w cyklotronie (patrz poniżej); jest również używany w akceleratorze liniowym Alvareza. Ta ostatnia to długa rura próżniowa zawierająca wiele metalowych rurek dryftowych. Każda rura jest połączona szeregowo z generatorem wysokiej częstotliwości za pomocą długiej linii, wzdłuż której przyspieszająca fala napięcia przebiega z prędkością bliską prędkości światła (rys. 2). W ten sposób wszystkie lampy z kolei są pod wysokim napięciem. Naładowana cząstka wyemitowana z wtryskiwacza w odpowiednim momencie przyspiesza w kierunku pierwszej rurki, nabierając określonej energii. Wewnątrz tej tuby cząsteczka dryfuje - porusza się ze stałą prędkością. Jeśli długość tuby jest dobrana, to wyjdzie ona z niej w momencie, gdy napięcie przyspieszające przesunie się o jedną długość fali. W tym przypadku napięcie na drugiej lampie również będzie przyspieszać i wynosi setki tysięcy woltów. Proces ten powtarza się wielokrotnie, a na każdym etapie cząsteczka otrzymuje dodatkową energię. Aby ruch cząstek był zsynchronizowany ze zmianą pola, długość rur musi wzrastać odpowiednio do wzrostu ich prędkości. Ostatecznie prędkość cząstki osiągnie prędkość bardzo zbliżoną do prędkości światła, a graniczna długość rurek będzie stała.

Zmiany przestrzenne w terenie nakładają ograniczenia na strukturę czasową belki. Przyspieszające pole zmienia się w wiązce cząstek o dowolnej skończonej długości. W konsekwencji długość wiązki cząstek powinna być mała w porównaniu z długością fali przyspieszającego pola o wysokiej częstotliwości. W przeciwnym razie cząstki przyspieszą inaczej w wiązce. Zbyt duży rozrzut energii w wiązce nie tylko zwiększa trudność skupienia wiązki ze względu na obecność aberracji chromatycznej w soczewkach magnetycznych, ale także ogranicza możliwość wykorzystania wiązki w określonych problemach. Rozprzestrzenianie się energii może również prowadzić do rozmazania wiązki cząstek wiązki w kierunku osiowym. Rozważmy grupę nierelatywistycznych jonów poruszających się z prędkością początkową v0. Wzdłużne siły elektryczne wywołane ładunkiem kosmicznym przyspieszają część czołową belki i spowalniają część ogonową. Poprzez odpowiednią synchronizację ruchu pęczka z polem o wysokiej częstotliwości, możliwe jest osiągnięcie większego przyspieszenia części ogonowej pęczki niż części czołowej. Dzięki takiemu dopasowaniu faz napięcia przyspieszającego i wiązki możliwe jest przeprowadzenie fazowania wiązki – aby skompensować efekt defazacyjny ładunku przestrzennego i rozproszenia energii. W rezultacie w pewnym zakresie wartości fazy centralnej wiązki obserwuje się centrowanie i oscylacje cząstek względem pewnej fazy ruchu stabilnego. Zjawisko to, zwane autofazowaniem, jest niezwykle ważne dla liniowych akceleratorów jonów oraz nowoczesnych cyklicznych akceleratorów elektronów i jonów. Niestety autofazowanie uzyskuje się kosztem skrócenia cyklu pracy akceleratora do wartości znacznie mniejszych niż jedność. W procesie przyspieszania prawie wszystkie wiązki wykazują tendencję do zwiększania promienia z dwóch powodów: z powodu wzajemnego elektrostatycznego odpychania cząstek oraz z powodu rozprzestrzeniania się prędkości poprzecznych (cieplnych). Pierwszy trend słabnie wraz ze wzrostem prędkości wiązki, ponieważ pole magnetyczne wytworzone przez prąd wiązki ściska wiązkę i, w przypadku wiązek relatywistycznych, prawie kompensuje efekt rozogniskowania ładunku przestrzennego w kierunku promieniowym. Dlatego efekt ten jest bardzo istotny w przypadku akceleratorów jonowych, ale prawie nieistotny w przypadku akceleratorów elektronów, w których wiązka jest wstrzykiwana z prędkościami relatywistycznymi. Drugi efekt, związany z emitancją wiązki, jest ważny dla wszystkich akceleratorów. Możliwe jest utrzymywanie cząstek w pobliżu osi za pomocą magnesów