Prečo fyzici potrebujú nový urýchľovač?
Ak sa fyzikov spýtate, aký ďalší urýchľovač budú vo veľmi blízkej budúcnosti potrebovať, s najväčšou pravdepodobnosťou dostanete odpoveď, že ide o zrážač elektrónov a pozitrónov.

Prečo vôbec potrebujeme nový urýchľovač a prečo si nevystačíme len s LHC?

Odpoveď na túto otázku spočíva v povahe zrýchlených častíc. Protóny zrýchlené na LHC sa podieľajú na procesoch „silnej“ interakcie. „Silná“ interakcia je jednou zo štyroch základných interakcií prírody spolu so „slabými“, elektromagnetickými a gravitačnými interakciami. Ako už názov napovedá, „silná“ interakcia je najsilnejšia zo všetkých typov interakcií. Jeho sila ďaleko prevyšuje sily „slabých“ a elektromagnetických interakcií a ešte viac gravitáciu, ktorá (akokoľvek divne sa to môže zdať!) je najslabšia zo všetkých existujúcich interakcií. Prečo teda väčšina ľudí nikdy nepočula o existencii „silnej“ sily, hoci všetci veľmi dobre poznáme gravitáciu a elektrinu? Vysvetľuje to skutočnosť, že „silná“ interakcia pôsobí len na veľmi malé vzdialenosti porovnateľné s veľkosťou atómových jadier. Napríklad vďaka „silnej“ interakcii sú protóny a neutróny držané pohromade vo vnútri atómových jadier. Bez nej by sa protóny pôsobením elektrických odpudivých síl rozleteli rôznymi smermi. A neutróny, ktoré nemajú vôbec žiadny elektrický náboj, sa jednoducho v jadrách udržať nedali.

je možné urobiť objav, ale na presné meranie parametrov novoobjavených častíc je potrebné niečo iné.

Toto „stále“ sú práve zrážače elektrónov a pozitrónov. Na rozdiel od protónov sa elektróny a pozitróny nezúčastňujú procesov „silnej“ interakcie. Ich interakcia je spôsobená elektroslabými procesmi. Vzhľadom na špecifickosť týchto interakcií sú prierezy na výrobu novej fyziky a pozadia malé. Z tohto dôvodu je elektrón-pozitrónový urýchľovač ťažko použiteľný na prvotný objav (hoci je to možné). Ak však už k objavu došlo a hmotnosť nových častíc je približne známa, potom. vhodnou úpravou energie kolidujúcich elektrónov a pozitrónov je možné znásobiť pravdepodobnosť generovania signálnych udalostí pri zachovaní malých pozadí. Takže elektrón-pozitrónový urýchľovač bude dobrým doplnkom k LHC.

Elektrón-pozitrónové urýchľovače
AT tento moment existujú dva konkurenčné projekty budúceho elektrón-pozitrónového urýchľovača. Názov prvého projektu je International Linear Collider (ILC), o ňom podrobne. Predpokladá sa, že energia zrážky na tomto zrážači bude 500 GeV pri dĺžke zrážača 31 km. Projekt zahŕňa možnosť zvýšenia energie zrážky na 1 TeV, pričom dĺžka zrážača sa zväčší na 50 km. Technológia, ktorá sa má použiť pri konštrukcii ILC, je dobre zavedená. V mnohom sa spolieha na technológiu vytvorenú pre výstavbu TESLA. Urýchľovač TESLA mal byť vybudovaný na území výskumného centra DESY (Hamburg, Nemecko). Z hľadiska technických charakteristík je podobný ILC. Stavba bola prakticky skolaudovaná a na poslednú chvíľu zrušená pre finančné ťažkosti. ILC je medzinárodný projekt, ktorého zúčastnené krajiny môžu ponúknuť vlastné územie na výstavbu. Rusko ako účastník ILC ponúklo, že ho postaví v Dubni.

Kompaktný lineárny urýchľovač alebo skrátene CLIC je druhým z projektov konštrukcie elektrón-pozitrónových zrážačov. Predpokladaná energia zrážky bude 3 TeV s možnosťou následného zvýšenia na 5 TeV. Dĺžka komplexu urýchľovača bude 48,3 km. Energia CLIC prevyšuje energiu ILC. Toto je jednoznačné plus. Technológia CLIC však ešte nebola vyvinutá tak dôkladne ako pri ILC. Bude to trvať ešte minimálne niekoľko rokov.

Na prvý pohľad je energia elektrón-pozitrónového urýchľovača oveľa menšia ako energia LHC. Na rozdiel od elektrónov, ktoré sú skutočne elementárnymi časticami, však protóny majú vnútornú štruktúru. Skladajú sa z kvarkov, ktoré drží pohromade „silná“ sila, ktorú nesú gluóny. Keď sa protóny zrážajú v zrážači, v skutočnosti dochádza ku zrážkam medzi ich kvarkami a gluónmi, z ktorých každý nesie len malú časť celkovej energie protónov. Pri porovnaní energie týchto zrážok s energiou elektrón-pozitrónového urýchľovača sa ukazuje, že sú porovnateľné.

V každom prípade konečné rozhodnutie o potrebe postaviť elektrón-pozitrónový urýchľovač a výber technológie padne až po získaní výsledkov na LHC.

Prečo lineárne?

A prečo by mal byť budúci elektrón-pozitrónový urýchľovač lineárny? V tomto prípade sa skutočne stráca hlavná výhoda prstencových urýchľovačov, v ktorých sú častice mnohokrát urýchľované a pri pohybe v kruhu prechádzajú cez rovnaké urýchľovacie prvky. Napríklad zrýchlenie protónov na LHC z energie 450 GeV na energiu 7 TeV sa má uskutočniť do 20 minút. Za tento čas stihne protónový lúč prekonať vzdialenosť 36∙10 7 km (čo je približne dvojnásobok vzdialenosti od Zeme k Slnku). Postaviť lineárny zrážač takejto dĺžky je jednoducho nemožné. Na vytvorenie lineárneho urýchľovača je teda potrebné výrazne zvýšiť rýchlosť zrýchlenia. Aj tak bude dĺžka zrážača desiatky kilometrov. Ďalšou nevýhodou lineárnych zrážačov je možnosť inštalácie iba jedného experimentálneho nastavenia, pretože existuje iba jeden bod kolízie lúča. Napríklad na LHC sú 4 také body.

Zdalo by sa, že ak fyzici skutočne potrebujú zrážač elektrónov a pozitrónov, prečo z neho neurobiť prstenec? Bohužiaľ, možnosti vytvorenia kruhového elektrón-pozitrónového zrážača sú obmedzené samotnou prírodou. Keď sa nabité častice pohybujú v kruhu, vzniká synchrotrónové žiarenie, v dôsledku ktorého častice strácajú svoju energiu. Tento efekt je pre protóny prakticky bezvýznamný (aj pri energiách LHC). Avšak elektróny, ktorých hmotnosť je takmer 2000-krát menšia ako hmotnosť protónu, stratia značnú časť svojej energie v dôsledku synchrotrónového žiarenia. Výstup pri konštrukcii lineárneho zrážača. Možnosť postaviť takýto urýchľovač bola demonštrovaná na Stanforde, kde sa nachádza jediný lineárny elektrón-pozitrónový urýchľovač na svete.

Muon Collider
Elektrón patrí do triedy leptónov, skupiny častíc zúčastňujúcich sa elektroslabých interakcií. Ďalším predstaviteľom tejto triedy častíc je mión. Ide o negatívne nabitú elementárnu časticu, ktorej hmotnosť je 210-krát väčšia ako hmotnosť elektrónu, čo umožňuje nestarať sa o synchrotrónové žiarenie pri urýchľovaní miónu v prstencovom urýchľovači. Mión by bol ideálnou časticou na zrýchlenie, nebyť jeho krátkej životnosti. Je to len 1,6 µs. Počas tejto doby musia byť mióny zrýchlené na relativistické rýchlosti. To predstavuje vážne technické ťažkosti. Vážne snahy o vývoj technológie miónového urýchľovača sa začali v polovici 90. rokov 20. storočia. V súčasnosti existuje koncepčný návrh miónového urýchľovača s energiou v rozmedzí 1,5-4 TeV. Realizácia tohto projektu je však s najväčšou pravdepodobnosťou otázkou vzdialenejšej budúcnosti ako výstavba elektrón-pozitrónového urýchľovača.

Možno prvým krokom k vytvoreniu miónového urýchľovača bude výstavba továrne na neutrín.

Neutríno je častica s prekvapivo malým interakčným prierezom, ktorá má v dôsledku toho obrovskú penetračnú silu. Napríklad, aby neutríno narazilo na železnú bariéru, musí byť veľkosť tejto bariéry porovnateľná so vzdialenosťou od Slnka k Jupiteru. Paul Dirac, vedec, ktorý prvýkrát teoreticky navrhol túto časticu, sa dokonca stavil, že sa nikdy experimentálne nenájde (naozaj, ako ju možno odhaliť, ak s ničím neinteraguje?). Stávku však prehral. Častica bola objavená počas života vedca. V súčasnosti sa aktívne študujú vlastnosti neutrín. Na to sa používajú najmä neutrínové lúče. Na prvý pohľad sa zdá neuveriteľné, ako je vôbec možné vytvoriť neutrínový lúč? Ako dosiahnuť, aby častice, ktoré nemajú elektrický náboj a sú extrémne neochotné interagovať s hmotou, lietali jedným smerom? Na to sa používajú vopred zrýchlené nabité častice (napríklad mióny), ktoré pri rozpade dávajú neutrína. Ak veľa miónov letí rovnakým smerom, výsledné neutrína budú tiež lietať rovnakým smerom. Tu je neutrínový lúč pre vás! Jediným problémom je, že mióny žijú extrémne krátko a počas ich života je nemožné ich nahromadiť vo veľkom počte. Alebo skôr nefungovalo. Táto medzera má vyplniť projekt neutrínovej továrne, ktorý je založený na vytváraní „skladovacích“ miónových prstencov, čo je zase prvým krokom k vytvoreniu miónového urýchľovača.

Ďalší hadrón?
A postaví sa ďalší hadrónový urýchľovač, ktorý prekoná energiu LHC? Skôr či neskôr sa totiž skončí éra presných meraní (na ktoré je v prvom rade potrebný lineárny elektrón-pozitrónový urýchľovač) a na štúdium nových energetických rozsahov bude opäť potrebný urýchľovač. Takýto projekt existuje. V roku 2010 CERN oznámil plány postaviť 35 TeV hadrónový urýchľovač v tuneli LHC (po jeho odstavení).

Technologický limit
Každá ďalšia generácia urýchľovačov je čoraz väčšia a drahšia. Enormné náklady a zložitosť dizajnu sú do značnej miery spôsobené tým, že existujúca technológia zrýchlenia dosiahla svoj limit. Vo vnútri novej generácie lineárnych urýchľovačov sa teda musia udržiavať obrovské urýchľovacie polia. Keď sa však intenzita poľa zvyšuje, dochádza k poruchám vo vnútri urýchľovacích prvkov, čo vedie k ich zničeniu. Na zvládnutie tohto problému sa používajú špeciálne konštrukcie a drahé materiály. Pre ILC a CLIC bolo s veľkými ťažkosťami možné vytvoriť akceleračné gradienty rádovo 100 MeV/m.

Je nepravdepodobné, že by sa táto hodnota mohla výrazne zvýšiť. Toto definuje technologický limit pre lineárne urýchľovače.

V prstencových urýchľovačoch nie sú zrýchľovacie gradienty problémom, pretože častice môžu byť v kruhu urýchľované mnohokrát.

