Фактически это обыкновенный трансформатор, в котором вместо одной из обмоток пучок заряженных частиц в вакуумной камере. Это был проект первого в мире ускорителя (1923 год).
Несколько лет спустя, выполняя свою дипломную работу и пытаясь реализовать эту схему в «железе», Видероэ столкнулся с трудностью: не удавалось обеспечить устойчивое движение электронов по круговой орбите — пучок «рассыпался» на стенки вауумной камеры. Позже, через 10 лет, американский профессор Дональд Керст сформулировал условия существования устойчивых поперечных колебаний в таком ускорителе и создал первый действующий индукционный ускоритель — бетатрон (поскольку он ускорял электроны — бета-частицы) на энергию 2,3 МэВ. Поскольку нужно было защищать диплом, Рольф Видероэ решил построить линейный ускоритель по схеме, впервые предложенной в 1925 году шведским инженером Густавом Айзингом.
Это была другая схема ускорения — не электростатическим полем, а бегущей волной переменного электрического поля. Ускоряемые заряженные частицы должны были двигаться синхронно с волной электрического поля и попадать в резонанс с положительным полупериодом, чтобы увеличивалась их энергия. Сегодня такие установки называются накопительными кольцами. Обе его идеи были осуществлены, но много позже и другими людьми. Первое в мире накопительное кольцо было построено в 1961 году во Фраскати (Италия) Бруно Тушеком. А первый коллайдер (накопитель на встречных пучках) — Г. И. Будкером и А. Н. Скринским в Новосибирске (СССР) в 1963 году.
В 1931 году американцы Эрнест Лоуренс и Дэвид Слоан построили по схеме Г. Айзинга линейный ускоритель ионов на энергию в несколько сотен кэВ, в котором ионы, проходя через трубки увеличивающейся длины (скорость частиц возрастает, поэтому, чтобы они «не выпадали» из резонанса, нужно искусственно увеличивать время их нахождения внутри экрана), ускорялись высокочастотным (ВЧ) полем, подобранным так, что в зазоре между трубками ионы попадали в ускоряющую фазу. Трубки дрейфа были попеременно запитаны ВЧ-напряжением с противоположной полярностью. Такие линейные ускорители называются структурой Видероэ, или Н-резонаторами.
Через двадцать лет, в 1945 году, американец Луис Альварес предложил некоторую модификацию структур Видероэ именно для тяжелых частиц. Основное отличие состоит в том, что электрическое поле во всех зазорах внутри резонатора имеет одинаковое направление и фазу: все трубки дрейфа находятся под одним потенциалом. В резонаторе возбуждаются ВЧ-колебания — «стоячая волна». Условие синхронизма имеет следующий вид: L=βλ, и такая структура носит имя Альвареса (ее еще называют Е-резонатором). В 1946 году Луис Альварес и Вольфганг Панофски построили в Беркли первый в мире линейный ускоритель (существует общепризнанный термин для линейных ускорителей — линак, сокращение от английского linear accelerator), который разгонял протоны до энергии в 32 МэВ, вполне достаточной для экспериментов в области ядерной физики.
Циклические ускорители
В 1931 году началась очень важная эра в истории ускорителей — была предложена схема циклического ускорителя, циклотрона, работающего по резонансному принципу, но траектория частицы в нем есть раскручивающаяся спираль. Линейные ускорители обладали рядом недостатков: во-первых, в них время от времени возникали высоковольтные пробои, которые могли серьезно вывести из строя установку, во-вторых, чем выше энергия, тем ощутимо больше геометрическая длина, которая уже в те времена составляла десятки метров.
Первый циклотрон Э. Лоуренса диаметром около 10 см разгонял протоны до 80 кэВ. Далее последовало строительство более серьезных циклотронов на энергию протонов 1 МэВ (с диаметром полюса 11 дюймов) и 5 МэВ (27 дюймов). Последний успешно использовался для различных экспериментов в ядерной физике. Спустя уже несколько лет благодаря развивающимся технологиям был преодолен рубеж в 8 МэВ (1936 год), а еще через 10 лет (1946 год) был построен огромный циклотрон с энергией 200 МэВ. К сожалению, при таких энергиях скорость циркулирующих частиц становится околосветовой, и без подстройки частоты ВЧ, для того чтобы сохранялся резонанс с частотой обращения частиц, не обойтись.
