Резерфорд. Атомное ядро

Приложение Б Ускорители частиц

Устройства, которые называются ускорителями частиц, заставляют элементарные частицы, такие как протоны или электроны, воздействовать на другие частицы или атом в условиях абсолютного вакуума и высокой энергии. Изучение получившихся частиц и анализ энергии при столкновениях является важным источником информации для глубинного понимания структур материи. Кроме того, эти установки используются как источник излучения ("свет"), позволяющий анализировать и давать детальную характеристику любому виду материалов.

С 1930 года, когда был построен первый ускоритель частиц, технология этого вида устройств и установок не переставала развиваться (см. график). Самым очевидным параметром для совершенствования является увеличение энергии, воздействующей на частицы. Это необходимо, например, для воспроизведения условий, в которых формируется материя при процессах атомного расщепления в недрах звезд, или для открытия базовых составляющих. Кварки и лептоны, вероятно, не были бы открыты, если бы не существовало ускорителей частиц.

Ускоритель постоянного тока Уолтона и Кокрофта, основанный на преобразовании переменного тока, достиг энергии в 260 кэВ, был использован для бомбардировки и запуска протонов на фиксированную мишень, представлявшую собой литиевую пластинку. После воздействия атом лития разделялся на два альфа-луча.

На этой диаграмме Ливингстона показана эволюция технологии ускорителей частиц, в основном в отношении увеличения использованной энергии в прогрессии.

Генератор высокого напряжения Ван де Граафа, созданный в Массачусетском технологическом институте, также основан на явлении электростатики. Начало строительства датируется 1929 годом, а в 1933 году он уже был запущен в эксплуатацию. В нем используется диэлектрическая лента для накопления зарядов внутри сферы. На сегодняшний день ускорители Ван де Граафа очень популярны, а разность потенциалов в современных моделях достигает 20 МэВ.

Использование переменного тока позволило сделать качественный скачок в сфере ускорителей частиц. Американец Луис Альварес разработал знаменитый линейный ускоритель (LINAC) в 1948 году (см. рисунок 1 ). Линейный ускоритель основан на следующей схеме: из источника заряженных частиц, например из катода, вылетают частицы, и на них планируется воздействовать высоким напряжением. Для увеличения скорости генерируемого пучка частиц ускорение частиц происходит по нарастанию с использованием переменных электрических полей, воздействующих при прохождении заряженных частиц. Специфический вид ускорителя зависит от природы и характеристик частиц (являются ли они электронами, протонами, ионами...), а также от их масс, заряда и энергии, которую необходимо передать пучку частиц.

РИС.1

Частицы ускоряются в зазорах между трубками и в конца пути достигают большой скорости.

Также существуют циркулярные ускорители (см. рисунок 2) и синхротроны. Первый циклотрон был разработан американским физиком Эрнестом Лоуренсом в 1932 году. Через семь лет, в 1939 году, эта работа принесла ему Нобелевскую премию по физике. Это был период, когда шло соревнование по созданию первого ускорителя частиц. В основе его изобретения лежала идея ускорения частиц с помощью взаимодействий заряженной частицы с сильным магнитным полем, образуемым мощным электромагнитом. Траектория частиц, взаимодействующих с магнитным полем, представляет собой арки или кривые, отсюда название ускорителя, при этом нет необходимости прибегать к высокому напряжению. Форма циклотронов напоминает две латинские буквы D. Лоуренс смог разогнать частицы до энергии в 1,25 МэВ.

Синхротроны похожи на циклотроны, так как частицы в них также движутся по кривой при использовании электромагнитов, однако траектория частиц закрытая. Принципиальное различие устройств связано с конфигурацией электромагнитных полей, которые в случае синхротронов составные и включают в себя простые биполярные электромагниты, а также сложные конфигурации квадриполярных, октуполь- ных и так далее магнитов. Сложность компенсируется прекрасными экспериментальными условиями с наиболее высокой энергией. Так как ускоряемые частицы, например электроны, являются заряженными, они испускают электромагнитное излучение, известное как "свет синхротрона". Ускорение, необходимое для поддержания траектории, предполагает мгновенное изменение скорости частицы, так что возникает излучение. Это излучение используется в разных областях, в том числе и в медицине.

РИС . 2

Электроны попадают в циклотрон в центральной части, где на них действует магнитное поле, в результате электроны движутся по траектории полукруга в полуцилиндре.

В зазоре между полуцилиндрами электрическое поле начинает действовать на электроны и ускорять их линейно, чтобы они попали наследующий уровень с противоположным магнитным полем. Получая в каждом цикле приращение энергии, электроны продолжают движение по полуокружностям большего радиуса. Наконец, пучок выводится наружу на очень высокой скорости.

Начиная с 1960-х годов синхротроны стали применяться в качестве коллайдеров: ускоренные частицы циркулируют в противоположных направлениях и в конце концов сталкиваются. При взаимодействии возникает большое количество энергии (двойное, если ускоряется одна из частиц). Между сталкивающимися частицами находятся один электрон и один позитрон или два протона. Одним из первых был запущен SPEAR в Стэнфорде (США), он действует по сей день.

Благодаря коллайдерам были достигнуты значительные успехи в физике частиц. Одним из важнейших коллайдеров является Тэватрон, расположенный в национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (Fermilab) в Иллинойсе (США). Он позволяет ускорить протоны и антипротоны в кольце длиной шесть километров до энергии 0,9 ТэВ. Запуск этого коллайдера состоялся в 1987 году. В 1995 году с его помощью был открыт топ-кварк.

Самый мощный коллайдер, являющийся самым крупным и дорогим научным инструментом всех времен, — большой адронный коллайдер (сокращение БАК, или LHC от английского Large Hadron Collider). Коллайдер построен в ЦЕРНе (Европейский совет ядерных исследований), находящемся недалеко от Женевы, на границе Швейцарии и Франции. БАК может сталкивать протоны с энергией, которая в ближайшее время достигнет 7 ТэВ на каждый протон. В апреле 2012 года был зафиксирован рекорд в 8 ТэВ (два пучка протонов по 4 ТэВ циркулировали в противоположных направлениях). Речь идет о необыкновенном инструменте для исследований, в котором протоны ускоряются практически до скорости света и при столкновениях воспроизводят некоторые условия Большого взрыва. Первый неудачный запуск коллайдера был совершен в 2008-м, а регулярное использование началось с 2009 года, хотя первые столкновения частиц стали выполняться только через год. Коллайдер позволил подтвердить существование частицы, "соответствующей по характеристикам бозону Хиггса", что является фундаментальным открытием в понимании причины, по которой у частиц есть масса согласно стандартной модели физики частиц. Открытие было сделано 4 июля 2012 года.

Aczel, A., Las guerras del uranio, Barcelona, RBA, 2012.

Bryson, B., Una breve historia de cast todo, Barcelona, RBA, 2003.

Gamow, G., Biografia de la ftsica, Madrid, Alianza, 2011.

Gribbin, J., Historia de la ciencia, 1543-2001, Barcelona, Critica, 2003.

Hooft, G., Parttculas elementales, Barcelona, Drakontos, 2008.

Krach, H., Generaciones cudnticas: una historia de la ftsica en el siglo xx, Madrid, Akal, 2007.

Pullman, B., El àtomo en la historia de la humanidad, Barcelona, Ediciones de Intervention Cultural, 2010.

Sanchez Ron, J.M., Historia de la ftsica cudntica, Barcelona, Critica, 2001.

Teresi D. y Lederman L, La parttcula divina, Barcelona, Drakontos, 2007.