Čím vyššia je však energia zrýchlených častíc, tým ťažšie je udržať ich na kruhovej dráhe vo vnútri urýchľovača. Na tento účel sa používajú silné magnetické polia. Na LHC je magnetické pole 8,33 Tesla. Na ďalšom hadrónovom urýchľovači, ktorý sa plánuje umiestniť v tuneli LHC, po dokončení práce LHC (o tom sa hovorilo trochu vyššie), bude magnetické pole asi 20 Tesla. To je takmer hranica moderných technológií. Ďalším spôsobom je zväčšiť veľkosť urýchľovacieho prstenca, v dôsledku čoho sa zakrivenie trajektórie častíc zmenšuje, takže je ľahšie ich udržať vo vnútri urýchľovača. Vzhľadom na to, že veľkosť moderných urýchľovačov je už desiatky kilometrov, ich ďalšie zvyšovanie sa však javí ako veľmi problematická a časovo náročná úloha.

Kvôli gigantickým nákladom na nové urýchľovače sa na národnej úrovni diskutuje o otázkach ich výstavby. A dokonca sa stať vyjednávacím čipom v rukách politikov. Za pripomenutie stojí napríklad projekt SSC (Superconducting Super Collider).

Tento hadrónový urýchľovač s energiou lúča 20x20 TeV mal byť vyrobený v USA. Áno, nie je to preklep! Celková energia kolidujúcich lúčov mala byť 40 TeV.

To je takmer trojnásobok maximálnej energie LHC, ktorá sa dosiahne až po konštrukčných prácach na zlepšení urýchľovača, plánovaných na rok 2012. Dĺžka urýchľovacieho prstenca SSC mala byť 87,1 km (dĺžka LHC 27 km). Stavba mala byť dokončená v roku 1999. Realizácia projektu sa začala. Vyrazených bolo 22,5 km štôlne, zatopených bolo 17 baní. Žiaľ, projekt bol následne uzavretý.

Neznamená to všetko koniec fyziky urýchľovačov? Výstavba nových urýchľovačov pomocou existujúcich technológií je čoraz nákladnejšia. A dokončenie projektov trvá desaťročia. Prvýkrát sa teda o konštrukcii LHC hovorilo v roku 1984 a oficiálne spustenie urýchľovača sa uskutočnilo až koncom roka 2009. Možno nie je ďaleko deň, keď už nebude možné postaviť nový urýchľovač? Možným východiskom z tejto situácie je vývoj nových technológií.

Plazmové urýchľovače
Jednou z najsľubnejších technológií je metóda plazmovej akcelerácie. Čo je jej podstatou? Ako je uvedené vyššie, moderná technológia zrýchlenie takmer dosiahlo svoj limit. Ďalší nárast urýchľovacích polí vedie k poruchám a deštrukcii stien urýchľovacích prvkov. Ale ak áno, možno sa zaobídete bez stien? Veľké elektrické polia môžu vzniknúť napríklad v plazme. Plazma je plyn zložený z kladne nabitých iónov a záporne nabitých elektrónov. Plazma je zvyčajne elektricky neutrálna, pretože elektróny a ióny sú rovnomerne rozdelené v objeme plazmy. Čo ak existuje nejaký spôsob, ako ich oddeliť? Potom môžu byť vytvorené elektrické polia použité na urýchlenie častíc. Ako však dosiahnuť takéto oddelenie?

Dá sa to urobiť pulzným laserom alebo elektrónovým lúčom.

Zhluk elektrónov, ktoré lietajú cez plazmu, tlačí plazmové elektróny do cesty.

V tomto prípade sa ióny prakticky nepohybujú, pretože ich hmotnosť je oveľa väčšia ako hmotnosť elektrónov. Výsledkom je, že v mieste, ktorým práve prešiel elektrónový lúč, sa na veľmi krátky čas vytvorí oblasť naplnená kladným nábojom. Bezprostredne za ním je oblasť, v ktorej sa plazmové elektróny už vrátili na svoje miesta a uzavreli sa za prechádzajúcim lúčom. Obrovské elektrické polia vznikajú na hranici medzi týmito oblasťami (vo veľmi malom objeme). Táto sekcia sa pohybuje za elektrónovým lúčom a častica, ktorá vstupuje do tejto sekcie, zažije konštantné zrýchlenie.

V angličtine sa táto technológia nazýva wakefield akcelerácia, teda doslova „zrýchlenie v brázde“. Táto analógia nie je náhodná. Predstavte si surfistu kĺzajúceho sa na doske na hrebeni vlny. Ak ide o prirodzenú vlnu, tak potešenie surfera netrvá dlho (kým vlna zoslabne). Ale čo ak je táto vlna neustále živená? Napríklad motorový čln môže ísť dopredu a vytvoriť za ním „bdelý prúd“. Surfer môže jazdiť na hrebeni tejto vlny. Zároveň nepotrebuje ani lano, aby sa pridržal na člne. Všetko, čo potrebujete, je vlna.

Opísaná myšlienka nie je nová. Prvýkrát bol sformulovaný v prácach Budkera a Vekslera v polovici 50. rokov 20. storočia. Pre veľké množstvo technických problémov a veľkú rezervu konvenčnej akceleračnej techniky však zostala dlho nenárokovaná. V súčasnosti sa technológia plazmovej akcelerácie aktívne rozvíja. Potenciál je obrovský! Ukázalo sa, že gradienty zrýchlenia môžu presiahnuť 100 GeV/m. To je 1000-krát viac ako CLIC (najvýkonnejší elektrón-pozitrónový urýchľovač vo vývoji). Pri takejto rýchlosti zrýchlenia je na urýchlenie protónov na energiu LHC potrebný urýchľovač s dĺžkou iba 70 metrov (namiesto 27 km). Bohužiaľ, nie všetko je také jednoduché. A na ceste k vytvoreniu tohto druhu zrážačov je ešte potrebné vyriešiť veľké množstvo technických problémov. Pre využitie vytvorených lúčov v experimentoch je potrebné, aby energia častíc v lúči mala približne rovnakú hodnotu. Dlho sa to nepodarilo dosiahnuť. Ukázalo sa, že energia zrýchlených častíc je rozptýlená v extrémne širokom rozsahu. V posledných rokoch však došlo k výraznému pokroku v riešení tohto problému. Ďalším problémom je škálovanie technológie.

Ako udržať veľký zrýchľovací gradient na veľké vzdialenosti?

Koniec koncov, spočiatku také obrovské rýchlosti zrýchlenia mohli byť vytvorené vo vzdialenostiach nepresahujúcich niekoľko milimetrov. Určitý pokrok sa dosiahol aj pri riešení tohto problému. Na demonštráciu základnej možnosti udržania veľkých gradientov na relatívne veľké vzdialenosti sa uskutočnil experiment. Na konci Stanfordského lineárneho urýchľovača (SLC), ktorý urýchľuje elektróny na 42 GeV, bola dodaná ďalšia sekcia urýchľovača založená na technológii plazmového zrýchlenia. Dĺžka úseku bola asi 85 cm a zároveň sa tam zdvojnásobila energia elektrónu (maximálna energia elektrónu bola 857 GeV). Je to o to fantastickejšie, že zrýchlenie elektrónov na 42 GeV trvá 3 km na samotnom zrážači.

Napriek takýmto úspechom bude pravdepodobne trvať niekoľko desaťročí, kým sa na základe tejto technológie vytvoria multi-TeV kolidéry. Ale malé urýchľovače s energiou okolo 1 GeV, ktoré sa zmestia na stôl, sa môžu objaviť v najbližších rokoch. Takéto urýchľovače možno použiť napríklad na vytvorenie kompaktných zdrojov synchrotrónového žiarenia.

Čo ešte?

Keď už hovoríme o urýchľovačoch budúcnosti, nemohol som, žiaľ, spomenúť mnoho ďalších projektov, ktorých cieľom nie je dobývanie nových energetických hraníc, ale vytváranie vysokointenzívnych lúčov na štúdium vzácnych procesov (napríklad projekty SuperKEKB či SuperB). Nespomenul som ani projekty iónových lúčov, akými sú výstavba veľkého komplexu urýchľovačov FAIR, modernizácia urýchľovača RHIC, či projekt nového iónového urýchľovača NICA v Dubni. Možno je ťažké vymenovať všetko v krátkej prednáške. Dúfame, že väčšina z týchto projektov sa zrealizuje.

Veľký hadrónový urýchľovač bol nazývaný buď „Stroj súdneho dňa“ alebo kľúč k tajomstvu vesmíru, ale jeho význam je nepopierateľný.

Ako raz povedal slávny britský mysliteľ Bertrand Russell: „Toto vieš, filozofia je to, čo nevieš.“ Zdalo by sa, že je to pravda vedecké poznatky dávno oddelené od jeho počiatkov, ktoré možno nájsť vo filozofických výskumoch Staroveké Grécko, ale nie je to tak.

Počas celého dvadsiateho storočia sa vedci snažili nájsť vo vede odpoveď na otázku o štruktúre sveta. Tento proces bol podobný hľadaniu zmyslu života: obrovské množstvo teórií, domnienok a dokonca bláznivých nápadov. K akým záverom prišli vedci začiatkom 21. storočia?

Celý svet sa skladá z elementárne častice, ktoré sú konečnými podobami všetkého, čo existuje, teda toho, čo sa nedá rozdeliť na menšie prvky. Patria sem protóny, elektróny, neutróny atď. Tieto častice sú v neustálej interakcii. Na začiatku nášho storočia bol vyjadrený v 4 základných typoch: gravitačný, elektromagnetický, silný a slabý. Prvý popisuje Všeobecná teória relativity, ďalšie tri sú kombinované v rámci Štandardného modelu (kvantovej teórie). Bolo tiež navrhnuté, že existuje ďalšia interakcia, neskôr nazývaná "Higgsovo pole".

Postupne sa objavila myšlienka spojiť všetky základné interakcie v rámci „ teória všetkého", ktorý bol spočiatku vnímaný ako vtip, no rýchlo prerástol v mocný vedecký smer. Prečo je to potrebné? Všetko je jednoduché! Bez toho, aby sme pochopili, ako svet funguje, sme ako mravce v umelom hniezde – nedostaneme sa za svoje hranice. Ľudské poznanie nemôže (dobre, resp zbohom nemôžete, ak ste optimista) pokryť štruktúru sveta v jeho celistvosti.

Uvažuje sa o jednej z najznámejších teórií, ktoré tvrdia, že „zahŕňajú všetko“. teória strún. Znamená to, že celý vesmír a naše životy sú multidimenzionálne. Napriek rozpracovanej teoretickej časti a podpore známych fyzikov ako Brian Greene a Stephen Hawking nemá žiadne experimentálne potvrdenie.

Vedcov o desaťročia neskôr omrzelo vysielanie z tribún a rozhodli sa postaviť niečo, čo by raz a navždy malo bodky na i. Na tento účel bolo vytvorené najväčšie experimentálne zariadenie na svete - Veľký hadrónový urýchľovač (LHC).

"Do zrážača!"

Čo je to zrážač? Z vedeckého hľadiska ide o urýchľovač nabitých častíc navrhnutý tak, aby urýchľoval elementárne častice, aby sa lepšie pochopilo ich vzájomné pôsobenie. Laicky povedané, je to veľká aréna (alebo pieskovisko, ak chcete), v ktorej vedci bojujú, aby dokázali svoje teórie.

Prvýkrát s myšlienkou zraziť elementárne častice a zistiť, čo sa stane, prišiel americký fyzik Donald William Kerst v roku 1956. Naznačil, že vďaka tomu budú môcť vedci preniknúť do tajov vesmíru. Mohlo by sa zdať, že čo je zlé na spojení dvoch zväzkov protónov s celkovou energiou miliónkrát väčšou ako pri termonukleárnej fúzii? Časy boli vhodné: studená vojna, preteky v zbrojení a tak ďalej.

