Содержание
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.
В Дубне строят ускоритель, который поможет разгадать тайны материи
Давно в России не строили крупные экспериментальные установки, способные привлечь внимание ученых разных стран! И вот наконец свершилось. Сегодня научный мир говорит не только о Большом адронном коллайдере под Женевой, но и его «младшей сестре» — новом ускорителе NICA, который создается в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне.
Это пока единственный ускоритель тяжелых ионов на территории Европы, и интерес к нему столь велик, что «Белая книга проекта NICA», открытая ОИЯИ на специальном сайте, активно пополняется интереснейшими идеями и предложениями, которые затем широко обсуждаются на международных конференциях.
Ученые с нетерпением ждут ввода в действие дубненского ускорителя, как ждали когда-то запуска женевского БАКа. Новая установка должна заработать в 2015 году, но она уже получила высокое признание. Не только в мире! Пророк на этот раз признан и в своем отечестве: в марте были названы новые лауреаты Премии правительства РФ в области науки и техники, и в их числе — группа сотрудников Объединенного института ядерных исследований во главе с директором, академиком Алексеем Сисакяном.
В первых числах мая будет ровно год, как не стало академика Сисакяна, чья жизнь оборвалась внезапно, в самом расцвете творческих замыслов. Вот и NICA была его любимым детищем, на которое он возлагал большие надежды. На старте проекта Алексей Норайрович суеверно оберегал его от чрезмерного любопытства журналистов, но когда контуры будущего ускорителя стали уже вполне определенными, охотно говорил о нем, с готовностью согласился рассказать о строящейся установке и ее задачах широкой публике на Фестивале науки в Москве.
Лекция академика Сисакяна предполагалась в актовом зале Фундаментальной библиотеки МГУ в октябре 2010-го…
Если бы не тяжелые потери (ОИЯИ прощался в тот год еще и с академиком Альбертом Тавхелидзе), 2010-й можно было бы назвать одним из самых ярких в истории Объединенного института ядерных исследований. Чего стоит хотя бы синтез 117-го элемента Периодической таблицы Д. И. Менделеева! Уникальный эксперимент, проводившийся в партнерстве с американскими коллегами (берклий-249 для мишени был наработан Национальной лабораторией в Окридже), успешно завершился в конце февраля, и результат, полученный в лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флерова, был признан одним из лучших мировых достижений науки в 2010 году.
Открытие нового сверхтяжелого элемента позволило сделать еще один шаг к так называемому «острову стабильности» на карте изотопов, что раздвигает границы материального мира. Неслучайно ученые сравнили синтез 117-го с открытием новой Вселенной! Эта работа вызвала такое воодушевление у исследователей во всем мире, что американцы приняли беспрецедентное решение: они обещали вне плана подготовить для Дубны новую порцию берклия, чтобы мишень для очередного эксперимента была готова уже к концу декабря этого года.
К участию в эксперименте, кроме Окриджской и Ливерморской лабораторий, подключается еще и Аргоннская лаборатория в США.
2010 год стал важным этапом и для будущего ускорителя NICA, который был задуман в свое время в общем-то в условиях чрезвычайного минимума средств на науку. «Хитрость» в том, что этот проект опирается на уже существующую базу — нуклотрон, построенный в Дубне в самом начале 1990-х. Именно такая основа, значительно сокращавшая затраты, позволила дать зеленый свет новому проекту, но чтобы он стал реальностью, потребовалась основательная модернизация нуклотрона. На это и были максимально положены силы физиков целого ряда научных центров, «заболевших» ускорителем NICA так же, как их коллеги из ОИЯИ. Так вот, минувший год, можно сказать, вывел проект на финишную прямую: модернизированный нуклотрон уже отвечает проектным параметрам, вовсю идет испытание магнитов для бустера и будущего ускорителя тяжелых ионов. Более того, в ближайшие месяцы предполагается осуществить три сеанса на нуклотроне.
..
