Зачем физики строят гигантские ускорители: В ожидании гигантских ускорителей

В ожидании гигантских ускорителей

Анатолий Сидорин,
кандидат физико-математических наук, зам. начальника ускорительного отделения лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ
«Троицкий вариант — Наука» №5(324), 9 марта 2021 года

Если бы нынешняя Европейская стратегия по развитию физики высоких энергий была принятая лет сорок назад, она бы не вызвала никаких вопросов. Главный приоритет на будущее — работа над созданием электрон-позитронного коллайдера периметром 100 км. Это значит, что ЦЕРН по-прежнему претендует на лидерство в мире в области строительства гигантских ускорителей, предназначенных для исследований физики частиц1.

В течение почти всей второй половины XX века словосочетание «большой ускоритель» воспринималось как синоним к «хороший ускоритель». Создание всё больших и больших ускорителей рассматривалось даже как один из элементов геополитического соперничества. Выбор максимальной энергии частиц определялся в основном экономическими соображениями, а в целом чем больше, тем лучше. Было принято прогресс ускорителей иллюстрировать диаграммой, показывавшей по годам экспоненциальный рост энергии взаимодействующих частиц. Ситуация радикально изменилась в 1993 году, когда Конгресс США прекратил финансирование самого грандиозного ускорительного проекта за историю человечества — сверхпроводящего суперколлайдера (SSC). Это был огромный ускорительный комплекс, основная установка которого — коллайдер с периметром орбиты 87 км и энергией протонов 20 ТэВ. К 1993 году на строительство уже было потрачено 2 млрд долл. (на современные цены сумма еще более грандиозная), шла прокладка туннеля и монтаж оборудования. Конгресс мотивировал свое решение двумя основными причинами. Первая из них — распад СССР, в результате которого у США исчезла необходимость доказывать свое превосходство в области физики высоких энергий (в 1980-е годы в СССР были начаты работы по созданию коллайдера с периметром 20 км и энергией 3 ТэВ, советский проект был окончательно закрыт в 1998 году). А вторая, и куда более важная из них, заключалась в том, что американские физики пессимистично относились к исследовательскому потенциалу такой установки и считали, что на эти средства можно осуществить большое количество куда более интересных проектов. Скепсис со стороны теоретиков по отношению к гигантским ускорителям возник еще в начале 1980-х, когда начался массовая «утечка мозгов» из физики высоких энергий в астрофизику. Например, академик РАН А. Н. Сисакян, на стыке веков возглавлявший Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне и сформировавший нынешнее лицо института, в лекциях по физике частиц так иллюстрировал возможности новых фундаментальных открытий с использованием ускорителей на сверхвысокие энергии: «Напомню, что ускорение частиц до энергии 1015 ГэВ, отвечающей „великому объединению“ сильного и электрослабого взаимодействий, потребовало бы сооружения ускорителя размером с Солнечную систему. А если бы мы хотели продвинуться до „планковской“ энергии 1019 ГэВ (на этом рубеже становятся существенными квантово-гравитационные эффекты), то пришлось бы строить ускоритель, кольцо которого имело бы протяженность порядка 10 световых лет».

На этом фоне создание Большого адронного коллайдера (LHC, БАК) в ЦЕРНе стало возможным благодаря уникальному стечению многих обстоятельств. Во-первых, в ЦЕРНе был готовый туннель длиной 27 км (в котором размещался Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP), и максимальная энергия протонов 7 ТэВ в LHC была продиктована именно периметром туннеля, а не программой исследований). И, что еще более важно, проект начинался на фоне активного формирования Европейского Союза в его современном виде. Тогда настолько преобладали центростремительные тенденции, что любые общеевропейские проекты воспринимались с энтузиазмом. Не случайно внимание средств массовой информации было активно направлено и на LHC — вплоть до обсуждения домохозяйками его будущей научной программы. Строительство LHC потребовало концентрации ресурсов и привело к закрытию нескольких небольших лабораторий в разных странах, но тогда на эту жертву пошли именно в духе задачи ЦЕРНа — объединение усилий всей Европы, позволяющее реализовать программы, достойно выглядящие на фоне сверхдержав.

