Элементарные частицы — интуитивно понятно, что это означает, — это что-то самое элементарное, что нельзя расколоть на части, нельзя найти, из чего эти частицы состоят. Исторически это понятие менялось. Самыми элементарными частицами когда-то считались атомы, потому что еще со времен древних греков было понятно, что мир состоит из каких-то мельчайших элементов, и такими элементами считались атомы.
Это продолжалось до тех пор, пока мы не смогли попасть внутрь атома. Примерно сто лет назад Резерфорд, бомбардируя альфа-частицами тонкую фольгу, обнаружил, что атомы пустые, что в середине атома находится то, что после стали называть атомным ядром, которое примерно в 1000 раз меньше, чем атом. Тогда можно было сказать, что элементарные частицы — это атомные ядра. Но кроме атомных ядер, которые имеют электрический заряд, а атомы заряда не имеют, должно было быть что-то еще, и это что-то еще получило название электрон. Так получились две элементарные частицы: ядро и электрон.
Это был не конец. Довольно скоро стало понятно, что ядра различных атомов на самом деле состоят из чего-то еще, что это не единые объекты, которые можно считать элементарными. Примерно в 30-х годах прошлого века Гейзенберг в Германии и Иваненко в России выдвинули гипотезу, что ядра состоят из двух элементарных частиц: протона и нейтрона. Получилось уже три элементарные частицы: протон, нейтрон и электрон.
Долгое время так и было, но за это время родилась квантовая механика — наука, которая объяснила, как устроен атом, почему электрон, вращаясь по стационарным орбитам вокруг ядра, не падает на это ядро. По законам классической физики электрон как электрически заряженная частица должен был все время испускать свет, терять энергию и очень быстро упасть на ядро. Этого не происходит, и причина этого оказалась в том, что электрон подчиняется законам квантовой механики.
Три элементарные частицы: протон, нейтрон и электрон — вроде бы образовывали весь мир, который мы видим перед собой. Но возник естественный вопрос: почему они не разлетаются в разные стороны, почему два протона, которые имеют положительный заряд, не разлетаются в разные стороны под действием кулоновских сил, почему они так накрепко связаны с нейтронами в ядре? И другой вопрос: если эти частицы элементарные и если они ни из чего не состоят и с ними ничего не может произойти, то, следовательно, они должны жить вечно.
Нейтрон, как оказалось, распадается, и довольно быстро, причем распадается на протон, электрон и еще что-то неуловимое. Это неуловимое было замечено по недостающей энергии. Померили энергию электрона, протона, энергию исходного нейтрона, и оказалось, что куда-то девается непонятная энергия. Паули предположил, что это новая элементарная частица — в тот момент это было совершенно революционно, потому что думалось, что новых элементарных частиц уже нет, что мы уже все понимаем. Но оказалось, что это не так. Паули предположил, что существует маленькая частица, которая не несет электрического заряда и имеет чрезвычайно маленькую массу. Ферми предложил назвать ее нейтрино. Так число элементарных частиц начало возрастать: протон, нейтрон, электрон и нейтрино.
Нейтрон распадался на протон, электрон и нейтрино — антинейтрино на самом деле, но это сейчас не так важно. Но и это оказалось не все: что-то должно было увязывать протоны и нейтроны вместе, и это не электрические силы, поскольку они очень слабые.
Японский физик Юкава предположил, что есть еще одна элементарная частица, которая ответственна за ядерные силы, то есть за силы, которые удерживают протоны и нейтроны внутри ядра. Он предположил, что есть еще одна элементарная частица и что ядерные силы существуют благодаря обмену элементарными частицами нового сорта, которые впоследствии получили название пи-мезонов (с греческой буквой π). Так число элементарных частиц начало постепенно возрастать.
Вскоре был открыт тяжелый электрон, впоследствии названный мюоном, и физики занялись изучением космических лучей.
Космические лучи — это излучение, приходящее к нам из космоса. К нам летят протоны, электроны, античастицы, и, как выяснилось, к нам еще прилетают некоторые странные объекты.
