Прискорювачі заряджених частинок

У сучасної фізики є випробуваний засіб проникати в таємниці атомного ядра - обстріляти його частинками або опромінити і подивитися, що з ним станеться. Для найперших досліджень атома і його ядра вистачало енергії випромінювань, що виникають при природному розпаді радіоактивних елементів. Але незабаром цієї енергії виявилося недостатньо, і, щоб ще глибше «заглянути» в ядро, фізикам довелося задуматися над тим, як штучно створити потік частинок високих енергій.

Відомо, що, потрапивши між електродами з різним зарядом, заряджена частинка, наприклад, електрон або протон, прискорює рух під дією електричних сил. Це явище і породило в 1930-і роки ідею створення так званого лінійного прискорювача.

За конструкцією лінійний прискорювач являє собою довгу пряму трубку-камеру, усередині якої підтримується вакуум. По всій довжині камери розставлено велику кількість металевих трубок-електродів. Від спеціального генератора високої частоти на електроди подають змінна електрична напруга - так, що, коли перший електрод виявляється зарядженим, припустимо позитивно, другий електрод буде заряджений негативно. Далі знову позитивний електрод, за ним - негативний.

Пучок електронів вистрілюється з електронної «гармати» в камеру і під дією потенціалу першого, позитивного електрода починає прискорюватися, проскакуючи крізь нього далі. В цей же момент фаза напруги живлення змінюється, і електрод, щойно заряджений позитивно, стає негативним. Тепер уже він відштовхує від себе електрони, як би підганяючи їх ззаду. А другий електрод, ставши за цей час позитивним, притягує електрони до себе, ще більше прискорюючи їх. Потім, коли електрони пролетять через нього, він знову стане негативним і підштовхне їх до третього електроду.

Так у міру руху вперед електрони поступово розганяються, досягаючи до кінця камери швидкості світла і набуваючи енергію в сотні мільйонів електрон-вольт. Через встановлений в кінці труби віконце, непроникне для повітря, порція прискорених електронів обрушується на досліджувані об'єкти мікросвіту - атоми і їх ядра.

Неважко зрозуміти, що чим більше енергія, яку ми хочемо повідомити частинкам, тим довше повинна бути труба лінійного прискорювача - десятки, а то і сотні метрів. Але не завжди це можливо. Ось якби згорнути трубу в компактну спіраль. Тоді такий прискорювач вільно міг би розміститися в лабораторії.

Втілити цю ідею в життя допомогло ще одне фізичне явище. Заряджена частинка, потрапивши в магнітне поле, починає рухатися не по прямій, а «завивається» навколо магнітних силових ліній. Так з'явився ще один тип прискорювача - циклотрон. Першим циклотрон був побудований ще в 1930 році Е. Лоуренсом в США.

Основна частина циклотрона - потужний електромагніт, між полюсами якого поміщена плоска циліндрична камера. Вона складається з двох напівкруглих металевих коробок, розділених невеликим проміжком. Ці коробки - дуанти - служать електродами і з'єднані з полюсами генератора змінної напруги. У центрі камери знаходиться джерело заряджених частинок - щось на зразок електронної «гармати».

Вилетівши з джерела, частка (припустимо, що тепер це позитивно заряджений протон) відразу ж притягається до електрода, зарядженого в даний момент негативно. Усередині електрода електричне поле відсутнє, тому частка летить в ньому за інерцією. Під впливом магнітного поля, силові лінії якого перпендикулярні площині траєкторії, частка описує півколо і підлітає до зазору між електродами. За цей час перший електрод стає позитивним і тепер виштовхує частку, в той час як інший втягує її в себе. Так, переходячи з одного дуанта в інший, частка набирає швидкість і описує розкручується спіраль. З камери частинки виводяться за допомогою спеціальних магнітів на мішені експериментаторів.

Чим ближче швидкість часток в циклотроні підходить до швидкості світла, тим вони стають важчими і починають поступово відставати від змінює свій знак електричної напруги на дуантах. Вони вже не потрапляють в такт електричним силам і перестають прискорюватися. Гранична енергія, яку вдається повідомити часткам в циклотроні, становить 25-30 МеВ.

Щоб подолати цей бар'єр, частоту електричної напруги, по черзі подається на дуанти, поступово зменшують, підлаштовуючи її в такт «обважнілим» часткам. Прискорювач такого типу називається сінхроціклотроном.

На одному з найбільших синхроциклотрон в Об'єднаному інституті ядерних досліджень в Дубні (під Москвою) отримують протони з енергією 680 МеВ і дейтрони (ядра важкого водню - дейтерію) з енергією 380 МеВ. Для цього треба було спорудити вакуумну камеру діаметром 3 метри і електромагніт масою 7000 тонн!

