Ускорители и коллайдеры

“Ускорители заряженных частиц - устройства для получения заряженных частиц (электронов, протонов, атомных ядер, ионов) больших энергий”. Ускорение производится с помощью электрического поля, способного изменять энергию частиц, обладающих электрическим зарядом. Магнитное поле может лишь изменить направление движения заряженных частиц, не меняя величины их скорости, поэтому в ускорителях оно применяется для управления движением частиц (формой траектории). Обычно ускоряющее электрическое поле создаётся внешними устройствами (генераторами). Современные ускорители это огромные установки, достигающие в размерах нескольких километров. Самые большие ускорители из ныне работающих это Теватрон и Большой Адронный Коллайдер, первый находится в соединенных штатах Америки, а второй на границе Швейцарии и Франции. Существует множество различных видов ускорителей, но прежде чем перейти к их рассмотрению я расскажу вам принцип работы любого ускорителя.

Основные принципы работы ускорителей и коллайдеров

Основная схема ускорения частиц предусматривает три стадии: 1) формирование пучка и его инжекция, 2) ускорение пучка и 3) вывод пучка на мишень или осуществление соударения встречных пучков в самом ускорителе.

Формирование пучка и его инжекция. Исходным элементом любого ускорителя служит инжектор, в котором имеется источник направленного потока частиц с низкой энергией (электронов, протонов или других ионов) и высоковольтные электроды и магниты, выводящие пучок из источника и формирующие его. В источниках протонов первых ускорителей газообразный водород пропускался через область электрического разряда или вблизи раскаленной нити. В таких условиях атомы водорода теряют свои электроны и остаются одни ядра - протоны. Такой метод (и аналогичный с другими газами) в усовершенствованном виде по-прежнему применяется для получения пучков протонов (и тяжелых ионов).

Источник формирует пучок частиц, который характеризуется средней начальной энергией, током пучка, его поперечными размерами и средней угловой расходимостью. Показателем качества инжектируемого пучка служит его эмиттанс, т. е. произведение радиуса пучка на его угловую расходимость. Чем меньше эмиттанс, тем выше качество конечного пучка частиц с высокой энергией. По аналогии с оптикой ток частиц, деленный на эмиттанс (что соответствует плотности частиц, деленной на угловую расходимость), называют яркостью пучка. Во многих приложениях современных ускорителей требуется максимально возможная яркость пучков.

Ускорение пучка. Пучок формируется в камерах или инжектируется в одну или несколько камер ускорителя, в которых электрическое поле повышает скорость, а следовательно, и энергию частиц. В первых, простейших ускорителях энергия частиц увеличивалась в сильном электростатическом поле, созданном внутри высоковакуумной камеры. Максимальная энергия, которую при этом удавалось достичь, определялась электрической прочностью изоляторов ускорителя. Во многих современных ускорителях в качестве инжекторов еще используются электростатические ускорители электронов и ионов (вплоть до ионов урана) с энергиями от 30 кэВ до 1 МэВ.

Получение высокого напряжения и сегодня остается сложной технической проблемой. Его можно получать, заряжая группу конденсаторов, соединенных параллельно, а затем подключая их последовательно к последовательности ускорительных трубок. Таким способом в 1932 Дж. Кокрофт и Э. Уолтон получали напряжения до 1 МВ. Существенный практический недостаток этого способа в том, что на внешних элементах системы оказывается высокое напряжение, опасное для экспериментаторов.

Если требуется не непрерывный пучок, а короткий импульс частиц с высокой энергией, то можно воспользоваться тем, что кратковременно (менее микросекунды) изоляторы способны выдерживать гораздо более высокие напряжения. Импульсные диоды позволяют получать напряжения до 15 МВ на каскад в схемах с очень низким импедансом. Это позволяет получить токи пучка в несколько десятков килоампер, а не в десятки миллиампер, как на электростатических ускорителях.

Обычный способ получения высокого напряжения основан на схеме импульсного генератора Маркса, в которой батарея конденсаторов сначала заряжается параллельно, а затем соединяется последовательно и разряжается через один разрядный промежуток. Высоковольтный импульс генератора поступает в длинную линию, которая формирует импульс, задавая его время нарастания. Линия нагружается электродами, ускоряющими пучок.