kwadrupolowych. To prawda, że ​​pojedynczy magnes kwadrupolowy, skupiający cząstki w jednej z płaszczyzn, rozogniskuje je w drugiej. Pomaga tu jednak zasada „silnego ogniskowania” odkryta przez E. Couranta, S. Livingstona i H. Snydera: system dwóch kwadrupolowych magnesów oddzielonych rozpiętością, z naprzemiennymi płaszczyznami ogniskowania i rozogniskowania, ostatecznie zapewnia ogniskowanie we wszystkich płaszczyznach. Rurki dryfujące są nadal używane w linikach protonowych, w których energia wiązki wzrasta z kilku megaelektronowoltów do około 100 MeV. Pierwsze elektronowe akceleratory liniowe, takie jak akcelerator 1 GeV zbudowany na Uniwersytecie Stanforda (USA), również wykorzystywały rurki dryfujące o stałej długości, ponieważ wiązka była wstrzykiwana z energią rzędu 1 MeV. Bardziej nowoczesne linaki elektronowe, z których największym jest akcelerator 50 GeV o długości 3,2 km zbudowany w Stanford Linear Accelerator Center, wykorzystują zasadę „elektron surfing” na fali elektromagnetycznej, co pozwala na przyspieszenie wiązki z przyrostem energii prawie 20 MeV na metr układu przyspieszającego. W tym akceleratorze moc wysokiej częstotliwości o częstotliwości około 3 GHz jest generowana przez duże urządzenia elektropróżniowe - klistrony. Lizak protonowy o najwyższej energii został zbudowany w Losalamos National Laboratory w Nowym Jorku. Nowy Meksyk (USA) jako „fabryka mezonów” do produkcji intensywnych wiązek pionów i mionów. Jej miedziane wnęki wytwarzają pole przyspieszające rzędu 2 MeV/m, dzięki czemu w wiązce impulsowej wytwarza do 1 mA protonów o energii 800 MeV. Aby przyspieszyć nie tylko protony, ale także ciężkie jony, opracowano nadprzewodnikowe układy o wysokiej częstotliwości. Największy nadprzewodnikowy linak protonowy służy jako iniektor akceleratora wiązki zderzającej HERA w laboratorium niemieckiego synchrotronu elektronowego (DESY) w Hamburgu w Niemczech.
AKCELERATORY CYKLICZNE
Cyklotron protonowy. Istnieje bardzo elegancki i ekonomiczny sposób na przyspieszenie wiązki poprzez wielokrotne nadawanie jej niewielkich porcji energii. Aby to zrobić, z silnym pole magnetyczne wiązka jest zmuszona poruszać się po orbicie kołowej i wielokrotnie przechodzić przez tę samą szczelinę przyspieszającą. Metoda ta została po raz pierwszy zastosowana w 1930 roku przez E. Lawrence'a i S. Livingstona w wynalezionym przez nich cyklotronie. Podobnie jak w akceleratorze liniowym z rurkami dryfującymi, wiązka jest osłonięta przed działaniem pola elektrycznego podczas półcyklu, gdy działa jako opóźniacz. Naładowana cząstka o masie mi ładunku q poruszająca się z prędkością v w polu magnetycznym H skierowanym prostopadle do jej prędkości opisuje w tym polu okrąg o promieniu R = mv/qH. Ponieważ przyspieszenie prowadzi do wzrostu prędkości v, zwiększa się również promień R. W ten sposób protony i ciężkie jony poruszają się po spirali o coraz większym promieniu. Z każdym obrotem wzdłuż orbity wiązka przechodzi przez szczelinę między deesami - wysokonapięciowymi pustymi elektrodami w kształcie litery D, na które działa pole elektryczne o wysokiej częstotliwości (ryc. 3). Lawrence zdał sobie sprawę, że czas między przejściami wiązki przez szczelinę w przypadku cząstek nierelatywistycznych pozostaje stały, ponieważ wzrost ich prędkości jest kompensowany wzrostem promienia. Podczas tej części okresu obrotu, gdy pole wysokiej częstotliwości ma niewłaściwą fazę, wiązka znajduje się poza przerwą. Częstotliwość cyrkulacji wyrażona jest wzorem

gdzie f to częstotliwość napięcia przemiennego w MHz, H to natężenie pola magnetycznego w T, a mc2 to masa cząstki w MeV. Jeżeli wartość H jest stała w obszarze, w którym występuje przyspieszenie, to częstotliwość f oczywiście nie zależy od promienia
(patrz również LAWRENCE Ernest Orlando).