В 1947 году в космических лучах была открыта новая элементарная частица, которая получила название К-мезона. На самом деле было три мезона: один имел положительный электрический заряд, другой — отрицательный электрический заряд, и третий оказался нейтральным. Эти три частицы вели себя несколько странным образом, это так и было названо — «странность». Предположили, что они обладают неким новым свойством, называемым «странностью», и люди стали изучать эти странные частицы.
Оказалось, что К-мезоны — не единственные странные частицы. Постепенно число частиц начало возрастать. В космических лучах к нам прилетают частицы, которые могут долго жить, — если они живут мало, они успевают распасться, прежде чем прилететь к нам из космоса. Возникает вопрос: долго ли живут эти элементарные частицы? Что мы знаем о них на сегодняшний день?
Электрон, как нам сейчас представляется, живет вечно, мы не знаем, как он может распасться. Дело в том, что электрон на сегодняшний день — это самая легкая частица, имеющая электрический заряд, и поэтому в силу закона сохранения энергии ему просто не во что распадаться. Поэтому по сегодняшним представлениям электрон живет вечно.
А вот протон мог бы распадаться, но на сегодняшний день мы знаем, что время его жизни, измеренное экспериментально, превышает 1034 лет. Для сравнения: возраст Вселенной — примерно 1010 лет. То есть протон живет практически вечно по этим меркам. А вот распадается он в конце концов или не распадается — это остается открытым вопросом, и это вопрос к эксперименту, который должен определить, распадется он или нет. Теория позволяет протону распадаться.
Нейтрон живет достаточно короткое время и распадается на протон. Но внутри ядер нейтрон живет практически вечно, потому что идет и обратный процесс превращения протона в нейтрон.
К-мезоны и пи-мезоны, оказалось, живут довольно короткий промежуток времени — 10-6–10-9 секунды, то есть по человеческим меркам распадаются мгновенно, но по меркам физики частиц они живут довольно долго. К этому нужно добавить, что они движутся с очень большой скоростью, прилетая к нам из космоса, то есть со скоростью, близкой к скорости света. А согласно специальной теории относительности Эйнштейна, время у быстродвижущихся объектов замедляется, поэтому их собственное время течет очень медленно, практически стоит, поэтому эти частицы, несмотря на то, что в покое они должны были распасться в неуловимые доли секунды, на самом деле живут довольно долго и успевают прилететь к нам из космоса.
До постройки ускорителей единственным источником частиц высоких энергий были космические лучи. В основном это протоны с энергией порядка нескольких ГэВ, свободно приходящие из космоса, и вторичные частицы, возникающие при их взаимодействии с атмосферой. Но поток космических лучей хаотичен и имеет малую интенсивность, поэтому со временем для лабораторных исследований стали создавать специальные установки — ускорители с контролируемыми пучками частиц высокой энергии и большей интенсивности.
В основе работы всех ускорителей лежит хорошо известный факт: заряженную частицу разгоняет электрическое поле. Однако получить частицы очень большой энергии, ускоряя их лишь один раз между двумя электродами, нельзя, так как для этого пришлось бы приложить к ним огромное напряжение, что технически невозможно. Поэтому частицы больших энергий получают, многократно пропуская их между электродами.
Ускорители, в которых частица проходит через последовательно расположенные ускоряющие промежутки, называются линейными. С них началось развитие ускорителей, но требование к увеличению энергии частиц вело к практически нереально большим размерам установок.
Аппарат мог ускорить протоны до 730 миллионов электрон-вольт (МэВ). Крупнейший циклотрон - это мультимагнетический ускоритель TRIUMF 17,1 м (56 футов) в Университете Британской Колумбии в Ванкувере, который может производить протоны 500 МэВ. Более 1200 циклотронов используются в ядерной медицине во всем мире для производства радионуклидов.
Первый циклотрон был разработан и запатентован Эрнестом Лоуренсом в 1932 году в Калифорнийском университете в Беркли. Он использовал большие электромагниты, переработанные из устаревших радиопередатчиков Poulsen arc, предоставленных Федеральной телеграфной компанией.
