9. Устройство LHC
реклама
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» Факультет Управления и экономики высоких технологий Институт международных отношений Реферат на тему: «Ускорители элементарных частиц. LHC.» Подготовила студентка Группы У4-03 Машкова Ксения Москва 2011 1 Введение .........................................................................................................................................3 1. Элементарные частицы. Ускорители...................................................................................4 2. Ускоритель частиц.................................................................................................................7 3. Основные принципы .............................................................................................................8 3.1. Формирование пучка и его инжекция. ........................................................................8 3.2. Ускорение пучка. ...........................................................................................................8 4. Линейные ускорители .........................................................................................................10 5. Циклические ускорители ....................................................................................................13 5.1. Протонный циклотрон. ...............................................................................................13 5.2. Протонный синхротрон. .............................................................................................15 6. Ускорители со встречными пучками .................................................................................18 6.1. Циклические коллайдеры. ..........................................................................................18 6.2. Линейные коллайдеры. ...............................................................................................19 6.3. Новые технологии. ......................................................................................................19 7. Электронные накопители....................................................................................................21 8. Ускорители в медицине ......................................................................................................23 9. Устройство LHC ..................................................................................................................24 9.1. Подробнее про поведение протонных пучков в ускорителе ...................................25 9.2. Поставленные задачи ..................................................................................................26 9.2.1. Изучение топ-кварков .........................................................................................26 9.2.2. Изучение механизма электрослабой симметрии ..............................................26 9.2.3. Изучение кварк-глюонной плазмы ....................................................................26 9.2.4. Поиск суперсимметрии .......................................................................................26 9.2.5. Изучение фотон-адронных и фотон-фотонных столкновений .......................26 9.2.6. Проверка экзотических теорий ..........................................................................27 9.3. Инжекционный комплекс ...........................................................................................27 9.4. Ускорительная секция .................................................................................................28 9.5. Испытания и эксплуатация .........................................................................................32 9.5.1. 2008 год ................................................................................................................32 9.5.2. 2009 год ................................................................................................................33 9.5.3. 2010 год ................................................................................................................33 10. ЦЕРН — Европейский центр ядерных исследований .................................................36 10.1. Учрежден: .................................................................................................................36 10.2. Финансирование: .....................................................................................................36 10.3. Территория: ..............................................................................................................36 10.4. Миссия ......................................................................................................................36 10.5. Хроника ....................................................................................................................36 10.6. Установки .................................................................................................................37 10.7. Персоналии...............................................................................................................38 10.8. Легенды ....................................................................................................................39 10.9. Терминология...........................................................................................................39 Заключение...................................................................................................................................40 Список используемой литературы .............................................................................................41 2 Введение Большой адро́нный колла́йдер (англ. Large Hadron Collider, LHC; сокр. БАК) — ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (фр. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, CERN), на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы. БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. Руководитель проекта — Лин Эванс. В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 000 учёных и инженеров из более чем 100 стран. Большим назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 адронным — из-за того, что он ускоряет адроны, то есть частицы, состоящие из кварков; коллайдером (англ. collide — сталкиваться) — из-за того, что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках столкновения. В начале XX века в физике появились две основополагающие теории — общая теория относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна, которая описывает Вселенную на макроуровне, и квантовая теория поля, которая описывает Вселенную на микроуровне. Проблема в том, что эти теории несовместимы друг с другом. Например, для адекватного описания происходящего в чёрных дырах нужны обе теории, а они вступают в противоречие. Эйнштейн многие годы пытался разработать единую теорию поля, но безуспешно, поскольку игнорировал квантовую механику. В конце 1960-х физикам удалось разработать Стандартную модель (СМ), которая объединяет три из четырёх фундаментальных взаимодействий — сильное, слабое и электромагнитное. Гравитационное взаимодействие по-прежнему описывают в терминах ОТО. Таким образом, в настоящее время фундаментальные взаимодействия описываются двумя общепринятыми теориями: ОТО и СМ. Их объединения пока достичь не удалось из-за трудностей создания теории квантовой гравитации. Для дальнейшего объединения фундаментальных взаимодействий в одной теории используются различные подходы: теория струн, получившая своё развитие в М-теории (теории бран), теория супергравитации, петлевая квантовая гравитация и др. Некоторые из них имеют внутренние проблемы, и ни у одной из них нет экспериментального подтверждения. Проблема в том, что для проведения соответствующих экспериментов нужны энергии, недостижимые на современных ускорителях заряженных частиц. БАК позволит провести эксперименты, которые ранее было невозможно провести и, вероятно, подтвердит или опровергнет часть этих теорий. Так, существует целый спектр физических теорий с размерностями больше четырёх, которые предполагают существование «суперсимметрии» — например, теория струн, которую иногда называют теорией суперструн именно из-за того, что без суперсимметрии она утрачивает физический смысл. Подтверждение существования суперсимметрии, таким образом, будет косвенным подтверждением истинности этих теорий. 3 1. Элементарные частицы. Ускорители Исторически термин элементарные частицы был введен для тех частиц, которые считались неделимыми и бесструктурными, и из которых построена вся материя. В современной физике этот термин употребляется менее строго - для обозначения большой группы "мельчайших частичек материи", не являющихся атомами и атомными ядрами (единственным исключением является протон.) В группу элементарных частиц помимо протона входят нейтрон, электрон, фотон, а также пи- нейтрино), странные частицы (K - мезоны, гипероны ), огромное количество "очарованные" частицы, ипсилон- число таких частиц продолжает расти и, скорее всего, неограниченно велико. Большинство перечисленных частиц, строго говоря, не удовлетворяют критерию элементарности, т.