Ускорители частиц

Как узнать, из чего «сделаны» элементарные частицы? Как заглянуть в элементарные частицы и понять, есть ли там что-то внутри? В микроскоп увидеть это невозможно. Как бы мы поступили, если бы хотели узнать, как устроен какой-то предмет? Мы попытались бы его сломать, как ни странно. Допустим, часы. Мы смотрим на часы и можем понять, что у них внутри, но, если мы разломаем часы, оттуда вылетят шестеренки, какие-то колесики, и мы узнаем, как часы устроены.

Оказалось, что квантовый мир устроен по-другому, что внутри элементарной частицы ничего нет, — может быть, вообще ничего нет, мы пока даже не понимаем, есть ли какая-то структура у элементарной частицы. Но все-таки как в нее проникнуть? Путь, который был найден, — это разогнать частицу по возможности до очень высокой энергии и ударить в какую-нибудь мишень. Если мы ударим в мишень, начинаются замечательные превращения, рождаются новые частицы.

Интересно, что эти новые частицы не то чтобы находятся внутри частиц, которые мы сталкиваем, или внутри мишени — они рождаются из энергии столкновения. Здесь работает замечательная эйнштейновская формула, что энергия покоя частицы равняется mc2, то есть масса, умноженная на квадрат скорости света. И если мы разогнали какую-то частицу до очень высокой энергии и столкнули такие частицы, то из энергии столкновения могут родиться новые частицы, масса которых меньше, чем та кинетическая энергия, до которой мы разогнали частицы.

Прибор, который разгоняет частицы до очень высоких энергий, называется ускоритель частиц. Такие ускорители стали появляться очень давно. Простейшим ускорителем является электрическое поле. Если у вас есть электрический потенциал или разность потенциалов, то электрически заряженная частица будет двигаться в этом потенциале и ускоряться. Точно так же действует и магнитное поле. По сути дела, мы используем электромагнитное взаимодействие, электрические магнитные поля, чтобы разогнать частицы. Простейшим является какой-нибудь конденсатор с разностью потенциалов, и он будет слегка разгонять частицы.

Но нам хотелось бы разогнать частицу до очень больших энергий. Космические лучи — это такой естественный природный ускоритель. Космические лучи прилетают к нам с очень большой энергией. Но в космических лучах частиц мало, изучать их довольно трудно. Хотя первым ускорителем и была Вселенная, но потом решили сами научиться разгонять частицы и начали строить ускорители.

Ясно, что если длина, на которой ускоряются частицы, небольшая, то они просто не успеют набрать большую энергию. Отсюда взялась идея кольцевого ускорителя: частица будет двигаться по кольцу все быстрее и быстрее, а электрическое или магнитное поле будет ее все время подхлестывать, как дрессировщик подхлестывает лошадей на арене цирка. И частицы будут разгоняться сильнее и сильнее. Первые такие ускорители были созданы в середине прошлого века, называются они циклотроны, и стремление было получить максимальную энергию частиц, то есть разогнать их до максимально большой скорости.

Энергия ускорителей измеряется в единицах, которые называются электронвольтами (эВ). Электронвольт — это энергия, которую приобретает электрон, если он проходит разность потенциалов в 1 вольт, отсюда и название — электронвольт. Ускорители разгоняли частицы до миллионов эВ. Эти единицы обычно называются сокращенно МэВ. На самом деле это довольно большие энергии, скорость движения частиц уже начинает приближаться к скорости света.

Что происходит дальше? Дальше на пути этой частицы можно поставить мишень — кусок какого-то металла, или какой-то газ, или что-то еще, и частица ударяет в эту мишень.

В момент удара высвобождается колоссальная кинетическая энергия частицы, и из этой энергии рождаются новые объекты, рождаются новые частицы.

Так были открыты частицы, которых мы не знали. На самом деле, что там родится, было просто неясно, и надо было изучать продукты этого самого взаимодействия.

Как их изучать? Как увидеть то, что родилось на ускорителе? Желательно частицу как-то зафиксировать. То, где частицы фиксируются или детектируются, обычно называется детектор. Сначала детекторами были фотопленки, фотоэмульсии, на которых частица оставляла след, потом газовые камеры, в которые помещалось магнитное поле, и частица оставляла след наподобие реверсивного следа самолета в небе. Но постепенно в современное время мы переходим к компьютерной регистрации того, что происходит.

Детекторы стали очень большими, современный детектор на Большом адронном коллайдере представляет собой четырехэтажный дом, и в этом детекторе фиксируется все: импульс частицы, угол, под которым она вылетает, заряд частицы. Есть специальные детекторы, которые фиксируют легкие частицы, лептоны, есть специальный детектор, который фиксирует адроны. Короче говоря, это превратилось в огромную индустрию.

Но сами ускорители все время наращивали свою энергию. В России или, скорее, в Советском Союзе в свое время тоже были построены ускорители, и первые циклотроны появились в послевоенные годы. Дальше эта ускорительная наука совершенствовалась, и задачей было все увеличивать и увеличивать энергию частиц. В подмосковной Дубне был построен синхрофазотрон. Так назывался ускоритель, который был построен по новому принципу так называемой автофазировки, когда магнитное поле, которое подхлестывает частицу, чтобы она быстрее и быстрее двигалась, автоматически синхронизировало фазу движения. В результате частица разгонялась до очень высоких энергий. Синхрофазотрон, который был построен в конце 50-х годов в Дубне, ускорял частицы до энергии 10 миллиардов эВ. Естественно, аналогичные ускорители были и в Европе, и в Соединенных Штатах, и было некое соревнование, у кого будет больше энергия.