Aby przyspieszyć jony do wysokich energii, konieczne jest tylko, aby pole magnetyczne i częstotliwość napięcia wysokiego napięcia spełniały warunek rezonansu; wtedy cząstki przejdą przez szczelinę między dudnikami dwa razy na obrót we właściwym czasie. Aby przyspieszyć wiązkę do energii 50 MeV przy napięciu przyspieszającym 10 keV, potrzeba 2500 obrotów. Częstotliwość robocza cyklotronu protonowego może wynosić 20 MHz, tak że czas przyspieszania jest rzędu 1 ms. Podobnie jak w akceleratorach liniowych, cząstki podczas przyspieszania w cyklotronie muszą być skupione w kierunku poprzecznym, w przeciwnym razie wszystkie, z wyjątkiem tych wtryskiwanych z prędkościami równoległymi do nabiegunników magnesu, wypadną z cyklu przyspieszania. W cyklotronie możliwość przyspieszania cząstek o skończonym rozkładzie kątów zapewnia nadanie polu magnetycznemu specjalnej konfiguracji, w której siły działające na cząstki opuszczające płaszczyznę orbity zwracają je na tę płaszczyznę. Niestety, zgodnie z wymaganiami dotyczącymi stabilności wiązki przyspieszonych cząstek, składowa ogniskująca pola magnetycznego musi maleć wraz ze wzrostem promienia. A to jest sprzeczne z warunkiem rezonansowym i prowadzi do efektów ograniczających natężenie wiązki. Innym istotnym czynnikiem zmniejszającym możliwości prostego cyklotronu jest relatywistyczny wzrost masy, będący niezbędną konsekwencją wzrostu energii cząstek:

W przypadku przyspieszania protonów synchronizacja zostanie przerwana z powodu relatywistycznego przyrostu masy przy około 10 MeV. Jednym ze sposobów utrzymania synchronizacji jest modulowanie częstotliwości napięcia przyspieszającego tak, aby zmniejszało się ono wraz ze wzrostem promienia orbity i wzrostem prędkości cząstek. Częstotliwość musi się zmieniać zgodnie z prawem

Taki synchrocyklotron może przyspieszać protony do energii kilkuset megaelektrowoltów. Na przykład, jeśli natężenie pola magnetycznego wynosi 2 T, to częstotliwość powinna spaść z około 32 MHz w momencie wtrysku do 19 MHz lub mniej, gdy cząstki osiągną energię 400 MeV. Taka zmiana częstotliwości napięcia przyspieszającego powinna nastąpić w ciągu kilku milisekund. Gdy cząstki osiągną najwyższą energię i zostaną usunięte z akceleratora, częstotliwość powraca do pierwotnej wartości i do akceleratora wprowadzana jest nowa wiązka cząstek. Ale nawet przy optymalnej konstrukcji magnesu i najlepsza wydajność Systemy zasilania o wysokiej częstotliwości Możliwości cyklotronów są ograniczone względami praktycznymi: do utrzymania przyspieszonych cząstek o wysokiej energii na orbicie potrzebne są niezwykle duże magnesy. Tak więc masa magnesu cyklotronu o energii 600 MeV, zbudowanego w laboratorium TRIUMPH w Kanadzie, przekracza 2000 ton i zużywa energię elektryczną rzędu kilku megawatów. Koszt budowy synchrocyklotronu jest w przybliżeniu proporcjonalny do sześcianu promienia magnesu. Dlatego, aby osiągnąć wyższe energie przy praktycznie akceptowalnych kosztach, potrzebne są nowe zasady akceleracji.