Так что же такое NICA, чье название созвучно имени богини победы? Можно не сомневаться, что такая аналогия наверняка учитывалась физиками, когда составляли аббревиатуру, а расшифровывается она вполне прозаически: Nuclotron-based Ion Collider fAcility. Иначе говоря, уже в названии подчеркивается, что это ускоритель на основе нуклотрона. Примерная схема такова: из источника тяжелых ионов пучок направляется в линейный ускоритель, оттуда в бустер, где ядра разгоняются до нужной энергии. Это первое кольцо нового ускорителя, оно меньше, чем кольцо нуклотрона, куда перемещается пучок ядер, попадающий под мощное воздействие сверхпроводящих магнитов. В кольце предусмотрены точки, где частицы с колоссальной скоростью летят уже навстречу друг другу, и эта фаза столкновения встречных пучков фиксируется специальными детекторами, они должны «засечь» частицы, вылетающие из точки чудовищной силы удара.
Именно эти частицы представляют колоссальный интерес для исследования природы Вселенной.
Фактически перед ускорителем NICA ставится такая же задача, как перед Большим адронным коллайдером, неслучайно дубненскую установку называют его «младшей сестрой». Но есть и существенная разница между этими машинами: ускоритель NICA не просто гораздо меньше по размерам и затратам, ему требуются и другие мощности — куда более скромные, чем БАКу. А это означает, что NICA может решать задачи, которые не доступны гигантскому коллайдеру в ЦЕРНе. Почему?
Чтобы ответить на этот вопрос, надо понять, к чему вообще стремятся физики со своими ускорителями. Они хотят исследовать свойства ядерной материи: из чего она состоит, как формировалась, что предшествовало той фазе, которая создала физический мир таким, каким мы его знаем сегодня? Поиск ответов на эти вопросы — фундаментальная задача современной физики высоких энергий. Считается, что первые мгновения после Большого взрыва мельчайшие частицы — кварки и глюоны — существовали в свободном состоянии. На каком-то этапе в бурлящем «супе» первобытного вещества была смешанная фаза адронной материи (то есть нейтронов и протонов), она должна была включать одновременно и свободные кварки, и глюоны, и протоны с нейтронами, внутри которых кварки уже связаны, склеены глюонами.
Но что притянуло их навстречу друг другу? Если понять, что происходило миллиарды лет назад при зарождении материи, можно разгадать тайну, которую представляет собой Вселенная.
Мощности, при которых предполагается разгонять частицы на Большом адронном коллайдере, таковы, что можно зафиксировать лишь нейтроны и протоны, а вот различить кварки уже не получится. Зато это доступно ускорителю NICA, его меньшая мощность в данном случае работает на физиков. Выходит, NICA может заглянуть в прошлое Вселенной гораздо дальше, чем Большой адронный коллайдер. По мнению специалистов, уже сейчас ясно, что с помощью ускорителя тяжелых ионов можно объяснить немало загадок, волнующих астрофизиков. Но параметры установки дают возможность и для решения целого ряда прикладных задач! Для медицины, например, или для биомедицинских исследований, для создания новых методов диагностики, конструирования новых материалов и т. д. Неслучайно «Белая книга проекта NICA» постоянно пополняется новыми страницами, и идеи, высказываемые учеными разных стран, помогают значительно обогатить возможности нового ускорителя.
Они видятся исследователям столь перспективными, что в некоторых странах уже задумались о создании аналогичного ускорителя тяжелых ионов. Над подобным проектом, в частности, работают в Центре по исследованиям с тяжелыми ионами в Дармштадте, идея заинтересовала ученых Брукхейвенской лаборатории в США, она оказалась привлекательной и для ЦЕРНа. Но NICA все равно пока вне конкуренции, она интересует как маститых ученых, так и молодых исследователей. В этом году, кстати, ОИЯИ собирается максимально привлечь к своему проекту научную молодежь из разных стран, с этой целью решено проводить школы по физике на коллайдере NICA. Первая такая международная встреча предполагается в Дубне уже в апреле-мае.
А ведь это именно то, о чем мечтал академик Сисакян. В интервью нашей газете он сказал, что существует лишь один действенный рецепт, способный предотвратить утечку умов: надо не бояться по-настоящему крупных, ярких проектов, они всегда привлекательны для исследователей. «Нам надо строить крупные ускорители, большие телескопы, современные лаборатории, — считал он, — это будет самым большим стимулом для ученого, который получит возможность работать в полную силу.