к. являются составными объектами. В соответствии со сложившейся практикой термин "элементарные частицы" употребляется для обозначения всех субъядерных частиц. При обсуждении частиц, претендующих на роль первичных элементов материи, используют термин истинно элементарные или фундаментальные частицы. При этом, наряду с уже известными частицами, такими как электрон, фотон и нейтрино, теоретики вынуждены вводить новые частицы, которые еще только предстоит обнаружить. Часть же требуемых частиц (например, кварки) оказалось необходимым наделить такими свойствами, что они никогда не будут обнаружены в свободном состоянии (вне составных элементарных частиц). Изучение элементарных частиц и их взаимодействий представляет прямой (возможно единственный) путь к пониманию фундаментальных законов природы. Информация об элементарных частицах получается либо в результате экспериментов с космическими лучами, либо с помощью построенных ускорителей. В зависимости от типа ускоряемых частиц различают протонные и электронные ускорители. Кроме того, ускорители бывают кольцевые и линейные. В кольцевых ускорителях, вдоль всего кольца, в котором, движутся разгоняемые заряженные частицы и из которых откачан воздух, стоят электромагниты. Чем сильнее магнитное поле, тем более энергичные частицы могут быть удержаны внутри кольца (камеры). Разгоняются частицы при помощи электрического поля в ускоряющих промежутках, которые расположены вдоль кольца. В кольцевом ускорителе, где частица может многократно пролететь вдоль кольца. пока не наберет нужную энергию, электрическое поле может быть не очень сильным. В линейном ускорителе (принципиальная схема которого приведена на Рис. 7), напротив, ускоряющие электрические потенциалы должны быть предельно высокими, потому что частица должна набрать всю свою энергию за один пролет. (Линейные ускорители используются также и для получения высокоэнергичных пучков ионов и ядер.) 4 Один из самых больших действующих линейных ускорителей (SLAC) расположен в Станфорде (вблизи Сан-Франциско, США). На Рис. 8 показан один из рабочих моментов в туннеле этого ускорителя в подготовительной стадии эксперимента. Эффективность на единицу длины у протонных кольцевых ускорителей больше, чем для электронных. Это связано с тем, что электроны, будучи более легкими, более интенсивно излучают так называемое синхротронное излучение. Чтобы уменьшить потери энергии на синхротронное излучение, нужно уменьшать центростремительное ускорение разгоняемой частицы, а для этого необходимо увеличивать радиусы ускорителей. После того, как частицы разогнались до необходимой энергии, их пучок направляют на мишень, в которой, сталкиваясь с ядрами вещества, частицы пучка рождают новые частицы. С помощью специальных магнитов (заряженные) частицы, вылетевшие из мишени, формируются во вторичные пучки, которые направляются в установки, детектирующие эти частицы и их взаимодействия. В последние годы все большее значение приобретают такие ускорители, в которых разогнанные частицы сталкиваются не с неподвижной мищенью, а с пучком частиц, ускоренных в противоположном направлении. Преимуществом таких ускорителей (коллайдеров) является то, что они дают большой выигрыш полезной энергии, которую можно использовать для рождения новых частиц. Трудности современного этапа в изучении фундаментальных взаимодействий связаны с двумя главными факторами. Во-первых, строительство новых ускорителей чрезвычайно "дорогое удовольствие" - они обходятся в десятки миллиардов долларов. Во-вторых (и это самая главная трудность), что в земных услових самый мощный ускоритель, который человечество в принципе могло бы построить, позволит достичь разгона частиц до гораздо "более скромных" энергий 1015 ГэВ при самой смелой экстраполяции современных технологических возможностей необходимо иметь ускоритель с линейными размерами в несколько световых лет!) Поэтому становится все более очевидным, что Вселенная, это единственный ускоритель, который когда-либо мог производить частицы с энергиями, достаточными для проверки выводов т.н. единых калибровочных теорий и которым мы можем пользоватся практически бесплатно! Людям нужно лишь научиться правильно обрабатывать результаты уже "поставленного эксперимента." 5 С этой точки зрения гораздо большие усилия в обозримом будущем следует тратить не на построение новых суперускорителей (хотя они, конечно, также нужны), а на исследования в т.н. нейтринной астрономии, направленной на регистрацию реликтовых нейтрино, т.е. нейтрино, рожденных в самые первые минуты жизни Вселенной. 6 2. Ускоритель частиц установка, в которой с помощью электрических и магнитных полей получаются направленные пучки электронов, протонов, ионов и других заряженных частиц с энергией, значительно превышающей тепловую энергию. В процессе ускорения повышаются скорости частиц, причем нередко до значений, близких к скорости света. В настоящее время многочисленные малые ускорители применяются в медицине (радиационная терапия), а также в промышленности (например, для ионной имплантации в полупроводниках). Крупные же ускорители применяются главным образом в научных целях – для исследования субъядерных процессов и свойств элементарных частиц (см. также ЧАСТИЦЫ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ). Согласно квантовой механике, пучок частиц, как и световой пучок, характеризуется определенной длиной волны. Чем больше энергия частиц, тем меньше эта длина волны. А чем меньше длина волны, тем меньше объекты, которые можно исследовать, но тем больше размеры ускорителей и тем они сложнее. Развитие исследований микромира требовало все большей энергии зондирующего пучка. Первыми источниками излучений высокой энергии служили природные радиоактивные вещества. Но они давали исследователям лишь ограниченный набор частиц, интенсивностей и энергий. В 1930-х годах ученые начали работать над созданием установок, которые могли бы давать более разнообразные пучки. В настоящее время существуют ускорители, позволяющие получать любые виды излучений с высокой энергией. Если, например, требуется рентгеновское или гамма-излучение, то ускорению подвергаются электроны, которые затем испускают фотоны в процессах тормозного или синхротронного излучения. Нейтроны генерируются при бомбардировке подходящей мишени интенсивным пучком протонов или дейтронов. Энергия ядерных частиц измеряется в электронвольтах (эВ). Электронвольт – это энергия, которую приобретает заряженная частица, несущая один элементарный заряд (заряд электрона), при перемещении в электрическом поле между двумя точками с разностью потенциалов в 1 В. (1 эВ » 1,60219Ч10–19 Дж.) Ускорители позволяют получать энергии в диапазоне от тысяч до нескольких триллионов (1012) электронвольт – на крупнейшем в мире ускорителе. Для обнаружения в эксперименте редких процессов необходимо повышать отношение сигнала к шуму. Для этого требуются все более интенсивные источники излучения. Передний край современной техники ускорителей определяется двумя основными параметрами – энергией и интенсивностью пучка частиц. В современных ускорителях используются многочисленные и разнообразные виды техники: высокочастотные генераторы, быстродействующая электроника и системы автоматического регулирования, сложные приборы диагностики и управления, сверхвысоковакуумная аппаратура, мощные прецизионные магниты (как «обычные», так и криогенные) и сложные системы юстировки и крепления. 7 3. Основные принципы 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. 3.1. 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. 3.2. 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. Иной способ получения высокого напряжения был изобретен в 1931 Р.Ван-де-Граафом. В генераторе Ван-де-Граафа (рис. 1) лента из диэлектрика переносит электрические заряды от источника напряжения, находящегося под потенциалом земли, к высоковольтному электроду, повышая тем самым его потенциал относительно земли. Однокаскадный 8 генератор Ван-де-Граафа позволяет получать напряжения до 10 МВ. На многокаскадных высоковольтных ускорителях были получены протоны с энергиями до 30 МэВ. 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 импендансом. 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. При высокочастотном ускоряющем напряжении конструкция ускорителя выдерживает без пробоя гораздо более сильные электрические поля, чем при постоянном напряжении. Однако применение высокочастотных полей для ускорения частиц затрудняется тем, что знак поля быстро меняется и поле оказывается то ускоряющим, то замедляющим. В конце 1920-х были предложены два способа преодоления этой трудности, которые применяются теперь в большинстве ускорителей. 9 4. Линейные ускорители Возможность применения высокочастотных электрических полей в длинных многокаскадных ускорителях основана на том, что такое поле изменяется не только во времени, но и в пространстве. В любой момент времени напряженность поля изменяется синусоидально в зависимости от положения в пространстве, т.е. распределение поля в пространстве имеет форму волны. А в любой точке пространства она изменяется синусоидально во времени. Поэтому максимумы поля перемещаются в пространстве с так называемой фазовой скоростью. Следовательно, частицы могут двигаться так, чтобы локальное поле все время их ускоряло. В линейных ускорительных системах высокочастотные поля были впервые применены в 1929, когда норвежский инженер Р.Видероэ осуществил ускорение ионов в короткой системе связанных высокочастотных резонаторов. Если резонаторы рассчитаны так, что фазовая скорость поля всегда равна скорости частиц, то в процессе своего движения в ускорителе пучок непрерывно ускоряется. Движение частиц в таком случае подобно скольжению серфера на гребне волны. При этом скорости протонов или ионов в процессе ускорения могут сильно увеличиваться. Соответственно этому должна увеличиваться и фазовая скорость волны vфаз. Если электроны могут инжектироваться в ускоритель со скоростью, близкой к скорости света с, то в таком режиме фазовая скорость практически постоянна: vфаз = c. Другой подход, позволяющий исключить влияние замедляющей фазы высокочастотного электрического поля, основан на использовании металлической конструкции, экранирующей пучок от поля в этот полупериод. Впервые такой способ был применен Э.