Развитие науки, от молекулярной биологии до физики плазмы, сегодня невозможно без очень крупных и дорогостоящих научно-исследовательских комплексов и уникальных научных установок, рассчитанных на коллективное использование. Большинство таких установок «мегасайенс» базируется на ускорителях заряженных частиц высоких энергий. О современном состоянии и перспективах развития «физики и техники» ускорителей – коллайдеров (ускорителей на встречных пучках), источников синхротронного излучения и источников нейтронов, – рассказал известный русский и американский физик Владимир Шильцев из Национальной ускорительной лаборатории им. Э. Ферми (Фермилаб, США)
Роль ускорителей частиц в современной науке трудно переоценить. Так, в последние 80 лет (начиная с 1939 г., когда Э. Лоуренс стал нобелевским лауреатом за изобретение циклотрона) исследования, в которых использовались ускорители частиц, каждые три года отмечались Нобелевской премией по физике.
Помимо физики элементарных частиц, ускорители сегодня служат основными инструментами фундаментальных и прикладных исследований в самых разных областях. Как известно, движение электронов высокой энергии в магнитных полях ускорителей генерирует электромагнитное излучение (от терагерцевых волн до рентгеновских лучей), позволяющее заглянуть глубоко в структуру вещества: от биологических объектов и медпрепаратов до горных пород и полупроводников. Ускорительные источники синхротронного излучения использовались в работах ряда лауреатов Нобелевской премии по химии, включая Д. Уокера (1997 г.), раскрывшего ферментативный характера синтеза АТФ в клетке; Р. Маккиннона (2003 г.), определившего структуру клеточных ионных каналов; Р. Корнберга (2006 г.), изучившего структуру фермента РНК-полимеразы.
Современные ускорительные мегасайенс-установки создаются не в рамках отдельных лабораторий, центров или университетов – все они, как правило, являются общенациональными или даже международными проектами. Самым сложным научным инструментом нашего времени является Большой адронный коллайдер (БАК, или LHC) в швейцарском ЦЕРНе – огромное подземное сооружение длиной 27 км.
Однако, независимо от размера и времени создания, жизненный цикл ускорителей частиц протекает одинаково: все они проектируются, строятся и вводятся в эксплуатацию, а затем улучшаются в течение многих лет, постепенно повышая свою светимость – способность рождать новые частицы в результате высокоэнергетических столкновений. К примеру, в случае ускорителя Tevatron (Фермилаб) за четверть века было сделано более четырех десятков улучшений, что позволило более чем в 400 раз повысить пиковую светимость по сравнению с первоначальной. Некоторые такие апгрейды проводят «на ходу», но самые значительные требуют многих лет подготовки и долговременной остановки ускорителя.
В целом светимость самых мощных коллайдеров с 1970-х гг. увеличилась в 10 тыс. раз, со средним временем удвоения около четырех лет. Для сравнения вспомним закон Мура, согласно которому число транзисторов на кристалле микропроцессора удваивается каждые два года. С учетом сложности и размеров современных ускорителей такой темп развития поражает воображение.
Что касается источников рентгеновского излучения, то их исследовательская способность определяется так называемой яркостью, которая отражает не только интенсивность потока фотонов, но и его пространственную и угловую компактность. Кстати сказать, свет, излучаемый электронами в кольцевых ускорителях частиц, сначала считался лишь «побочным продуктом», но осознание его полезности пришло очень быстро. Только за последние двадцать лет во всем мире было построено около 40 специализированных накопительных колец последнего поколения, производящих рентгеновские лучи высокой яркости.
Мощность электромагнитного излучения, которым одновременно снабжаются несколько десятков экспериментальных станций, увеличивают с помощью сверхпроводящих магнитов-ондуляторов, обеспечивающих движение электронов по волнистой траектории по продольной оси. Яркость источника излучения может быть увеличена в десятки раз за счет уменьшения размера электронного пучка в накопителе, и за последнее десятилетие физики-ускорительщики разработали новые системы для стабилизации орбит пучка вплоть до нескольких нанометров.
В том числе в ускорительном комплексе «СКИФ» – установке класса мегасайенс, которая строится в новосибирском наукограде Кольцово, будет использоваться многоповоротная ахроматическая фокусирующая оптика, которая позволяет сделать размеры электронного пучка и угловые расхождения настолько малыми, что фазовое пространство излучаемых фотонов будет ограничено только дифракцией.