Все циклотроны, созданные в 1930–1940-х годах, имели определенные ограничения по энергии ускоряемых частиц. Такие циклотроны до сих пор называют классическими: в них поле магнита остается постоянным, и частота ускоряющего ВЧ-поля также неизменна. Увеличивается лишь радиус траектории частицы с ростом скорости. Очевидно, что в силу законов релятивистской физики, по мере того как скорость частицы начинает приближаться к скорости света, начинает возрастать ее масса. А раз увеличивается масса, то частота обращения частицы уменьшается, и она начинает медленно «выходить» из резонанса с ускоряющим ВЧ-полем.
Второй эффект, который тоже имеет место и связан с энергией, заключается в следующем: поскольку магнитное поле постоянно, то по мере увеличения энергии частицы расстояние между соседними орбитами сильно увеличивается с радиусом, так как магнитное поле уже не может удерживать частицу. Получается, что, если увеличивать напряжение на зазоре (типичные параметры — от 10 до 150 кВ), для того чтобы повысить темп набора энергии, частицы будут делать всего несколько оборотов и вылетать за радиус магнитных полюсов.
Поэтому инженерная мысль развивалась в сторону усовершенствования циклотронов: получить возможность увеличения магнитной индукции с увеличением радиуса траектории частицы и получить возможность вариации частоты ускоряющего ВЧ-напряжения. Первое обеспечивается технически: магнитные полюса делают составными из секторов, и по мере увеличения радиуса полюса расстояние между полюсами уменьшается, чтобы создать большую магнитную индукцию на орбите. А секторные полюса делают для того, чтобы обеспечить вертикальную фокусировку частиц на орбите. Сектора чередуются: полюс представляет собой радиальные «холмы» и «долины». Таким образом, частица, влетая в область, где меняется градиент магнитного поля, фокусируется в вертикальной плоскости. Края секторов действуют как короткие фокусирующие по вертикали линзы, но одновременно и дефокусирующие по радиусу. Такая модификация циклотрона называется изохронный циклотрон, она получила наибольшее распространение, и их до сих пор строят по всему миру. Характерные энергии ускоренных частиц в таких машинах — от 5 до 100 МэВ/н.
Вторая модификация классического циклотрона называется синхроциклотрон: в нем обеспечена возможность перестройки частоты ускоряющего поля (с коэффициентом примерно двойка) в течение цикла ускорения. Делается это механическим способом, с помощью вариатора частоты, который представляет собой конденсатор переменной емкости, являющийся непосредственным элементом резонансного контура дуанта. Таким образом, частица делает сотни тысяч оборотов за цикл, расстояние между соседними орбитами составляет всего около 1–2 мм. Характерные энергии в таких машинах — до 1 ГэВ.
Но вариации магнитного поля и частоты ВЧ-напряжения оказывается мало для того, чтобы обеспечить устойчивое ускорение частиц. Во-первых, возрастает масса частицы (быстрее, чем ее кинетическая энергия). Во-вторых, существует начальный разброс частиц по скоростям, который только усугубляется со временем из-за эффекта рассеяния частиц на атомах остаточного газа в вакуумной камере, и все это выводит частицы из резонанса с ускоряющим полем.
Синхрофазотрон
Скоро пришло понимание, что чем выше энергии хочется достичь, тем больше линейные размеры ускорителя. Для создания магнита с диаметром полюса в несколько метров могли работать несколько заводов страны, сложными становились системы транспортировки и установки таких гигантских электромагнитов. Самым большим в мире воплощением ускорителя из семейства синхроциклотронов стал ускоритель в Институте ядерной физики (сейчас ПИЯФ им. Б.П. Константинова) в Гатчине под Ленинградом — это исполинский магнит с диаметром полюса 6,5 метров для ускорения протонов на энергию 1 ГэВ.