Оправдал ли LHC связанные с ним ожидания? И да и нет. Его основной задачей было открыть бозон Хиггса или однозначно доказать, что такой частицы в природе не существует (а были и варианты теории, которые без нее обходились). С этой задачей он справился. Но кроме задач были еще и мечты. Мечты, в которые по-настоящему никто не верил. И одна из них — это открытие суперсимметричной частицы SUSY, кандидата на объяснение загадки темной материи. А другая мечта — из области «а вдруг?». Увы, LHC разбил все мечты. Никаких «а вдруг?», и так до ускорителя размером в Солнечную систему.

Будет ли после этого человечество строить новые гигантские коллайдеры? После вышесказанного ответ может прозвучать странно, но да. В ближайшей перспективе как минимум один. Это будет электрон-позитронный коллайдер на энергию пучков 250 ГэВ (максимальная энергия протонов в LHC равна 7 ТэВ). Именно столько нужно, чтобы исследовать свойства бозона Хиггса. Здесь уместно пояснить разницу между протонным и электрон-позитронным коллайдером. Протон частица составная: его образуют три кварка и примерно столько же глюонов, поэтому на каждую элементарную частицу (или консистюэнт) при столкновениях приходится примерно 1/6 часть полной энергии протона. Но, что самое важное, энергия составных частей протона не может быть точно определена, а именно они и рождают при столкновениях новые частицы. Электрон, как и позитрон, является частицей элементарной, поэтому вся энергия расходуется в столкновениях, а энергия электронов и позитронов может быть установлена с высочайшей точностью. Поэтому иногда говорят, что протонный коллайдер — установка для открытий, а электрон-позитронный — для изучения уже открытого. Открытие бозона Хиггса сформулировало задачу для электрон-позитронного коллайдера: набор большого количества данных и прецизионные измерения свойств новой частицы. В важности этой задачи никто из физиков не сомневается, и рано или поздно такая установка состоится (ее называют фабрикой хиггсов). В начале века, когда стартовала разработка технического проекта Международного линейного коллайдера (ILC), было ясно, что это может быть только линейный коллайдер: он обеспечивает большую светимость (т. е. темп набора данных) по сравнению с циклическим. С тех пор в физике циклических коллайдеров произошла революция, позволившая за счет новых идей по организации места столкновения пучков обеспечить увеличение светимости примерно в сто раз. Сейчас и линейный, и циклический коллайдер в качестве фабрики хиггсов практически эквивалентны по всем параметрам: и по светимости, и по капитальным и по эксплуатационным затратам. Какой из них строить — дело вкуса. Но понятно, что этой ниши хватит только на одну установку в мире. И как только кто-нибудь начнет ее строить, все остальные проекты с большой вероятностью сразу умрут. ЦЕРН ставит на циклический коллайдер, и если они начнут прокладывать туннель раньше других, то конкурентов уже не будет. Или, если бы японское правительство подтвердило в прошлом году свое решение о размещении ILC в Японии (а по условиям соглашения страна размещения покрывает не менее половины стоимости), то стратегия развития ЦЕРНа, наверное, была бы иной. Проект циклической фабрики хиггсов сейчас активно разрабатывается также и в Китае; периметр установки там, как и в ЦЕРНе, оценивается примерно в 100 км. Если правительство КНР начнет финансировать прокладку туннеля, то не исключено, что у европейской программы возникнут серьезные проблемы.

И всё же если руководство ЦЕРНа правильно оценило ситуацию, то фабрика хиггсов будет построена именно в Швейцарии. Что это означает для будущего этой организации? В текущий момент львиная доля бюджета тратится на эксплуатацию и развитие LHC. Будущий циклический коллайдер «съест» весь бюджет на многие годы вперед, и на другие программы останутся крохи. ЦЕРН окончательно превратится в лабораторию одной установки. Для персонала, как и для научных коллабораций, такой сценарий вполне приемлем — это хорошая работа на десятилетия. Главный риск — потеря интереса к ЦЕРНу со стороны стран-участниц. Главная проблема — полная неопределенность в судьбе через пятьдесят лет. В протон-протонный коллайдер в туннеле фабрики хиггсов по гамбургскому счету никто не верит (может, это слишком субъективная оценка).

Руководство ЦЕРНа сделало трудный выбор. Но прежде чем его осуждать или приветствовать, нужно рассмотреть другие возможные варианты.