Лоуренсом в циклотроне (см. ниже); он используется также в линейном ускорителе Альвареса. Последний представляет собой длинную вакуумную трубу, в которой расположен целый ряд металлических дрейфовых трубок. Каждая трубка последовательно соединена с высокочастотным генератором через длинную линию, вдоль которой со скоростью, близкой к скорости света, бежит волна ускоряющего напряжения (рис. 2). Таким образом, все трубки по очереди оказываются под высоким напряжением. Заряженная частица, вылетающая из инжектора в подходящий момент времени, ускоряется в направлении первой трубки, приобретая определенную энергию. Внутри этой трубки частица дрейфует – движется с постоянной скоростью. Если длина трубки правильно подобрана, то она выйдет из нее в тот момент, когда ускоряющее напряжение продвинулось на одну длину волны. При этом напряжение на второй трубке тоже будет ускоряющим и составляет сотни тысяч вольт. Такой процесс многократно повторяется, и на каждом этапе частица получает дополнительную энергию. Чтобы движение частиц было синхронно с изменением поля, соответственно увеличению их скорости должна увеличиваться длина трубок. В конце концов скорость частицы достигнет скорости, очень близкой к скорости света, и предельная длина трубок будет постоянной. 10 Пространственные изменения поля налагают ограничение на временную структуру пучка. Ускоряющее поле изменяется в пределах сгустка частиц любой конечной протяженности. Следовательно, протяженность сгустка частиц должна быть мала по сравнению с длиной волны ускоряющего высокочастотного поля. Иначе частицы будут по-разному ускоряться в пределах сгустка. Слишком большой разброс энергии в пучке не только увеличивает трудности фокусировки пучка из-за наличия хроматической аберрации у магнитных линз, но и ограничивает возможности применения пучка в конкретных задачах. Разброс энергий может также приводить к размытию сгустка частиц пучка в аксиальном направлении. Рассмотрим сгусток нерелятивистских ионов, движущихся с начальной скоростью v0. Продольные электрические силы, обусловленные пространственным зарядом, ускоряют головную часть пучка и замедляют хвостовую. Синхронизируя соответствующим образом движение сгустка с высокочастотным полем, можно добиться большего ускорения хвостовой части сгустка, чем головной. Таким согласованием фаз ускоряющего напряжения и пучка можно осуществить фазировку пучка – скомпенсировать дефазирующее влияние пространственного заряда и разброса по энергии. В результате в некотором интервале значений центральной фазы сгустка наблюдаются центрирование и осцилляции частиц относительно определенной фазы устойчивого движения. Это явление, называемое автофазировкой, чрезвычайно важно для линейных ускорителей ионов и современных циклических ускорителей электронов и ионов. К сожалению, автофазировка достигается ценой снижения коэффициента заполнения ускорителя до значений, намного меньших единицы. В процессе ускорения практически у всех пучков обнаруживается тенденция к увеличению радиуса по двум причинам: из-за взаимного электростатического отталкивания частиц и из-за разброса поперечных (тепловых) скоростей. Первая тенденция ослабевает с увеличением скорости пучка, поскольку магнитное поле, создаваемое током пучка, сжимает пучок и в случае релятивистских пучков почти компенсирует дефокусирующее влияние пространственного заряда в радиальном направлении. Поэтому данный эффект весьма важен в случае ускорителей ионов, но почти несуществен для электронных ускорителей, в которых пучок инжектируется с релятивистскими скоростями. Второй эффект, связанный с эмиттансом пучка, важен для всех ускорителей. Удержать частицы вблизи оси можно с помощью квадрупольных магнитов. Правда, одиночный квадрупольный магнит, фокусируя частицы в одной из плоскостей, в другой их дефокусирует. Но здесь помогает принцип «сильной фокусировки», открытый Э.Курантом, С.Ливингстоном и Х.Снайдером: система двух квадрупольных магнитов, разделенных пролетным промежутком, с чередованием плоскостей фокусировки и дефокусировки в конечном счете обеспечивает фокусировку во всех плоскостях. 11 Дрейфовые трубки все еще используются в протонных линейных ускорителях, где энергия пучка увеличивается от нескольких мегаэлектронвольт примерно до 100 МэВ. В первых электронных линейных ускорителях типа ускорителя на 1 ГэВ, сооруженного в Стэнфордском университете (США), тоже использовались дрейфовые трубки постоянной длины, поскольку пучок инжектировался при энергии порядка 1 МэВ. В более современных электронных линейных ускорителях, примером самых крупных из которых может служить ускоритель на 50 ГэВ длиной 3,2 км, сооруженный в Стэнфордском центре линейных ускорителей, используется принцип «серфинга электронов» на электромагнитной волне, что позволяет ускорять пучок с приращением энергии почти на 20 МэВ на одном метре ускоряющей системы. В этом ускорителе высокочастотная мощность на частоте около 3 ГГц генерируется большими электровакуумными приборами – клистронами. Протонный линейный ускоритель на самую высокую энергию был построен в Лосаламосской национальной лаборатории в шт. Нью-Мексико (США) в качестве «мезонной фабрики» для получения интенсивных пучков пионов и мюонов. Его медные резонаторы создают ускоряющее поле порядка 2 МэВ/м, благодаря чему он дает в импульсном пучке до 1 мА протонов с энергией 800 МэВ. Для ускорения не только протонов, но и тяжелых ионов были разработаны сверхпроводящие высокочастотные системы. Самый большой сверхпроводящий протонный линейный ускоритель служит инжектором ускорителя на встречных пучках ГЕРА в лаборатории Немецкого электронного синхротрона (ДЕЗИ) в Гамбурге (Германия). 12 5. Циклические ускорители 5.1. Протонный циклотрон. Существует весьма элегантный и экономичный способ ускорения пучка путем многократного сообщения ему небольших порций энергии. Для этого с помощью сильного магнитного поля пучок заставляют двигаться по круговой орбите и много раз проходить один и тот же ускоряющей промежуток. Впервые этот способ был реализован в 1930 Э.Лоуренсом и С.Ливингстоном в изобретенном ими циклотроне. Как и в линейном ускорителе с дрейфовыми трубками, пучок экранируется от действия электрического поля в тот полупериод, когда оно действует замедляюще. Заряженная частица с массой m и зарядом q, движущаяся со скоростью v в магнитном поле H, направленном перпендикулярно ее скорости, описывает в этом поле окружность радиусом R = mv/qH. Поскольку ускорение приводит к увеличению скорости v, возрастает и радиус R. Таким образом, протоны и тяжелые ионы движутся по раскручивающейся спирали все возрастающего радиуса. При каждом обороте по орбите пучок проходит через зазор между дуантами – высоковольтными полыми D-образными электродами, где на него действует высокочастотное электрическое поле (рис. 3). Лоуренс сообразил, что время между прохождениями пучка через зазор в случае нерелятивистских частиц остается постоянным, поскольку возрастание их скорости компенсируется увеличением радиуса. На протяжении той части периода обращения, когда высокочастотное поле имеет неподходящую фазу, пучок находится вне зазора. Частота обращения дается выражением где f – частота переменного напряжения в МГц, Н – напряженность магнитного поля в Тл, а mc2 – масса частицы в МэВ. Если величина H постоянна в той области, где происходит ускорение, то частота f, очевидно, не зависит от радиуса (см. также ЛОУРЕНС, ЭРНЕСТ ОРЛАНДО). 13 Для ускорения ионов до высоких энергий необходимо лишь, чтобы магнитное поле и частота высоковольтного напряжения отвечали условию резонанса; тогда частицы будут дважды за оборот проходить через зазор между дуантами в нужный момент времени. Для ускорения пучка до энергии 50 МэВ при ускоряющем напряжении 10 кэВ потребуется 2500 оборотов. Рабочая частота протонного циклотрона может составлять 20 МГц, так что время ускорения – порядка 1 мс. Как и в линейных ускорителях, частицы в процессе ускорения в циклотроне должны фокусироваться в поперечном направлении, иначе все они, кроме инжектированных со скоростями, параллельными полюсным наконечникам магнита, выпадут из цикла ускорения. В циклотроне возможность ускорения частиц с конечным разбросом по углам обеспечивается приданием магнитному полю особой конфигурации, при которой на частицы, выходящие из плоскости орбиты, действуют силы, возвращающие их в эту плоскость. К сожалению, по требованиям стабильности сгустка ускоряемых частиц фокусирующая компонента магнитного поля должна уменьшаться с увеличением радиуса. А это противоречит условию резонанса и приводит к эффектам, ограничивающим интенсивность пучка. Другой существенный фактор, снижающий возможности простого циклотрона, – релятивистский рост массы, как необходимое следствие увеличения энергии частиц: В случае ускорения протонов синхронизм будет нарушаться из-за релятивистского прироста массы примерно при 10 МэВ. Один из способов поддержания синхронизма – модулировать частоту ускоряющего напряжения так, чтобы она уменьшалась по мере увеличения радиуса орбиты и увеличения скорости частиц. Частота должна изменяться по закону 14 Такой синхроциклотрон может ускорять протоны до энергии в несколько сот мегаэлектровольт. Например, если напряженность магнитного поля равна 2 Тл, то частота должна уменьшаться примерно от 32 МГц в момент инжекции до 19 МГц и менее при достижении частицами энергии 400 МэВ. Такое изменение частоты ускоряющего напряжения должно происходить на протяжении нескольких миллисекунд. После того как частицы достигают высшей энергии и выводятся из ускорителя, частота возвращается к своему исходному значению и в ускоритель вводится новый сгусток частиц. Но даже при оптимальной конструкции магнита и наилучших характеристиках системы подвода высокочастотной мощности возможности циклотронов ограничиваются практическими соображениями: для удержания на орбите ускоряемых частиц с высокой энергией нужны чрезвычайно большие магниты. Так, масса магнита циклотрона на 600 МэВ, сооруженного в лаборатории ТРИУМФ в Канаде, превышает 2000 т, и он потребляет электроэнергию порядка нескольких мегаватт. Стоимость же сооружения сихроциклотрона примерно порпорциональна кубу радиуса магнита. Поэтому для достижения более высоких энергий при практически приемлемых затратах требуются новые принципы ускорения. 