História vzniku LHC

Brücke-Osteuropa / wikimedia.org
(CC0 1.0)

Myšlienka vytvorenia urýchľovača na získavanie a štúdium nabitých častíc sa objavila na začiatku 20. rokov 20. storočia, ale prvé prototypy vznikli až začiatkom 30. rokov 20. storočia. Spočiatku to boli vysokonapäťové lineárne urýchľovače, teda nabité častice pohybujúce sa v priamke. Prstencová verzia bola predstavená v roku 1931 v USA, potom sa podobné zariadenia začali objavovať v mnohých vyspelých krajinách - Veľkej Británii, Švajčiarsku a ZSSR. Dostali meno cyklotróny a neskôr sa začali aktívne využívať na vytváranie jadrových zbraní.

Treba poznamenať, že náklady na výstavbu urýchľovača častíc sú neuveriteľne vysoké. Vytvorením poverila Európa, ktorá počas studenej vojny nehrala prvoradú úlohu Európska organizácia pre jadrový výskum (v ruštine sa často číta CERN), ktorá sa neskôr ujala výstavby LHC.

CERN vznikol v dôsledku obáv svetového spoločenstva o jadrový výskum v USA a ZSSR, ktorý by mohol viesť k všeobecnému vyhladeniu. Vedci sa preto rozhodli spojiť sily a nasmerovať ich mierovým smerom. V roku 1954 sa CERN oficiálne zrodil.

V roku 1983 boli pod záštitou CERN-u objavené W a Z bozóny, po ktorých sa otázka objavu Higgsových bozónov stala len otázkou času. V tom istom roku sa začali práce na konštrukcii veľkého elektrón-pozitrónového urýchľovača (LEPC), ktorý zohral prvoradú úlohu pri štúdiu objavených bozónov. Už vtedy sa však ukázalo, že kapacita vytvoreného zariadenia bude čoskoro nepostačujúca. A v roku 1984 bolo rozhodnuté postaviť LHC, hneď po demontáži BEPC. Toto sa stalo v roku 2000.

Výstavbu LHC, ktorá sa začala v roku 2001, uľahčil fakt, že prebiehala na mieste bývalého BEPK, v údolí Ženevského jazera. V súvislosti s otázkami financovania (v roku 1995 sa náklady odhadovali na 2,6 miliardy švajčiarskych frankov, do roku 2001 presiahli 4,6 miliardy, v roku 2009 to bolo 6 miliárd dolárov).

V súčasnosti sa LHC nachádza v tuneli s obvodom 26,7 km a prechádza územím dvoch európskych krajín naraz – Francúzska a Švajčiarska. Hĺbka tunela sa pohybuje od 50 do 175 metrov. Treba tiež poznamenať, že energia zrážky protónov v urýchľovači dosahuje 14 teraelektrónvoltov, čo je 20-krát viac ako výsledky dosiahnuté pomocou BEPC.

"Zvedavosť nie je zlozvyk, ale veľký odpor"

27 km tunel urýchľovača CERN sa nachádza 100 metrov pod zemou neďaleko Ženevy. Budú tu umiestnené obrovské supravodivé elektromagnety. Napravo sú transportné vozne. Juhanson/wikipedia.org (CC BY-SA 3.0)

Prečo je potrebný tento človekom vyrobený „stroj súdneho dňa“? Vedci očakávajú, že uvidia svet taký, aký bol bezprostredne po Veľkom tresku, teda v čase vzniku hmoty.

Ciele, ktoré si vedci stanovili pri stavbe LHC:

1. Potvrdenie alebo vyvrátenie Štandardného modelu s cieľom ďalej vytvárať „teóriu všetkého“.
2. Dôkaz existencie Higgsovho bozónu ako častice piatej základnej interakcie. Podľa teoretického výskumu by to malo ovplyvniť elektrické a slabé interakcie a narušiť ich symetriu.
3. Štúdium kvarkov, ktoré sú základnou časticou, ktorá je 20-tisíckrát menšia ako protóny, ktoré sa z nich skladajú.
4. Získavanie a štúdium temnej hmoty, ktorá tvorí väčšinu vesmíru.

Zďaleka to nie sú jediné ciele, ktoré vedci LHC určili, no ostatné sú viac súvisiace alebo čisto teoretické.

čo sa dosiahlo?

Najväčším a najvýznamnejším úspechom bolo nepochybne oficiálne potvrdenie existencie Higgsov bozón. Objav piatej interakcie (Higgsovo pole), ktorá podľa vedcov ovplyvňuje získavanie hmoty všetkými elementárnymi časticami. Predpokladá sa, že keď je symetria narušená počas pôsobenia Higgsovho poľa na iné polia, W a Z bozóny sa stanú masívnymi. Objav Higgsovho bozónu je svojím významom taký významný, že mu množstvo vedcov dalo názov „božské častice“.

Kvarky sa spájajú do častíc (protónov, neutrónov a iných), ktoré sú tzv hadróny. Práve oni zrýchľujú a zrážajú sa v LHC, odtiaľ pochádza aj jeho názov. Počas prevádzky urýchľovača sa dokázalo, že izolovať kvark od hadrónu je jednoducho nemožné. Ak sa o to pokúsite, jednoducho vytiahnete iný druh elementárnej častice napríklad z protónu - mezón. Napriek tomu, že ide len o jeden z hadrónov a sám o sebe nenesie nič nové, ďalšie štúdium interakcie kvarkov by sa malo vykonávať presne po malých krokoch. Pri skúmaní základných zákonov fungovania Vesmíru je zhon nebezpečný.

Hoci samotné kvarky neboli objavené v procese používania LHC, ich existencia bola do určitého bodu vnímaná ako matematická abstrakcia. Prvé takéto častice boli nájdené v roku 1968, ale až v roku 1995 bola oficiálne dokázaná existencia „skutočného kvarku“. Výsledky experimentov potvrdzuje možnosť ich reprodukovania. Preto je dosiahnutie podobného výsledku LHC vnímané nie ako opakovanie, ale ako konsolidujúci dôkaz ich existencie! Aj keď problém s realitou kvarkov nikde nezmizol, pretože jednoducho sú nemožno vyčleniť z hadrónov.

aké sú plány?

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

Hlavná úloha vytvorenia „teórie všetkého“ nebola vyriešená, ale prebieha teoretické štúdium možných možností jej prejavu. Doteraz je jedným z problémov zjednotenia Všeobecnej teórie relativity a Štandardného modelu ich rozdielny rozsah, a preto druhý nezohľadňuje vlastnosti prvého. Preto je dôležité ísť nad rámec štandardného modelu a dostať sa až na pokraj nová fyzika.

supersymetria - vedci sa domnievajú, že spája bosonické a fermiónové kvantové polia natoľko, že sa môžu navzájom premeniť. Práve tento druh konverzie presahuje rámec štandardného modelu, pretože existuje teória, že symetrické mapovanie kvantových polí je založené na gravitóny. Môžu byť elementárnou časticou gravitácie.

Bozón Madala- hypotéza o existencii bozónu Madala naznačuje, že existuje ešte jedno pole. Iba ak Higgsov bozón interaguje so známymi časticami a hmotou, potom bude s nimi interagovať bozón Madala temná hmota. Napriek tomu, že zaberá veľkú časť vesmíru, jeho existencia nie je zahrnutá v rámci Štandardného modelu.

Mikroskopická čierna diera jedným z výskumov LHC je vytvorenie čiernej diery. Áno, áno, presne tá čierna, všetko pohlcujúca oblasť vo vesmíre. Našťastie v tomto smere nenastal výrazný pokrok.

Veľký hadrónový urýchľovač je dnes viacúčelovým výskumným centrom, na základe ktorého vznikajú a experimentálne sa potvrdzujú teórie, ktoré nám pomôžu lepšie pochopiť štruktúru sveta. Vlny kritiky sa často dvíhajú okolo množstva prebiehajúcich štúdií, ktoré sú označené za nebezpečné, vrátane štúdií od Stephena Hawkinga, ale hra rozhodne stojí za sviečku. Nebudeme sa môcť plaviť po čiernom oceáne zvanom Vesmír s kapitánom, ktorý nemá mapy, kompas, ani základné znalosti o svete okolo nás.

Ak nájdete chybu, zvýraznite časť textu a kliknite Ctrl+Enter.

Na rozdiel od svojich náprotivkov v biológii (ktorí si môžu objednať hlodavce, annelids alebo pijavice online), fyzici musia navrhnúť svoje vlastné testovacie subjekty.

Keď fyzici potrebujú častice pre urýchľovače, prídu na našu stránku a zanechajú v komentároch reklamy, ktoré ponúkajú prácu pre voľné častice. Niekedy potrebujú častice s pozitívnym prístupom, niekedy neutrálnejšie. Fyzici potom požiadajú časticu o rande, a ak všetko pôjde dobre, ponúknu účasť na procese urýchľovania. Takto vznikol Higgsov bozón.

Ak. Na rozdiel od svojich náprotivkov v biológii (ktorí si môžu objednať hlodavce, annelids alebo pijavice online), fyzici si musia vytvoriť svoje vlastné testovacie subjekty. Nie je ľahké získať dostatok častíc pre vysokorýchlostnú zrážku vo Veľkom hadrónovom urýchľovači.

Predtým, ako ich vložíme do urýchľovača častíc, poďme zistiť, prečo to musíme urobiť. Čo sú to urýchľovače a prečo nemôžeme urýchliť niečo podstatnejšie ako častice?

Najznámejším urýchľovačom častíc je Veľký hadrónový urýchľovač, 27-kilometrové kruhové monštrum zakopané pod zemou. LHC sa nachádza vo Švajčiarsku a funguje pod Európskou organizáciou pre jadrový výskum, aka CERN (skratka dáva zmysel, ak poznáte jej francúzsky pravopis). LHC sa stal pomerne populárnym v roku 2012, keď zrážky častíc vrhli svetlo na stopy Higgsovho bozónu, pre ktorý bol tento urýchľovač v skutočnosti skonštruovaný. Objav Higgsovho bozónu umožnil fyzikom sebavedomejšie hovoriť o Higgsovom poli, ako aj o tom, ako hmota vo vesmíre naberá hmotnosť.

Ale ak je LHC superhviezdou vo svete urýchľovačov, existuje mnoho ďalších menej známych štúdií, ktoré vyrábajú svoje vlastné nahrávky. Vo všeobecnosti je na svete asi 30 000 urýchľovačov a možno im treba poďakovať za najpraktickejšie vynálezy. A nie sú to len slová. Vedci, ktorí chceli študovať superabsorpčné polyméry používané v jednorazových plienkach, mali problémy s ich štúdiom, keď boli mokré, a tak - ta-da - prešli na röntgenovú mikroskopiu (ktorá využíva zrýchlenie častíc). Tým, že vedci dokázali identifikovať a študovať štruktúru molekulárnych reťazcov, dokázali správne formulovať správny vzorec, ktorý udrží moderné plienky suché a vďaka urýchľovačom častíc.

Okrem toho sa urýchľovače dobre používajú v lekárskom prostredí, najmä pri štúdiu spôsobov liečby rakoviny. Lineárne urýchľovače (keď častice kolidujú s cieľom v priamke) vystreľujú elektróny na kovový cieľ, čo vedie k vysoko presnému röntgenovému žiareniu s vysokou energiou, ktoré dokáže liečiť nádory. A samozrejme bez urýchľovačov v teoretickej fyzike elementárnych častíc nikde – každá teória potrebuje prax. Teraz, keď už trochu vieme, na čo sa boostery používajú, poďme si povedať, čím ich kŕmiť.