В. И. Векслером и Э. Макмилланом была предложена новая схема циклических ускорителей с постоянным радиусом орбиты пучка — синхротрон. Синхротроны строят в виде кольцевых туннелей, вакуумная камера проходит внутри электромагнита. Не нужно изготавливать огромные магниты, здания под такие установки гораздо компактнее, фактически нужно сооружать только туннель. Но, конечно, необходимы сложные инженерные системы для быстрой синхронизации всех параметров в течение цикла. Такие установки в СССР с подачи Векслера назвали синхрофазотронами.
Первый подобный ускоритель запустили в Брукхейвенской национальной лаборатории недалеко от Нью-Йорка в 1952 году. Он имел периметр 73 метра и назывался «Космотрон», поскольку энергия ускоряемых в нем протонов (на первой стадии 2,3 ГэВ, а затем 3,3 ГэВ) была сравнима с энергией космических лучей в экспериментах тех лет. Это был первый ускоритель с возможностью вывода пучка на мишень, и он фактически стал первой в мире мезонной фабрикой. Проработал он до 1968 года.
В 1953 году в Бирмингемском университете заработал протонный синхротрон на энергию 1 ГэВ. А в 1954 году команде под руководством Э. Макмиллана в лаборатории Беркли (Lawrеnce Berkley National Laboratory) удалось запустить ускоритель на энергию 6,2 ГэВ. Этот ускоритель строился абсолютно целенаправленно для поиска конкретной частицы.
Согласно закону сохранения барионного числа, антипротон может родиться только в паре с протоном (или с нейтроном, если позволяет закон сохранения электрического заряда). Пороговая энергия для рождения такой пары при столкновении двух свободных протонов в системе, в которой один из протонов до соударения покоится, составляет 6,6 ГэВ, а при столкновении протона с протоном или нейтроном, связанным в атомном ядре, — около 4 ГэВ. Именно на этом ускорителе, названном «Беватроном», то есть ускорителе на энергии в миллиарды (биллионы) электронвольтов, в 1955 году впервые получили антипротоны. Пучок протонов выводился с энергией 6,3 ГэВ на медную мишень, в которой рождались антипротоны, специальные магниты отклоняли отрицательно заряженные частицы по направлению к счетчикам черенковского излучения. За осуществление этого эксперимента Эмилио Сегре и Оуэн Чемберлен получили Нобелевскую премию. Годом позже (1956) здесь же, в Беркли, удалось получить антинейтрон и осуществить его аннигиляцию. Антинейтроны возникали в результате перезарядки антипротонов при их движении через вещество. В последующие годы на этом легендарном ускорителе — он проработал до 1993 года — античастицы были найдены и для p+-мезона, каонов и гиперонов.
Конечно, Советский Союз не мог оставаться в стороне от этой гонки за энергиями, и еще в 1949 году было принято решение о строительстве самого крупного в мире ускорителя протонов на энергию сначала на 6, а затем на 10 ГэВ. Правда, до определенного момента разрабатывались два проекта: электронный синхротрон на энергию 1 ГэВ и протонный на 10 ГэВ, которому в конце концов было отдано предпочтение. В 1955 году начались основные инженерные работы в Дубне в Электрофизической лаборатории АН СССР под руководством В. И. Векслера, в марте 1957 года синхрофазотрон заработал сначала на энергию 6 ГэВ, а спустя месяц, в апреле, энергия пучка протонов была доведена до рекордных по тем временам 10 ГэВ. Это было эпохальное событие и для Советского Союза, и для всего мира — его сравнивали по значимости с запуском первого искусственного спутника Земли.