5.2. Протонный синхротрон. Высокая стоимость циклических ускорителей связана с большим радиусом магнита. Но можно удерживать частицы на орбите с постоянным радиусом, увеличивая напряженность магнитного поля по мере увеличения их энергии. Линейный ускоритель инжектирует на эту орбиту пучок частиц сравнительно небольшой энергии. Поскольку удерживающее поле необходимо лишь в узкой области вблизи орбиты пучка, нет необходимости в магнитах, охватывающих всю площадь орбиты. Магниты расположены лишь вдоль кольцевой вакуумной камеры, что дает огромную экономию средств. Такой подход был реализован в протонном синхротроне. Первым ускорителем подобного типа был «Космотрон» на энергию 3 ГэВ (рис. 4), который начал работать в Брукхейвенской национальной лаборатории в 1952 в США; за ним вскоре последовал «Беватрон» на энергию 6 ГэВ, построенный в Лаборатории им. Лоуренса Калифорнийского университета в Беркли (США). Сооруженный специально для обнаружения антипротона, он работал на протяжении 39 лет, продемонстрировав долговечность и надежность ускорителей частиц. 15 В синхротронах первого поколения, построенных в США, Великобритании, Франции и СССР, фокусировка была слабой. Поэтому была велика амплитуда радиальных колебаний частиц в процессе их ускорения. Ширина вакуумных камер составляла примерно 30 см, и в этом все-таки большом объеме требовалось тщательно контролировать конфигурацию магнитного поля. В 1952 было сделано открытие, позволившее резко уменьшить колебания пучка, а следовательно, и размеры вакуумной камеры. Это был принцип сильной, или жесткой, фокусировки. В современных протонных синхротронах со сверхпроводящими квадрупольными магнитами, расположенными по схеме сильной фокусировки, вакуумная камера может быть меньше 10 см в поперечнике, что приводит к значительному уменьшению размеров, стоимости и потребляемой мощности фокусирующих и отклоняющих магнитов. Первым синхротроном, основанным на этом принципе, был «Синхротрон с переменным градиентом» на энергию 30 ГэВ в Брукхейвене. Аналогичная установка была построена в лаборатории Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве. В середине 1990-х годов оба ускорителя все еще находились в эксплуатации. Апертура «Синхротрона с переменным градиентом» была примерно в 25 раз меньше, чем у «Космотрона». Потребляемая магнитом мощность при энергии 30 ГэВ примерно соответствовала мощности, потребляемой магнитом «Космотрона» при 3 ГэВ. «Синхротрон с переменным градиентом» ускорял 6Ч1013 протонов в импульсе, что соответствовало самой высокой интенсивности среди установок этого класса. Фокусировка в этом ускорителе осуществлялась теми же магнитами, что и отклоняли пучок; это достигалось приданием полюсам магнита формы, показанной на рис. 5. В современных ускорителях для отклонения и фокусировки пучка, как правило, используются отдельные магниты. 16 В середине 1990-х годов самым крупным протонным синхротроном являлся «Теватрон» Национальной ускорительной лаборатории им. Э.Ферми в Батавии (США). Как подсказывает само название, «Теватрон» ускоряет сгустки протонов в кольце диаметром 2 км до энергии порядка 1 ТэВ. Ускорение протонов осуществляется целой системой ускорителей, начиная с генератора Кокрофта – Уолтона в качестве инжектора, из которого отрицательные ионы водорода с энергией 750 кэВ вводятся в линейный ускоритель на энергию 400 МэВ. Затем пучок линейного ускорителя пропускается через углеродную пленку для обдирки электронов и инжектируется в промежуточный синхротрон – бустер – диаметром 150 м. В бустере протоны совершают примерно 20 000 оборотов и приобретают энергию 8 ГэВ. Обычно бустер выполняет 12 быстро следующих друг за другом рабочих циклов, в результате которых в «Главное кольцо» – еще один протонный синхротрон с протяженностью кольца 6,3 км – инжектируется 12 сгустков протонов. «Главное кольцо», в котором протоны ускоряются до энергии 150 ГэВ, состоит из 1000 обычных магнитов с медными обмотками, отклоняющих и фокусирующих протоны. Непосредственно под «Главным кольцом» расположен состоящий из 1000 сверхпроводящих магнитов оконечный синхротрон «Теватрон». Пучок может выводиться по многим каналам на расстояние 1,5–3 км для проведения исследований во внешних экспериментальных залах. более сильные отклоняющие и фокусирующие магниты. Предназначенные для субъядерной «микроскопии» протонные синхротроны на энергии больше 1 ТэВ требуют тысяч сверхпроводящих и фокусирующих магнитов длиной 5–15 м с апертурой шириной в несколько сантиметров, обеспечивающих исключительно высокую точность полей и стабильность их во времени. Основными факторами, сдерживающими создание протонных синхротронов на более высокие энергии, являются большая стоимость и сложность управления, связанные с их огромными размерами. 17 6. Ускорители со встречными пучками 6.1. Циклические коллайдеры. Далеко не вся энергия ускоренной частицы идет на осуществление нужной реакции. Значительная ее часть бесполезно теряется в виде отдачи, претерпеваемой частицей мишени в силу закона сохранения импульса. Если налетающая частица имеет энергию Е, а масса частицы покоящейся мишени равна М, то полезная энергия составляет Таким образом, в экспериментах с покоящейся мишенью на «Теватроне» полезная энергия составляет всего лишь 43 ГэВ. Стремление использовать в исследованиях частиц как можно более высокие энергии привело к созданию в ЦЕРНе и Лаборатории им. Э.Ферми протон-антипротонных коллайдеров, а также большого числа установок в разных странах со встречными электрон-позитронными пучками. В первом протонном коллайдере соударения протонов и антипротонов с энергиями 26 ГэВ происходили в кольце с длиной окружности 1,6 км (рис. 6). За несколько дней удавалось накопить пучки с током до 50 А. В настоящее время коллайдером с самой высокой энергией является «Теватрон», на котором проводятся эксперименты при соударении пучка протонов, имеющих энергию 1 ТэВ, со встречным пучком антипротонов той же энергии. Для таких экспериментов необходимы антипротоны, которые можно получить, бомбардируя пучком протонов высокой энергии из «Главного кольца» металлическую мишень. Рождающиеся в этих соударениях антипротоны накапливают в отдельном кольце при энергии 8 ГэВ. Когда накоплено достаточно много антипротонов, их инжектируют в «Главное кольцо», ускоряют до 150 ГэВ и далее инжектируют в «Теватрон». Здесь протоны и антипротоны одновременно ускоряют до полной энергии, а затем осуществляют их соударения. Суммарный импульс сталкивающихся частиц равен нулю, так что вся энергия 2Е оказывается полезной. В случае «Теватрона» она достигает почти 2 ТэВ. Наибольшая энергия среди электрон-позитронных коллайдеров была достигнута на «Большом электрон-позитронном накопительном кольце» в ЦЕРНе, где энергия сталкивающихся пучков на первом этапе составляла 50 ГэВ на пучок, а затем была увеличена до 100 ГэВ на пучок. В ДЕЗИ сооружен коллайдер ГЕРА, в котором происходят соударения электронов с протонами. Этот огромный выигрыш в энергии достигается ценой значительного уменьшения вероятности столкновений между частицами встречных пучков низкой плотности. 18 Частота столкновений определяется светимостью, т.е. числом столкновений в секунду, сопровождающихся реакцией данного типа, имеющей определенное сечение. Светимость линейно зависит от энергии и тока пучка и обратно пропорциональна его радиусу. Энергию пучка коллайдера выбирают в соответствии с энергетическим масштабом исследуемых физических процессов. Для обеспечения наибольшей светимости необходимо добиться максимально возможной плотности пучков в месте их встречи. Поэтому главной технической задачей при проектировании коллайдеров является фокусировка пучков в месте их встречи в пятно очень малых размеров и увеличение тока пучка. Для достижения нужной светимости могут потребоваться токи более 1 А. Еще одна исключительно сложная техническая проблема связана с необходимостью обеспечивать в камере коллайдера сверхвысокий вакуум. Поскольку столкновения между частицами пучков происходят сравнительно редко, соударения с молекулами остаточного газа могут существенно ослаблять пучки, уменьшая вероятность изучаемых взаимодействий. Кроме того, рассеяние пучков на остаточном газе дает нежелательный фон в детекторе, способный замаскировать изучаемый физический процесс. Вакуум в камере коллайдера должен лежать в пределах 10–9–10–7 Па (10–11–10–9 мм рт. ст.) в зависимости от светимости. При более низких энергиях можно ускорять более интенсивные пучки электронов, что дает возможность исследовать редкие распады В- и К-мезонов, обусловленные электрослабыми взаимодействиями. Ряд таких установок, иногда называемых «фабриками ароматов», сооружается в настоящее время в США, Японии и Италии. Такие установки имеют два накопительных кольца – для электронов и для позитронов, пересекающихся в одной или двух точках, – областях взаимодействия. В каждом кольце содержится много сгустков частиц при полном токе более 1 А. Энергии пучков выбираются с таким расчетом, чтобы полезная энергия соответствовала резонансу, который распадается на изучаемые короткоживущие частицы – В- или К-мезоны. В основе конструкции этих установок лежат электронный синхротрон и накопительные кольца. 