У міру того як фізики все глибше проникали в структуру ядра, були потрібні частинки все більш високих енергій. Виникла необхідність будувати ще більш потужні прискорювачі - синхротрони і синхрофазотрони, в яких частинки рухаються не по спіралі, а по замкнутому колу в кільцевої камері. У 1944 році незалежно один від одного радянський фізик В.І. Векслер і американський фізик Е.М. Макміллан відкрили принцип автофазіровкі. Суть методу полягає в наступному: якщо певним чином підібрати поля, частки будуть весь час автоматично потрапляти в фазу з прискорює напругою. У 1952 році американські вчені Е. Курант, М. Лівінгстон і Х. Снайдер запропонували так звану жорстку фокусування, яка притискає частинки до осі руху. За допомогою цих відкриттів вдалося створити синхрофазотрони на як завгодно високі енергії.

Існує й інша система класифікації прискорювачів - за типом прискорює електричного поля. Високовольтні прискорювачі працюють за рахунок високої різниці потенціалів між електродами прискорює простору, яке діє весь час, поки частки пролітають між електродами. В індукційних прискорювачах «працює» вихровий електричне поле, індуковані (порушену) в місці, де в даний момент знаходяться частинки. І, нарешті, в резонансних прискорювачах використовують змінний за часом і за величиною електричне прискорює поле, синхронно з яким, «в резонанс», відбувається прискорення всього «комплекту» частинок. Коли говорять про сучасних прискорювачах частинок на високі енергії, мають на увазі в основному кільцеві резонансні прискорювачі.

У ще одному виді прискорювачів - протонному - на дуже високі енергії до кінця періоду прискорення швидкість частинок наближається до швидкості світла. Вони звертаються по круговій орбіті з постійною частотою. Прискорювачі для протонів високих енергій називають протонними синхротронами. Три найбільших розташовані в США, Швейцарії іУкаіни.

Цікаво, що пуски прискорювачів в Дубні або Протвино в радянські часи проводилися тільки по ночах, оскільки на них подавалася мало не вся електроенергія не тільки Московської, а й сусідніх областей!

У 1973 році американські фізики привели в дію в місті Батавії прискорювач, в якому часткам вдавалося повідомити енергію в 400 ГеВ, а потім довели її до 500 ГеВ. Сьогодні найпотужніший прискорювач знаходиться в США. Він називається «Теватрон», оскільки в його кільці довжиною більше шести кілометрів за допомогою надпровідних магнітів протони набувають енергію близько 1 тераелектронвольт (1 ТеВ дорівнює 1000 ГеВ).

Щоб досягти ще більш високої енергії взаємодії пучка прискорених частинок з матеріалом досліджуваного фізичного об'єкта, треба розігнати «мішень» назустріч «снаряду». Для цього організують зіткнення пучків частинок, що летять назустріч один одному в особливих прискорювачах - коллайдерах. Звичайно, щільність частинок у зустрічних пучках не настільки велика, як в матеріалі нерухомої «мішені», тому для її збільшення застосовують так звані накопичувачі. Це кільцеві вакуумні камери, в які «порціями» вкидають частки з прискорювача. Накопичувачі забезпечені прискорюють системами і компенсують часткам втрату енергії. Саме з колайдера вчені пов'язують подальший розвиток прискорювачів. Їх споруджено поки лічені одиниці, і перебувають вони в найрозвиненіших країнах світу - в США, Японії, ФРН, а також в Європейському центрі ядерних досліджень, що базується в Швейцарії.

За допомогою спеціальних пристроїв - детекторів - ці частинки або їх сліди реєструють, відновлюють траєкторію руху, визначають масу частинок, електричний заряд, швидкість і інші характеристики. Потім шляхом складної математичної обробки інформації, отриманої з детекторів, на комп'ютерах відновлюють всю «історію» взаємодії і, зіставивши результати вимірювань з теоретичною моделлю, роблять висновки: збігаються реальні процеси з побудованої моделлю чи ні. Саме так видобувається нове знання про властивості внутрішньоядерних частинок.

Чим вище енергія, яку придбала частка в прискорювачі, тим сильніше вона впливає на атом «мішені» або на зустрічну частку в колайдері, тим дрібніше будуть «осколки».

«Завдання дуже складна, - продовжує Ємельянов, - а математично - взагалі некоректна: один і той же фіксується розподіл вторинних частинок по імпульсах і швидкостям може мати абсолютно різні причини. І тільки при детальному експерименті, в якому задіяна маса детекторів, калориметри, датчики множинності заряджених частинок, лічильники, реєструють перехідне випромінювання, і т п. Є надія зареєструвати найтонші відмінності, властиві саме кварк-глюонної плазми. Механізм взаємодії ядер при настільки високих енергіях цікавий сам по собі, але куди важливіше, що вперше в лабораторних умовах ми можемо досліджувати зародження нашого Всесвіту ».