Вот основная мотивация — возможность для самовыражения в науке, проведения экспериментов, опробования полученных результатов… Не будет этого — люди будут уезжать, даже если им начнут платить вполне приличную зарплату».
Ускоритель NICA — как раз один из таких проектов, и потому не могу удержаться, чтобы не процитировать еще одно стихотворение поэта и ученого Алексея Сисакяна:
Пожелаем новых успехов блистательному институту, который отметил в прошедшую субботу 55-летие. Минувшая неделя вообще была насыщена большими событиями в ОИЯИ, где прошла юбилейная научная сессия. В тот день, кстати, Объединенный институт ядерных исследований обрел нового руководителя. Директором этого крупнейшего научного центра был единогласно избран академик Виктор Анатольевич Матвеев. Кстати, а ведь имя Виктор означает «победа» — как и название уникального ускорителя NICA, который строится под Москвой, в городе ученых Дубне.
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.
На самом деле инструменты будущего, которые мы будем использовать для изучения бесконечно малого и бесконечно большого, будут включать в себя сочетание технического прогресса и крупномасштабной инженерии, чтобы приблизить нас к пониманию неизвестного.
У вас есть животрепещущий вопрос о физике элементарных частиц? Сообщите нам об этом по электронной почте или в Твиттере (используя хэштег #AskSymmetry).
Возможно, мы ответим вам в следующем видео!
Ускорители | CERN
Ускоритель разгоняет заряженные частицы, такие как протоны или электроны, с высокими скоростями, близкими к скорости света. Затем они разбиваются либо о цель, либо о другие частицы, циркулирующие в противоположном направлении. Изучая эти столкновения, физики могут исследовать бесконечно малый мир.
Когда частицы набирают достаточную энергию, происходит феномен, не поддающийся воображению: энергия столкновения превращается в материю в виде новых частиц, самые массивные из которых существовали в ранней Вселенной. Это явление описывается знаменитым уравнением Эйнштейна E=mc 2 , согласно которому материя представляет собой концентрированную форму энергии, и они взаимозаменяемы.
Большой адронный коллайдер — самый мощный ускоритель в мире. Он ускоряет частицы, такие как протоны, которые формируют всю известную нам материю. Разогнавшись до скорости, близкой к скорости света, они сталкиваются с другими протонами.
Эти столкновения производят массивные частицы, такие как бозон Хиггса или топ-кварк. Измеряя их свойства, ученые расширяют наше понимание материи и происхождения Вселенной. Эти массивные частицы существуют лишь в мгновение ока, и их нельзя наблюдать напрямую. Почти сразу же они превращаются (или распадаются) в более легкие частицы, которые, в свою очередь, также распадаются. Частицы, выходящие из последовательных звеньев этой цепочки распада, идентифицируются в слоях детектора.
Анимация, показывающая путь частиц в ускорительном комплексе до их столкновения в БАК. (Видео: Даниэль Домингес/CERN)
Ускорители используют электромагнитные поля для ускорения и направления частиц. Радиочастотные полости усиливают потоки частиц, а магниты фокусируют лучи и изменяют их траекторию.
В круговом ускорителе частицы повторяют один и тот же круг столько, сколько необходимо, получая заряд энергии на каждом обороте. Теоретически энергию можно увеличивать снова и снова. Однако чем больше энергии у частиц, тем мощнее должны быть магнитные поля, чтобы удерживать их на круговой орбите.
Линейный ускоритель, напротив, состоит исключительно из ускоряющих структур, так как частицы не нужно отклонять, а они выигрывают только от одного прохода ускорения. В этом случае увеличение энергии означает увеличение длины ускорителя.
По мере того, как физики исследовали все более и более высокие энергии, ускорители становились все больше и больше: размер ускорителя — это компромисс между энергией, радиусом кривизны (если он круглый), осуществимостью и стоимостью.