Ako sme už povedali vyššie, vedci z CERN-u vyrábajú častice pre seba. Dá sa to prirovnať k tomu, že si účtovník zostaví vlastnú kalkulačku. Ale pre časticovú fyziku to nie je problém. Všetko, čo vedci musia urobiť, je začať s vodíkom, vyradiť elektróny pomocou duoplazmatrónu a zostať sami s protónmi. Znie to jednoducho, no v skutočnosti je to ťažšie. Každopádne to nie je také ľahké pre tých, ktorí nedostanú narodeninové pohľadnice od Stephena Hawkinga.

Vodík je plyn, ktorý vstupuje do prvého stupňa urýchľovača častíc, duoplazmatrónu. Duoplazmatron je veľmi jednoduché zariadenie. Atómy vodíka majú jeden elektrón a jeden protón. V duoplazmatróne sa atóm vodíka zbavuje elektrónu pomocou elektrického poľa. Zostáva plazma protónov, elektrónov a molekulárnych iónov, ktoré prechádzajú niekoľkými filtračnými sieťami a ostávajú len protóny.

LHC využíva nielen protóny na bežné úlohy. Fyzici z CERN-u tiež rozbíjajú olovené ióny, aby študovali kvark-gluónovú plazmu, čo nám matne pripomína, ako bol vesmír dávno. Stláčaním iónov ťažkých kovov (funguje to aj so zlatom) môžu vedci na chvíľu vytvoriť kvark-gluónovú plazmu.

Už ste dostatočne osvietení, aby ste pochopili, že ióny olova sa v urýchľovači častíc magicky neobjavujú. Stáva sa to takto: Fyzik z CERN-u začne zbierať ióny olova z pevného olova-208, špeciálneho izotopu prvku. Pevné olovo sa zahrieva na paru - až 800 stupňov Celzia. Potom je šokovaný elektrickým prúdom, ktorý ionizuje vzorku a vytvára plazmu. Novovzniknuté ióny (atómy s elektrickým nábojom, ktoré získali alebo stratili elektróny) sú schúlené v lineárnom urýchľovači, ktorý im dáva zrýchlenie, čo vedie k ešte väčšej strate elektrónov. Potom sa ešte viac zablúdia a zrýchlia - a ióny olova sú pripravené nasledovať cestu protónov a zrútiť sa v útrobách Veľkého hadrónového urýchľovača.

Veľký hadrónový urýchľovač, najvýkonnejší urýchľovač častíc na svete, ktorý testujú v Európskej organizácii pre jadrový výskum (CERN), bol ešte pred jeho spustením predmetom súdneho sporu. Kto a prečo žaloval vedcov?

Nesúďte Veľký hadrónový urýchľovač... Obyvatelia štátu Havaj Walter Wagner a Luis Sancho podali žalobu na CERN na federálnom okresnom súde v Honolulu, ako aj americkí účastníci projektu - Ministerstvo energetiky, National Science Foundation a Fermi National Accelerator Laboratory, pre tento dôvod.

⦳⦳⦳⦳⦳

Americká verejnosť sa obávala, že kolízie subatomárnych častíc s obrovskou energiou, ktoré by sa uskutočnili v urýchľovači, aby simulovali udalosti, ktoré sa odohrali vo vesmíre v prvých chvíľach po Veľkom tresku, dokáže vytvárať predmety ohrozuje existenciu Zeme.

Veľký hadrónový urýchľovač v CERN-e. V krabici - simulácia procesu výroby Higgsovho bozónu v CMS detektore

Nebezpečenstvom sú podľa žalobcov predovšetkým takzvané čierne diery – fyzické objekty, ktoré môžu absorbovať niektoré objekty na našej planéte – napríklad nejaké veľké mesto.

Napriek tomu, že žaloba bola na súd podaná začiatkom apríla 2008, znalci ju vôbec nepovažovali za prvoaprílový žart.

Na 6. apríla zorganizovali v Centre jadrového výskumu deň otvorených dverí, na ktorý pozvali verejnosť, novinárov, študentov a školákov na prehliadku urýchľovača, aby si unikátny vedecký prístroj mohli nielen pozrieť na vlastné oči, ale aj komplexné odpovede na všetky ich otázky.

V prvom rade sa samozrejme organizátori projektu snažili návštevníkov presvedčiť, že LHC sa v žiadnom prípade nemôže stať vinníkom „konca sveta“.

Áno, zrážač umiestnený v prstencovom tuneli s obvodom 27 km (z anglického collide - „collide“) je schopný urýchliť protónové lúče a zraziť ich s energiami až 14 teraelektrónvoltov 40 miliónov krát za sekundu.

Fyzici veria, že v tomto prípade bude možné obnoviť podmienky, ktoré nastali bilióninu sekundy po Veľkom tresku, a získať tak cenné informácie o samom začiatku existencie vesmíru.

Veľký hadrónový urýchľovač a čierna diera

Ale o tom, že sa v tomto prípade objaví čierna diera, alebo sa všeobecne nevie čo, vyjadril zástupca CERN-u James Gills veľké pochybnosti. A to nielen preto, že hodnotenie bezpečnosti zrážača neustále vykonávajú teoretici, ale vychádza jednoducho aj z praxe.

„Dôležitým argumentom, že experimenty v CERN-e sú bezpečné, je samotná existencia Zeme,“ povedal.

„Naša planéta je neustále vystavená tokom kozmického žiarenia, ktorého energia nie je horšia a často prevyšuje energiu Cernu a ešte nebola zničená čiernou dierou alebo inými príčinami.

Medzitým, ako sme vypočítali, príroda počas existencie vesmíru dokončila najmenej 1031 programov podobných tomu, ktorý sa práve chystáme realizovať.

V možnosti nekontrolovanej anihilačnej reakcie s antičasticami, ktorá vznikne ako výsledok experimentov, nevidí žiadne zvláštne nebezpečenstvo.

„Antihmota sa skutočne vyrába v CERN-e,– potvrdil vedec v rozhovore pre magazín New Scientist.

„Tie omrvinky, ktoré sa dajú umelo vytvoriť na Zemi, by však nestačili ani na najmenšiu bombu.

Je mimoriadne ťažké skladovať a akumulovať antihmotu (a niektoré jej typy sú vôbec nemožné)“...

Veľký hadrónový urýchľovač a bozón

Hľadanie bozónu. Mimochodom, ten istý časopis napísal, že ruskí špecialisti - profesorka Irina Arefyeva a doktor fyzikálnych a matematických vied Igor Volovič zo Steklovho matematického inštitútu v Moskve - veria, že rozsiahly experiment v CERN-e by mohol viesť k objaveniu sa prvého . .. stroj času na svete.

Požiadal som profesorku Irinu Yaroslavovnu Arefyevovú, aby sa vyjadrila k tejto správe. A toto povedala:

„Stále vieme dosť o štruktúre sveta okolo nás. Pamätajte, že starí Gréci verili, že všetky predmety sú zložené z atómov, čo v gréčtine znamená „nedeliteľné“.

Postupom času sa však ukázalo, že samotné atómy majú pomerne zložitú štruktúru pozostávajúcu z elektrónov, protónov a neutrónov. V prvej polovici 20. storočia sa zrazu ukázalo, že tie isté elektróny s protónmi a neutrónmi sa zase dajú rozdeliť na množstvo častíc.

Najprv ich bez rozmyslu nazývali elementárne. Teraz sa však ukazuje, že mnohé z týchto takzvaných elementárnych častíc sa môžu zase deliť ...

Vo všeobecnosti, keď sa teoretici pokúsili preniesť všetky poznatky získané v rámci takzvaného štandardného modelu, ukázalo sa, že podľa niektorých zdrojov sú jeho centrálnym článkom Higgsove bozóny.“

Záhadná častica dostala svoje meno od profesora Petra Higgsa z University of Edinburgh. Na rozdiel od profesora Higginsa zo slávneho muzikálu sa nezaoberal výučbou správnej výslovnosti pekných dievčat, ale spoznávaním zákonitostí mikrosveta.

A ešte v 60. rokoch minulého storočia vyslovil nasledujúci predpoklad: „Vesmír nie je vôbec prázdny, ako sa nám zdá.

Celý jeho priestor je vyplnený nejakou viskóznou látkou, prostredníctvom ktorej sa uskutočňuje napríklad gravitačná interakcia medzi nebeskými telesami, počnúc časticami, atómami a molekulami a končiac planétami, hviezdami a galaxiami.

Jednoducho povedané, P. Higgs navrhol vrátiť sa k myšlienke "svetové vysielanie" ktorý bol kedysi odmietnutý. Ale keďže fyzici, rovnako ako iní ľudia, neradi priznávajú svoje chyby, nová-stará látka sa teraz nazýva "Higgsovo pole".

A teraz sa verí, že je to toto silové pole, ktoré dáva hmotu jadrovým časticiam. A ich vzájomnú príťažlivosť zabezpečuje nositeľ gravitácie, ktorý sa pôvodne nazýval gravitón a teraz Higgsov bozón.

V roku 2000 si fyzici mysleli, že konečne „chytili“ Higgsov bozón. Séria experimentov vykonaných na testovanie prvého experimentu však ukázala, že bozón opäť skĺzol. Napriek tomu si mnohí vedci sú istí, že častica stále existuje.

A aby ste ho chytili, stačí postaviť spoľahlivejšie pasce, vytvoriť ešte výkonnejšie urýchľovače. Jeden z najveľkolepejších nástrojov ľudstva bol zostrojený spoločným úsilím v CERN pri Ženeve.

Chytajú však Higgsov bozón nielen preto, aby sa uistili, že predpovede vedcov sú správne, ale aby našli ďalšieho kandidáta na úlohu „prvej tehly vesmíru“.

« Existujú najmä exotické predpoklady o štruktúre vesmíru,

- Profesorka I.Ya pokračovala vo svojom príbehu. Arefieva.

– Tradičná teória hovorí, že žijeme v štvorrozmernom svete

- tri priestorové súradnice plus čas.

Teória merania veľkého hadrónového urýchľovača

Existujú však hypotézy, ktoré naznačujú, že v skutočnosti existuje viac dimenzií - šesť alebo desať alebo dokonca viac. Pri týchto meraniach môže byť gravitačná sila výrazne vyššia ako je obvyklé g.

A gravitácia podľa Einsteinových rovníc môže ovplyvniť plynutie času. Preto hypotéza o "Stroj času". Ale ak aj existuje, je to na veľmi krátky čas a vo veľmi malom objeme.

Rovnako exotická je podľa Iriny Yaroslavovnej aj hypotéza vzniku pri zrážke kolidujúcich lúčov. miniatúrne čierne diery. Aj keď sa vytvoria, ich životnosť bude taká zanedbateľná, že bude mimoriadne ťažké ich jednoducho odhaliť.

Pokiaľ nepriamymi znakmi, napríklad Hawkingovým röntgenovým žiarením, a aj to až potom, čo samotná diera zmizne.

Jedným slovom, reakcie podľa niektorých výpočtov nastanú v objeme iba 10–20 metrov kubických. cm a tak rýchlo, že si experimentátori musia polámať hlavu, aby umiestnili správne senzory na správne miesta, získali údaje a následne ich podľa toho interpretovali.

Pokračovanie nabudúce… Od chvíle, keď profesorka Arefieva vyslovila vyššie uvedené slová, uplynulo takmer päť rokov, kým boli napísané tieto riadky.

Počas tejto doby prebehol nielen prvý skúšobný štart LHC a niekoľko ďalších nasledujúcich. Ako už sami viete, všetci prežili a nič strašné sa nestalo. Práce pokračujú...