Студент-выпускник, М. Стэнли Ливингстон, сделал большую часть работы по превращению оторванного от реальности концепта в реально работающий механизм. Лоуренс читал статью о концепции дрейфовой трубки linac от Rolf Widerøe, которая также работала аналогичным образом с концепцией бетатрона.
В Лаборатории радиации Калифорнийского университета в Беркли Лоуренс построил ряд циклотронов, которые в то время были самыми мощными ускорителями в мире: машина 69 см (27 дюймов) 4,8 МэВ (1932 г.), машина диаметром 94 см (37 дюймов) 8 МэВ (1937 г.) и машина шириной 16 см (16 дюймов) (1939). Он также разработал синхронизатор 467 см (184 дюйма) (1945).
Лоуренс за эту работу получил Нобелевскую премию в области физики в 1939 году. Циклотрон - это один из самых первых ускорителей заряженных частиц. Первый европейский циклотрон был собран в Ленинграде на физическом факультете Радиевого института во главе с Виталием Хлопиным. Этот ленинградский аппарат был впервые представлен в 1932 году Джорджем Гамовым и Львом Мысовским, в эксплуатацию его ввели в 1937 году.
В циклотроне электрическое и магнитное ускорение всегда использовали равномерно, потому при строительстве этого ускорителя частиц всегда использовали наэлектризованный магнит. В нацистской Германии, в Гейдельберге, был построен циклотрон под наблюдением Вальтера Боте и Вольфганга Гентнера при поддержке Хересваффенхамта. Он функционировал с 1943 года.
Этот аппарат ускоряет пучки фотонов и заряженных частиц вплоть до скорости света, вращая их по спиралевидному пространству внутри ускорителя. Благодаря нему было открыто, что при вращении с огромной скоростью масса частиц меняется, как правило, в сторону увеличения. Циклотрон - это настоящий кладезь подобных открытий.
Релятивистское увеличение массы частиц в пучке фотонов требует, как правило, либо изменения магнитного поля внутри ускорителя (так называемый изохронный циклотрон), либо к модификации его частоты (синхронный циклотрон).
Принцип работы циклотрона
В циклотроне тяжёлые ускоряемые частицы инжектируются в камеру вблизи её центра. После этого они движутся внутри полости двух чуть раздвинутых полуцилиндров (дуантов), помещённых в вакуумную камеру между полюсами сильного электромагнита. Однородное магнитное поле этого электромагнита искривляет траекторию частиц. Ускорение движущихся частиц происходит в тот момент, когда они оказываются в зазоре между дуантами. В этом месте на них действует электрическое поле, создаваемое электрическим генератором высокой частоты, которая совпадает с частотой обращения частиц внутри циклотрона (циклотронной частотой). При не слишком больших (нерелятивистских) скоростях эта частота не зависит от энергии частиц, так что в зазор между дуантами частицы попадают всегда через один и тот же момент времени. Получая каждый раз при этом некоторое приращение скорости, они продолжают своё движение дальше по окружности всё большего радиуса, и траектория их движения образует плоскую раскручивающуюся спираль. На последнем витке этой спирали включается дополнительно отклоняющее поле, и пучок ускоренных частиц выводится наружу. Поскольку задающее орбиту пучка магнитное поле неизменно, и ускоряющее высокочастотное электрическое поле в процессе ускорения частиц также не меняет параметров, циклотрон может работать в непрерывном режиме: все витки спирали заполнены частицами пучка ионов.