Один из них — это превращение лаборатории в центр коллективного пользования, когда любой группе ученых, которая предложила интересную программу исследований, предоставляется время работы на одной из установок. Таким путем пошли несколько крупных лабораторий. Например, DESY в Гамбурге, многие годы являвшаяся одним из лидеров исследований по физике частиц. Сейчас установка PETRA, бывший электрон-позитронный коллайдер (в свое время лидер по энергии, на котором был открыт глюон), переоборудован в источник синхротронного излучения, а в 2018 году в DESY был запущен Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах (XFEL). XFEL — сверхпроводящий линейный ускоритель длиной 3,4 км. Конечно, это не линейный коллайдер, но масштаб впечатляет. Сейчас лаборатория обладает уникальным набором оборудования, позволяющего проводить исследования по биологии, химии, материаловедению, и работает на условиях открытого доступа. Для ЦЕРНа такой путь, скорее всего, всерьез даже не рассматривался. Во-первых, это полный отказ от уникальной роли в мировой науке, а во-вторых, набор экспериментальных установок очень далек от требований прикладных исследований.

Еще один путь — осуществление исследований «широким фронтом» на менее масштабных установках. Этот путь реализуется в ОИЯИ и этим же путем пошли разработчики международной установки FAIR, которая сооружается в Германии, также при участии России. В ОИЯИ в настоящее время обсуждается стратегический план развития этой организации. В его проект включены все традиционные для ОИЯИ направления: синтез сверхтяжелых элементов, физика нейтрино, прикладные исследования с помощью источника нейтронов, эксперименты по релятивистской ядерной физике на коллайдере NICA, исследования по радиобиологии, развитие информационных технологий. Проект FAIR начинался с формирования четырех больших коллабораций, с научными интересами от медицины до астрофизики. Структура и параметры установок выбирались так, чтобы максимально удовлетворить их запросам. Такой путь, наверное, возможен и для ЦЕРНа. Во всяком случае, была создана группа, работающая над диверсификацией программы исследований, и она подготовила материалы как минимум по десяти интересным направлениям, помимо физики на LHC. В стратегии развития присутствуют слова о продолжении работы в этом направлении, но на фоне затрат на новый коллайдер это скорее жест вежливости.

1 См. также интервью с Анатолием Сидориным в «ТрВ-Наука» (первая и вторая части) и иной взгляд на ту же проблему Игоря Иванова.

Ускорители частиц – микроскопы современной физики

: 17 Апр 2007 , 50 лет Сибирскому отделению Академии Наук , том 14,
№2

Самым удивительным открытием прошлого века стало открытие того, что ядра атома состоят из нуклонов — нейтронов и протонов, — а те, в свою очередь, — из кварков. Вместе с электронами кварки лежат в основе мироздания, являясь теми элементарными «кирпичиками», которые, по нынешним представлениям, составляют вещество.

Исследовать элементарные частицы сложно: их нельзя увидеть в микро­скоп, нельзя долго хранить… Выход из этой ситуации — в высокоэнергетических взаимодействиях стабильных частиц, в результате которых могут рождаться новые элементарные структуры, а их свойства уже можно исследовать. Высокий уровень кинетической энергии частиц достигается в огромных установках — ускорителях, где они разгоняются до скорости, близкой к скорости света

Счастливая «встреча»

Классические ускорители высоких энергий, в которых пучок быстрых частиц бомбардировал неподвижную мишень, оказались велики, сложны и дороги. И потому сооружение подобных установок зачастую требовало усилий нации в целом. Проблема была решена с помощью метода так называемых встречных пучков. И хотя огромные энергетические преимущества встречных пучков в создании новых тяжелых частиц были очевидны, в середине прошлого века идея использовать вместо плотной мишени крайне разреженный пучок частиц большинством физиков воспринималась как дело неопределенно далекого будущего.

Работать над методом встречных пучков начали многие, однако к успешному финишу — проведению экспериментов по электрон-электронному рассеиванию в 1965 г. — пришли только два центра: американский Стэнфордский университет и Институт ядерной физики в Новосибирске, образованный в 1958 г. на базе лаборатории Института атомной энергии под руководством Г. И. Будкера. Этим событием было ознаменовано появление нового направления в экспериментальной физике элементарных частиц.