Vedci sa len sťažujú, že je pre nich veľmi ťažké sledovať zdravotný stav všetkých zariadení tejto unikátnej vedeckej inštalácie. Už teraz však snívajú o vybudovaní obrieho urýchľovača častíc ďalšej generácie, Medzinárodného lineárneho urýchľovača (ILC).

CERN, Švajčiarsko. Jún 2013.

V každom prípade o tom píšu Barry Barish, emeritný profesor na California Institute of Technology, ktorý riadi návrh medzinárodného lineárneho urýchľovača, a jeho kolegovia.

– Nicholas Walker Walker, špecialista na fyziku urýchľovačov z Hamburgu, a Hitoshi Yamamoto, profesor fyziky na univerzite Tohoku v Japonsku.

Veľký hadrónový urýchľovač budúcnosti

„Konštruktéri ILC už určili hlavné parametre budúceho urýchľovača,“ uvádzajú vedci.

- Jeho dĺžka je cca. 31 km; hlavnú časť budú zaberať dva supravodivé lineárne urýchľovače, ktoré zabezpečia zrážky elektrónov a pozitrónov s energiou 500 GeV.

Päťkrát za sekundu ILC vygeneruje, urýchli a zrazí takmer 3 000 elektrónových a pozitrónových zväzkov v impulze 1 ms, čo zodpovedá výkonu 10 MW pre každý lúč.

Účinnosť elektrárne bude približne 20 %, takže celkový výkon, ktorý bude ILC potrebovať na urýchlenie častíc, bude takmer 100 MW.

Na vytvorenie elektrónového lúča bude terč z arzenidu gália ožiarený laserom; v tomto prípade z neho pri každom impulze vyrazia miliardy elektrónov.

Tieto elektróny budú okamžite urýchlené na 5 GeV v krátkom lineárnom supravodivom urýchľovači a potom vstreknuté do 6,7 km skladovacieho prstenca umiestneného v strede komplexu.

Pohybom v prstenci budú elektróny generovať synchrotrónové žiarenie a zväzky sa budú zmenšovať, čím sa zvýši hustota náboja a intenzita lúča.

V polovici cesty sa pri 150 MeV elektrónové zväzky mierne vychýlia a pošlú na špeciálny magnet, takzvaný undulátor, kde sa časť ich energie premení na gama žiarenie.

Fotóny gama žiarenia zasiahnu terč z titánovej zliatiny rotujúci rýchlosťou približne 1000 ot./min.

V tomto prípade vzniká veľa elektrón-pozitrónových párov. Pozitróny budú zachytené, zrýchlené na 5 GeV, potom spadnú do ďalšieho zužujúceho prstenca a nakoniec do druhého hlavného lineárneho supravodivého urýchľovača na opačnom konci LS.

Keď energia elektrónov a pozitrónov dosiahne konečnú hodnotu 250 GeV, ponáhľajú sa do bodu zrážky. Po zrážke budú produkty reakcie poslané do pascí, kde budú fixované.

Video s veľkým hadrónovým urýchľovačom

URÝCHĽOVAČ ČASTÍC
zariadenie, v ktorom sa pomocou elektrických a magnetických polí získavajú usmernené lúče elektrónov, protónov, iónov a iných nabitých častíc s energiou oveľa vyššou ako tepelná energia. V procese zrýchľovania sa rýchlosť častíc zvyšuje, často na hodnoty blízke rýchlosti svetla. Početné malé urýchľovače sa v súčasnosti používajú v medicíne (radiačná terapia) a tiež v priemysle (napríklad na implantáciu iónov do polovodičov). Veľké urýchľovače sa využívajú najmä na vedecké účely – na štúdium subjadrových procesov a vlastností elementárnych častíc.
(pozri tiež ELEMENTÁRNE ČASTICE). Podľa kvantovej mechaniky sa lúč častíc, podobne ako svetelný lúč, vyznačuje určitou vlnovou dĺžkou. Čím väčšia je energia častíc, tým je táto vlnová dĺžka kratšia. A čím je vlnová dĺžka kratšia, tým menšie sú objekty, ktoré možno skúmať, ale viac veľkostí urýchľovače a tým sú ťažšie. Rozvoj výskumu mikrokozmu si vyžadoval stále väčšiu energiu sondovacieho lúča. Prvými zdrojmi vysokoenergetického žiarenia boli prírodné rádioaktívne látky. Ale dali výskumníkom len obmedzený súbor častíc, intenzít a energií. V 30. rokoch 20. storočia vedci začali pracovať na inštaláciách, ktoré by dokázali produkovať rôznorodejšie lúče. V súčasnosti existujú urýchľovače, ktoré umožňujú získať akýkoľvek druh vysokoenergetického žiarenia. Ak je napríklad potrebné röntgenové alebo gama žiarenie, potom sa urýchlia elektróny, ktoré potom emitujú fotóny v procesoch brzdného žiarenia alebo synchrotrónového žiarenia. Neutróny vznikajú bombardovaním vhodného cieľa intenzívnym zväzkom protónov alebo deuterónov. Energia jadrových častíc sa meria v elektrónvoltoch (eV). Elektrónvolt je energia, ktorú nabitá častica, ktorá nesie jeden elementárny náboj (elektrónový náboj), získava pri pohybe v elektrickom poli medzi dvoma bodmi s rozdielom potenciálov 1 V. (1 eV URÝCHĽOVAČ ČASTIC 1,60219 * 10-19 J. ) Urýchľovače umožňujú získať energie v rozsahu od tisícok do niekoľkých biliónov (10 12) elektrónvoltov – na najväčšom urýchľovači sveta. Na detekciu zriedkavých procesov v experimente je potrebné zvýšiť pomer signálu k šumu. To si vyžaduje stále intenzívnejšie zdroje žiarenia. Predný okraj moderná technológia urýchľovačov určujú dva hlavné parametre - energia a intenzita lúča častíc. V moderných urýchľovačoch sa používajú početné a rozmanité typy technológií: vysokofrekvenčné generátory, vysokorýchlostná elektronika a automatické riadiace systémy, komplexné diagnostické a riadiace zariadenia, zariadenia s ultravysokým vákuom, výkonné presné magnety ("konvenčné" aj kryogénne) a komplexné systémyúpravy a fixácie.
ZÁKLADNÉ PRINCÍPY
Základná schéma urýchľovania častíc zahŕňa tri stupne:
1) tvorba a vstrekovanie lúča, 2) zrýchlenie lúča a 3) extrakcia lúča na cieľ alebo kolízia kolidujúcich lúčov v samotnom urýchľovači.
Tvorba lúča a vstrekovanie. Počiatočným prvkom každého urýchľovača je injektor, ktorý má zdroj usmerneného toku nízkoenergetických častíc (elektrónov, protónov alebo iných iónov) a vysokonapäťové elektródy a magnety, ktoré extrahujú lúč zo zdroja a tvoria ho. V zdrojoch protónov prvých urýchľovačov prechádzal plynný vodík oblasťou elektrického výboja alebo blízko rozžeraveného vlákna. Atómy vodíka za takýchto podmienok strácajú svoje elektróny a zostávajú len jadrá – protóny. Táto metóda (a podobná s inými plynmi) v vylepšenej forme sa stále používa na získanie zväzkov protónov (a ťažkých iónov). Zdroj tvorí lúč častíc, ktorý je charakterizovaný priemernou počiatočnou energiou, prúdom lúča, jeho priečnymi rozmermi a priemernou uhlovou divergenciou. Ukazovateľom kvality vstrekovaného lúča je jeho vyžarovanie, t.j. súčin polomeru lúča a jeho uhlovej divergencie. Čím nižšia je emisia, tým vyššia je kvalita konečného lúča častíc s vysokou energiou. Analogicky s optikou sa prúd častice delený emisiou (čo zodpovedá hustote častice delenej uhlovou divergenciou) nazýva jas lúča. Mnohé aplikácie moderných urýchľovačov vyžadujú najvyšší možný jas lúča.
Zrýchlenie lúča. Lúč sa vytvára v komorách alebo sa vstrekuje do jednej alebo viacerých komôr urýchľovača, v ktorých elektrické pole zvyšuje rýchlosť a tým aj energiu častíc. V prvých, najjednoduchších urýchľovačoch bola energia častíc zvýšená v silnom elektrostatickom poli vytvorenom vo vnútri vysoko vákuovej komory. Maximálna energia, ktorú bolo možné v tomto prípade dosiahnuť, bola určená dielektrickou pevnosťou izolátorov urýchľovača. V mnohých moderných urýchľovačoch sa ako vstrekovače stále používajú elektrostatické urýchľovače elektrónov a iónov (až po ióny uránu) s energiami od 30 keV do 1 MeV. Získanie vysokého napätia zostáva v súčasnosti zložitým technickým problémom. Dá sa získať nabíjaním skupiny paralelne zapojených kondenzátorov a ich následným zapojením do série k sérii urýchľovacích trubíc. Týmto spôsobom v roku 1932 J. Cockcroft a E. Walton získali napätie až 1 MV. Významnou praktickou nevýhodou tejto metódy je, že na vonkajšie prvky systému sa aplikuje vysoké napätie, čo je pre experimentátorov nebezpečné. Ďalší spôsob získavania vysokého napätia vynašiel v roku 1931 R. Van de Graaf. Vo Van de Graaffovom generátore (obr. 1) prenáša dielektrická páska elektrické náboje zo zdroja napätia so zemným potenciálom na vysokonapäťovú elektródu, čím zvyšuje jej potenciál voči zemi. Jednostupňový Van de Graaffov generátor umožňuje získať napätie až do 10 MV. Na viacstupňových vysokonapäťových urýchľovačoch boli produkované protóny s energiami do 30 MeV.

