Ускорители частиц — важнейшие экспериментальные установки в современной физике. Они позволяют «заглянуть внутрь» частицы, узнать больше о ее составе и свойствах. Элементарные частицы нельзя рассмотреть в микроскоп, но ученые предположили, что можно разогнать их до очень-очень большой скорости. В результате столкновения можно получить новые частицы, о которых почти ничего не было известно или существование которых только предполагалось. Но изучение редких частиц требует от ускорителей очень высоких мощностей — и именно это определяет их почти вековую историю. За это время были предложены и построены самые разные конфигурации: как линейные ускорители (линаки), в которых частицы движутся по прямолинейной траектории, так и циклические ускорители (циклотроны, фазотроны, синхротроны и синхрофазотроны). Рассказываем историю некоторых из них.

Циклотрон Эрнеста Лоуренса

В 1930 году американские физики Эрнест Лоуренс и Стэнли Ливингстоном предложили схему циклического ускорителя, циклотрона, в котором частицы движутся по раскручивающейся спирали. Эрнест Лоуренс, ознакомившись со схемой резонансного линейного ускорителя Видероэ, понял, что прямолинейную траекторию можно изогнуть в спираль. 12,7-сантиметровый циклотрон, сделанный из стекла, сургуча и бронзы, разгонял протоны до 80 кэВ. Он представлял собой полый диск, разделенный на две половины (дуанты) и помещенный между двумя магнитами, создающими постоянное магнитное поле. В зазор между дуантами подавалось переменное высокочастотное (ВЧ) напряжение, частота которого точно совпадала с частотой обращения частиц. На каждом обороте частицы приобретали энергию и постепенно ускорялись до требуемой энергии, при этом радиус траектории частиц с увеличением скорости также изменялся. В 1939 году Лоуренс получил Нобелевскую премию за свое выдающееся открытие. Миниатюрная установка Лоуренса положила начало более серьезным ускорителям: уже спустя несколько лет был преодолен рубеж в 8 МэВ (1936), а еще через десять лет (1946) был построен огромный циклотрон с энергией 200 МэВ.

Физик Григорий Трубников о циклотроне Лоуренса

«Космотрон» и «Беватрон»

Первые циклотроны имели ограничения по энергии ускоряемых частиц. С ростом скорости масса частицы увеличивается, и она выходит из резонанса с ускоряющим ВЧ-полем. Постоянное магнитное поле не способно удерживать ее уже после нескольких оборотов, во время которых радиус траектории частицы очень быстро растет, расстояние между орбитами становится слишком большим. Чтобы преодолеть эти ограничения, необходимо, чтобы поле магнита и частота ускоряющего ВЧ-поля изменялись, но в классических циклотронах эти параметры были постоянными. Это было достигнуто в изохронных циклотронах и синхроциклотронах. В изохронных циклотронах магнитные полюса разделены на сектора, что обеспечивает возможность увеличения магнитной индукции с увеличением радиуса траектории частицы. А в синхроциклотронах можно изменять частоту ускоряющего ВЧ-поля в течение цикла ускорения. Самым большим в мире синхроциклотроном стал ускоритель в Институте ядерной физики (сейчас ПИЯФ им. Б.П. Константинова) в Гатчине: колоссальный магнит с диаметром полюса 6,5 метров ускорял протоны на энергию 1 ГэВ.

Однако и эти новшества не решили проблему роста массы окончательно. Чем выше требуется энергия, тем больше должны быть размеры ускорителя, но создание подходящих для этих целей магнитов было очень трудоемким. Вскоре была предложена конструкция синхротрона, которая позволяла избежать строительства гигантских магнитов: фактически требовалось только прокопать длинный тоннель, по которому будут двигаться частицы. В процессе ускорения частиц орбита пучка в синхротроне остается постоянного радиуса, в то время как магнитное поле возрастает во времени. Первый подобный ускоритель «Космотрон» запустили в Брукхейвенской национальной лаборатории США в 1952 году: на нем были достигнуты энергии в 2,3–3,3 ГэВ, что было сравнимо с энергией космических лучей в экспериментах тех лет. А в 1954 году в лаборатории Беркли (Lawrеnce Berkley National Laboratory) заработал ускоритель «Беватрон» на энергию 6,2 ГэВ, который был предназначен для поиска антипротонов, и они были обнаружены уже в 1955 году. Также с его помощью был открыт антинейтрон и многие другие античастицы. В 1971 году «Беватрон» начал использоваться как бустер для инжекции (впрыскивания пучка заряженных частиц) в линейный ускоритель тяжелых ионов SuperHILAC. В таком состоянии он проработал до 1993 года и был остановлен из-за нехватки финансирования.

Рекомендуем по этой теме:
Видео
129370 14
Элементарные частицы

Сегодня крупнейший в мире циклотрон — циклотрон лаборатории TRIUMF в Университете Британской Колумбии в Канаде, запущенный в 1974 году и ускоряющий ионы Н– до 520 МэВ. Диаметр ускорителя — 18 метров, а вес главного магнита составляет 4000 тонн. Исследования лаборатории лежат в области физики элементарных частиц, ядерной физики, ядерной медицины и материаловедения. Похожий циклотрон на энергию протонов 590 МэВ был запущен в 1979 году в Институте имени П. Шерера в Швейцарии. Эти циклотроны предназначены для исследований структуры и свойств нуклонов, а также их организации.