Synchrotron protonowy. Wysoki koszt akceleratorów cyklicznych wiąże się z dużym promieniem magnesu. Możliwe jest jednak utrzymywanie cząstek na orbicie o stałym promieniu poprzez zwiększanie natężenia pola magnetycznego wraz ze wzrostem ich energii. Akcelerator liniowy wprowadza na tę orbitę wiązkę cząstek o stosunkowo niskiej energii. Ponieważ pole ograniczające jest potrzebne tylko w wąskim obszarze w pobliżu orbity wiązki, nie ma potrzeby stosowania magnesów pokrywających cały obszar orbity. Magnesy znajdują się tylko wzdłuż pierścieniowej komory próżniowej, co daje ogromne oszczędności. Takie podejście zostało zaimplementowane w synchrotronie protonowym. Pierwszym akceleratorem tego typu był kosmotron 3 GeV (rys. 4), który zaczął działać w Brookhaven National Laboratory w 1952 roku w USA; wkrótce po nim powstał Bevatron 6 GeV, zbudowany w Laboratorium. Lawrence University of California w Berkeley (USA). Zbudowany specjalnie do wykrywania antyprotonu, działa od 39 lat, wykazując trwałość i niezawodność akceleratorów cząstek.

W synchrotronach pierwszej generacji zbudowanych w USA, Wielkiej Brytanii, Francji i ZSRR ogniskowanie było słabe. W związku z tym amplituda oscylacji promieniowych cząstek w procesie ich przyspieszania była duża. Szerokość komór próżniowych wynosiła około 30 cm, aw tej wciąż dużej objętości konieczne było dokładne kontrolowanie konfiguracji pola magnetycznego. W 1952 dokonano odkrycia, które pozwoliło drastycznie zredukować oscylacje wiązki, a co za tym idzie, wymiary komory próżniowej. To była zasada silnego lub twardego skupienia. W nowoczesnych synchrotronach protonowych z nadprzewodnikowymi magnesami kwadrupolowymi ułożonymi w silnym układzie ogniskującym komora próżniowa może mieć średnicę mniejszą niż 10 cm, co prowadzi do znacznego zmniejszenia wielkości, kosztów i poboru mocy magnesów ogniskujących i odchylających. Pierwszym synchrotronem opartym na tej zasadzie był synchrotron o zmiennym gradiencie 30 GeV w Brookhaven. Podobny obiekt zbudowano w laboratorium Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN) w Genewie. W połowie lat 90. oba akceleratory działały jeszcze. Apertura Variable Gradient Synchrotron była około 25 razy mniejsza niż Cosmotron. Moc pobierana przez magnes przy energii 30 GeV w przybliżeniu odpowiadała mocy pobieranej przez magnes Cosmotron przy 3 GeV. „Variable Gradient Synchrotron” przyspieszał 6×1013 protonów na impuls, co odpowiadało największemu natężeniu wśród obiektów tej klasy. Ogniskowanie w tym akceleratorze odbywało się za pomocą tych samych magnesów, które odchylały wiązkę; osiągnięto to poprzez nadanie biegunom magnesu kształtu pokazanego na ryc. 5. Nowoczesne akceleratory zwykle wykorzystują oddzielne magnesy do odchylania i skupiania wiązki.

LABORATORIUM IM. E. FERMI koło Batavii (USA). Obwód „Głównego Pierścienia” akceleratora wynosi 6,3 km. Pierścień znajduje się na głębokości 9 m pod kołem w centrum obrazu.

W połowie lat 90. największym synchrotronem protonowym był Tevatron Narodowego Laboratorium Akceleratora. E. Fermi w Batavii (USA). Jak sama nazwa wskazuje, Tevatron przyspiesza wiązki protonów w pierścieniu o średnicy 2 km do energii około 1 TeV. Protony są przyspieszane przez cały system akceleratorów, począwszy od generatora Cockcrofta-Waltona jako wtryskiwacza, z którego do akceleratora liniowego o energii 400 MeV wprowadzane są ujemne jony wodoru o energii 750 keV. Następnie wiązka linak jest przepuszczana przez folię węglową w celu usunięcia elektronów i wstrzykiwana do pośredniego synchrotronu - boostera - o średnicy 150 m. W boosterze protony wykonują około 20 000 obrotów i uzyskują energię 8 GeV. Zazwyczaj booster wykonuje 12 szybkich kolejnych cykli pracy, w wyniku których 12 wiązek protonów jest wtryskiwanych do „Głównego Pierścienia” – kolejnego synchrotronu protonowego o długości pierścienia 6,3 km. „Główny pierścień”, w którym protony są przyspieszane do energii 150 GeV, składa się z 1000 konwencjonalnych magnesów z miedzianymi uzwojeniami, które odchylają i skupiają protony. Bezpośrednio pod „głównym pierścieniem” znajduje się końcowy synchrotron „Tevatron” składający się z 1000 nadprzewodzących magnesów. Wiązkę można wydobyć wieloma kanałami na odległość 1,5-3 km do badań w zewnętrznych halach doświadczalnych. Silniejsze magnesy odchylające i skupiające są wymagane do utrzymania wiązek o wyższej energii na orbicie. Zaprojektowane do subjądrowej „mikroskopii”, synchrotrony protonowe o energiach powyżej 1 TeV wymagają tysięcy magnesów nadprzewodzących i ogniskujących o długości 5-15 mz aperturą o szerokości kilku centymetrów, zapewniając wyjątkowo wysoką dokładność pola i stabilność w czasie. Głównymi czynnikami utrudniającymi tworzenie synchrotronów protonowych dla wyższych energii są wysoki koszt i złożoność sterowania związana z ich ogromnymi rozmiarami.