6.2. Линейные коллайдеры. Энергии циклических электрон-позитронных коллайдеров ограничиваются интенсивным синхротронным излучением, которое испускают пучки ускоренных частиц (см. ниже). Этого недостатка нет у линейных коллайдеров, в которых синхротронное излучение не сказывается на процессе ускорения. Линейный коллайдер состоит их двух линейных ускорителей на высокие энергии, высокоинтенсивные пучки которых – электронный и позитронный – направлены навстречу друг другу. Пучки встречаются и соударяются только один раз, после чего отводятся в поглотители. Первым линейным коллайдером является «Стэнфордский линейный коллайдер», использующий Стэнфордский линейный ускоритель длиной 3,2 км и работающий при энергии 50 ГэВ. В системе этого коллайдера сгустки электронов и позитронов ускоряются в одном и том же линейном ускорителе и разделяются по достижении пучками полной энергии. Затем электронные и позитронные сгустки транспортируются по отдельным дугам, форма которых напоминает трубки медицинского стетоскопа, и фокусируются до диаметра около 2 мкм в области взаимодействия. 6.3. Новые технологии. Поиски более экономичных методов ускорения привели к созданию новых ускорительных систем и высокочастотных генераторов большой мощности, работающих в диапазоне 19 частот от 10 до 35 ГГц. Светимость электрон-позитронных коллайдеров должна быть исключительно высокой, поскольку сечение процессов убывает как квадрат энергии частиц. Соответственно этому и плотности пучков должны быть чрезвычайно высокими. В линейном коллайдере на энергию порядка 1 ТэВ размеры пучков могут достигать 10 нм, что намного меньше размеров пучка в «Стэнфордском линейном коллайдере» (2 мкм). При столь малых размерах пучков для точного согласования фокусирующих элементов необходимы очень мощные стабильные магниты со сложными электронными автоматическими регуляторами. При прохождении электронного и позитронного пучков друг через друга их электрическое взаимодействие нейтрализуется, а магнитное усиливается. В результате магнитные поля могут достигать 10 000 Тл. Такие гигантские поля способны сильно деформировать пучки и приводить к большому энергетическому разбросу вследствие генерации синхротронного излучения. Эти эффекты наряду с экономическими соображениями, связанными с сооружением все более и более протяженных машин, будут ставить предел энергии, достижимой на электроннопозитронных коллайдерах. 20 7. Электронные накопители Электронные синхротроны основаны на тех же принципах, что и протонные. Однако благодаря одной важной особенности они проще в техническом отношении. Малость массы электрона позволяет инжектировать пучок при скоростях, близких к скорости света. Поэтому дальнейшее увеличение энергии не связано с заметным увеличением скорости, и электронные синхротроны могут работать при фиксированной частоте ускоряющего напряжения, если пучок инжектируется с энергией около 10 МэВ. Однако это преимущество сводится на нет другим следствием малости электронной массы. Поскольку электрон движется по круговой орбите, он движется с ускорением (центростремительным), а потому испускает фотоны – излучение, которое называется синхротронным. Мощность Р синхротронного излучения пропорциональна четвертой степени энергии пучка Е и току I, а также обратно пропорциональна радиусу кольца R, так что она пропорциональна величине (E/m)4IR–1. Эта энергия, теряемая при каждом обороте электронного пучка по орбите, должна компенсироваться высокочастотным напряжением, подаваемым на ускоряющие промежутки. В рассчитанных на большие интенсивности «фабриках аромата» такие потери мощности могут достигать десятков мегаватт. Циклические ускорители типа электронных синхротронов могут использоваться и как накопители больших циркулирующих токов с постоянной высокой энергией. Такие накопители имеют два основных применения: 1) в исследованиях ядра и элементарных частиц методом встречных пучков, о чем говорилось выше, и 2) как источники синхротронного излучения, используемые в атомной физике, материаловедении, химии, биологии и медицине. Средняя энергия фотонов синхротронного излучения пропорциональна (E/m)3R–1. Таким образом, электроны с энергией порядка 1 ГэВ, циркулирующие в накопителе, испускают интенсивное синхротронное излучение в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах. Большая часть фотонов испускается в пределах узкого вертикального угла порядка m/E. Поскольку радиус электронных пучков в современных накопителях на энергию порядка 1 ГэВ измеряется десятками микрометров, пучки испускаемого ими рентгеновского излучения характеризуются высокой яркостью, а потому могут служить мощным средством исследования структуры вещества. Излучение испускается по касательной к криволинейной траектории электронов. Следовательно, каждый отклоняющий магнит электронного накопительного кольца, когда через него проходит сгусток электронов, создает разворачивающийся «прожекторный луч» излучения. Оно выводится по длинным вакуумным каналам, касательным к основной вакуумной камере накопителя. Расположенные вдоль этих каналов щели и коллиматоры формируют узкие пучки, из которых далее с помощью монохроматоров выделяется нужный диапазон энергий рентгеновского излучения. Первыми источниками синхротронного излучения были установки, первоначально сооруженные для решения задач физики высоких энергий. Примером может служить Стэнфордский позитрон-электронный накопитель на энергию 3 ГэВ в Стэнфордской лаборатории синхротронного излучения. На этой установке в свое время были открыты «очарованные» мезоны. Первые источники синхротронного излучения не обладали той гибкостью, которая позволяла бы им удовлетворять разнообразным нуждам сотен пользователей. Быстрый рост потребности в синхротронном излучении с высоким потоком и большой 21 интенсивностью пучка вызвал к жизни источники второго поколения, спроектированные с учетом потребностей всех возможных пользователей. В частности, были выбраны системы магнитов, уменьшающие эмиттанс электронного пучка. Малый эмиттанс означает меньшие размеры пучка и, следовательно, более высокую яркость источника излучения. Типичными представителями этого поколения явились накопители в Брукхейвене, служившие источниками рентгеновского излучения и излучения вакуумной ультрафиолетовой области спектра. Яркость излучения можно также увеличить, заставив пучок двигаться по синусоидальной траектории в периодической магнитной структуре и затем объединяя излучение, возникающее при каждом изгибе. Ондуляторы – магнитные структуры, обеспечивающие подобное движение, представляют собой ряд магнитных диполей, отклоняющих пучок на небольшой угол, расположенных по прямой на оси пучка. Яркость излучения такого ондулятора может в сотни раз превышать яркость излучения, возникающего в отклоняющих магнитах. В середине 1980-х годов начали создаваться источники синхротронного излучения третьего поколения с большим числом таких ондуляторов. Среди первых источников третьего поколения можно отметить «Усовершенствованный источник света» с энергией 1,5 ГэВ в Беркли, генерирующий мягкое рентгеновское излучение, а также «Усовершенствованный источник фотонов» с энергией 6 ГэВ в Аргоннской национальной лаборатории (США) и синхротрон на энергию 6 ГэВ в Европейском центре синхротронного излучения в Гренобле (Франция), которые используются как источники жесткого рентгеновского излучения. После успешного сооружения этих установок был создан ряд источников синхротронного излучения и в других местах. Новый шаг в направлении большей яркости в диапазоне от инфракрасного до жесткого рентгеновского излучения связан с использованием в системе отклоняющих магнитов «теплых» магнитных диполей с напряженностью магнитного поля около 1,5 Тл и гораздо более коротких сверхпроводящих магнитных диполей с полем в несколько тесла. Такой подход реализуется в новом источнике синхротронного излучения, создаваемом в институте П.Шеррера в Швейцарии, и при модернизации источника в Беркли. Применение синхротронного излучения в научных исследованиях получило большой размах и продолжает расширяться. Исключительная яркость таких пучков рентгеновского излучения позволяет создать новое поколение рентгеновских микроскопов для изучения биологических систем в их нормальной водной среде. Открывается возможность быстрого анализа структуры вирусов и белков для разработки новых фармацевтических препаратов с узкой направленностью действия на болезнетворные факторы и минимальными побочными эффектами. Яркие пучки рентгеновского излучения могут служить мощными микрозондами для выявления самых ничтожных количеств примесей и загрязнений. Они дают возможность очень быстро анализировать экологические пробы при исследовании путей загрязнения окружающей среды. Их можно также использовать для оценки степени чистоты больших кремниевых пластин перед дорогостоящим процессом изготовления очень сложных интегральных схем, и они открывают новые перспективы для метода литографии, позволяя в принципе создавать интегральные схемы с элементами меньше 100 нм. 22 8. Ускорители в медицине Ускорители играют важную практическую роль в медицинской терапии и диагностике. Многие больничные учреждения во всем мире сегодня имеют в своем распоряжении небольшие электронные линейные ускорители, генерирующие интенсивное рентгеновское излучение, применяемое для терапии опухолей. В меньшей мере используются циклотроны или синхротроны, генерирующие протонные пучки. Преимущество протонов в терапии опухолей перед рентгеновским излучением состоит в более локализованном энерговыделении. Поэтому протонная терапия особенно эффективна при лечении опухолей мозга и глаз, когда повреждение окружающих здоровых тканей должно быть по возможности минимальным. 