Г.И. БУДКЕР — академик АН СССР, выдающийся физик, основатель и первый директор Института ядерной физики СО АН СССР. Основные научные интересы — физика высоких энергий и физика управляемого термоядерного синтеза

Одна из основных тенденций в развитии современной физики — получение все более и более высоких энергий на ускорителях заряженных частиц, чтобы повысить энергию реакции взаимодействия частиц. Со времен Резерфорда схема таких экспериментов не менялась: пучок быстрых частиц бомбардировал неподвижную мишень. Но эта схема очень неэффективна при высоких энергиях, когда частицы разгоняются до околосветовых скоростей. Масса «частиц-снарядов» при такой скорости резко увеличивается и становится существенно больше массы частиц мишени. Когда тяжелый снаряд ударяет в легкую частицу мишени, то лишь незначительная часть его энергии, полученной такой дорогой ценой, идет на саму реакцию. «Львиная доля» расходуется просто на движение обеих частиц.


Мы решили идти по другому пути — сделать мишень подвижной и сталкивать два пучка частиц, разогнанных до одинаковой энергии. В этом случае массы «снаряда» и «мишени» остаются равными, и они могут всю свою энергию превратить в энергию взаимодействия.


Очень важно, что при скоростях частиц, близких к скорости света, эффект взаимодействия встречных частиц увеличивается не вчетверо, как следовало бы по механике Ньютона, а в значительно большее число раз. Например, при столкновении двух электронов, мчащихся навстречу друг другу с энергией в миллиард электронвольт, эффект взаимодействия оказывается таким же, как у обычного ускорителя на энергию в 4 000 миллиардов электронвольт. Сама по себе идея ускорителей на встречных пучках не нова, и в ней нет никаких научных откровений. Это простое следствие теории относительности Эйнштейна. Многие высказывали эту идею и до нас, но, как правило, пессимистически относились к возможности ее реализации. И это понятно. Ведь плотность «подвижной мишени» — пучка частиц в обычных ускорителях — в сотни миллионов миллиардов (единица с семнадцатью нулями) раз меньше плотности неподвижной мишени. Столкнуть две частицы — задача по сложности примерно такая же, как «устроить» встречу двух стрел, одну из которых выпустил бы Робин Гуд с Земли, а вторую — Вильгельм Телль с планеты, вращающейся вокруг Сириуса. Но выгоды встречных пучков по сравнению с обычными методами столь велики, что мы решили все-таки преодолеть трудности. Для этого потребовалось увеличить плотность пучков и заставить их много раз проходить друг через друга *.


*Газета «За науку в Сибири», 14 янв. 1970

Одним из самых больших затруднений, вставших на пути развития ускорительной техники на встречных пучках, была проблема получения плотных пучков тяжелых частиц с малым угловым и энергетическим разбросом. Идея, выдвинутая на обсуждение Будкером в 1966 г., оказалась гениально простой: параллельно пучку тяжелых частиц пускать пучок электронов с той же средней скоростью и достаточно низкой температурой. При этом частота парных столкновений частиц резко возрастает, и тяжелые частицы «охлаждаются», передавая часть энергии электронам. Метод электронного охлаждения, впервые опробованный в ИЯФе в 1974 г. в ходе экспериментов с пучком протонов, сегодня широко используется во многих мировых ускорительных центрах.

Метод встречных пучков стал наиболее эффективным методом исследования струтуры микромира, а ускорители на его основе — одними из основных источников информации об элементарных частицах.

Ускорители большие и малые

Первая установка на встречных пучках ВЭПП-1 стала родоначальником целой линейки ускорителей ИЯФа. Эти ускорители не самые большие в мире, но тот факт, что в институте умеют производить подобную технику, позволил ему участвовать в создании для зарубежных научных объединений действительно больших машин — первоклассных инструментов, необходимых для познания устройства мироздания. Например, для большого адронного коллайдера LHC, который строится на границе Швейцарии и Франции в ЦЕРНе (Европейском центре ядерных исследований), было изготовлено несколько сот магнитов и сверхпроводящих шин. За производство этой продукции в качестве признания ИЯФ получил от своих швейцарских коллег знак качества «Золотой адрон».

А.Н. СКРИНСКИЙ — академик РАН, ученик и преемник Г. И. Будкера на посту директора Института ядерной физики СО РАН, специалист в области физики ускорителей и физики высоких энергий.

Сейчас, более чем через 40 лет после создания в Новосибирске Института ядерной физики, можно с удовлетворением констатировать, что научные и организационные идеи, которые легли в его основу, оказались весьма плодотворными. В частности:


Встречные пучки, впервые реализованные в ИЯФе, сегодня являются главным источником экспериментальной информации в физике фундаментальных свойств материи.