AKCELERATORY Z PRZECIWBELKAMI
Zderzacze cykliczne. Daleko od całej energii przyspieszonej cząstki jest zużywana do przeprowadzenia pożądanej reakcji. Znaczna jej część jest bezużytecznie tracona w postaci odrzutu doświadczanego przez docelową cząstkę ze względu na prawo zachowania pędu. Jeśli padająca cząstka ma energię E, a masa docelowej cząstki w spoczynku to M, wtedy użyteczna energia wynosi

Tak więc w eksperymentach z celem w spoczynku w Tevatronie użyteczna energia wynosi tylko 43 GeV. Chęć wykorzystania najwyższych możliwych energii w badaniach cząstek doprowadziła do powstania w CERN i Laboratorium. E. Fermiego zderzacze protonowo-antyprotonowe, a także duża liczba instalacji w różnych krajów ze zderzającymi się wiązkami elektronowo-pozytonowymi. W pierwszym zderzaczu protonów w pierścieniu o obwodzie 1,6 km dochodziło do zderzeń protonów i antyprotonów o energiach 26 GeV (rys. 6). Przez kilka dni można było akumulować belki o prądzie do 50 A.

Obecnie zderzaczem o najwyższej energii jest Tevatron, na którym przeprowadza się eksperymenty, gdy wiązka protonów o energii 1 TeV zderza się z wiązką zderzającą antyprotonów o tej samej energii. Takie eksperymenty wymagają antyprotonów, które można uzyskać, bombardując metalowy cel wiązką wysokoenergetycznych protonów z „Głównego Pierścienia”. Wytworzone w tych zderzeniach antyprotony gromadzą się w oddzielnym pierścieniu o energii 8 GeV. Gdy zgromadzi się wystarczająca ilość antyprotonów, są one wstrzykiwane do „Głównego Pierścienia”, przyspieszane do 150 GeV, a następnie wstrzykiwane do „Tevatron”. Tutaj protony i antyprotony są jednocześnie przyspieszane do pełnej energii, a następnie zderzają się. Całkowity pęd zderzających się cząstek wynosi zero, więc cała energia 2E jest użyteczna. W przypadku Tevatrona osiąga prawie 2 TeV. Największą energię spośród zderzaczy elektron-pozyton uzyskano w „Dużym pierścieniu magazynującym elektron-pozyton” w CERN, gdzie energia zderzających się wiązek w pierwszym etapie wynosiła 50 GeV na wiązkę, a następnie została zwiększona do 100 GeV na wiązkę. DESI zbudowało zderzacz HERA, w którym elektrony zderzają się z protonami. Ten ogromny zysk energetyczny jest osiągany za cenę znacznego zmniejszenia prawdopodobieństwa zderzeń cząstek zderzających się wiązek o małej gęstości. Częstotliwość zderzeń jest określona przez jasność, tj. liczba zderzeń na sekundę, której towarzyszy reakcja tego typu o określonym przekroju. Jasność zależy liniowo od energii i prądu wiązki i jest odwrotnie proporcjonalna do jej promienia. Energia wiązki zderzacza dobierana jest zgodnie ze skalą energetyczną badanych procesów fizycznych. Aby zapewnić najwyższą jasność, konieczne jest osiągnięcie maksymalnej możliwej gęstości wiązki w miejscu ich spotkania. Dlatego głównym problemem technicznym przy projektowaniu zderzaczy jest skupienie wiązek w punkcie ich spotkania w bardzo małym miejscu i zwiększenie prądu wiązki. Aby osiągnąć pożądaną jasność, mogą być wymagane prądy większe niż 1 A. Inny niezwykle trudny problem techniczny wiąże się z koniecznością zapewnienia ultrawysokiej próżni w komorze zderzacza. Ponieważ zderzenia między cząstkami wiązek zdarzają się stosunkowo rzadko, zderzenia z resztkowymi cząsteczkami gazu mogą znacznie tłumić wiązki, zmniejszając prawdopodobieństwo badanych interakcji. Ponadto rozpraszanie wiązek przez gaz