Тяжелые заряженные частицы (протоны, ионы) попадают в камеру из инжектора вблизи центра камеры и ускоряются переменным полем фиксированной частоты, приложенным к ускоряющим электродам (их два и они называются дуантами). Частицы с зарядом Ze и массой m движутся в постоянном магнитном поле напряженностью B, направленном перпендикулярно плоскости движения частиц, по раскручивающейся спирали. Радиус R траектории частицы, имеющей скорость v, определяется формулой:
R = (m*V)/(Ze*B) (1)
В зазоре между дуантами частицы ускоряются импульсным электрическим полем (внутри полых металлических дуантов электрического поля нет). В результате энергия и радиус орбиты возрастают. Повторяя ускорение электрическим полем на каждом обороте, энергию и радиус орбиты доводят до максимально допустимых значений. При этом частицы приобретают скорость
v = ZeBR/m
и соответствующую ей энергию:
E = mv^2/2
На последнем витке спирали включается отклоняющее электрическое поле, выводящее пучок наружу. Постоянство магнитного поля и частоты ускоряющего поля делают возможным непрерывный режим ускорения. Пока одни частицы двигаются по внешним виткам спирали, другие находятся в середине пути, а третьи только начинают движение.
Недостатком циклотрона является ограничение существенно нерелятивистскими энергиями частиц, так как даже не очень большие релятивистские поправки (отклонения γ от единицы) нарушают синхронность ускорения на разных витках и частицы с существенно возросшими энергиями уже не успевают оказаться в зазоре между дуантами в нужной для ускорения фазе электрического поля. В обычных циклотронах протоны можно ускорять до 20-25 МэВ.
Для ускорения тяжёлых частиц в режиме раскручивающейся спирали до энергий в десятки раз больших (вплоть до 1000 МэВ) используют модификацию циклотрона, называемую изохронным (релятивистским) циклотроном, а также фазотрон. В изохронных циклотронах релятивистские эффекты компенсируются радиальным возрастанием магнитного поля.
Тяжелые заряженные частицы (протоны, ионы) попадают в камеру из инжектора вблизи центра камеры и ускоряются переменным полем фиксированной частоты, приложенным к ускоряющим электродам (их два и они называются дуантами). Частицы с зарядом Ze и массой m движутся в постоянном магнитном поле напряженностью B, направленном перпендикулярно плоскости движения частиц, по раскручивающейся спирали. Радиус R траектории частицы, имеющей скорость v, определяется формулой:
R = γ *(m*V)/(Ze*B), где γ = [1 - (v/c)^2]^(-1/2) – релятивистский фактор.
В зазоре между дуантами частицы ускоряются импульсным электрическим полем (внутри полых металлических дуантов электрического поля нет). В результате энергия и радиус орбиты возрастают. Повторяя ускорение электрическим полем на каждом обороте, энергию и радиус орбиты доводят до максимально допустимых значений. При этом частицы приобретают скорость v = ZeBR/m и соответствующую ей энергию:
E = mv2/2 = (Ze)2B2R2/(2m)
(3)
На последнем витке спирали включается отклоняющее электрическое поле, выводящее пучок наружу. Постоянство магнитного поля и частоты ускоряющего поля делают возможным непрерывный режим ускорения. Пока одни частицы двигаются по внешним виткам спирали, другие находятся в середине пути, а третьи только начинают движение.
Недостатком циклотрона является ограничение существенно нерелятивистскими энергиями частиц, так как даже не очень большие релятивистские поправки (отклонения γ от единицы) нарушают синхронность ускорения на разных витках и частицы с существенно возросшими энергиями уже не успевают оказаться в зазоре между дуантами в нужной для ускорения фазе электрического поля. В обычных циклотронах протоны можно ускорять до 20-25 МэВ.
Для ускорения тяжёлых частиц в режиме раскручивающейся спирали до энергий в десятки раз больших (вплоть до 1000 МэВ) используют модификацию циклотрона, называемую изохронным (релятивистским) циклотроном, а также фазотрон. В изохронных циклотронах релятивистские эффекты компенсируются радиальным возрастанием магнитного поля.
Фокусировка пучка
В горизонтальной плоскости частицы автоматически фокусируются в однородном магнитном поле. В вертикальном направлении фокусировка происходит за счёт неоднородности электрического поля в ускоряющем зазоре. Действительно, если частица смещена по вертикали из медианной плоскости, то на входе в ускоряющий зазор она испытает толчок в сторону медианной плоскости вертикальной компонентой краевого электрического поля. На выходе толчок будет обратного знака, но меньшей силы, за счёт конечного смещения частицы. На внешнем радиусе циклотрона, где магнитное поле спадает, происходит дополнительная фокусировка по обеим координатам за счёт линейного градиента поля.
