Исследования в области физики высоких энергий ведутся самыми разными методами. Но всё же большинство из них так или иначе используют ускорители частиц. Сегодня поговорим об одном из типов таких ускорителей — синхротронах.
Синхротроны — это «тяжеловесы» в мире ускорителей. Именно на них получают частицы с самой высокой энергией. Рекордсмен здесь всем известный Большой адронный коллайдер. Он разгоняется протона до 6,5 ТэВ (тераэлектрон-вольт, 1 ТэВ = 1 триллион электрон-вольт).
Обычно синхротроны имеют вид кольца, по которому нарезают круги ускоряемые частицы. Но иногда в них добавляют небольшие прямые отрезки.
Ускоряются частицы в специальных устройствах — радиочастотных резонаторах. Они расположена на всём протяжении кольца с некоторым интервалом друг между другом. Чтобы ускоряемые частицы не покидали пределы вакуумной трубы, в которой они двигаются, их траектории искривляют при помощи больших магнитов. Есть также магниты, которые подфокусируют пучки, чтобы они за время ускорения не разлетелись в стороны.
Процесс ускорения частиц в синхротроне довольно медленный. Например, в Большом адронном коллайдере они должны пройти по кольцу 14 миллионов раз прежде чем наберут максимальную энергию. Правда, поскольку они движутся со скоростью, близкой к скорости света, на это уходит всего 20 минут.
После того, как частицы достигли нужной энергии, их сталкивают друг с другом. Для этого в синхротроне частицы циркулируют в обе стороны. Магнитами их траектории пересекают. Однако за один раз происходит всего несколько столкновений. Но за счёт того, что частицы продолжают циркулировать с огромной скоростью по трубе, пучки снова столкнутся через доли секунды. Так что довольно быстро набирается огромное количество столкновений, что позволяет исследовать даже очень редкие события.
Так, например, детекторы ATLAS и CMS, установленные на Большом адронном коллайдере, регистрируют за год сотни миллионов столкновений.
Поскольку синхротроны позволяются получать частицы с самой высокой энергией, именно их чаще всего используют для изучения «строительных блоков», из которых построены все остальные частицы. Например, открыть бозон Хиггса удалось только потому, что протоны на Большом адронном коллайдере достигли достаточно высокой энергии и при этом сталкивались друг с другом достаточно часто.
Синхротроны могут ускорять не только протоны. На том же Большом адронном коллайдере ускоряли и тяжёлые ядра свинца. Большое прикладное значение имеют синхротроны, ускоряющие электроны. Попадая в поле магнитов электроны начинают излучать яркий рентген, который требуется для многих приложений. Например, чтобы определять строение белковых молекулы для биохимии. При этом электроны теряют очень много энергии, и поэтому не могут достичь в синхротронах такой же большой энергии, как протоны.
Читайте также
Открыты две новые частицы, состоящие из кварков трёх разных поколений
На LHC частиц тёмной материи не видят
Идёт охота за «тёмными» фотонами
Подписывайтесь также на мой канал в Telegram