Следующей большой машиной, построенной в Советском Союзе, был ускоритель в Серпухове, или Серпуховский ускоритель, на энергию уже 70 миллиардов эВ, то есть в семь раз больше, чем в Дубне. Но этот рекорд устоял недолго. Через несколько лет был построен ускоритель на 400 миллиардов эВ, или на 400 ГэВ. Современные ускорители еще больше.

При этом ускорители делятся на два класса: ускорители, которые ускоряют электроны, и ускорители, которые ускоряют протоны. И те и другие частицы живут очень долго, поэтому с ними ничего не происходит, их можно ускорять.

Кольца ускорителей все растут и растут в размере. Если Дубнинский ускоритель имеет радиус порядка 20 метров, Серпуховский ускоритель уже порядка 200 метров, то, скажем, кольцо ускорителя в Женеве, в котором сначала был построен электронный ускоритель, а потом протонный ускоритель, размером 27 километров в окружности, примерно как кольцевая линия московского метро. Ускорители становятся совершенно гигантскими сооружениями.

Почему нужно строить такой большой ускоритель? Зачем нужны такие огромные размеры? Дело в том, что, когда мы пытаемся достичь бо́льших и бо́льших энергий, нам нужно все время большее и большее магнитное поле, которое будет заворачивать частицы по кольцу, иначе они просто улетят. Чем меньше радиус ускорителя, чем сильнее их нужно заворачивать, тем большее нужно магнитное поле. Создание сильных магнитных полей — это сложная техническая задача. Поэтому если построить ускоритель большего радиуса, то можно обойтись меньшими магнитными полями. Но это не единственная причина.

Вторая причина состоит в том, что, двигаясь по орбите, по кольцу ускорителя, электрически заряженные частицы — электроны и протоны — испускают свет. Этот свет называется синхротронным излучением. Чем сильнее заворачивает электрон, тем сильнее он испускает свет и теряет энергию, и в какой-то момент потеря энергии будет сопоставима с энергией, которую мы закачиваем, чтобы разогнать частицу. Поэтому существует естественный предел. Увеличивая радиус ускорителя, мы уменьшаем эти потери и тем самым можем разогнать частицу до бо́льших энергий.

Разгоняя частицы до большой энергии, мы стремимся увеличить радиус ускорителя, чтобы потери были минимальны, и поэтому ускорители очень большие. Такие ускорители разгоняют частицы, которые потом ударяют в мишень. Это называется ускоритель с неподвижной мишенью. Но вскоре было понято, что большое количество энергии ускорителя уходит просто на то, что частица ударяет в мишень, пытаясь сдвинуть мишень с места, и, по сути дела, энергия уходит в движение молекул мишени, то есть в тепло. Теряется очень большое количество энергии, которое могло бы пойти на образование новых частиц.

Родилась идея коллайдеров — когда нет неподвижной мишени, когда мы разгоняем два пучка частиц и они сталкиваются друг с другом.

Это от английского слова collide — столкновение. Современные ускорители — это в основном коллайдеры. Например, Большой адронный коллайдер в Женеве, на котором уже были открытия и на котором мы ожидаем новых открытий. Там сталкиваются два протонных пучка: протоны разгоняются в одну и в другую сторону по кольцу, и потом они сталкиваются в точках пересечения этих колец.

Проблема коллайдеров состоит в том, что эти два пучка, которые очень узкие, не должны пройти мимо друг друга, они должны столкнуться, то есть должна быть очень жесткая фокусировка этих пучков. Это большая техническая проблема, которая, к счастью, нашла свое решение, и коллайдеры заработали. В Женеве, в кольце, где построен Большой адронный коллайдер, где сталкиваются протоны, до этого сталкивались электроны и позитроны — это электронно-позитронный коллайдер.

Есть и другой класс ускорителей — это так называемые линейные ускорители. В линейном ускорителе нет кольца. Сначала частицы разгоняются в кольцевых ускорителях, потом выходят на прямую дорогу, как на скоростную трассу, и уже летят навстречу друг другу. Если за счет специальной технологии обеспечить очень большой градиент ускорения, то, несмотря на то что они проходят скоростной отрезок всего один раз, частицы успевают набрать колоссальную энергию и сталкиваются друг с другом. В этом случае нет никаких потерь энергии, потому что никаких поворотов частицы не делают, а просто несутся навстречу друг другу. Это так называемый линейный коллайдер.

Линейные коллайдеры уже существуют, но сейчас есть большой проект международного линейного коллайдера длиной 50 километров. Эта длина определяется тем, что хочется получить очень высокую энергию, а чем больше длина, тем больше энергия. Проект такого международного коллайдера существует. Не исключено, что через несколько лет его строительство начнется в Японии.

Каждый ускоритель имеет свои преимущества и недостатки. Но главная задача, которую он решает, — разогнать частицы до максимально возможных энергий. Рекорды, которые достигнуты сейчас по ускорению, — это 200 миллиардов эВ для электронов и позитронов в большом кольцевом коллайдере. Это так называемый LEP, электрон-позитронный коллайдер в Женеве.

Рекордным для адронных коллайдеров является Большой адронный коллайдер, в котором протоны разгоняются до энергии 7 триллионов эВ. Сейчас это самая большая достижимая энергия, и она позволяет родить частицы с большими массами, которые до сих пор были недоступны исследованию. И первым примером явилось рождение хиггсовского бозона на Большом адронном коллайдере. В настоящий момент физики надеются, что на этом все не закончится и будут рождаться новые частицы.