resztkowy daje w detektorze niepożądane tło, które może maskować badany proces fizyczny. Podciśnienie w komorze zderzacza powinno mieścić się w granicach 10-9 – 10-7 Pa (10-11 – 10-9 mmHg) w zależności od jasności. Przy niższych energiach można przyspieszać bardziej intensywne wiązki elektronów, co umożliwia badanie rzadkich rozpadów mezonów B i K w wyniku oddziaływań elektrosłabych. Szereg takich instalacji, czasami określanych mianem „fabryk aromatów”, powstaje obecnie w USA, Japonii i we Włoszech. Takie instalacje mają dwa pierścienie magazynujące - dla elektronów i dla pozytonów, przecinające się w jednym lub dwóch punktach - regiony interakcji. Każdy pierścień zawiera wiele pęczków cząstek o łącznym prądzie większym niż 1 A. Energie wiązki dobiera się tak, aby energia użyteczna odpowiadała rezonansowi, który rozpada się na badane krótkożyciowe cząstki - mezony B lub K. Konstrukcja tych instalacji oparta jest na synchrotronie elektronowym i pierścieniach akumulacyjnych.
Zderzacze liniowe. Energie cyklicznych zderzaczy elektron-pozyton są ograniczone przez intensywne promieniowanie synchrotronowe emitowane przez wiązki przyspieszonych cząstek (patrz niżej). Wada ta nie występuje w zderzaczach liniowych, w których promieniowanie synchrotronowe nie wpływa na proces przyspieszania. Zderzacz liniowy składa się z dwóch akceleratorów liniowych o wysokich energiach, których wiązki o dużej intensywności – elektron i pozyton – są skierowane ku sobie. Belki spotykają się i zderzają tylko raz, po czym są odprowadzane do absorberów. Pierwszym zderzaczem liniowym jest „Stanford Linear Collider”, który wykorzystuje akcelerator liniowy Stanforda, który ma długość 3,2 km i działa przy energii 50 GeV. W układzie tego zderzacza wiązki elektronów i pozytonów są przyspieszane w tym samym akceleratorze liniowym i rozdzielają się, gdy wiązki osiągną pełną energię. Następnie wiązki elektronów i pozytonów są transportowane osobnymi łukami, które kształtem przypominają rurki stetoskopu medycznego i skupiają się na średnicy około 2 mikronów w obszarze oddziaływania.
Nowe technologie. Poszukiwanie bardziej ekonomicznych metod akceleracji doprowadziło do powstania nowych systemów akceleracyjnych i generatorów wysokiej częstotliwości dużej mocy pracujących w zakresie częstotliwości od 10 do 35 GHz. Jasność zderzaczy elektron-pozyton musi być wyjątkowo wysoka, ponieważ przekrój procesów maleje wraz z kwadratem energii cząstek. W związku z tym gęstość wiązki musi być również bardzo wysoka. W zderzaczu liniowym o energii rzędu 1 TeV rozmiary wiązki mogą sięgać 10 nm, co jest znacznie mniejsze rozmiary wiązka w Zderzaczu Liniowym Stanforda (2 μm). Przy tak małych rozmiarach wiązki potrzebne są bardzo silne, stabilne magnesy ze złożonymi elektronicznymi sterownikami automatycznymi, aby dokładnie dopasować elementy ogniskujące. Kiedy wiązki elektronów i pozytonów przechodzą przez siebie, ich oddziaływanie elektryczne jest neutralizowane, a magnetyczne wzmacniane. W rezultacie pola magnetyczne mogą osiągnąć 10 000 T. Takie gigantyczne pola mogą silnie deformować wiązki i prowadzić do dużego rozproszenia energii w wyniku generowania promieniowania synchrotronowego. Efekty te, wraz z względami ekonomicznymi związanymi z budowaniem coraz bardziej rozbudowanych maszyn, ograniczą energię osiągalną w zderzaczach elektronów i pozytonów.