Что такое синхрофазотрон?
Если обобщить, то данная установка представляет собой ускоритель элементарных частиц, протонов в частности. Синхрофазотрон состоит из немагнитной закольцованной трубы с вакуумом внутри, а также мощных электромагнитов. Поочередно магниты включаются, направляя заряженные частицы внутри вакуумной трубы. Когда они с помощью ускорителей достигают максимальной скорости, их направляют в специальную мишень. Протоны в нее ударяются, разбивают саму мишень и разбиваются при этом сами. Осколки разлетаются в разные стороны и оставляют следы в пузырьковой камере. По этим следам группа ученых анализирует их природу. Так было ранее, однако в современных установках (типа Большого адронного коллайдера) применяются более современные детекторы вместо пузырьковой камеры, которые дают больше информации об осколках протонов. Сама по себе установка является достаточно сложной и высокотехнологичной. Можно сказать, что синхрофазотрон – это «дальний родственник» современного Большого адронного коллайдера. По сути, его можно назвать аналогом микроскопа. Оба эти прибора предназначаются для изучения микромира, вот только принцип изучения разный.
Подробнее об устройстве
Итак, мы уже знаем, что такое синхрофазотрон, а также то, что здесь частицы разгоняются до огромных скоростей. Как оказалось, для разгона протонов до огромной скорости необходимо создать разность потенциалов в сотни миллиардов вольт. К сожалению, сделать такое человечеству не под силу, поэтому частицы придумали разгонять постепенно.
В установке частицы двигаются по кругу, и на каждом обороте их подпитывают энергией, получая ускорение. И хотя подобная подпитка невелика, за миллионы оборотов можно набрать необходимую энергию. В основу работы синхрофазотрона положен именно этот принцип. Разогнанные до небольших значений элементарные частицы запускаются в туннель, где располагаются магниты. Они создают перпендикулярное кольцу магнитное поле. Многие ошибочно полагают, что эти магниты ускоряют частицы, но на самом деле это не так. Они лишь меняют их траекторию, заставляя двигаться по окружности, однако не ускоряют их. Само ускорение происходит на определенных разгонных промежутках.
Разгон частиц
Подобный промежуток ускорения представляет собой конденсатор, на который подается напряжение с высокой частотой. Кстати, это основа всей работы данной установки. Пучок протонов влетает в данный конденсатор в момент, когда напряжение в нем равно нулю. По мере того как частицы пролетают по конденсатору, напряжение успевает возрасти, что подгоняет частицы. На следующем кругу это повторяется, так как частота переменного напряжения специально подбирается равной частоте обращения частицы по кольцу. Следовательно, синхронно и в фазе осуществляется ускорение протонов. Отсюда и название – синхрофазотрон.
Кстати, при таком способе ускорения есть определенный полезный эффект. Если вдруг пучок протонов летит быстрее необходимой скорости, то он влетает в разгонный промежуток при отрицательном значении напряжения, из-за чего немного притормаживает. Если скорость движения меньшая, то эффект будет обратным: частица получает ускорение и догоняет основной сгусток протонов. В результате плотный и компактный пучок частиц движется с одной скоростью.
Проблемы
В идеале частицы необходимо разогнать до максимально возможной скорости. И если протоны на каждом круге движутся быстрее и быстрее, то почему нельзя их разогнать до максимально возможной скорости? Причин несколько.
Во-первых, рост энергии предполагает увеличение массы частиц. К сожалению, релятивистские законы не позволяют ни один элемент разогнать выше скорости света. В синхрофазотроне скорость протонов практически достигает скорости движения света, что сильно увеличивает их массу. В результате их становится трудно удерживать на круговой орбите радиуса. Еще со школы известно, что радиус движения частиц в магнитном поле обратно пропорционален массе и прямо пропорционален величине поля. И так как масса частиц растет, то радиус необходимо увеличивать и делать магнитное поле сильнее. Эти условия и создают ограничения в реализации условий для исследования, так как технологии даже сегодня ограничены. Пока что не удается создать поле с индукцией выше нескольких тесла. Поэтому и делают туннели большой длины, ведь при большом радиусе тяжелые частицы на огромной скорости удается удерживать в магнитном поле.