История ускорителей атомных ядер

Синхрофазотрон в Дубне и У-70 в Протвино

Советский Союз тоже участвовал в гонке за высокими энергиями. В конце 1950-х в подмосковной Дубне был сооружен синхрофазотрон Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ), который позволил ускорять пучки протонов до энергии 10 ГэВ. Это было рекордной энергией, достигнутой на ускорителях в это время, и эпохальным событием для ядерной физики: по значимости его сравнивали с запуском первого искусственного спутника Земли. Диаметр кольца магнита достигал почти 60 метров, а масса магнита составляла 36 000 тонн. Руководил проектом синхрофазотрона Владимир Векслер, который в 1944 году предложил принцип автофазировки, или фазовой устойчивости, обеспечивающий стабильность частицы в ускорителе. Магнитное поле, которое подхлестывает частицу, чтобы она быстрее двигалась, автоматически синхронизировало фазу движения — в результате частица разгонялась до очень высоких энергий. Независимо от Векслера эту идею развивал Эдвин Макмиллан.

В 1993 году на основе инфраструктуры синхрофазотрона был построен новый сверхпроводящий ускоритель тяжелых ионов — «Нуклотрон». К тому времени были поставлены проблемы квантовой хромодинамики: для экспериментов были необходимы соответствующие пучки ускоренных частиц, которые синхрофазотрон обеспечить не мог, и требовался новый ускорительный комплекс. Некоторое время ускорители работали попеременно, но в 2002 году из-за финансовых сложностей синхрофазотрон был отключен и частично демонтирован. На базе обоих ускорителей сейчас создается новый тяжелоионный коллайдер NICA, предназначенный для изучения явлений, протекающих в сверхплотной горячей материи, в котором будут сталкиваться пучки заряженных частиц. Предполагается, что кварк-глюонная плазма, просуществовавшая миллионные доли секунды после Большого взрыва и ставшая строительным материалом для нашего мира, была похожа на жидкость. В какой-то момент наступила смешанная фаза, когда вещество во Вселенной состояло одновременно из свободных кварков и глюонов и нейтронов с протонами, составляющих обычную плазму. Кварк-глюонная плазма изучалась на коллайдере тяжелых ионов RHIC в США. В 2005 году она была получена экспериментально.

Другой крупной советской установкой был протонный синхротрон У-70 в Институте физики высоких энергий в Протвино (изначально город назывался Серпухов-7), сооруженный в 1967 году и ускорявший частицы до 70 ГэВ — энергии в семь раз большей, чем на синхрофазотроне в Дубне. В середине 1980-х годов были начаты работы по сооружению Ускорительно-накопительного комплекса (УНК) — протон-протонного коллайдера. У-70 должен был стать инжектором в коллайдер. Однако из-за распада СССР финансирование прекратилось, и работы по проекту были свернуты. Сейчас тоннель УНК поддерживается в законсервированном состоянии, а У-70 используется для фундаментальных исследований в области адронной спектроскопии и ядерной медицины.

Физик Дмитрий Казаков о наращивании энергий ускорителей и истории советских установок

«Теватрон»

Решение о строительстве Национальной ускорительной лаборатории было принято в 1967 году президентом США Линдоном Джонсоном. Позднее лаборатория получила имя создателя первого в мире ядерного реактора Энрико Ферми. Сегодня в Фермилабе располагается уникальный комплекс протонных ускорителей (сверхпроводящих линаков и синхротронов), которые нацелены на исследования в области физики нейтрино и редких распадов.

Рекомендуем по этой теме:
FAQ
FAQ: CP-нарушение в кварках

В 1971 году начал работу кольцевой протонный синхротрон Main Ring, который ускорял частицы до 500 ГэВ. А в конце десятилетия в туннеле ускорителя началось сооружение новой установки. Это был «Теватрон», первый в мире сверхпроводящий синхротрон — протон-антипротонный коллайдер с энергией пучков 980 ГэВ, который был запущен в 1983 году. На протяжении 25 лет он держал рекорд по энергии в мире, уступив лишь Большому адронному коллайдеру, запущенному в 2008 году. Именно на этом легендарном ускорителе в 1994 году был открыт представитель последнего семейства кварков — топ-кварк. С его помощью была измерена масса топ-кварка, также проводились расчеты массы бозона Хиггса. «Теватрон» закончил работу в сентябре 2011 года, однако исследования свойств топ-кварка продолжаются на основе анализа уже набранных данных.

Физик Эдуард Боос об исследованиях топ-кварка

HERA

Ускоритель HERA был запущен в Гамбурге в исследовательском центре DESY в 1992 году и стал первым и единственным лептон-протонным коллайдером. Целью проекта было исследование структуры протона, которая оказалась намного более сложной, чем набор из трех кварков. Окончательные результаты экспериментов на этом ускорителе представлены в 2015 году, через шесть лет после завершения работы коллайдера, и они дают наиболее точную картину протона, важную для понимания фундаментальных свойств материи.