Большой Адронный Коллайдер (БАК)

ускоритель коллайдер

LHC - сокращение от Large Hadron Collider, Большой адронный коллайдер. «Большим» он назван из-за своего размера (его периметр составляет примерно 27 км), «адронным» - потому что он ускоряет протоны и тяжелые ядра, которые являются адронами (то есть частицами, состоящими из кварков), «коллайдером» - потому что ускоряются эти частицы в двух пучках, циркулирующих в нём в противоположных направлениях, и в специальных местах сталкиваются друг с другом. LHC находится на территории Швейцарии и Франции, вблизи Женевы, в туннеле на глубине около 100 метров (раньше в этом же туннеле располагался электрон-позитронный коллайдер LEP). Исследования на нём координирует ЦЕРН - Европейский центр ядерных исследований, но реально работают на нём десятки тысяч человек из самых разных стран и организаций.

В LHC можно выделить сам ускоритель и несколько детекторов, построенных вокруг точек столкновения протонов. В самом ускорителе протоны разгоняются до энергии 7 ТэВ на протон, так что полная энергия в системе центра масс двух сталкивающихся протонов равна 14 ТэВ. В каждом из двух встречных пучков - многие миллиарды протонов, поэтому полная энергия, запасенная в пучке, очень велика, она примерно равна кинетической энергии летящего самолета. Детекторы - это отдельные экспериментальные установки, по своей сложности не уступающие самому ускорительному кольцу. На LHC работает сразу несколько экспериментов, каждый со своим детектором. Два самых главных - это ATLAS и CMS.

Задачи, стоящие перед LHC

Рис. 1. Общий вид ускорительного кольца LHC

В этом подразделе я хочу рассказать вам о задачах LHC; обычно утверждается, что целью LHC является открытие хиггсовского бозона. Несмотря на всю важность этой задачи, это всего лишь один из пунктов довольно обширной научной программы LHC. А сейчас я расскажу вам об основных пунктах этой программы.

Во-первых, физиков интересует, на самом деле, не столько сам хиггсовский бозон, сколько хиггсовский механизм нарушения электрослабой симметрии. Именно изучение этого механизма, возможно, натолкнет физиков на новую теорию нашего мира, более глубокую, чем Стандартная модель. Хиггсовский бозон - это «частица-отголосок» этого механизма; его просто удобнее всего изучать именно через открытие и изучение хиггсовского бозона. Научная программа LHC, разумеется, не ограничивается одним лишь обнаружением бозона Хиггса, но и включает в себя многочисленные задачи по доскональному изучению его свойств.

Во-вторых, на Большом адронном коллайдере ведутся поиски суперсимметрии. “Суперсимметрия - это очень сильная и глубокая теоретическая идея об устройстве нашего мира”. Она пока не подтверждена экспериментом, но, возможно, LHC сможет найти ее проявления.

В-третьих, ученые изучают топ-кварки. “Топ-кварки - самые тяжелые из известных на сегодня фундаментальных частиц, причем они намного тяжелее всех остальных кварков”. Это наводит физиков на мысль, что топ-кварки могут играть важную роль в самом процессе нарушения электрослабой симметрии. Кроме того, топ-кварки могут оказаться удобным рабочим инструментом для поиска хиггсовского бозона. Всё это требует внимательного изучения свойств топ-кварков на LHC.

Общий вид

LHC - циклический (то есть кольцевой) коллайдер; пучки протонов или ядер свинца циркулируют в нём непрерывно, совершая свыше 10 тысяч оборотов в секунду и сталкиваясь на каждом круге со встречным пучком. На рисунке 1 показана схема расположения основных элементов ускорительного кольца LHC.

Всё кольцо LHC поделено на восемь секторов, границы которых отмечены точками от 1 до 8. На каждом участке (1-2, 2-3 и т. д.) стоят в ряд магниты, управляющие протонным пучком. Благодаря магнитному полю поворотных магнитов сгустки протонов не улетают прочь по касательной, а постоянно поворачиваются, оставаясь внутри ускорительного кольца. Эти магниты формируют орбиту, вдоль которой движутся протоны. Кроме того, специальные фокусирующие магниты сдерживают поперечные колебания протонов относительно «идеальной» орбиты, не давая им задевать стенки довольно узкой (диаметром несколько сантиметров) вакуумной трубы.

Внутри ускорителя идут рядом друг с другом две вакуумные трубы, по которым циркулируют два встречных протонных пучка, каждый в своем направлении. Эти две трубы объединяются в одну только в специально выделенных местах - в точках 1, 2, 5, 8. В этих точках происходят столкновения встречных протонных пучков, и именно вокруг них построены четыре основных детектора: два крупных - ATLAS и CMS, и два средних - ALICE и LHCb. Вблизи двух крупных экспериментов установлены также два специализированных мелких детектора - TOTEM и LHCf.