23 9. Устройство LHC Ускоритель — это установка для разгона пучков элементарных частиц; коллайдер — это такой тип ускорителя, в котором разгоняются два пучка частиц в противоположных направлениях и сталкиваются друг с другом. В русскоязычной терминологии коллайдер называют также ускорителем на встречных пучках. С точки зрения научной задачи сам ускоритель выполняет только полдела — он лишь сталкивает частицы. Изучением результатов столкновения занимаются детекторы элементарных частиц — специальные многослойные установки, собранные вокруг точек столкновения. Иногда ускорителем называют тандем «ускоритель + детекторы»; в этом случае, если надо подчеркнуть, что речь идет именно об ускорителе, а не о детекторах, часто говорят «ускорительное кольцо». На этой страничке рассказывается именно об устройстве ускорительного кольца 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 рис. 1 показана схема расположения основных элементов ускорительного кольца LHC. Рис. 1. Общий вид ускорительного кольца LHC (рисунок И. Иванова) 24 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. 9.1. Подробнее про поведение протонных пучков в ускорителе 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. Магнитная система LHC Как и любое тело, сгусток элементарных частиц, предоставленный сам себе, будет двигаться прямолинейно и равномерно. Для того чтобы удерживать его на круговой траектории внутри ускорителя (а также поддерживать от падения вниз под действием силы тяжести), требуется постоянно воздействовать на пучок магнитным полем. На LHC для управления пучками используется несколько тысяч магнитов разного назначения. Именно они являются самой важной (и самой дорогой) частью ускорителя. Траекторией пучков управляют поворотные магниты, которые слегка разворачивают пролетающий сквозь них пучок и удерживают его внутри кольцевой вакуумной трубы. Имеются также фокусирующие магниты, не дающие пучку расплыться, и разнообразные корректирующие магниты. В точках инжекции и сброса пучка установлены специальные быстрые магниты. 25 9.2. Поставленные задачи 9.2.1. Изучение топ-кварков Топ-кварк — самый тяжёлый кварк и, более того, это самая тяжёлая из открытых пока элементарных частиц. Согласно последним результатам Тэватрона, его масса составляет 173,1 ± 1,3 ГэВ/c²[6]. Из-за своей большой массы топ-кварк до сих пор наблюдался пока лишь на одном ускорителе — Тэватроне, на других ускорителях просто не хватало энергии для его рождения. Кроме того, топ-кварки интересуют физиков не только сами по себе, но и как «рабочий инструмент» для изучения бозона Хиггса. Один из наиболее важных каналов рождения бозона Хиггса в БАК — ассоциативное рождение вместе с топкварк-антикварковой парой. Для того, чтобы надёжно отделять такие события от фона, предварительно необходимо изучение свойств самих топ-кварков. 9.2.2. Изучение механизма электрослабой симметрии Фейнмановские диаграммы, показывающие возможные варианты рождения W- и Zбозонов, которые в совокупности образуют нейтральный бозон Хиггса Одной из основных целей проекта является экспериментальное доказательство существования бозона Хиггса — частицы, предсказанной шотландским физиком Питером Хиггсом в 1960 году в рамках Стандартной Модели. Бозон Хиггса является квантом так называемого поля Хиггса, при прохождении через которое частицы испытывают сопротивление, представляемое нами как поправки к массе[7]. Сам бозон нестабилен и имеет большу́ю массу (более 120 ГэВ/c²). На самом деле, физиков интересует не столько сам бозон Хиггса, сколько хиггсовский механизм нарушения симметрии электрослабого взаимодействия. Именно изучение этого механизма, возможно, натолкнёт физиков на новую теорию мира, более глубокую, чем СМ. 9.2.3. Изучение кварк-глюонной плазмы Ожидается, что примерно один месяц в год будет проходить[уточнить] в ускорителе в режиме ядерных столкновений. Будут происходить не только протон-протонные столкновения, но и столкновения ядер свинца. При неупругом столкновении двух ядер на ультрарелятивистских скоростях на короткое время образуется и затем распадается плотный и очень горячий комок ядерного вещества. Понимание происходящих при этом явлений (переход вещества в состояние кварк-глюонной плазмы и её остывание) нужно для построения более совершенной теории сильных взаимодействий, которая окажется полезной как для ядерной физики, так и для астрофизики. Моделирование процесса рождения бозона Хиггса в детекторе CMS 9.2.4. Поиск суперсимметрии Первым значительным научным достижением экспериментов на БАК может стать доказательство или опровержение «суперсимметрии» — теории, гласящей, что любая элементарная частица имеет гораздо более тяжёлого партнера, или «суперчастицу». 9.2.5. Изучение фотон-адронных и фотон-фотонных столкновений 26 Электромагнитное взаимодействие частиц описывается как обмен (в ряде случаев виртуальными) фотонами. Другими словами, фотоны являются переносчиками электромагнитного поля. Протоны электрически заряжены и окружены электростатическим полем, соответственно это поле можно рассматривать как облако виртуальных фотонов. Всякий протон, особенно релятивистский протон, включает в себя облако виртуальных частиц как составную часть. При столкновении протонов между собой взаимодействуют и виртуальные частицы, окружающие каждый из протонов. Математически процесс взаимодействия частиц описывается длинным рядом поправок, каждая из которых описывает взаимодействие посредством виртуальных частиц определённого типа (см. диаграммы Фейнмана). Таким образом, исследуя столкновения протонов, косвенно изучается и взаимодействие вещества с фотонами высоких энергий, представляющее большой интерес для теоретической физики[8]. Также рассматривается особый класс реакций — непосредственное взаимодействие двух фотонов. То есть, фотоны могут столкнуться как со встречным протоном, порождая типичные фотонадронные столкновения, так и друг с другом. В режиме ядерных столкновений, из-за большого электрического заряда ядра, влияние электромагнитных процессов имеет ещё большее значение. 9.2.6. Проверка экзотических теорий Теоретики в конце XX века выдвинули огромное число необычных идей относительно устройства мира, которые все вместе называются «экзотическими моделями». Сюда относятся теории с сильной гравитацией на масштабе энергий порядка 1 ТэВ, модели с большим количеством пространственных измерений, преонные модели, в которых кварки и лептоны являются составными частицами, модели с новыми типами взаимодействия. Дело в том, что накопленных экспериментальных данных оказывается всё ещё недостаточно для создания одной-единственной теории. А сами все эти теории совместимы с имеющимися экспериментальными данными. Поскольку в этих теориях можно сделать конкретные предсказания для БАК, экспериментаторы планируют проверять предсказания и искать следы тех или иных теорий в своих данных. Ожидается, что результаты, полученные на ускорителе, смогут ограничить фантазию теоретиков, закрыв некоторые из предложенных построений. 9.3. Инжекционный комплекс Протоны поступают в LHC из предварительного ускорителя SPS («Протонного суперсинхротрона»). Имеются две линии передачи пучка, которые отходят от SPS в двух местах и подходят к ускорительному кольцу LHC вблизи точек 2 и 8 (эти линии называются Tl2 и Tl8). Инжекционный комплекс — это сложное инженерное сооружение, работоспособность которого зависит не только от правильной настройки магнитной системы, но и от точной синхронизации ритма работы SPS и LHC. Инжекция (то есть «впрыскивание») протонов в LHC происходит не непрерывно, а импульсами. Во время работы LHC линии передачи пустуют, а в предварительном ускорителе SPS накапливается очередная порция протонов. В конце каждого цикла работы LHC высокоэнергетический пучок сбрасывается, и коллайдер подготавливается к приему новой порции протонов. В течение нескольких минут следует серия импульсных включений и выключений быстрых магнитов на концах линии передачи протонов, в ходе которых протонные сгустки переводятся из SPS в LHC и один за другим выстраиваются на свои «позиции» в пучке, не мешая уже циркулирующим сгусткам. 27 Рис. 2. Схема цепочки ускорителей для накопления и поэтапного разгона протонов и ионов перед их инжекцией в LHC (рис. с сайта en.wikipedia.org из статьи LHC) Перед тем как попасть в SPS, протоны проходят через несколько ускорителей меньшего размера. Полный ускорительный комплекс ЦЕРНа описан на странице CERN accelerator complex (см. также краткую схему на рис. 2). Вначале с помощью ионизации протоны добываются из газообразного водорода, затем их разгоняют до энергии 50 МэВ в линейном ускорителе и впрыскивают в бустер PSB. Там протоны разгоняются до энергии 1,4 ГэВ, переводятся в протонный синхротрон PS, ускоряются до 25 ГэВ и только после этого попадают в SPS. В нём они разгоняются до 450 ГэВ и инжектируются в LHC. Похожую последовательность ускорителей проходят и ядра свинца, правда в их случае есть специфика, связанная с нагревом и атомизацией свинцового образца и ионизацией атомов. 9.4. Ускорительная секция Протоны впрыскиваются в LHC на энергии 0,45 ТэВ и ускоряются до 7 ТэВ уже внутри основного ускорительного кольца. Этот разгон происходит во время пролета протонов сквозь несколько резонаторов, установленных в точке 4. 