А тем временем в 1950-х годах назревала очередная техническая революция: было сделано очень важное изобретение, которое круто изменило ускорительную физику — знакопеременная жесткая фокусировка. В 1950 году греческий инженер Николас Кристофилос показал, что движение частиц можно сделать устойчивым (горизонтальные и вертикальные колебания), используя цепочку из знакопеременных четырехполюсных магнитов, чередующих сильный спадающий градиент магнитного поля по радиусу вакуумной камеры со столь же сильным нарастающим градиентом. Кристофилос послал свои результаты в Беркли, изложив свои выкладки в форме патентной заявки, поэтому, видимо, его открытие тогда осталось незамеченным. А два года спустя, в 1952 году, к такой же идее пришли трое американских физиков из Брукхейвенской национальной лаборатории: Эрнест Курант, Стэнли Ливингстон и Хартланд Снайдер. Они доказали, что, если заменить слабый фокусирующий радиальный градиент чередой фокусирующих и дефокусирующих сильных градиентов, получается общая сильная фокусировка — как радиальная, так и вертикальная. Этот принцип назвали жесткой (или сильной) фокусировкой. Как только администрация Американской атомной комиссии узнала, что первым подобную идею предложил грек Кристофилос, прислав заявку на патент, его с почетом пригласили приехать в США, к тому же его направили работать в группу к трем брукхейвенским изобретателям. К сожалению, у открытия, которое, несомненно, достойно Нобелевской премии, было четыре автора, поэтому ее так и не присудили за жесткую фокусировку.
Коллайдеры
Теперь не было никаких инженерных и механических ограничений для достижения энергии: нужно было или увеличивать периметр, или увеличивать индукцию в поворотных и фокусирующих магнитах оптической структуры ускорителя. Практически сразу после появления идеи жесткой фокусировки началось строительство протонных синхротронов в двух крупнейших ускорительных лабораториях: в 1959 в Европейском центре ЦЕРН был запущен синхротрон PS (Proton Synchrotron) на энергию 26 ГэВ, а в 1960 году в США в Брукхейвенской национальной лаборатории — синхротрон AGS (Alternating Gradient Synchrotron) на энергию 28 ГэВ. На этих двух легендарных машинах было сделано множество важных открытий в области изучения строения вещества. В 1962 году на AGS обнаружено мюонное нейтрино (группа Ледермана, Шварца, Штейнбергера). В 1965 году две независимые группы исследователей (американская под руководством Леона Ледермана и европейская, возглавляемая Антонино Зикики), проводившие эксперименты на AGS и PS, получили первое антиядро — антидейтрон (связанное состояние антипротона и антинейтрона).
Протонный суперсинхротрон, ЦЕРН (Google Street View, via CERN)
Особой известностью в физике элементарных частиц пользовались также адроны омега-минус, открытые в 1964 году в Брукхейвенской национальной лаборатории (США), и джей-пси-частица (J/ψ-мезон), открытая одновременно в Брукхейвене и Стэнфордском центре линейных ускорителей (тоже в США) в 1974 году. Существование омега-минус-частицы было предсказано М. Гелл-Манном в его «SU3-теории», в которой впервые было высказано предположение о возможности существования кварков (и было дано им это название). Десятилетие спустя открытие частицы J/ψ подтвердило существование с-кварка и заставило наконец всех поверить и в кварковую модель, и в теорию, объединившую электромагнитные и слабые силы. Частице J/ψ приписывается кварковая структура из двух с-кварков (сс) — она называется чармонием, это атомоподобная система, напоминающая позитроний (связанное состояние электрона и позитрона). Ну и, конечно, одно из самых известных открытий на PS в 1973 году — это прямое наблюдение слабых нейтральных токов — явления, возникавшего, когда нейтрино генерируются протонным пучком из PS и бомбардируют жидкость в пузырьковой камере. Были экспериментально обнаружены переносчики слабого взаимодействия W± и нейтральные Z0-бозоны, создающие нейтральные токи. За этот эксперимент С. Ван-дер-Меер и К. Руббиа получили Нобелевскую премию.
Между тем ядерная физика в том понимании, как мы ее определяем, практически «закончилась» на этих жесткофокусирующих машинах, поскольку они создавались уже для исследований в области физики частиц и изучения/доказательства Стандартной модели — как раз для этих целей нужны энергии в десятки, сотни и даже тысячи ГэВ. А исследования в области изучения структуры ядра, экзотических ядер и того подобного проводятся в диапазоне десятков и сотен МэВ. И, конечно, самые удобные ускорители для этих целей — циклотроны и различные их модификации.