В точке 4 расположена ускорительная секция. Именно здесь протонные пучки при разгоне получают с каждым оборотом дополнительную энергию. В точке 6 находится система сброса пучка. Здесь установлены быстрые магниты, которые в случае необходимости уводят пучки по специальному каналу прочь от ускорителя. В точках 3 и 7 установлены системы чистки пучка; кроме того, эти места зарезервированы для возможных будущих экспериментов.

Протонные пучки попадают в LHC из предварительного ускорителя SPS. Линии передачи пучка (Tl2 и Tl8), соединяющие два этих кольцевых ускорителя вместе со специальными магнитами на каждом из них, составляют вместе инжекционный комплекс коллайдера LHC (от слова «инжекция» - впрыскивание пучка). Поскольку на SPS пучок крутится только в одну сторону, инжекционный комплекс состоит из двух линий и имеет несимметричный вид. В ускорительное кольцо SPS протоны попадают из источника через цепочку еще меньших ускорителей.

Заключение

Современная теория элементарных частиц опирается на определенную симметрию между электромагнитными и слабыми взаимодействиями - электрослабую симметрию. Считается, что эта симметрия была в ранней Вселенной и из-за нее частицы были поначалу безмассовы, но на каком-то этапе она самопроизвольно нарушилась, и частицы приобрели массу. В теории элементарных частиц для этого нарушения электрослабой симметрии был придуман хиггсовский механизм. Именно его должен будет изучить LHC.

Для этого в эксперименте потребуется открыть хиггсовский бозон - частицу-отголосок хиггсовского механизма. Если этот бозон будет найден и изучен, физики узнают, как протекало нарушение симметрии, и даже, возможно, создадут новую, более глубокую теорию нашего мира. Если этот бозон не будет найден (ни в каком виде), то потребуется серьезный пересмотр Стандартной модели элементарных частиц, поскольку без хиггсовского механизма она работать не может.

В экспериментах на ускорителях высоких энергий изучаются самые экстремальные состояния материи. Хотя эти экстремальные состояния возникают в крошечных объемах и на совершенно ничтожное время, эти объекты всё же «чужеродны» для привычного нам мира. Поэтому при проектировании новых ускорителей на сверхвысокие энергии полезно задавать себе вопрос: “не могут ли эксперименты на этом ускорителе нанести вред окружающему нас миру? ”

Этот вопрос был, разумеется, поставлен перед началом работы над созданием LHC, и на него был дан отрицательный ответ. Физики-экспериментаторы - по-хорошему консервативные люди, и если бы существовали малейшие поводы для реальных сомнений в безопасности LHC, события развивались бы совсем иначе.

Для того чтобы максимально объективно изучить и изложить положение вещей, при LHC была создана специальная группа LSAG (the LHC Safety Assessment Group), которая снова перепроверила вопросы безопасности LHC. Ее окончательный отчет основан на более свежих теоретических, экспериментальных и наблюдательных данных и подтверждает, а иногда и усиливает более ранние выводы (подобные отчеты делались и раньше, в том числе и для других ускорителей).

Ниже перечислены четыре возможности, которые, в принципе, могли бы привести к «катастрофическому сценарию» экспериментов на LHC. Для каждого варианта кратко описано, при каких теоретических предположениях он мог бы реализоваться, и затем приведены экспериментальные или астрофизические данные, которые доказывают безопасность LHC.

Главный аргумент против «катастрофического сценария» заключается в том, что, по меркам природы, LHC - очень скромный эксперимент. Когда космические лучи бомбардируют Землю, то время от времени происходят столкновения, энергетически эквивалентные столкновениям на LHC. За всё время существования Земли она «накопила» столкновений в сто тысяч раз больше, чем планируется набрать на LHC за время его работы. Если же принять во внимание другие небесные тела, то число возрастает на порядки. Оценено, что каждую секунду во Вселенной происходят миллионы экспериментов, превосходящих LHC по энергии и количеству столкновений.

В прессе иногда пишут, что, согласно ЦЕРНу, официальная оценка вероятности катастрофического сценария - 1 шанс к 50 миллионам. Это неверная информация. Во-первых, в отчетах по безопасности фигурирует не сама вероятность, а ограничение сверху на эту вероятность (то есть утверждается, что эта вероятность заведомо меньше некоторого предела, но какая она на самом деле, не утверждается). Оценить вероятность того, что какая-то экзотическая теория окажется верной, вряд ли возможно, а из наблюдательных данных (то есть отсутствия свидетельств разрушения небесных тел под действием космических лучей) ничего, кроме ограничения сверху, определить нельзя.

Список литературы