Ak nie je potrebný súvislý lúč, ale krátky impulz vysokoenergetických častíc, potom je možné využiť skutočnosť, že na krátky čas (menej ako mikrosekundu) sú izolátory schopné vydržať oveľa vyššie napätie. Spínacie diódy umožňujú získať napätie až 15 MV na stupeň v obvodoch s veľmi nízkou impedanciou. To umožňuje získať prúdy lúčov niekoľko desiatok kiloampérov, a nie desiatky miliampérov, ako v elektrostatických urýchľovačoch. Zvyčajný spôsob získania vysokého napätia je založený na obvode Marxovho generátora impulzov, v ktorom sa skupina kondenzátorov najskôr nabíja paralelne a potom sa zapojí do série a vybije sa po jednej vybíjacej medzere. Vysokonapäťový impulz generátora vstupuje do dlhého vedenia, ktoré tvorí impulz, čím sa nastavuje čas jeho nábehu. Vedenie je zaťažené elektródami, ktoré urýchľujú lúč. Pri vysokofrekvenčnom urýchľovacom napätí odoláva konštrukcia urýchľovača oveľa silnejším elektrickým poliam bez prierazu ako pri konštantnom napätí. Využitie vysokofrekvenčných polí na urýchľovanie častíc však brzdí skutočnosť, že znamienko poľa sa rýchlo mení a pole sa buď zrýchľuje alebo spomaľuje. Koncom 20. rokov 20. storočia boli navrhnuté dve metódy na prekonanie tohto problému, ktoré sa dnes používajú vo väčšine urýchľovačov.
LINEÁRNE URÝCHĽOVAČE
Možnosť využitia vysokofrekvenčných elektrických polí v dlhých viacstupňových urýchľovačoch je založená na skutočnosti, že takéto pole sa mení nielen v čase, ale aj v priestore. V každom okamihu sa intenzita poľa mení sínusovo v závislosti od polohy v priestore, t.j. rozloženie poľa v priestore má tvar vlny. A v ktoromkoľvek bode priestoru sa mení sínusovo v čase. Preto sa maximá poľa pohybujú v priestore takzvanou fázovou rýchlosťou. V dôsledku toho sa častice môžu pohybovať takým spôsobom, že ich lokálne pole neustále urýchľuje. V lineárnych urýchľovacích systémoch boli vysokofrekvenčné polia prvýkrát použité v roku 1929, keď nórsky inžinier R. Wideröe urýchľoval ióny v krátkom systéme spojených vysokofrekvenčných rezonátorov. Ak sú rezonátory navrhnuté tak, aby sa fázová rýchlosť poľa vždy rovnala rýchlosti častíc, potom je lúč pri svojom pohybe v urýchľovači plynule zrýchľovaný. Pohyb častíc je v tomto prípade podobný kĺzaniu surfistu po hrebeni vlny. V tomto prípade sa môžu rýchlosti protónov alebo iónov v procese zrýchlenia výrazne zvýšiť. V súlade s tým by sa mala zvýšiť aj fázová rýchlosť vfázy vlny. Ak je možné vstreknúť elektróny do urýchľovača rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla c, potom je v tomto režime fázová rýchlosť takmer konštantná: vfáza = c. Ďalší prístup, ktorý umožňuje eliminovať vplyv fázy spomaľovania vysokofrekvenčného elektrického poľa, je založený na použití kovovej konštrukcie, ktorá počas tohto polcyklu odtieni lúč od poľa. Túto metódu prvýkrát použil E. Lawrence v cyklotróne (pozri nižšie); používa sa aj v Alvarezovom lineárnom urýchľovači. Tá je dlhá vákuová trubica obsahujúca množstvo kovových unášacích trubíc. Každá elektrónka je zapojená do série s vysokofrekvenčným generátorom cez dlhé vedenie, po ktorom prebieha zrýchľujúca sa napäťová vlna rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla (obr. 2). Všetky elektrónky sú teda pod vysokým napätím. Nabitá častica emitovaná z injektora v správnom čase sa zrýchľuje v smere prvej trubice a získava určitú energiu. Vo vnútri tejto trubice sa častica unáša - pohybuje sa konštantnou rýchlosťou. Ak je dĺžka elektrónky správne zvolená, tak z nej vyjde v momente, keď urýchľovacie napätie postúpi o jednu vlnovú dĺžku. V tomto prípade sa napätie na druhej trubici tiež zrýchľuje a dosahuje stovky tisíc voltov. Tento proces sa mnohokrát opakuje a v každom štádiu dostane častica ďalšiu energiu. Aby bol pohyb častíc synchrónny so zmenou poľa, musí sa dĺžka trubíc zväčšovať zodpovedajúcim spôsobom zvyšovaniu ich rýchlosti. Nakoniec rýchlosť častice dosiahne rýchlosť veľmi blízku rýchlosti svetla a hraničná dĺžka trubíc bude konštantná.

Priestorové zmeny v poli ukladajú obmedzenia na časovú štruktúru lúča. Urýchľovacie pole sa mení v rámci skupiny častíc ľubovoľnej konečnej dĺžky. V dôsledku toho by mala byť dĺžka zväzku častíc malá v porovnaní s vlnovou dĺžkou zrýchľujúceho sa vysokofrekvenčného poľa. V opačnom prípade sa častice vo vnútri zväzku zrýchlia inak. Príliš veľký rozptyl energie v lúči nielen zvyšuje náročnosť zaostrenia lúča v dôsledku prítomnosti chromatickej aberácie v magnetických šošovkách, ale obmedzuje aj možnosti využitia lúča pri špecifických problémoch. Šírenie energie môže tiež viesť k rozmazaniu zväzku častíc lúča v axiálnom smere. Uvažujme skupinu nerelativistických iónov pohybujúcich sa počiatočnou rýchlosťou v0. Pozdĺžne elektrické sily v dôsledku priestorového náboja urýchľujú hlavovú časť lúča a spomaľujú chvostovú časť. Vhodnou synchronizáciou pohybu trsu s vysokofrekvenčným poľom je možné dosiahnuť väčšie zrýchlenie chvostovej časti trsu ako hlavovej časti. Takýmto zosúladením fáz urýchľovacieho napätia a lúča je možné uskutočniť fázovanie lúča - kompenzovať defázový efekt priestorového náboja a šírenia energie. Výsledkom je, že v určitom rozsahu hodnôt centrálnej fázy zväzku sa pozoruje centrovanie a oscilácie častíc vzhľadom na určitú fázu stabilného pohybu. Tento jav, nazývaný autophasing, je mimoriadne dôležitý pre lineárne iónové urýchľovače a moderné cyklické elektrónové a iónové urýchľovače. Bohužiaľ, automatické fázovanie sa dosahuje za cenu zníženia pracovného cyklu urýchľovača na hodnoty oveľa menšie ako jednota. V procese zrýchľovania takmer všetky lúče vykazujú tendenciu zväčšovať sa polomer z dvoch dôvodov: v dôsledku vzájomného elektrostatického odpudzovania častíc a v dôsledku šírenia priečnych (tepelných) rýchlostí. Prvý trend slabne so zvyšujúcou sa rýchlosťou lúča, pretože magnetické pole vytvorené prúdom lúča stláča lúč a v prípade relativistických lúčov takmer kompenzuje efekt rozostrenia priestorového náboja v radiálnom smere. Preto je tento efekt veľmi dôležitý v prípade iónových urýchľovačov, ale takmer bezvýznamný pre elektrónové urýchľovače, v ktorých je lúč vstrekovaný relativistickými rýchlosťami. Druhý efekt, súvisiaci s vyžarovaním lúča, je dôležitý pre všetky urýchľovače. Pomocou štvorpólových magnetov je možné udržať častice v blízkosti osi. Pravda, jediný štvorpólový magnet, zaostrujúci častice v jednej z rovín, ich rozostruje v druhej. Tu ale pomáha princíp „silného zaostrovania“, ktorý objavili E. Courant, S. Livingston a H. Snyder: systém dvoch štvorpólových magnetov oddelených rozpätím, so striedajúcimi sa rovinami zaostrovania a rozostrenia, v konečnom dôsledku zaisťuje zaostrovanie vo všetkých rovinách. Driftové trubice sa stále používajú v protónových linkách, kde sa energia lúča zvyšuje z niekoľkých megaelektrónvoltov na približne 100 MeV. Prvé elektrónové lineárne urýchľovače, ako je 1 GeV urýchľovač postavený na Stanfordskej univerzite (USA), tiež používali driftové trubice konštantnej dĺžky, pretože lúč bol vstrekovaný s energiou rádovo 1 MeV. Modernejšie elektrónové lineárne urýchľovače, z ktorých najväčší je 3,2 km 50 GeV urýchľovač postavený v Stanford Linear Accelerator Center, využívajú princíp „elektrónového surfovania“ na elektromagnetickej vlne, ktorý umožňuje zrýchlenie lúča s energetickým prírastkom takmer 20 MeV na meter zrýchľovacieho systému. V tomto urýchľovači je vysokofrekvenčný výkon s frekvenciou asi 3 GHz generovaný veľkými elektrovákuovými zariadeniami - klystróny. Protónový linac s najvyššou energiou bol postavený v Losalamos National Laboratory v NY. Nové Mexiko (USA) ako „továreň na mezóny“ na výrobu intenzívnych lúčov pionov a miónov. Jeho medené dutiny vytvárajú urýchľovacie pole rádovo 2 MeV/m, vďaka čomu vytvára v pulznom lúči až 1 mA protónov s energiou 800 MeV. Na urýchlenie nielen protónov, ale aj ťažkých iónov boli vyvinuté supravodivé vysokofrekvenčné systémy. Najväčší supravodivý protónový linac slúži ako injektor urýchľovača zrážky lúčov HERA v nemeckom laboratóriu Electron Synchrotron (DESY) v Hamburgu v Nemecku.
CYKLICKÉ AKCELERÁTORY
Protónový cyklotrón. Existuje veľmi elegantný a ekonomický spôsob, ako zrýchliť lúč opakovaným odovzdávaním malých častí energie. K tomu so silným magnetické pole lúč je nútený pohybovať sa po kruhovej dráhe a mnohokrát prechádzať tou istou zrýchľujúcou sa medzerou. Túto metódu prvýkrát implementovali v roku 1930 E. Lawrence a S. Livingston v cyklotróne, ktorý vynašli. Rovnako ako v lineárnom urýchľovači s unášacími trubicami je lúč tienený pred pôsobením elektrického poľa počas polovičného cyklu, keď pôsobí ako spomaľovač. Nabitá častica s hmotnosťou m a nábojom q, ktorá sa pohybuje rýchlosťou v v magnetickom poli H nasmerovanom kolmo na jej rýchlosť, opisuje v tomto poli kružnicu s polomerom R = mv/qH. Keďže zrýchlenie vedie k zvýšeniu rýchlosti v, zväčšuje sa aj polomer R. Protóny a ťažké ióny sa teda pohybujú v odvíjajúcej sa špirále so stále väčším polomerom. Pri každej otáčke po obežnej dráhe prechádza lúč medzerou medzi dees - vysokonapäťovými dutými elektródami v tvare D, kde naň pôsobí vysokofrekvenčné elektrické pole (obr. 3). Lawrence si uvedomil, že čas medzi prechodmi lúča cez medzeru v prípade nerelativistických častíc zostáva konštantný, pretože zvýšenie ich rýchlosti je kompenzované zväčšením polomeru. Počas tej časti periódy otáčania, keď má vysokofrekvenčné pole nesprávnu fázu, je lúč mimo medzery. Frekvencia obehu je daná

kde f je frekvencia striedavého napätia v MHz, H je intenzita magnetického poľa v T a mc2 je hmotnosť častice v MeV. Ak je hodnota H konštantná v oblasti, kde dochádza k zrýchleniu, potom frekvencia f samozrejme nezávisí od polomeru
(pozri aj LAWRENCE Ernest Orlando).

Na urýchlenie iónov na vysoké energie je len potrebné, aby magnetické pole a frekvencia vysokonapäťového napätia spĺňali podmienku rezonancie; potom častice prejdú medzerou medzi dees dvakrát za otáčku v správnom čase. Na zrýchlenie lúča na energiu 50 MeV pri akceleračnom napätí 10 keV je potrebných 2500 otáčok. Pracovná frekvencia protónového cyklotrónu môže byť 20 MHz, takže čas zrýchlenia je rádovo 1 ms. Rovnako ako v lineárnych urýchľovačoch, častice počas zrýchľovania v cyklotróne musia byť zaostrené v priečnom smere, inak všetky, okrem tých, ktoré sú vstrekované rýchlosťou rovnobežnou s pólovými nástavcami magnetu, vypadnú z cyklu zrýchlenia. V cyklotróne je možnosť zrýchľovania častíc s konečným rozpätím v uhloch zabezpečená tým, že magnetické pole má špeciálnu konfiguráciu, v ktorej sily pôsobiace na častice opúšťajúce rovinu obežnej dráhy ich vracajú do tejto roviny. Žiaľ, podľa požiadaviek na stabilitu zhluku urýchlených častíc musí zaostrovacia zložka magnetického poľa so zväčšujúcim sa polomerom klesať. A to je v rozpore s podmienkami rezonancie a vedie k efektom, ktoré obmedzujú intenzitu lúča. Ďalším významným faktorom, ktorý znižuje možnosti jednoduchého cyklotrónu, je relativistický nárast hmotnosti, ako nevyhnutný dôsledok zvýšenia energie častíc:

V prípade urýchľovania protónov sa synchronizácia poruší v dôsledku relativistického prírastku hmotnosti pri asi 10 MeV. Jedným zo spôsobov, ako zachovať synchronizáciu, je modulovať frekvenciu urýchľovacieho napätia tak, aby sa zmenšovala so zväčšujúcim sa polomerom obežnej dráhy a zvyšovaním rýchlosti častíc. Frekvencia sa musí meniť podľa zákona