28 Рис. 3. Криомодуль, содержащий четыре резонатора. На каждый из двух пучков приходится два таких криомодуля (фото с сайта mediaarchive.cern.ch) Резонатор представляет собой полую металлическую камеру сложной формы (см. рис. 3), внутри которой возбуждается стоячая электромагнитная волна с частотой колебаний примерно 400 МГц. Эффективное и однородное ускорение всего пучка переменным полем оказывается возможным благодаря тому, что весь пучок разбит на отдельные сгустки, следующие на строго определенном расстоянии друг за другом. Когда сгусток протонов пролетает сквозь резонатор, электромагнитное колебание находится как раз в такой фазе, чтобы электрическое поле вдоль оси пучка подталкивало протоны вперед. Фаза колебания поля в резонаторе настроена так, что в момент пролета частиц электрическое поле не максимально, а нарастает. Так делается для того, чтобы автоматически выравнивать энергию ускоряемых частиц. Если какой-то протон случайно оказался более энергичным, чем соседи, он вырывается вперед и на следующем круге приходит в ускоряющую камеру с небольшим опережением. Из-за этого он получает чуть меньше добавочной энергии, чем остальные протоны. И наоборот, если протон случайно потерял немного энергии и оказался в хвосте своего сгустка, то при следующем пролете через ускорительную секцию он получил побольше энергии. Это свойство сгустка частиц называется автофазировкой. Ускорение протонов с энергии инжекции 0,45 ТэВ до 7 ТэВ происходит довольно медленно, примерно за 20 минут. Скорость этого процесса ограничена вовсе не мощностью ускорительной секции, а скоростью усиления магнитного поля в поворотных магнитах — ведь оно должно расти синхронно с энергией частиц для того, чтобы удерживать их в вакуумной трубе неизменного радиуса. 29 Колебания электромагнитного поля в резонаторе порождают сильные токи, текущие по поверхности камеры. Для того чтобы избежать тепловых потерь энергии, резонаторы на LHC тоже работают в сверхпроводящем состоянии при температуре 4,5 К (–268,7°C). Впрочем, внутренняя поверхность резонатора не идеальна и неизбежно содержит маленькие дефекты, на которых выделяется тепло. Но поскольку резонаторы сделаны из меди, это тепло быстро отводится. Система сброса пучка Протонный пучок на полной энергии и интенсивности обладает большой разрушительной силой (представьте себе энергию летящего реактивного самолета, сфокусированную в поперечнике меньше миллиметра). В норме пучок циркулирует внутри вакуумной камеры и не задевает аппаратуру. Однако если в управляющей магнитной системе произойдет сбой или траектория пучка слишком сильно отклонится от расчетной, пучок станет опасен, и его нужно будет быстро сбросить. Кроме того, сброс ослабевшего пучка надо делать каждые несколько десятков часов и при нормальной работе ускорителя. Рис. 4. Зал, в котором поглощается сброшенный пучок (фото с сайта proj-lbds.web.cern.ch) Всем этим занимается специальная система сброса пучка, установленная в точке 6. В ней размещены специальные быстрые магниты, которые при необходимости включаются в считанные микросекунды и слегка отклоняют пучок. В результате протоны сходят с круговой орбиты, затем пучок дефокусируется, по специальному каналу уходит прочь от ускорителя и в отдельном зале безопасно поглощается массивными карбон-композитными блоками (блоки от этого сильно нагреваются, но не плавятся). Вакуумная и криогенная техника, система контроля и безопасности 30 Рис. 6. Часть системы гелиевого охлаждения LHC (фото с сайта physicsworld.com) Для того чтобы протонные пучки могли свободно циркулировать в LHC, внутри ускорительной трубы создан сверхглубокий вакуум. Давление остаточных газов составляет порядка 10–13 атм. Однако даже при таком низком давлении время от времени происходит столкновение протонов с молекулами остаточного газа, что сокращает время «жизни пучка» до нескольких дней. Несмотря на то что вакуумная труба небольшая, радиусом примерно 5 см, она очень длинная, так что полный объем, подлежащий вакуумированию, сопоставим с крупным зданием. Кроме того, из-за многочисленных контактов и соединений, а также из-за большой площади внутренней поверхности вакуумной камеры задача по поддержанию нужного вакуума оказывается очень непростой. Еще одной важной частью инфраструктуры ускорителя является криогенная система, охлаждающая ускорительное кольцо. Она поддерживает в поворотных магнитах (а также в некоторых других элементах) температуру 1,9 К (то есть –271,25°C), при которой сверхпроводник безопасно держит нужный ток и создает требуемое магнитное поле. Для поддержания рабочей температуры ускорителя используется уникально высокая теплопроводность сверхтекучего гелия. По гелиевому каналу на LHC можно передавать киловатты теплового потока при перепаде температур всего 0,1 К на расстоянии в километр! Криогенная система на LHC многоступенчатая. Для охлаждения используется 12 миллионов литров жидкого азота и почти миллион литров жидкого гелия. LHC в ходе работы будет потреблять 2-3 грузовика жидкого азота и порядка 500 литров жидкого гелия в день. 31 В точках 3 и 7 расположены устройства для «чистки» пучка. Когда протонный пучок движется внутри вакуумной трубы, то протоны колеблются в поперечной плоскости, и некоторые из них могут отклониться от идеальной траектории довольно далеко. Такие «блуждающие» протоны (на языке физиков — «гало пучка») могут задеть стенки вакуумной трубы или аппаратуру. Даже если это будет ничтожная доля от всего протонного пучка, они могут локально нагреть или даже повредить аппаратуру. Например, локальное энерговыделение всего в несколько сотых долей джоуля на кубический сантиметр способно вызвать переход поворотного магнита из сверхпроводящего в нормальное состояние, что приведет к срочному сбросу пучка. Рис. 7. Коллиматор с сомкнутыми «челюстями» (зазор между ними не превышает нескольких миллиметров). Вид вдоль оси пучка. Система чистки пучка механическим образом отсекает гало пучка. Для этого в непосредственную близость к пучку (на расстояние всего пару миллиметров!) придвигаются массивные блоки — «челюсти» коллиматора. Они поглощают «блуждающие» протоны, но не мешают основной части пучка. Впрочем, «отсеченные» протоны тоже небезопасны — они сильно нагревают материал коллиматора, а также порождают на нём поток частиц более низкой энергии («вторичное гало»), которое тоже приходится отсекать вторичными коллиматорами. 9.5. Испытания и эксплуатация 9.5.1. 2008 год 11 августа успешно завершена первая часть предварительных испытаний[17]. Во время испытаний пучок заряженных частиц прошёл чуть более трёх километров по одному из колец БАК. 32 10 сентября был произведён официальный запуск коллайдера[18][19] Запущенные пучки протонов успешно прошли весь периметр коллайдера по и против часовой стрелки[20]. 12 сентября команде БАК удалось запустить и непрерывно удерживать циркулирующий пучок. На этом задача по установлению циркулирующего пучка завершилась, и физики приступили к подробным тестам магнитной системы[21]. 19 сентября в ходе тестов магнитной системы сектора 3-4 (34) произошёл инцидент, в результате которого БАК вышел из строя[22]. Один из электрических контактов между сверхпроводящими магнитами расплавился под действием возникшей из-за увеличения силы тока электрической дуги, которая пробила изоляцию гелиевой системы охлаждения (криогенной системы), что привело к деформации конструкций, загрязнению внутренней поверхности вакуумной трубы частичками металла, а также выбросу около 6 тонн жидкого гелия в туннель. Ремонт коллайдера занял остаток 2008-го и большую часть 2009-го годов. 21 октября состоялась торжественная церемония официального открытия (инаугурация) БАК[23]. 9.5.2. 2009 год 16 октября завершено охлаждение всех восьми секторов коллайдера[24]. 20 ноября, впервые после аварии 19 сентября 2008 года, пучок протонов успешно прошёл по всему кольцу Большого адронного коллайдера[25]. 29-30 ноября учёные довели энергию каждого из пучков протонов до значения 1180 ГэВ. Таким образом, БАК стал самым мощным ускорителем протонов в мире[26]. 9 декабря состоялись столкновения пучков протонов на достигнутой в конце ноября рекордной энергии — 2,36 ТэВ (= 2 * 1180 ГэВ)[27]. [править] 9.5.3. 2010 год 18 марта энергия пучка протонов доведена до 3,5 ТэВ.[28] 30 марта состоялись столкновения протонов с суммарной энергией 7 ТэВ.[29] Начался первый длительный сеанс научной работы БАК. На 22 апреля 2010 года собрана статистика, позволяющая уточнить для случая недоступной ранее энергии протон-протонных столкновений ряд параметров, плохо вычислимых из первых принципов. В частности, оценено количество заряженных частиц, рождающихся в столкновении, а также их распределение по псевдобыстроте.[30] Эти данные позволят более эффективно наладить анализ данных, поступающих с детекторов. 24 июня показано отсутствие асимметрии протонов и антипротонов.[31] 19 августа получено ограничение на энергию возбуждённых состояний кварков для моделей, где такие состояния существуют.[32] 19 сентября эксперимент LHCb представил первые данные по рождению прелестных мезонов.[33] 22 сентября обнаружен новый физический эффект, не предсказанный существующей теорией. Среди сотен частиц, которые рождаются при столкновении протонов, обнаружились пары, движения которых связаны друг с другом.[34] Тем не менее данный эффект не стал для экспериментаторов полной неожиданностью, поскольку очень похожий эффект был обнаружен в 2007 году в столкновении ядер на коллайдере RHIC.