В 40–50-е годы прошлого века в мире работало до полутора десятков циклотронов в различных центрах. Очень важное событие в масштабах мировой физики произошло в 1960 году, когда в Дубне, в Лаборатории ядерных реакций (ЛЯР) Объединенного института ядерных исследований, вступил в строй трехметровый классический циклотрон У-300 — первый циклотрон, предназначенный специально для ускорения тяжелых ионов. Этот уникальный циклотрон был спроектирован и построен по идее Г. Н. Флерова на заводе «Электросила» в Ленинграде. Главный инженер ЛЯР К. Л. Плушин отвечал за строительство и сборку в экспериментальном зале, а Ю. Ц. Оганесян руководил работами по настройке и запуску машины. 9 сентября 1960 года циклотрон У-300 дал первый пучок ускоренных ядер азота до 10 МэВ/н. На протяжении 17 последующих лет эта установка оставалась самой энергетичной и самой лучшей среди действующих ускорителей тяжелых ионов и уверенно обеспечивала рекордные интенсивности пучков, вплоть до ионов ксенона. Наибольшее развитие исследования с тяжелыми ионами получили после запуска линейного ускорителя HILAC в Беркли и циклотрона У-300 в Дубне.
В частности, ученые Дубны, выполнив ряд основополагающих исследований, внесли большой вклад в развитие физики тяжелых ионов: впервые осуществили синтез шести новых трансурановых элементов с Z=102 и до порядкового номера 107, открыли три новых вида радиоактивности — спонтанное деление ядер из изомерного состояния, существенно отличающегося по форме от основного, распад ядер путем испускания запаздывающих протонов, запаздывающее деление ядер, удаленных от области стабильности, происходящее после распада. Была получена обширная информация о делении сложных возбужденных ядер, открыт новый класс ядерных реакций — реакции глубоко неупругой передачи нуклонов, синтезирован ряд новых изотопов с большим избытком нейтронов.
В мире существует несколько десятков циклотронов. Один из самых известных и красивых ускорителей такого класса — изохронный циклотрон TRIUMF (Tri-University Meson Facility, Ванкувер, Канада), ускоряющий ионы Н- (до 300 мкА) до 520 МэВ, запущен в 1974 году. Размеры машины поражают — ее диаметр 18 метров, вес главного магнита, создающего поле 0,46 Тл, равен 4000 тонн. Рабочая частота — 23 МГц, а напряжение на зазоре дуантов — 94 кВ. Похожий секторный циклотрон со спиральными секторами на энергию протонов 590 МэВ располагается в Институте имени П. Шерера в Швейцарии — был запущен в 1979 году. Обе эти гигантские машины являются прекрасным инструментом именно в ядерной физике: изучение структуры нуклона, изучение того, как влияют свойства нуклона на природу нейтрон-протонной асимметрии, как свойства нуклонов определяют число протонов и нейтронов в ядре, поиск механизма и причин организации индивидуальных нуклонов в коллективное поведение. Эти циклотроны являются источниками пучков экзотических ядер, мезонными фабриками, служат для наработки редких изотопов для медицины, биологии и физики твердого тела.