Последним революционным достижением в производстве излучения стали лазеры на свободных электронах (ЛСЭ), которые используют линейные ускорители. Их более высокая яркость по сравнению с источниками на основе накопительного кольца обусловлена тем, что короткие и очень плотные сгустки релятивистских электронов генерируют самоусиливающееся спонтанное излучение, проходя через переменное магнитное поле в длинной линейке ондуляторов.
Для увеличения энергетической эффективности установок рентгеновского излучения сейчас предлагаются схемы на основе линейных ускорителей с рекуперацией энергии, что позволит объединить преимущества накопительных колец и линейных ускорителей. Уже сейчас современные источники синхротронного излучения в 10¹¹ раз ярче, чем те, которые используются в рентгеновских аппаратах в больницах. А лазеры на свободных электронах обеспечивают увеличение яркости еще на десяток порядков, т. е. в 10 млрд раз. Увеличение яркости примерно в 10²² раз с середины 1960-х гг. до настоящего времени соответствует времени удвоения около 8 месяцев – в три раза быстрее, чем для транзисторов!
Несмотря на «ускорительную» революцию в середине XX в., рекорды по энергии пучков росли существенно медленнее, чем по мощности, светимости или пиковой яркости – среднее время удвоения этой величины около 6 лет. Основная причина такого относительно медленного прогресса энергии ускорителей – их стоимость. Ускорители рекордно высоких энергий часто стоят более 1 млрд долл., а исследователям, работающим в физике частиц, требуются еще большие энергии – подобные установки могут стоить на порядок дороже. Такие расходы становятся весьма заметными даже в масштабах национальных экономик. Для сокращения затрат принимаются все меры, включая повторное применение нынешних ускорителей в качестве инжекторов и использование существующей инфраструктуры.
В полной сумме затрат на строительство ускорителей пучков высоких энергий и больших мощностей обычно доминирует цена основных технологических «китов» – магнитов и высокочастотных ускоряющих структур. И за последнюю четверть века их стоимость удалось значительно понизить. К примеру, максимальные магнитные поля в ускорителях выросли с примерно 4 до 12 Тл, так что вместо трех магнитов можно теперь обойтись одним. Благодаря улучшению магнитных и радиочастотных технологий цена современных больших ускорителей растет не линейно с энергией пучка, а пропорционально примерно корню из этого показателя. Тем не менее спрос на пучки со все более высокими энергиями опережает прогресс традиционных ускорительных технологий.
Самой большой проблемой для физиков-ускорительщиков является разработка принципиально новых технологий получения пучков рекордных энергий. Мы вряд ли найдем деньги или такое место на нашей планете, где труд, земля и сырье достаточно дешевы, чтобы использовать принцип «чем больше ускоритель, тем лучше».
Один из подходов к решению этой задачи – использование традиционных технологий для ускорения нетрадиционных частиц, а именно мюонов, которые в столкновениях отдают всю свою энергию для рождения новых частиц. Так что мюонный коллайдер на 14 ТэВ будет приблизительно эквивалентен адронному коллайдеру на 100 ТэВ. В 2019 г. уже был экспериментально продемонстрирован ключевой метод этой технологии – ионизационное охлаждение мюонов.
Перспективна и новая технология ускорения частиц плазменными волнами, которые возбуждаются либо лазерами, либо пучками частиц. Сейчас научно-исследовательская работа в области ускорения плазмы направлена на решение обыденных, но важных вопросов, включая эффективность использования энергии, сохранение высокой яркости и энергии в пучках электронов и позитронов, проходящих через плотную плазму, и т. д. Надежная техническая конструкция для доступного электронно-позитронного плазменного коллайдера на энергию более 1 ТэВ и высокую светимость пока не создана, однако более дюжины исследовательских групп по всему миру уже строят испытательные установки и ведут эксперименты.
Так что совершенствование методов ускорения частиц идет сразу по нескольким направлениям, и дополнительный импульс этим работам придает сотрудничество с экспертами в физике твердого тела, лазерах, плазме и физике высоких энергий. Ускорительщики и специалисты по физике пучков уверены, что уже в ближайшие десятилетия эти совместные усилия приведут к созданию более эффективных и экономичных исследовательских установок.
Понравился материал? Не забудьте поставить лайк и подписаться!
Подробнее об этом читайте в журнале «НАУКА из первых рук»
На фото: Детектор тяжелых ионов ALICE работает на знаменитом Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе. Фото М. Швейцер. © 2008 CERN