Электронное охлаждение, предложенное и развиваемое в ИЯФе, стало важным средством повышения качества и прецизионности экспериментов по физике ядра, физике элементарных частиц и даже по атомной физике. Такие установки используются во многих лабораториях мира, в том числе с участием ИЯФа.


Предложенный и разработанный в ИЯФе метод повышения точности измерения масс элементарных частиц на основе резонансной деполяризации позволил установить прецизионную шкалу масс во всем диапазоне энергий вплоть до 100 ГэВ.


Разработанный в ИЯФе метод генерации когерентного электромагнитного излучения на основе ускорителей-рекуператоров развивается во многих лабораториях мира и позволяет получать рекордные средние мощности подобного излучения, которые сегодня приносят важные результаты в разнообразных областях науки.


Предложенные в ИЯФе подходы к получению рентгеновских изображений позволяют радикально снизить лучевую нагрузку при медицинских обследованиях и практически без угрозы для здоровья предотвратить возможность проноса взрывчатки, пластикового оружия, наркотиков в самолеты и в другие опасные места

Говоря о достижених ИЯФа в области создания ускорительной техники, нельзя не упомянуть промышленные ускорители, пусть эти скромные установки и не поражают воображение ни своими размерами, ни энергией частиц. Начиная с 1963 г. здесь была разработана и изготовлена серия специальных электронных ускорителей для радиационной обработки материалов, что открыло принципиально новые технологические возможности в разных областях народного хозяйства, включая сельское хозяй­ство и медицину.

Хорошим примером могут служить установки для ионной и протонной терапии рака, о чем писал еще Г. И. Будкер. Клинические исследования в этой области были начаты около 50 лет назад пра­ктически во всех развитых странах мира, в том числе и в России. К настоящему времени около 50 тыс. пациентов в мире пролечено с помощью ионной или протонной терапии. Основным ограничением для широкого применения подобных методик является отсутствие недорогих специализированных ускорительных комплексов. Согласно оценке экспертов, в наши дни идет процесс перехода от научно-исследовательских разработок к серийным установкам для массовой терапии онкологических заболеваний.

Г. И. БУДКЕР: «В процессе работы над нашими основными установками были созданы промежуточные — ускорители на средние и низкие энергии. <…>


Луч ускорителя оказался хорошим тружеником. Под воздействием облучения полиэтилен, например, становится прекрасной пластмассой и, сохраняя свою дешевизну, технологичность, великолепные изоляционные качества, приобретает также стойкость к высоким температурам.


В институте хранится стальной лист толщиной в три сантиметра, на котором электронным лучом, выпущенным в воздух, выжжен полуметровой длины восклицательный знак. Он словно «восклицает», обращаясь к металлургам: «Вам предлагается новое мощное средство для сварки, резки и плавки!»


Большое значение мы придаем и работам по дезинсекции в элеваторах и зернохранилищах. Во всем мире огромное количество зерна погибает от амбарных вредителей. Между тем можно подобрать абсолютно безопасные для хлеба дозы облучения зерна, при которых амбарные вредители перестанут размножаться. <…>


Важное применение могут получить ускорители протонов на энергию 200 млн вольт. Теоретически и экспериментально доказано, что лечение рака протонами гораздо эффективнее применяемой в настоящее время рентгено- и гамма-терапии. Однако обычные ускорители протонов на такие энергии очень сложны, дороги и недоступны для широкого использования в клиниках даже самых развитых стран. Поэтому создание дешевого и простого в обращении ускорителя протонов — важное и благородное дело.


Удивителен луч ускоренных частиц. Он ищет полезные ископаемые и стерилизует медикаменты, консервирует продукты и обеззараживает сточные воды. С его помощью можно передавать энергию на расстояния и просматривать толщину бетона и металла, создавать новые молекулы и даже атомные ядра, которых нет в таблице Менделеева. Наконец, с его и только с его помощью можно создать антивещество и новые элементарные частицы. Это кажется невероятным, но это так. Если же вдуматься, то здесь нет ничего странного. Небывалая концентрация энергии дает новое качество»*.

*Газета «Правда», 27 февр. 1969

Такая установка разработана и сейчас производится в ИЯФе. Отличительной особенностью про­екта протонно-углеродного ком­плекса является применение эффективного электронного охлаждения ионного пучка — метода, предложенного и впервые использованного именно в этом институте. Поскольку «холодные» ионные пучки имеют предельно малые поперечные размеры и разброс энергии, то применение этого метода позволяет увеличить интенсивность пучка, сократить стоимость и энергопотребление ускорительного комплекса, что должно отразиться на стоимости курса терапии.