Takýto synchrocyklotrón dokáže urýchliť protóny na energiu niekoľkých stoviek megaelektrovoltov. Napríklad, ak je sila magnetického poľa 2 T, potom by sa frekvencia mala znížiť z približne 32 MHz v momente vstrekovania na 19 MHz alebo menej, keď častice dosiahnu energiu 400 MeV. Takáto zmena frekvencie urýchľovacieho napätia by mala nastať v priebehu niekoľkých milisekúnd. Potom, čo častice dosiahnu najvyššiu energiu a sú odstránené z urýchľovača, frekvencia sa vráti na pôvodnú hodnotu a do urýchľovača sa zavedie nový zväzok častíc. Ale aj pri najlepšej konštrukcii magnetu a najlepších charakteristikách systému RF napájania sú možnosti cyklotrónov obmedzené praktickými úvahami: na udržanie zrýchlených vysokoenergetických častíc na obežnej dráhe sú potrebné extrémne veľké magnety. Hmotnosť magnetu 600 MeV cyklotrónu, postaveného v laboratóriu TRIUMPH v Kanade, teda presahuje 2000 ton a spotrebuje elektrinu rádovo niekoľko megawattov. Náklady na stavbu synchrocyklotrónu sú približne úmerné tretej mocnine polomeru magnetu. Preto na dosiahnutie vyšších energií pri prakticky prijateľných nákladoch sú potrebné nové princípy zrýchlenia.
Protónový synchrotrón. Vysoká cena cyklických urýchľovačov je spojená s veľkým polomerom magnetu. Ale je možné udržať častice na obežnej dráhe s konštantným polomerom zvýšením intenzity magnetického poľa, keď sa ich energia zvýši. Lineárny urýchľovač vstrekuje na túto obežnú dráhu lúč častíc s relatívne nízkou energiou. Keďže obmedzujúce pole je potrebné iba v úzkej oblasti v blízkosti obežnej dráhy lúča, nie sú potrebné magnety pokrývajúce celú oblasť obežnej dráhy. Magnety sú umiestnené iba pozdĺž prstencovej vákuovej komory, čo vedie k obrovským úsporám nákladov. Tento prístup bol implementovaný v protónovom synchrotróne. Prvým urýchľovačom tohto typu bol 3 GeV Cosmotron (obr. 4), ktorý začal fungovať v Brookhaven National Laboratory v roku 1952 v USA; čoskoro ho nasledoval Bevatron s výkonom 6 GeV, postavený v laboratóriu. Lawrence University of California v Berkeley (USA). Postavený špeciálne na detekciu antiprotónu je v prevádzke už 39 rokov a demonštruje odolnosť a spoľahlivosť urýchľovačov častíc.

V synchrotrónoch prvej generácie vyrobených v USA, Veľkej Británii, Francúzsku a ZSSR bolo zaostrenie slabé. Preto bola amplitúda radiálnych kmitov častíc v procese ich zrýchlenia veľká. Šírka vákuových komôr bola asi 30 cm a v tomto stále veľkom objeme bolo potrebné starostlivo kontrolovať konfiguráciu magnetického poľa. V roku 1952 bol urobený objav, ktorý umožnil drasticky znížiť oscilácie lúča a následne aj rozmery vákuovej komory. To bol princíp silného alebo tvrdého zamerania. V moderných protónových synchrotrónoch so supravodivými štvorpólovými magnetmi usporiadanými v silnom zaostrovacom usporiadaní môže byť vákuová komora menšia ako 10 cm v priemere, čo vedie k výraznému zníženiu veľkosti, nákladov a spotreby energie zaostrovacích a vychyľovacích magnetov. Prvým synchrotrónom založeným na tomto princípe bol 30 GeV Variable Gradient Synchrotron v Brookhavene. Podobné zariadenie postavili aj v laboratóriu Európskej organizácie pre jadrový výskum (CERN) v Ženeve. V polovici 90. rokov boli oba urýchľovače ešte v prevádzke. Apertúra synchrotrónu s premenlivým gradientom bola približne 25-krát menšia ako clona kozmotrónu. Výkon spotrebovaný magnetom pri energii 30 GeV približne zodpovedal výkonu spotrebovaného magnetom Cosmotron pri 3 GeV. Synchrotrón s premenlivým gradientom zrýchlil 6×1013 protónov na pulz, čo zodpovedalo najvyššej intenzite medzi zariadeniami tejto triedy. Zaostrovanie v tomto urýchľovači bolo uskutočnené rovnakými magnetmi, ktoré vychyľovali lúč; to sa dosiahlo tak, že póly magnetu mali tvar znázornený na obr. 5. Moderné urýchľovače zvyčajne používajú samostatné magnety na vychýlenie a zaostrenie lúča.

LABORATÓRIUM IM. E. FERMI pri Batavii (USA). Obvod "Hlavného prstenca" urýchľovača je 6,3 km. Prsteň sa nachádza v hĺbke 9 m pod kruhom v strede obrazu.

V polovici 90. rokov bol najväčším protónovým synchrotrónom Tevatron Národného laboratória urýchľovačov. E. Fermi v Batávii (USA). Ako už názov napovedá, Tevatron urýchľuje zväzky protónov v prstenci s priemerom 2 km na energiu asi 1 TeV. Protóny urýchľuje celý systém urýchľovačov, počnúc Cockcroft-Waltonovým generátorom ako injektorom, z ktorého sa do lineárneho urýchľovača s energiou 400 MeV zavádzajú záporné vodíkové ióny s energiou 750 keV. Potom linacový lúč prechádza cez uhlíkový film na stripovanie elektrónov a vstrekuje sa do medziľahlého synchrotrónu - zosilňovača - s priemerom 150 m. V zosilňovači urobia protóny asi 20 000 otáčok a získajú energiu 8 GeV. Zosilňovač zvyčajne vykonáva 12 rýchlych po sebe nasledujúcich pracovných cyklov, v dôsledku ktorých sa 12 protónových zväzkov vstrekne do „hlavného kruhu“ - ďalšieho protónového synchrotrónu s dĺžkou kruhu 6,3 km. „Hlavný prstenec“, v ktorom sa protóny urýchľujú na energiu 150 GeV, pozostáva z 1000 konvenčných magnetov s medeným vinutím, ktoré vychyľujú a zaostrujú protóny. Priamo pod "Hlavným prstencom" je umiestnený posledný synchrotrón "Tevatron" pozostávajúci z 1000 supravodivých magnetov. Lúč je možné extrahovať mnohými kanálmi do vzdialenosti 1,5-3 km pre výskum v externých experimentálnych halách. Na udržanie lúčov s vyššou energiou na obežnej dráhe sú potrebné silnejšie vychyľovacie a zaostrovacie magnety. Protónové synchrotróny s energiami nad 1 TeV, navrhnuté pre subjadrovú "mikroskopiu", vyžadujú tisíce supravodivých a zaostrovacích magnetov dlhých 5-15 m s otvorom širokým niekoľko centimetrov, čo poskytuje mimoriadne vysokú presnosť poľa a stabilitu v priebehu času. Hlavnými faktormi, ktoré bránia vytvoreniu protónových synchrotrónov pre vyššie energie, sú vysoká cena a zložitosť riadenia spojená s ich obrovskou veľkosťou.
URÝCHĽOVAČE S PROTITRAČMI
Cyklické urýchľovače. Zďaleka nie všetka energia zrýchlenej častice sa spotrebuje na uskutočnenie požadovanej reakcie. Jeho významná časť sa zbytočne stráca vo forme spätného rázu, ktorý zažíva cieľová častica v dôsledku zákona zachovania hybnosti. Ak má dopadajúca častica energiu E a hmotnosť cieľovej častice v pokoji je M, potom užitočná energia je

Pri experimentoch s cieľom v pokoji na Tevatrone je teda užitočná energia iba 43 GeV. Túžba využiť čo najvyššie energie pri výskume častíc viedla k vytvoreniu v CERN-e a laboratóriu. E. Fermi protón-antiprotónové urýchľovače, ako aj veľké množstvo inštalácií v rozdielne krajiny so zrážkami elektrón-pozitrónových lúčov. V prvom urýchľovači protónov došlo k zrážkam protónov a antiprotónov s energiami 26 GeV v prstenci s obvodom 1,6 km (obr. 6). Niekoľko dní bolo možné akumulovať lúče s prúdom až 50 A.