В 60–80-е годы прошлого века крайне активно шло сооружение ускорителей на максимальную энергию — синхротронов. Они уже «работали на физику элементарных частиц» в диапазоне сверхвысоких энергий, которая недоступна циклотронам. Создание высокоэнергетичных машин стало настоящим локомотивом для развития высоких технологий: полупроводниковая техника для электроники и систем питания, сверхпроводящие технологии для высокополевых магнитов, усовершенствование детекторов, приборов сбора и обработки данных и прочее. После серпуховского синхротрона У-70 спустя 9 лет «флаг» рекордсмена по энергии перешел в швейцарский ЦЕРН, где был создан огромный синхротрон SPS для ускорения протонов и ионов до энергий 400 ГэВ. Периметр туннеля для кольца этого ускорителя составил 6,9 километра. На этой машине в режиме столкновения протонного и антипротонного пучков как раз и были открыты переносчики слабого взаимодействия — W± и Z0 -бозоны. Немного позже вступил в строй кольцевой протонный синхротрон Main Ring в Национальной лаборатории имени Ферми в США. Его периметр составил 6,28 километра, и по энергии он «перекрыл» SPS, сумев ускорить протоны до 500 ГэВ. На этом ускорителе был успешно проведен эксперимент по обнаружению b-кварка и двух новых частиц — Y- и Y'-мезонов в 1977 году. В конце 1970-х годов в туннеле ускорителя Main Ring началось сооружение уникального, первого в мире сверхпроводящего синхротрона — протон-антипротонного коллайдера с энергией пучков около 1 ТэВ (если точно, 980 ГэВ). В 1983 году эта машина, получившая название «Теватрон», была запущена в эксплуатацию. Этот легендарный ускоритель вошел в историю не только тем, что держал на протяжении 25 лет рекорд по энергии в мире, и не только тем, что он был первым сверхпроводящим синхротроном и коллайдером, но и тем, что именно на нем был открыт в 1994 году представитель последнего семейства кварков — топ-кварк (t-кварк).
В СССР в середине 1980-х годов началось активное строительство сверхпроводящего ускорителя для ядерной физики высоких энергий (в диапазоне несколько ГэВ/н) в подмосковной Дубне. Предложение создания сверхпроводящего жесткофокусирующего ускорителя релятивистских тяжелых ядер ОИЯИ «Нуклотрона» в 1980-х годах было мотивировано постановкой проблем релятивистской ядерной физики и квантовой хромодинамики, проблемой исследования цветовых степеней свободы в атомных ядрах. Для их экспериментального изучения в релятивистских ядерных взаимодействиях необходимы были соответствующие пучки ускоренных частиц, которые не могли быть обеспечены действующим в то время синхрофазотроном без создания, по сути, нового ускорительного комплекса в Лаборатории высоких энергий ОИЯИ.
В результате проведенных научно-исследовательских работ с использованием пучков синхрофазотрона и теоретического анализа процессов множественного рождения частиц было показано, что режим предельной фрагментации ядер наступает при кинетической энергии налетающего ядра больше 3,5 ГэВ/н. Это определило ограничение снизу максимальной энергии «Нуклотрона». Для размещения магнитной системы «Нуклотрона» использовали технологический туннель периметром 251 метров, окружающий фундамент синхрофазотрона, что позволило обеспечить получение максимальной энергии легких ядер (отношение заряда к атомной массе ~½) примерно 6 ГэВ/н, а тяжелых (золото, уран) — 4,5–4,2 ГэВ/н. И это вполне удовлетворяло указанному выше граничному условию по энергии ускоренных частиц. При этом магнитное поле в структурных дипольных магнитах синхротрона могло быть ограничено величиной примерно 2 Тл. В лаборатории были созданы сверхпроводящие магниты с требуемыми уровнями полей и, более того, способные работать с частотой повторения циклов 1 Гц.
Таким образом, проект создания первого в мире сверхпроводящего протон-тяжелоионного синхротрона, использующего быстроциклирующие магниты, был принят к реализации. В начале 1980-х годов было завершено создание рабочих прототипов магнитов нового ускорителя, а в период с 1987 по 1992 год были запущены в серию, изготовлены и прошли комплексные испытания более чем 100 дипольных и 66 квадрупольных криогенно-магнитных модулей его магнитной системы. Монтаж «Нуклотрона» был завершен в январе 1993 года, и в марте этого же года был проведен первый сеанс охлаждения и работы с пучком.
Будущее ускорителей
А что же дальше, куда устремлено сейчас развитие ускорительной физики и техники в целом, каких технологий нам ожидать, какие рубежи по энергии будут взяты в ближайшие годы и в отдаленной перспективе?