SuperKEKB

В апреле 2018 года после семи лет ремонта и модернизации был запущен японский электрон-позитронный коллайдер SuperKEKB. Он позволит набирать статистику столкновений примерно в 40 раз быстрее, чем его предшественник — KEKB. Коллайдер предназначен для исследования процессов рождения прелестных кварков и их редких распадов в поисках отклонений от Стандартной модели и для изучения нарушений CP-четности в рамках эксперимента BELLE-II. Изучение нарушений

CP-четности позволит объяснить тот факт, что наша Вселенная состоит преимущественно из вещества: если бы CP-четность соблюдалась постоянно, вещества и антивещества было бы поровну.

Физик Эдуард Боос о CP-инвариантности

Большой адронный коллайдер

В начале 1980-х годов был предложен проект ускорителя, осуществляющего столкновения электронов и их античастиц, позитронов, — Большого электрон-позитронного коллайдера (LEP) в CERN (Швейцария). Он был построен в долине Женевского озера на глубине ста метров. Длина кольцевого тоннеля составила 27 километров. Коллайдер неоднократно модернизировался для достижения больших энергий. В 2000 году была достигнута энергия в 209 ГэВ, и LEP был закрыт. Тоннель использовали для строительства Большого адронного коллайдера (БАК, LHC), который был запущен в сентябре 2008 года. Запуск был омрачен аварией и последовавшим за ней ремонтом коллайдера, занявшим около года.

В экспериментах на Большом адронном коллайдере сталкивают протоны с энергией более 10 ТэВ. Поначалу установка работала на пониженной энергии от 1180 ГэВ до 4 ТэВ на каждый пучок. Тем не менее именно в этот период в экспериментах CMS и Atlas в 2012 году был найден бозон Хиггса — последняя недостающая в Стандартной модели частица. Это громкое открытие позволило узнать последний свободный параметр Стандартной модели — константу самодействия хиггсовского поля. В 2010 году Большой адронный коллайдер, работавший в режиме столкновения ионов, забрал лавры у RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории США (БНЛ), который являлся наиболее мощным коллайдером тяжелых ионов в мире. В то время финансирование программ ядерных исследований в США сокращалось, и RHIC находился под угрозой закрытия, однако коллайдер до сих пор функционирует. В БНЛ также существует несколько ионных и электронных синхротронов для разных задач в фундаментальной и прикладной науке.

В 2015 году протоны были разогнаны до 6,5 ТэВ, и начался сбор научных данных на полной энергии столкновений 13 ТэВ. В этот период было получено экспериментальное подтверждение существования пентакварков. В декабре 2018 года работа на коллайдере была приостановлена на два года. За это время установку планируется модернизировать: заменить магниты на более мощные, модифицировать систему электропитания, построить дополнительные тоннели, чтобы облегчить обслуживание коллайдера. Новая версия БАК будет оперировать более плотными пучками протонов, которые разгоняются в коллайдере, что позволит детекторам быстрее набирать статистику по столкновениям частиц. Цели ближайшего будущего — это поиски проявления суперсимметрии и указаний на «экзотические модели». В дальнейшем БАК и его детекторы будут еще сильнее модернизированы для проекта HL-LHC.

Рекомендуем по этой теме:
Видео
25642 4
Открытие бозона Хиггса
Физик Павел Хохлов об экспериментах на коллайдерах

Физик Дмитрий Казаков о работе БАК

Коллайдеры будущего

Какие исследовательские установки заменят БАК? Существует несколько крупных проектов. Среди них — линейные коллайдеры, в которых происходят столкновения частиц, движущихся по прямолинейной траектории. Один из таких проектов — CLIC (Compact Linear Collider) с туннелем длиной от 11 до 50 километров и энергиями до 3 ТэВ. Он может быть пристроен к БАК. Еще одна идея — построить гигантский коллайдер, для которого БАК будет служить инжектором (Future Circular Collider, FCC) и в котором частицы будут достигать 100 ТэВ энергии. Возможно, они укажут на процессы, выходящие за рамки Стандартной модели.

Другой проект подразумевает строительство более крупного Международного линейного коллайдера (International Linear Collider, ILC) на территории Японии. ILC, чьи плечи длиной по 12 километров будут сталкивать электроны с энергиями от 250 до 500 ГэВ, должен стать продуктивной фабрикой по производству бозонов Хиггса. Однако Научный совет Японии не поддержал идею строительства коллайдера на территории страны.

Также рассматривается проект Circular Electron Positron Collider (CEPC), который также может производить бозоны Хиггса. Он был предложен в сентябре 2012 года китайскими учеными. Периметр кольца должен составить 50–70 километров. Коллайдер должен обслуживать два больших детектора. Строительство CEPC может начаться уже в 2022 году на территории Китая и завершиться к концу десятилетия.

Перспективной считается и концепция лазерно-плазменного ускорения, которая выглядит привлекательной и с точки зрения многочисленных приложений, и с точки зрения фундаментальной физики.

Физик Михаил Данилов о линейных коллайдерах