Вторая проблема – движение с ускорением по окружности. Известно, что заряд, который движется с определенной скоростью, излучает энергию, то есть теряет ее. Следовательно, частицы при ускорении постоянно теряют часть энергии, и чем выше их скорость, тем больше энергии они расходуют. В какой-то момент наступает равновесие между получаемой энергией на участке разгона и потерей этого же количества энергии за один оборот.
Исследования, проводимые на синхрофазотроне
Теперь мы понимаем, какой принцип лежит в основе работы синхрофазотрона. Он позволил провести ряд исследований и совершить открытия. В частности ученые смогли изучить свойства ускоренных дейтронов, поведение квантовой структуры ядер, взаимодействие тяжелых ионов с мишенями, а также разработать технологию утилизации урана-238.
Применение результатов, полученных в ходе испытаний
Полученные по этим направлениям результаты применяются на сегодняшний день в строительстве космических кораблей, проектировании атомных электростанций, а также при разработке специального оборудования и робототехники. Из всего этого следует, что синхрофазотрон – такое устройство, вклад в науку которого переоценить сложно.
Заключение
В течение 50 лет подобные установки служат на благо науки и активно применяются учеными всей планеты. Ранее созданный синхрофазотрон и подобные ему установки (они создавались не только в СССР) являются всего лишь одним звеном в цепочке эволюции. Сегодня появляются более совершенные устройства – нуклотроны, обладающие огромной энергией.
Одним из самых совершенных среди подобных устройств является Большой адронный коллайдер. В отличие от действия синхрофазотрона, он встречными курсами сталкивает два пучка частиц, в результате чего выделяемая от столкновения энергия во много раз превышает энергию на синхрофазотроне. Это открывает возможности для более точного изучения элементарных частиц.
Пожалуй, теперь вы должны понимать, что такое синхрофазотрон и для чего он вообще нужен. Эта установка позволила сделать целый ряд открытий. Сегодня из него сделали ускоритель электронов, и на данный момент он работает в ФИАНе.
В России будет построен уникальный ускоритель частиц - Сибирский Кольцевой Источник Фотонов
В Новосибирске стартовало строительство источника синхронного излучения, который будет называться «Сибирский кольцевой источник фотонов» (СКИФ).
Так строящийся уникальный ускоритель частиц, который создается в научном городке под названием Кольцово, позволит физикам, а также инженерам из самых разнообразных научных областей выполнять различные научные работы с применением рентгеновского излучения.
Как особо подчеркивают специалисты, все строительство будет обеспечено исключительно силами российских специалистов. При этом монтируемый аппарат есть не что иное, как ускоритель, внутри оного происходит ускорение элементарных частиц почти до световой скорости, благодаря использованию сильных электромагнитов.
Так производство синхротрона должно быть завершено уже к 2023 году, а полноценные испытания должны стартовать уже начиная с 2024 года. И суммарно на всю установку планируется потратить ориентировочно 37,1 миллиарда рублей.
Так согласно проектной документации, СКИФ будет включать в себя экспериментальные станции, и первая из них будет построена до завершения 2023 года. А в общей сложности должны будут возвести восемь станций, при этом пара из них будет относиться к новосибирскому центру вирусологии «Вектор».
Приятно осознавать, что столь высокотехнологичное оборудование и высокотехнологичные установки будут полностью произведены силами именно российских ученых. А это значит, что Россия будет полностью автономна и не будет зависеть от иностранных партнеров. И никакие возможные санкции никоим образом не смогут помешать развитию и работе российских ученых.
Также будем с нетерпением ждать постройку и введение в работу СКИФа и новых уникальных открытий.