V súčasnosti je zrážačom s najvyššou energiou Tevatron, na ktorom sa uskutočňujú experimenty, keď sa zväzok protónov s energiou 1 TeV zrazí so zrážkovým zväzkom antiprotónov rovnakej energie. Takéto experimenty vyžadujú antiprotóny, ktoré možno získať bombardovaním kovového terča lúčom vysokoenergetických protónov z „Hlavného prstenca“. Antiprotóny vznikajúce pri týchto zrážkach sa hromadia v samostatnom prstenci s energiou 8 GeV. Keď sa nahromadí dostatok antiprotónov, vstreknú sa do „Hlavného prstenca“, urýchlia sa na 150 GeV a potom sa vstreknú do „Tevatronu“. Tu sa protóny a antiprotóny súčasne urýchľujú na plnú energiu a potom sa zrazia. Celková hybnosť zrážaných častíc je nulová, takže všetka energia 2E je užitočná. V prípade Tevatronu dosahuje takmer 2 TeV. Najvyššia energia medzi zrážačmi elektrónov a pozitrónov bola dosiahnutá vo „veľkom prstenci uloženia elektrónov a pozitrónov“ v CERN-e, kde energia zrážajúcich sa lúčov v prvom stupni bola 50 GeV na lúč a potom sa zvýšila na 100 GeV na lúč. DESI zostrojilo urýchľovač HERA, v ktorom sa elektróny zrážajú s protónmi. Tento obrovský energetický zisk je dosiahnutý za cenu výrazného zníženia pravdepodobnosti kolízií medzi časticami zrážajúcich sa lúčov s nízkou hustotou. Frekvencia zrážok je určená svietivosťou, t.j. počet zrážok za sekundu sprevádzaný reakciou tohto typu, ktorá má určitý prierez. Svietivosť závisí lineárne od energie a prúdu lúča a je nepriamo úmerná jeho polomeru. Energia lúča zrážača sa volí v súlade s energetickou škálou študovaných fyzikálnych procesov. Pre zabezpečenie najvyššej svietivosti je potrebné dosiahnuť maximálnu možnú hustotu lúčov v mieste ich stretnutia. Hlavným technickým problémom pri konštrukcii zrážačov je preto zamerať lúče v mieste ich stretnutia do veľmi malého bodu a zvýšiť prúd lúča. Na dosiahnutie požadovanej svietivosti môžu byť potrebné prúdy vyššie ako 1 A. Ďalší mimoriadne zložitý technický problém súvisí s potrebou zabezpečiť ultravysoké vákuum v komore zrážača. Keďže kolízie medzi časticami lúčov sa vyskytujú pomerne zriedkavo, kolízie so zvyškovými molekulami plynu môžu lúče výrazne zoslabiť, čím sa zníži pravdepodobnosť skúmaných interakcií. Okrem toho rozptyl lúčov zvyškovým plynom vytvára v detektore nežiaduce pozadie, ktoré môže maskovať skúmaný fyzikálny proces. Vákuum v komore zrážača by malo byť v rozmedzí 10-9 - 10-7 Pa (10-11 - 10-9 mmHg) v závislosti od svietivosti. Pri nižších energiách možno urýchliť intenzívnejšie elektrónové lúče, čo umožňuje študovať zriedkavé rozpady mezónov B a K v dôsledku elektroslabých interakcií. Množstvo takýchto zariadení, niekedy označovaných ako "továrne na výrobu príchutí", je v súčasnosti vo výstavbe v USA, Japonsku a Taliansku. Takéto inštalácie majú dva úložné kruhy - pre elektróny a pre pozitróny, ktoré sa pretínajú v jednom alebo dvoch bodoch - oblasti interakcie. Každý prstenec obsahuje veľa zväzkov častíc s celkovým prúdom väčším ako 1 A. Energie lúčov sú zvolené tak, aby užitočná energia zodpovedala rezonancii, ktorá sa rozpadá na skúmané častice s krátkou životnosťou - B- alebo K-mezóny. Dizajn týchto inštalácií je založený na elektrónovom synchrotróne a akumulačných kruhoch.
Lineárne urýchľovače. Energie cyklických elektrón-pozitrónových urýchľovačov sú obmedzené intenzívnym synchrotrónovým žiarením emitovaným lúčmi zrýchlených častíc (pozri nižšie). Táto nevýhoda nie je prítomná v lineárnych urýchľovačoch, v ktorých synchrotrónové žiarenie neovplyvňuje proces zrýchlenia. Lineárny urýchľovač sa skladá z dvoch lineárnych urýchľovačov pre vysoké energie, ktorých lúče vysokej intenzity - elektrón a pozitrón - smerujú proti sebe. Nosníky sa stretnú a zrazia len raz, potom sú vybité do absorbérov. Prvým lineárnym urýchľovačom je „Stanford Linear Collider“, ktorý využíva Stanford Linear Accelerator, ktorý je dlhý 3,2 km a pracuje s energiou 50 GeV. V systéme tohto urýchľovača sú zväzky elektrónov a pozitrónov urýchľované v rovnakom lineárnom urýchľovači a sú oddelené, keď lúče dosiahnu plnú energiu. Potom sú zväzky elektrónov a pozitrónov transportované pozdĺž samostatných oblúkov, ktorých tvar pripomína rúrky lekárskeho stetoskopu, a sú zaostrené na priemer asi 2 mikróny v oblasti interakcie.
Nové technológie. Hľadanie ekonomickejších metód zrýchlenia viedlo k vytvoreniu nových urýchľovacích systémov a vysokovýkonných vysokofrekvenčných generátorov pracujúcich vo frekvenčnom rozsahu od 10 do 35 GHz. Svietivosť elektrón-pozitrónových urýchľovačov musí byť výnimočne vysoká, pretože prierez procesov klesá s druhou mocninou energie častice. V súlade s tým musia byť hustoty lúčov tiež extrémne vysoké. V lineárnom zrážači s energiou rádovo 1 TeV môžu veľkosti lúčov dosiahnuť 10 nm, čo je menšie veľkosti lúč na Stanford Linear Collider (2 μm). Pri takýchto malých veľkostiach lúčov sú potrebné veľmi výkonné stabilné magnety so zložitými elektronickými automatickými ovládačmi na presné prispôsobenie zaostrovacích prvkov. Keď elektrónové a pozitrónové lúče prechádzajú cez seba, ich elektrická interakcia je neutralizovaná a magnetická je posilnená. Výsledkom je, že magnetické polia môžu dosiahnuť 10 000 T. Takéto obrovské polia môžu silne deformovať lúče a viesť k veľkému šíreniu energie v dôsledku generovania synchrotrónového žiarenia. Tieto účinky, spolu s ekonomickými úvahami spojenými s budovaním stále rozšírenejších strojov, obmedzia energiu dosiahnuteľnú v elektrón-pozitrónových zrážačoch.
ELEKTRONICKÉ ULOŽENIE
Elektronické synchrotróny sú založené na rovnakých princípoch ako protónové synchrotróny. Vďaka jednej dôležitej vlastnosti sú však technicky jednoduchšie. Malá hmotnosť elektrónu umožňuje vstrekovanie lúča rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla. Preto ďalší nárast energie nie je spojený s výrazným zvýšením rýchlosti a elektrónové synchrotróny môžu pracovať s pevnou frekvenciou urýchľovacieho napätia, ak je lúč vstreknutý energiou okolo 10 MeV. Túto výhodu však neguje ďalší dôsledok malej hmotnosti elektrónu. Keďže sa elektrón pohybuje po kruhovej dráhe, pohybuje sa zrýchlením (dostredivým), a preto vyžaruje fotóny – žiarenie, ktoré sa nazýva synchrotrón. Výkon synchrotrónového žiarenia P je úmerný štvrtej mocnine energie lúča E a prúdu I a je tiež nepriamo úmerný polomeru prstenca R, takže je úmerný (E/m)4IR-1. Táto energia, stratená počas každej otáčky elektrónového lúča pozdĺž obežnej dráhy, musí byť kompenzovaná vysokofrekvenčným napätím aplikovaným na urýchľovacie medzery. V „arómových továrňach“ určených na vysokú intenzitu môžu takéto straty výkonu dosahovať desiatky megawattov. Cyklické urýchľovače, ako sú elektrónové synchrotróny, môžu byť tiež použité ako akumulátory veľkých cirkulačných prúdov s konštantne vysokou energiou. Takéto skladovacie prstence majú dve hlavné aplikácie: 1) pri štúdiu jadier a elementárnych častíc metódou zrážky lúčov, ako je uvedené vyššie, a 2) ako zdroje synchrotrónového žiarenia používaného v atómovej fyzike, materiálovej vede, chémii, biológii a medicíne. Priemerná energia fotónu synchrotrónového žiarenia je úmerná (E/m)3R-1. Elektróny s energiami rádovo 1 GeV cirkulujúce v úložnom prstenci teda vyžarujú intenzívne synchrotrónové žiarenie v ultrafialovom a röntgenovom rozsahu. Väčšina fotónov je emitovaná v úzkom vertikálnom uhle rádovo m/E. Keďže sa polomer elektrónových lúčov v moderných akumulačných prstencoch s energiou rádovo 1 GeV meria v desiatkach mikrometrov, vyznačujú sa nimi vyžarované röntgenové lúče vysokou jasnosťou, a preto môžu slúžiť ako silný nástroj na štúdium štruktúra hmoty. Žiarenie je vyžarované tangenciálne ku krivočiarej trajektórii elektrónov. Preto každý vychyľovací magnet prstenca na ukladanie elektrónov, keď ním prechádza zväzok elektrónov, vytvára rozvinutý "bodový lúč" žiarenia. Vystupuje cez dlhé vákuové kanály tangenciálne k hlavnej vákuovej komore skladovacieho prstenca. Štrbiny a kolimátory umiestnené pozdĺž týchto kanálov tvoria úzke lúče, z ktorých sa pomocou monochromátorov ďalej oddeľuje požadovaný rozsah röntgenovej energie. Prvými zdrojmi synchrotrónového žiarenia boli zariadenia pôvodne postavené na riešenie problémov vo fyzike vysokých energií. Príkladom je Stanford 3 GeV pozitrón-elektrónový akumulátor v Stanford Synchrotron Radiation Laboratory. Svojho času boli v tomto zariadení objavené „čarovné“ mezóny. Prvé zdroje synchrotrónového žiarenia nemali flexibilitu, aby vyhovovali rôznym potrebám stoviek používateľov. Rýchly rast dopytu po synchrotrónovom žiarení s vysokým tokom a intenzitou lúča dal podnet na vznik zdrojov druhej generácie, ktoré sú navrhnuté tak, aby vyhovovali potrebám všetkých možných používateľov. Boli zvolené najmä systémy magnetov, ktoré znižujú emisiu elektrónového lúča. Malá emisia znamená menšiu veľkosť lúča a tým aj vyšší jas zdroja žiarenia. Typickými predstaviteľmi tejto generácie boli skladovacie prstence v Brookhavene, ktoré slúžili ako zdroje röntgenového žiarenia a žiarenia vo vákuovej ultrafialovej oblasti spektra. Jas žiarenia možno zvýšiť aj tak, že sa lúč pohybuje po sínusovej dráhe v periodickej magnetickej štruktúre a potom sa skombinuje žiarenie, ktoré sa vyskytuje pri každom ohybe. Undulátory - magnetické štruktúry, ktoré zabezpečujú takýto pohyb, sú sériou magnetických dipólov, ktoré vychyľujú lúč pod malým uhlom, umiestnených v priamke na osi lúča. Jas žiarenia z takéhoto zvlnenia môže byť stokrát vyšší ako jas žiarenia, ktoré sa vyskytuje pri vychyľujúcich magnetoch. V polovici 80. rokov sa začali vytvárať zdroje synchrotrónového žiarenia tretej generácie s veľkým počtom takýchto vlnoviek. Medzi prvé zdroje tretej generácie patrí 1,5 GeV vylepšený svetelný zdroj v Berkeley, ktorý generuje mäkké röntgenové lúče, ako aj 6 GeV vylepšený fotónový zdroj v Argonne National Laboratory (USA) a 6 GeV synchrotrón. Európske centrum synchrotrónového žiarenia v Grenobli (Francúzsko), ktoré sa používajú ako zdroje tvrdého röntgenového žiarenia. Po úspešnej výstavbe týchto inštalácií vzniklo množstvo zdrojov synchrotrónového žiarenia aj na iných miestach. Nový krok k väčšej jasnosti v rozsahu od infračerveného po tvrdé röntgenové žiarenie je spojený s použitím „teplých“ magnetických dipólov s intenzitou magnetického poľa asi 1,5 T a oveľa kratších supravodivých magnetických dipólov s poľom niekoľkých Tesla v tzv. vychyľovací magnetický systém. Takýto prístup sa implementuje v novom zdroji synchrotrónového žiarenia vytvorenom v Inštitúte P. Scherrera vo Švajčiarsku a pri modernizácii zdroja v Berkeley. Využitie synchrotrónového žiarenia vo vedeckom výskume sa rozšírilo a stále sa rozširuje. Výnimočná jasnosť takýchto röntgenových lúčov umožňuje vytvoriť novú generáciu röntgenových mikroskopov na štúdium biologických systémov v ich normálnom vodnom prostredí. Otvára možnosť rýchlej analýzy štruktúry vírusov a proteínov pre vývoj nových liečiv s úzkym zameraním na faktory spôsobujúce ochorenia a minimálnymi vedľajšími účinkami. Jasné röntgenové lúče môžu slúžiť ako výkonné mikrosondy na detekciu aj tých najmenších množstiev nečistôt a kontaminantov. Umožňujú veľmi rýchlo analyzovať vzorky životného prostredia pri skúmaní ciest znečistenia. životné prostredie. Môžu sa tiež použiť na vyhodnotenie čistoty veľkých kremíkových plátkov pred nákladnou výrobou veľmi zložitých integrovaných obvodov a na otvorenie nových perspektív pre techniku ​​litografie, čo v zásade umožňuje výrobu integrovaných obvodov s prvkami menšími ako 100 nm.
AKCELERÁTORY V MEDICÍNE
Urýchľovače zohrávajú dôležitú praktickú úlohu v liečebnej terapii a diagnostike. Mnoho nemocníc po celom svete má dnes k dispozícii malé elektrónové lineárne urýchľovače, ktoré generujú intenzívne röntgenové lúče používané na liečbu nádorov. V menšej miere sa využívajú cyklotróny alebo synchrotróny generujúce zväzky protónov. Výhoda protónov v terapii nádorov nad röntgenových lúčov spočíva vo viac lokalizovanom uvoľnení energie. Preto je protónová terapia účinná najmä pri liečbe nádorov mozgu a oka, kedy by poškodenie okolitých zdravých tkanív malo byť čo najmenšie. pozri tiež