: 17 Апр 2007 , 50 лет Сибирскому отделению Академии Наук , том 14,
№2

DOE объясняет… Ускорители частиц | Министерство энергетики

Офис
Наука

Известный как STAR, соленоидальный трекер на ускорителе частиц RHIC (релятивистский коллайдер тяжелых ионов) обнаруживает частицы, образующиеся в результате столкновений. Это помогает ученым исследовать кварк-глюонную плазму и то, как материя ведет себя при высокой плотности энергии.

Изображение предоставлено Брукхейвенской национальной лабораторией

Ускорители частиц — это устройства, которые ускоряют частицы, из которых состоит вся материя во Вселенной, и сталкивают их друг с другом или в цель. Это позволяет ученым изучать эти частицы и силы, которые их формируют. В частности, ускорители частиц ускоряют заряженные частицы. Это частицы с положительным или отрицательным электрическим зарядом, такие как протоны, атомные ядра и электроны, вращающиеся вокруг атомных ядер. В некоторых случаях эти частицы достигают скоростей, близких к скорости света. Когда частицы затем сталкиваются с мишенями или другими частицами, возникающие в результате столкновения могут высвобождать энергию, вызывать ядерные реакции, рассеивать частицы и производить другие частицы, такие как нейтроны. Это дает ученым возможность взглянуть на то, что удерживает атомы, атомные ядра и нуклоны вместе, а также на мир частиц, таких как бозон Хиггса. Эти частицы и силы являются предметом Стандартной модели физики элементарных частиц. Ученые также получают представление о квантовой физике, которая определяет поведение мира в невероятно малых масштабах. В квантовой сфере классической ньютоновской физики, с которой мы живем каждый день, недостаточно для объяснения взаимодействия частиц.

Как эти машины ускоряют частицы? Они вводят частицы в «линию луча». Это труба, в которой поддерживается очень низкое давление воздуха, чтобы защитить окружающую среду от воздуха и пыли, которые могут мешать частицам, когда они проходят через ускоритель. Частицы, введенные в ускоритель, называются «пучком». Серия электромагнитов направляет и фокусирует пучок частиц. В линейном ускорителе или LINAC (произносится как line-ack или lin-ack) частицы летят прямо к фиксированной цели. В круговом ускорителе частицы движутся по кольцу, постоянно набирая скорость. Круговые ускорители могут ускорять частицы в меньшем общем пространстве, чем LINAC, но их, как правило, сложнее построить и эксплуатировать. Однако, поскольку частицы движутся по кругу, круговые ускорители создают гораздо больше возможностей для столкновения частиц. Частицы сталкиваются друг с другом или с целью в устройстве, называемом детектором частиц. Этот прибор измеряет скорость, массу и заряд частиц. Эта информация позволяет ученым определить, какие типы частиц возникают в результате столкновения.

Управление науки Министерства энергетики США: вклад в ускорители частиц

Управление науки Министерства энергетики поддерживает ускорители частиц и исследования, в которых используются эти устройства, главным образом через свои программы физики высоких энергий и ядерной физики. Эти программы финансируют ускорители частиц по всей стране. Аргоннский тандемный линейный ускоритель (ATLAS) в Аргоннской национальной лаборатории является первым сверхпроводящим линейным ускорителем для тяжелых ионов. Релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории — это первый в мире коллайдер тяжелых ионов, способный работать с такими частицами, как ионы золота и поляризованные протоны. Брукхейвен также является домом для испытательного центра ускорителей, который предоставляет оборудование, помогающее ученым изучать ускорение частиц и генерацию излучения. Национальная ускорительная лаборатория Ферми является основной лабораторией физики элементарных частиц в США. Ферми был домом для самого мощного в мире коллайдера, пока это устройство, Тэватрон, не было заменено Большим адронным коллайдером в 2009 году.. Ускоритель непрерывного электронного луча в Национальном ускорительном комплексе Томаса Джефферсона помогает ученым изучать структуру протонов и нейтронов. Установка для пучков редких изотопов в Университете штата Мичиган представляет собой линейный ускоритель для изучения экзотических ядер, особенно изотопов. Национальная ускорительная лаборатория SLAC начала эксплуатацию линейного ускорителя частиц в 1962 году. Сегодня SLAC поддерживает передовые исследования по проектированию ускорителей для объектов по всему миру.

