Для изучения мира учёные и энтузиасты используют разные инструменты — от молотка до микроскопа, от подзорных труб до сложных и дорогих орбитальных телескопов. Но среди всех технических средств выделяются ускорители элементарных частиц. Сложные, громоздкие конструкции, призванные помочь физикам заглянуть вглубь материи были изобретены в прошлом веке, но их назначение и принципы работы не всегда понятны обычному человеку.
Чем дальше мы углубляемся во внутреннюю структуру объектов, тем больше удивительного видим: все тела состоят из мельчайших частиц, атомов, по сравнению с которыми даже рисовое зёрнышко выглядит гигантской скалой. Атомы представляют собой не ровные круглые шарики, как на картинках из учебника, а системы из ядра и находящихся рядом электронов. Электроны обладают зарядом и определяют многие свойства атома. А само ядро образуют более крупные элементарные частицы, называемые протонами и нейтронами. Казалось бы, стройная модель и открывать больше нечего. Но выяснилось, что взаимодействие и столкновение одних частиц порождает другие, с уникальными свойствами и характеристиками. Подобные процессы происходят на границе космоса и атмосферы Земли, когда её достигает солнечное излучение. Естественно, учёным необходимо воссоздать столкновения и посмотреть на результат в лабораторных условиях, чтобы не упустить важные этапы и зафиксировать новые частицы. Для этого и нужны ускорители.
Если вы думаете, что разнести атом на составляющие просто, то вынужден вас огорчить. Элементарные частицы удерживаются вместе силами, по сравнению с которыми гравитация признана самой слабой. Даже если увеличить атом до размера яблока, то никакие удары кувалдой по этой структуре не принесут желаемого результата. В ускорителях для «разбивания» одних частиц используются потоки электронов и протонов, которые предварительно разгоняют. При этом говорят не о скорости микроскопических объектов, а об их энергии — это лучше отражает и планируемый результат и характеристики летящей группы частиц.
Чтобы лучше понимать, приведём пример. Энергию частиц измеряют в электронвольтах. Энергия молекул воздуха в вашей комнате сейчас вряд ли превосходит 0,025 электронвольт. А процессы в ядрах атомов происходят при энергии в миллионы и миллиарды электронвольт. Таких величин можно достичь только с использованием ускорителей.
Для работы ускорителя требуется некоторое количество электронов или протонов. Их собирают, воздействуя на материю электрическим полем, и помещают в накопитель, пока не наберётся нужное количество частиц для того или иного опыта. Затем получившийся пучок «впрыскивают» в основное пространство ускорителя, замкнутой трубы в форме кольца. Для эффективной работы из неё выкачивают воздух. Размеры пучка при этом крайне скромные — несколько десятков сантиметров в длину и не более миллионной доли метра в ширину.
Собранные частицы не полетят туда, куда захотят физики, если на них не повлиять извне. Подчиняясь первому закону Ньютона, пучок будет двигаться равномерно и прямолинейно, поэтому вдоль желаемой траектории разгоняемого пучка устанавливаются поворотные магниты. По названию можно догадаться, что они постоянно отклоняют траекторию пучка от прямой. Кроме всего прочего, магниты играют роль защитной системы: в некоторых ускорителях частицы разгоняются до энергии, сравнимой с энергией летящего самолёта и если они вырвутся из кольцеобразного пространства, то смогут прожечь стенку трубы и уничтожить часть аппаратуры.
Но если просто отправить пучок летать по кольцу, то он рано или поздно остановится. Разгон частиц происходит на специальном участке установки, называемым клистроном. Это камера, где создаётся сильное электромагнитное поле, призванное ускорять пучок. Принцип действия клистрона отчасти похож на механизм работы микроволновки.
В ускорителях используется два пучка частиц, которые направляют навстречу друг другу. Происходит «лобовое» столкновение в детекторе, чьё оборудование засекает этапы процесса и характеристики возникших в это время новых частиц. Это конечный этап экспериментов, ради которых и создают ускорители.
Было интересно? Посмотрите другие материалы канала и подпишитесь. А ещё я пишу книги про физику и астрономию, можете ознакомиться и совершенно бесплатно скачать одну из них
Уважаемые адепты эфиродинамики и эмоционально несдержанные читатели, ваши комментарии неизбежно удаляются. Даже не тратьте время.