PRZECHOWYWANIE ELEKTRONICZNE
Elektroniczne synchrotrony działają na tych samych zasadach co synchrotrony protonowe. Jednak ze względu na jedną ważną cechę są prostsze technicznie. Niewielka masa elektronów umożliwia wstrzykiwanie wiązki z prędkością bliską prędkości światła. Dlatego dalszy wzrost energii nie wiąże się z zauważalnym wzrostem prędkości, a synchrotrony elektronowe mogą działać przy stałej częstotliwości napięcia przyspieszającego, jeśli wiązka zostanie wstrzyknięta z energią około 10 MeV. Jednak tę zaletę neguje inna konsekwencja małej masy elektronu. Ponieważ elektron porusza się po orbicie kołowej, porusza się z przyspieszeniem (dośrodkowym), a zatem emituje fotony - promieniowanie, które nazywamy synchrotronem. Moc promieniowania synchrotronowego P jest proporcjonalna do czwartej mocy energii wiązki E i prądu I, a także odwrotnie proporcjonalna do promienia pierścienia R, tak że jest proporcjonalna do (E/m)4IR -1. Ta energia, tracona podczas każdego obrotu wiązki elektronów wzdłuż orbity, musi być kompensowana przez napięcie o wysokiej częstotliwości przyłożone do szczelin przyspieszających. W „fabrykach aromatów” zaprojektowanych do wysokiej intensywności takie straty mocy mogą sięgać dziesiątek megawatów. Akceleratory cykliczne, takie jak synchrotrony elektronowe, mogą być również wykorzystywane jako akumulatory dużych prądów krążących o stałej wysokiej energii. Takie pierścienie akumulacyjne mają dwa główne zastosowania: 1) w badaniach jąder i cząstek elementarnych metodą wiązki zderzającej, jak wspomniano powyżej, oraz 2) jako źródła promieniowania synchrotronowego wykorzystywanego w fizyce atomowej, materiałoznawstwie, chemii, biologii i medycynie. Średnia energia fotonowa promieniowania synchrotronowego jest proporcjonalna do (E/m)3R-1. Tak więc elektrony o energiach rzędu 1 GeV krążące w pierścieniu akumulacyjnym emitują intensywne promieniowanie synchrotronowe w zakresie ultrafioletowym i rentgenowskim. Większość fotonów jest emitowana w wąskim kącie pionowym rzędu m/E. Ponieważ promień wiązek elektronów w nowoczesnych pierścieniach akumulacyjnych o energii rzędu 1 GeV mierzony jest w dziesiątkach mikrometrów, emitowane przez nie wiązki rentgenowskie charakteryzują się dużą jasnością, dlatego mogą służyć jako potężne narzędzie do badań struktura materii. Promieniowanie jest emitowane stycznie do krzywoliniowej trajektorii elektronów. Dlatego każdy odchylający magnes pierścienia akumulującego elektrony, gdy przechodzi przez niego wiązka elektronów, tworzy rozwijającą się „wiązkę światła punktowego” promieniowania. Jest wyprowadzany przez długie kanały próżniowe styczne do głównej komory próżniowej pierścienia akumulacyjnego. Znajdujące się wzdłuż tych kanałów szczeliny i kolimatory tworzą wąskie wiązki, z których wymagany zakres energii promieniowania rentgenowskiego jest dalej oddzielany za pomocą monochromatorów. Pierwszymi źródłami promieniowania synchrotronowego były obiekty zbudowane pierwotnie w celu rozwiązywania problemów w fizyce wysokich energii. Przykładem jest akumulator pozytonowo-elektronowy Stanford 3 GeV w Stanford Synchrotron Radiation Laboratory. Kiedyś w tym obiekcie odkryto "zaczarowane" mezony. Pierwsze źródła promieniowania synchrotronowego nie były w stanie zaspokoić zróżnicowanych potrzeb setek użytkowników. Szybki wzrost Zapotrzebowanie na promieniowanie synchrotronowe o dużym strumieniu i dużym natężeniu wiązki doprowadziło do powstania źródeł drugiej generacji zaprojektowanych w celu zaspokojenia potrzeb wszystkich możliwych użytkowników. W szczególności wybrano układy magnesów, które zmniejszają emitancję wiązki elektronów. Mała emitancja