Коллайдеры — это ускорители, которые генерируют лобовые столкновения между частицами. Благодаря этому методу энергия столкновения выше, потому что энергия двух частиц суммируется.
Большой адронный коллайдер — самый большой и мощный коллайдер в мире. Он ускоряет частицы в петле окружностью 27 километров при энергии 6,5 ТэВ (тераэлектронвольт), вызывая столкновения при энергии 13 ТэВ.
Как это работает
Ускоряющие полости
Магниты
Каковы характеристики ускорителя?
Тип частиц, энергия столкновения и светимость являются одними из важных характеристик ускорителя.
В ускорителе может циркулировать множество различных частиц при условии, что они имеют электрический заряд, чтобы их можно было ускорять электромагнитным полем. Ускорительный комплекс ЦЕРН ускоряет протоны, а также ядра ионизированных атомов (ионов), таких как ядра атомов свинца, аргона или ксенона. Таким образом, некоторые запуски LHC посвящены столкновениям ионов свинца. Установка ISOLDE ускоряет пучки экзотических ядер для ядерно-физических исследований.
Энергия частицы измеряется в электронвольтах. Один электронвольт — это энергия, полученная электроном, ускоряющимся в электрическом поле в один вольт. Когда они мчатся вокруг БАК, протоны приобретают энергию в 6,5 миллионов миллионов электронвольт, известную как 6,5 тераэлектронвольт или ТэВ. Это наивысшая энергия, достигаемая ускорителем, но с точки зрения повседневного использования это смехотворно малая энергия; примерно равна энергии английской булавки, упавшей с высоты всего в два сантиметра. Но ускоритель концентрирует эту энергию в бесконечно малом масштабе, чтобы получить очень высокие концентрации энергии, близкие к тем, которые существовали сразу после Большого взрыва.
Светимость — ключевой показатель производительности ускорителя: он показывает количество потенциальных столкновений на единицу поверхности за заданный период времени. Мгновенная светимость выражается в см -2 с -1 , а интегральная светимость, соответствующая числу столкновений, которые могут произойти за данный период, измеряется в обратных фемтобарнах. Один обратный фемтобарн соответствует 100 миллионам миллионов (потенциальных) столкновений.
Что такое светимость?
Почему 13 ТэВ?
Какие ускорители есть в ЦЕРНе?
ЦЕРН управляет комплексом из восьми ускорителей и двух замедлителей. Эти ускорители обеспечивают эксперименты или используются в качестве инжекторов, ускоряющих частицы для более крупных ускорителей. Некоторые, такие как протонный синхротрон (PS) или суперпротонный синхротрон (SPS), делают и то, и другое одновременно, подготавливая частицы для экспериментов, которые они поставляют напрямую, и вводят в более крупные ускорители.
Большой адронный коллайдер снабжается протонами с помощью цепи из четырех ускорителей, которые разгоняют частицы и делят их на сгустки.
Ускорители круглосуточно контролируются операторами из Центра управления CERN.
ускорители CERN
Ускорители тока
Линак4
PS Бустер
линейный ускоритель3
Супер протонный синхротрон
HIE-ИЗОЛЬДА
Протонный синхротрон
Антипротонный замедлитель
Будущие ускорители
Придумывание, разработка и создание ускорителя занимает несколько десятилетий.
Например, бывший электрон-позитронный ускоритель LEP еще даже не начал работать, когда ученые ЦЕРН уже представляли себе замену его более мощным ускорителем. Это было в 1984 году, за двадцать четыре года до запуска БАК.
С 2010 года ученые работают над преемником БАК, БАК высокой яркости. Утвержденный Советом ЦЕРН в 2016 году, этот LHC второго поколения, как ожидается, будет запущен после 2025 года. Ученые ЦЕРН также работают над исследованиями ускорителей на период после 2040 года, таких как Future Circular Collider (FCC) или Compact Linear Collider (CLIC). Также ведется работа над альтернативными методами ускорения, например, в рамках эксперимента AWAKE.
LHC высокой яркости
Будущий круговой коллайдер
Компактный линейный коллайдер
Прошлые ускорители
Многие ускорители, разработанные несколько десятилетий назад, все еще работают.