В настоящее время в области высоких энергий в мире работает около десятка по-настоящему больших ускорителей. Если говорить о серьезных ускорительно-экспериментальных комплексах, то можно упомянуть несколько наиболее значимых:
— комплекс синхротронов на встречных электрон-позитронных пучках в Институте ядерной физики СО РАН (ВЭПП-4M, ВЭПП-2000, установка с лазерами на свободных электронах);
— протонный синхротрон на энергию 70 ГэВ в ИФВЭ НИЦ КИ (г. Протвино);
— уникальный циклотронный комплекс в Дубне для исследований в области физики сверхтяжелых элементов и редких радиоактивных ядер;
— сверхпроводящий синхротрон тяжелых ионов «Нуклотрон» в Дубне и новый тяжелоионный коллайдер НИКА, создаваемый на его базе;
— европейские нейтронные источники на базе протонных ускорителей (Гренобль, Франция и строящийся в Линде, Швеции) — генераторы сверхмощных нейтронных пучков для прикладных исследований;
— комплекс ионных циклотронов и синхротронов для исследований в областях низкоэнергетичной ядерной физики в Дармштадте (Германия) и Институте имени П. Шерера (Швейцария).
— сверхпроводящий коллайдер тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории (БНЛ). Кроме коллайдера в БНЛ существует несколько ионных и электронных синхротронов для разных задач в фундаментальной и прикладной науки;
— самый большой линейный коллайдер электронов и позитронов в Стэнфорде (США) — двухмильный ускоритель на энергию почти 50 ГэВ;
— уникальный комплекс протонных ускорителей (сверхпроводящих линаков и синхротронов) в Национальной лаборатории имени Ферми (США), которые нацелены на исследования в области физики нейтрино и редких распадов;
— электрон-позитронный коллайдер в Пекине (Китай) — поиск и исследования кваркония и новых элементарных частиц;
— протонный синхротронный комплекс J-PARC в Японии, который имеет широчайший набор экспериментальных установок по поиску и изучению редких распадов, генерации уникальных нейтринных и нейтронных пучков;
— комплекс электрон-позитронных синхротронов (KEK-B) на встречных пучках в Японии — лаборатория КЕК для исследований в области фундаментальных взаимодействий.
Несомненно, сейчас самый грандиозный ускорительный комплекс в мире — это Большой адронный коллайдер (LHC) в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН). Современный сверхпроводящий синхротрон в подземном туннеле длиной 27 километров получает сгустки ионов из синхротрона SPS, ускоряет и сталкивает их при энергии до 7 ТэВ. Эта машина проработает пару десятилетий, и в ближайшие 15 лет едва ли появится в мире ускоритель, который сможет «обойти» по энергии LHC.
Одно из последних и самых ярких достижений Большого адронного коллайдера — это, несомненно, открытие бозона Хиггса. Об этом открытии было объявлено 4 июля 2012 года в ЦЕРН. Само по себе открытие новой элементарной частицы — это всегда большое событие в физике. Бозон Хиггса — частица в Стандартной модели, отвечающая за особое поле, формирующее массы у всех элементарных частиц (электронов, кварков и прочих). В физике элементарных частиц одно из важнейших понятий — это понятие симметрии. Практически все известные взаимодействия — электромагнитные, слабые и сильные — так или иначе связаны с некоторыми внутренними симметриями теории. В Стандартной модели симметрии, если они реализуются обычным образом, запрещают частицам иметь массы. Поле, которое «создает» бозон Хиггса (корректно говорить «поле Энглера — Браута — Хиггса»), нарушает симметрии — появляются массы у всех элементарных частиц в результате взаимодействия с этим самым полем, и чем больше значение этого поля, тем больше масса элементарной частицы. Это фундаментальный механизм.
Совсем недавно, в июле 2015 года, было получено экспериментальное подтверждение существования пентакварков. Это открытие относится к разряду фундаментальных, то есть оно помогает лучше понять природу. Пентакварк состоит из двух u-, одного d-, одного c-кварков и одного с-антикварка. Он является не просто новой частицей — это «способ упаковки» кварков, обычно составляющих протоны и нейтроны, в частицу, которую не наблюдали за все 50 лет экспериментов. Практической пользы от пентакварка, разумеется, ждать не стоит, но в целом знание физических основ материи в итоге приводит к созданию новых материалов и устройств.