oznacza mniejszy rozmiar wiązki, a tym samym wyższą jasność źródła promieniowania. Typowymi przedstawicielami tego pokolenia były pierścienie akumulacyjne w Brookhaven, które służyły jako źródła promieni rentgenowskich i promieniowania w próżni ultrafioletowym obszarze widma. Jasność promieniowania można również zwiększyć, poruszając wiązkę po torze sinusoidalnym w okresowej strukturze magnetycznej, a następnie łącząc promieniowanie występujące na każdym zakręcie. Undulatory - struktury magnetyczne zapewniające taki ruch, to szereg dipoli magnetycznych, które odchylają wiązkę pod niewielkim kątem, umieszczonych w linii prostej na osi wiązki. Jasność promieniowania z takiego undulatora może być setki razy większa niż jasność promieniowania występującego w magnesach odchylających. W połowie lat 80. zaczęto tworzyć źródła promieniowania synchrotronowego trzeciej generacji z dużą liczbą takich undulatorów. Wśród pierwszych źródeł trzeciej generacji znajdują się „Poprawione źródło światła” o energii 1,5 GeV w Berkeley, które generuje miękkie promieniowanie rentgenowskie, a także „Poprawione źródło fotonów” o energii 6 GeV w Argonne National Laboratorium (USA) oraz synchrotron 6 GeV w Europejskim Centrum Promieniowania Synchrotronowego w Grenoble (Francja), które są wykorzystywane jako źródła twardego promieniowania rentgenowskiego. Po udanej budowie tych instalacji, także w innych miejscach powstało wiele źródeł promieniowania synchrotronowego. Nowy krok w kierunku większej jasności w zakresie od podczerwieni do twardego promieniowania rentgenowskiego wiąże się z zastosowaniem „ciepłych” dipoli magnetycznych o natężeniu pola magnetycznego około 1,5 T oraz znacznie krótszych nadprzewodzących dipoli magnetycznych o polu kilku Tesli w system magnesów odchylających. Takie podejście jest wdrażane w nowym źródle promieniowania synchrotronowego tworzonym w Instytucie P. Scherrera w Szwajcarii oraz w modernizacji źródła w Berkeley. Wykorzystanie promieniowania synchrotronowego w badaniach naukowych stało się powszechne i nadal się rozwija. Wyjątkowa jasność takich wiązek rentgenowskich umożliwia stworzenie nowej generacji mikroskopów rentgenowskich do badania układów biologicznych w ich normalnym środowisku wodnym. Otwiera to możliwość szybkiej analizy struktury wirusów i białek w celu opracowania nowych farmaceutyków ze szczególnym uwzględnieniem czynników chorobotwórczych i minimalnych skutków ubocznych. Jasne wiązki promieniowania rentgenowskiego mogą służyć jako potężne mikrosondy do wykrywania nawet najmniejszych ilości zanieczyszczeń i zanieczyszczeń. Umożliwiają bardzo szybką analizę próbek środowiskowych podczas badania dróg zanieczyszczeń. środowisko. Mogą być również wykorzystywane do oceny czystości dużych płytek krzemowych przed kosztowną produkcją bardzo złożonych układów scalonych i otwierają nowe perspektywy dla techniki litograficznej, umożliwiając w zasadzie wytwarzanie układów scalonych o elementach mniejszych niż 100 nm.
AKCELERATORY W MEDYCYNIE
Akceleratory odgrywają ważną praktyczną rolę w terapii medycznej i diagnostyce. Wiele szpitali na całym świecie ma dziś do dyspozycji małe elektronowe akceleratory liniowe, które generują intensywne promieniowanie rentgenowskie wykorzystywane w terapii nowotworów. W mniejszym stopniu wykorzystywane są cyklotrony lub synchrotrony generujące wiązki protonów. Przewaga protonów w terapii nowotworów nad promienie rentgenowskie polega na bardziej zlokalizowanym uwalnianiu energii. Dlatego terapia protonowa jest szczególnie skuteczna w leczeniu guzów mózgu i oka, gdy uszkodzenie otaczających zdrowych tkanek powinno być jak najmniejsze. Zobacz też