Краткие факты

  • Узнайте больше из публикации Министерства энергетики США «Как работают ускорители частиц»
  • Основной инжектор Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми ускоряет протоны до 99,997% скорости света.
  • Крупнейший в мире ускоритель частиц, Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе, имеет диаметр более 5 миль.

Ресурсы

  • Программа Министерства энергетики США по физике высоких энергий
  • Программа Министерства энергетики США по ядерной физике
  • Аргоннский ускорительный комплекс Уэйкфилда в Аргоннской национальной лаборатории
  • Ускорительная испытательная установка (ATF) в Брукхейвенской национальной лаборатории
  • Релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории
  • Национальная ускорительная лаборатория Ферми
  • Ускоритель непрерывного электронного пучка (CEBAF) в Национальном ускорительном комплексе Томаса Джефферсона
  • Отделение ускорительных технологий и прикладной физики Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли
  • Установка для пучков редких изотопов (FRIB) в Университете штата Мичиган
  • Национальная ускорительная лаборатория SLAC
  • Центр экспериментальных испытаний усовершенствованных ускорителей (FACET) в SLAC

 

Научные термины могут сбивать с толку. DOE Explains предлагает простые объяснения ключевых слов и понятий в фундаментальной науке. В нем также описывается, как эти концепции применяются к работе, которую проводит Управление науки Министерства энергетики, помогая Соединенным Штатам преуспеть в исследованиях по всему научному спектру.

Почему ускорители частиц такие большие?

Большой адронный коллайдер в ЦЕРН имеет колоссальные 27 километров в окружности. Эдда Гшвендтнер, физик и руководитель проекта ЦЕРН по ускорению плазменного кильватерного поля (AWAKE), объясняет, почему ученые используют такие огромные машины.

Невооруженным глазом мы многое можем увидеть. Чтобы увидеть то, что меньше, мы используем микроскоп, а чтобы увидеть то, что дальше, мы используем телескоп. Чем мощнее инструмент, тем больше мы можем увидеть.

Ускорители частиц — это инструменты, которые позволяют нам исследовать как фундаментальные компоненты природы, так и эволюцию и происхождение всей материи в видимой (и, может быть, даже в невидимой?) Вселенной. Чем мощнее ускоритель, тем дальше мы можем заглянуть в бесконечно малое и бесконечно большое.

Вы можете думать об ускорителях частиц как о беговой дорожке для частиц. Гоночные автомобили не разгоняются до 200 миль в час — они должны постепенно ускоряться либо на большой кольцевой гоночной трассе, либо на длинной прямой дороге.

В физике этими двумя типами «треков» являются круговые ускорители и линейные ускорители.

Частицы в круговых ускорителях постепенно набирают энергию по мере прохождения через ускоряющую структуру в определенном месте кольца. Например, протоны в LHC совершают 11 000 оборотов каждую секунду в течение 20 минут, прежде чем достигают своей энергии столкновения. Во время своего путешествия магниты направляют частицы по изгибам ускорителя и удерживают их на курсе.

Но, как и у автомобиля на извилистой горной дороге, энергия частиц ограничена поворотами ускорителей. Если витки слишком тугие или магниты слишком слабые, частицы в конце концов слетят с курса.

Линейные ускорители не имеют этой проблемы, но они сталкиваются с не менее сложной проблемой: частицы в линейных ускорителях имеют только длину пути, на котором они проходят через ускоряющие структуры, чтобы достичь желаемой энергии. Как только они дойдут до конца, все.

Итак, если мы хотим заглянуть глубже в материю и вернуться к началу Вселенной, мы должны подняться выше в энергии, а это значит, что нам нужны более мощные инструменты.

Один из вариантов — построить более крупные ускорители — линейные ускорители длиной в сотни миль или гигантские круговые ускорители с длинными плавными поворотами.

Мы также можем инвестировать в наши технологии. Мы можем разработать методы ускоряющих структур для быстрого и эффективного ускорения частиц в линейных ускорителях на короткие расстояния. Мы также можем спроектировать и построить невероятно сильные магниты — более сильные, чем все, что существует сегодня, — которые могут сгибать частицы сверхвысокой энергии вокруг витков в круговых ускорителях.