Следующий шаг в развитии LHC, скорее всего, будет сделан в направлении повышения энергии сталкивающихся пучков и в направлении увеличения светимости эксперимента. Цели ближайшего будущего, с горизонтом 10–15 лет, — это поиски проявления суперсимметрии, поиск указаний на «экзотические модели»: теории с сильной гравитацией на масштабе энергий порядка 1 ТэВ, модели с большими дополнительными пространственными измерениями, преонные модели, в которых кварки и лептоны являются составными частицами, модели с новыми типами взаимодействия и так далее. Для этого нужны энергии взаимодействующих пучков с энергиями 5–10 ТэВ и сверхвысокая светимость эксперимента. Чтобы сделать шаг по энергии до 20 ТэВ, необходимо менять сверхпроводящие магниты LHC с существующих (полем 8,4 Тл) на новые сильнополевые (скажем, до 20 Тл). Это позволило бы увеличить энергию сталкивающихся пучков в несколько раз. Если же хочется увеличить энергию на порядок, необходимо проектировать и сооружать новый коллайдер — сверхпроводящее кольцо с периметром около 100 км. Такой синхротрон позволял бы ускорять и сталкивать электрон-позитронные пучки (лептонный коллайдер) с энергиями до 175 ГэВ, а протонные пучки (адронный коллайдер) — с энергиями до 50 ТэВ.
Сейчас на стадии научно-исследовательских разработок и опытно-конструкторских работ развиваются новые технологии и новые методы ускорения частиц. Скорее всего, следующими ускорителями, которые вступят в строй в конце 20-х годов нашего века, будут лептонные (электрон-позитронные) линейные коллайдеры — среди таких проектов называют ILC и CLIC. Фактически это ускорители с кинетическими энергиями сталкивающихся пучков до 1–3 ТэВ, то есть не выше, чем у LHC. Но с «точечными» частицами получается более «чистый» эксперимент, практически без фоновых событий. Всерьез обсуждаются проекты «тяжелых» лептонных коллайдеров (мюонных) на энергию несколько ТэВ. Главная проблема мюонов для экспериментаторов в том, что они очень короткоживущие — 2*10-6 с, поэтому, чтобы увеличить время их жизни в лабораторной системе, нужно использовать релятивистский эффект, то есть разогнать их до высоких энергий. Преимущество же мюонов в том, что их масса почти в 200 раз выше, чем у электронов, и это означает, что при одинаковых скоростях у мюонов энергия при взаимодействии во время эксперимента гораздо выше, чем у электронов.
В этом смысле развитие ускорительных технологий с целью «обуздать» мюонные пучки получило очень сильную поддержку в последние годы во многих центрах мира. Разрабатываются проекты так называемых мюонных фабрик (или драйверов) — ускорительных комплексов, генерирующих интенсивные мюонные пучки для экспериментов. Распадаясь, мюоны генерируют нейтринные пучки. Поэтому установки по исследованию нейтрино, самой загадочной и самой интересной элементарной частицы, требуют мюонные фабрики. В последние годы подобная фабрика начала создаваться в Национальной лаборатории имени Ферми в США на базе сверхпроводящих линейных ускорителей протонов высокой мощности (до нескольких мегаваттов мощности в пучке).
Мюонный линейный (или циклический) коллайдер, может быть, будет создан через 20–30 лет после развития всех технологий: генерации, ускорения и накопления интенсивных мюонных пучков.
Что же касается ускорителей ядер — похоже, будущее за машинами, ускоряющими ядра в плазменной среде или с помощью лазера. Сейчас активно идут разработки в этом направлении (кстати, такие «новые» методы ускорения были предложены более полувека назад нашим соотечественником — академиком В.И. Векслером). Главное преимущество, которым должны обладать такие установки, — очень высокий темп набора энергии частицами на коротких дистанциях, до сотен ГэВ на метр. И если технологии позволят в ближайшем будущем создавать такие устройства, то километровые ускорители смогут ускорять ядра до сотен тераэлектронвольтов (1015 эВ). Что, впрочем, все же очень далеко до энергий, указываемых современной физикой элементарных частиц, при которых ожидается Великое объединение всех четырех известных типов взаимодействий, — 1028 эВ.