[35] В случае столкновений ядер предлагается следующее объяснение. Летящие с околосветовой скоростью ядра сильно сплющиваются в продольном направлении и выглядят скорее «блинами», чем «шариками». В первый момент после столкновения два ядра-«блина» пролетают друг сквозь друга, но столкновение не проходит для них незаметным, и в пространстве между ними возникает совершенно особое состояние материи, которое получило название «глазма», glasma (англ.), и из которого затем получается комок кварковых и глюонных полей. Теоретические расчёты показывают, что 33 в «глазме» глюонные силовые поля формируются между двумя пролетевшими ядрами в виде продольных трубок. Каждая такая трубка растянута в большом диапазоне по полярным углам, но имеет фиксированный азимутальный угол. Эта трубка получается вытянутой вдоль потому, что именно в этом направлении движутся частицы. Когда она распадётся на частицы, то они в момент рождения оказываются автоматически скоррелированными по азимутальному углу.[36][37] 24 сентября на детекторе CMS впервые зарегистрировано парное рождение Z-бозонов. Это событие может быть связано с бозоном Хиггса, который может образовываться в ходе столкновений протонов. Он должен распадаться на ряд других частиц, в частности Zбозоны, которые могут быть зарегистрированы детекторами коллайдера. Непосредственно Z-бозоны детекторы зафиксировать не могут из-за чрезвычайно короткого времени жизни этих элементарных частиц (около 3×10−25 секунды), однако они могут «поймать» мюоны, в которые превращаются Z-бозоны. CMS зарегистрировал рождение четырёх мюонов. Тем не менее, как отмечают учёные, одного подобного события недостаточно, чтобы делать определённые выводы: чтобы доказательно говорить о рождении бозона Хиггса, необходимо зарегистрировать множество событий рождения пар Z-бозонов.[38][39][40] 4 октября начались эксперименты с 200 сгустками на пучок[12]. Светимость БАКа в таком режиме работы превысила 6×1031 см−2с−1, то есть возросла в 10 000 раз с момента первых столкновений на полной энергии 7 ТэВ.[41] 4 ноября закончились эксперименты в 2010 году в режиме протон-протонных столкновений. В течение последней недели октября эксперименты велись с 368 сгустками на пучок. Пиковая светимость достигала значений 2×1032 см−2с−1, а за один ночной сеанс набора данных накапливалась интегральная светимость около 6 пикобарн−1.[42] Полная интегральная светимость, накопленная в основных детекторах коллайдера к ноябрю, составляет примерно 50 пикобарн−1, в то время как первые научные данные, представленные в июле на ICHEP-2010 (главной конференции года по физике элементарных частиц), базировались на светимости 0,2 пикобарн−1. Накопленная к настоящему времени статистика обрабатывается, и соответствующие научные результаты будут представлены на зимних и весенних конференциях 2010—2011. Сразу после завершения протон-протонных столкновений БАК переключился на столкновения тяжёлых ионов (ионов свинца); в таком режиме он проработает примерно до рождественских каникул, затем последует остановка, а в январе 2011 года возобновятся эксперименты с протонными пучками.[43][44] Первые тестовые запуски ионных сгустков начались во второй половине дня.[45] 7 ноября зарегистрированы столкновения ядер с полной энергией 5,74 ТэВ в трёх основных детекторах — ATLAS, CMS и специально адаптированном под ядерные столкновения детекторе ALICE.[45] 14 ноября количество сгустков в каждом из двух встречных ядерных пучков доведено до 121 (проектная величина — 592), а мгновенная светимость достигла 2×1025 см−2с−1 (2 % от проектной величины). Столь быстрый рост количества сгустков (за неделю) связан с тем, что магнитная система ускорителя и система безопасности были тщательно настроены и отлажены во время протонных сеансов работы. С другой стороны, не столь высокий уровень светимости по сравнению с протон-протонным режимом работы не является критичным для тех вопросов, которые будут изучаться в режиме ядерных столкновений. Самой важной характеристикой является частота интересных столкновений[42]. В протонных столкновениях интересные события происходят редко и имеют сечение меньше нанобарна, что при светимости 1032 см−2с−1 даёт не более нескольких событий в минуту, но для изучения кварк-глюонной плазмы в ядерных столкновениях достаточно почти каждого прямого соударения двух ядер, имеющего сечение примерно 8 барн, поэтому частота интересных событий достигает десятка в секунду.[46] 34 18 ноября в arXiv.org появились две статьи коллаборации ALICE. В этих статьях изложены первые результаты, полученные в столкновениях ядер свинца. В одной из них речь идёт об общем количестве частиц, рождавшихся в столкновениях ядер «лоб в лоб», а в другой изучается эффект, возникающий при нецентральном столкновении ядер, — эллиптический поток, позволяющий лучше понять свойства кварк-глюонной плазмы. Обнаружение эллиптического потока в эксперименте свидетельствует о том, что в столкновении ядер образовывается некоторое текучее состояние, то есть кварк-глюонная плазма. Как и в любом сплошном веществе, это состояние характеризуется тем, что его частицы постоянно сталкиваются друг с другом, а не «пролетают» мимо. Это означает, что для такого вещества можно приблизительно определить температуру, энтропию, вязкость и другие гидродинамические и термодинамические величины, изучать фазовые переходы при остывании и т. д.[47] 2 декабря в ЦЕРНе прошла презентация первых результатов, полученных в столкновении ядер свинца. Три экспериментальные группы (коллаборации экспериментов ATLAS, CMS и ALICE) выступили с докладами.[48] Коллаборация ATLAS рассказала об обнаруженном дисбалансе адронных струй, который свидетельствует о «гашении струй» (англ. jet quenching) в кварк-глюонной плазме.[49] Коллаборация CMS также представила данные по дисбалансу струй и, кроме того, изложила результаты по рождению тяжёлых мезонов (J/ψ и Υ), а также Z-бозонов, которые до этого никогда не регистрировались в столкновении ядер. Коллаборация ALICE, детектор которой оптимизирован именно для ядерных столкновений, представила гашение струй несколько иначе — через распределение рождённых адронов по поперечному импульсу. Представлены также данные по эллиптическому потоку и первые измерения физических параметров (объём, время жизни до остывания, вязкость) внутри сгустка кварк-глюонной плазмы. Кроме того, детектор ALICE «увидел» некоторые лёгкие антиядра — антидейтерий, антитритий, антигелий-3.[50] 6 декабря состоялся последний в 2010 году сеанс работы с пучками. Коллайдер остановлен на рождественские и новогодние праздники, работы возобновятся 24 января 2011 года, а протонные пучки будут вновь запущены в ускоритель в середине февраля.[51] 17 декабря в ЦЕРНе состоялась конференция, на которой представлены доклады коллабораций всех шести детекторов коллайдера, посвящённые результатам работы Большого адронного коллайдера в 2010 году.[52] С технической точки зрения работа коллайдера единодушно признана успешной, поскольку были достигнуты все цели, поставленные на 2010 год: выход на светимость выше 1032 см−2с−1, успешная работа с несколькими сотнями сгустков[12], хорошо отлаженный цикл работы коллайдера. Важным достижением стала корректная настройка систем безопасности и мониторинга пучков: суммарная энергия всех протонов, циркулирующих в ускорителе, достигала 28 мегаджоулей, что на порядок превышает предыдущее достижение.[53] Коллаборация CMS представила первые предварительные результаты по поиску суперсимметричных частиц. Свидетельств в пользу существования этих частиц в набранной статистике не обнаружено. 35 10. ЦЕРН — Европейский центр ядерных исследований 10.1. Учрежден: 29 сентября 1954 года. 10.2. Финансирование: Австрия, Болгария, Бельгия, Великобритания, Венгрия, Германия, Греция, Дания, Испания, Италия, Нидерланды, Норвегия, Польша, Португалия, Словакия, Финляндия, Франция, Чехия, Швеция, Швейцария. Наблюдатели: Израиль, Индия, Россия, США, Турция, Япония, Европейская комиссия, ЮНЕСКО. Место: окрестности Женевы, на границе Швейцарии и Франции. 10.3. Территория: >100 га в Швейцарии и > 450 га во Франции; подземные туннели охватывают на порядок большую площадь. Персонал: около 3 тыс. постоянных сотрудников; в проектах участвуют около 6,5 тыс. ученых из 80 стран — почти половина специалистов по физике высоких энергий в мире. Адрес в интернете: www.cern.ch 10.4. Миссия Со времен Резерфорда физика микромира использует один и тот же прием: столкнуть посильнее две частицы и посмотреть, что получится в результате. Чтобы добраться до атомного ядра, нужна энергия, измеряемая миллионами электронвольт (МэВ), а кварковая структура материи проявляется на гигаэлектронвольтах (ГэВ). В столкновениях можно получить любые частицы, на которые хватит энергии по формуле Эйнштейна E=mc2. (Конечно, при этом должны соблюдаться законы сохранения, например, электрического заряда и др.) Большинство из них быстро распадаются, но по следам распада можно понять, с чем мы имели дело, и проверить предсказания теории. Именно так в 1983 году были обнаружены W- и Z-бозоны массой около 100 ГэВ — частицы-переносчики слабого взаимодействия, предсказанные в 1967 году в рамках теории электрослабого взаимодействия Глэшоу—Вайнберга—Салама. На сегодня подтверждены практически все предсказания Стандартной модели элементарных частиц. Не найден пока только загадочный бозон Хиггса — который нужен для объяснения, откуда у других частиц берется масса. Обнаружить его — главная задача строящегося коллайдера LHC. 10.5. Хроника 1952 — выбрано место для создания центра вблизи Женевы. 1953 — жители кантона Женева одобрили строительство на референдуме (16 539 против 7332). 1954 — начало строительства, официальное учреждение ЦЕРНа. 1957 — запущен первый синхроциклотрон SC с энергией 600 МэВ (закрыт в 1990 году). 1959 — запущен протонный синхротрон PS, 28 ГэВ. 36 1968 — изобретена многопроволочная пропорциональная камера (Нобелевская премия, 1992: Жорж Шарпак). 1971 — первый в мире протон-протонный коллайдер ISR (Intersecting Storage Rings), 62 ГэВ (закрыт в 1984-м). 1973 — на пузырьковой камере «Гаргамель» обнаружены нейтральные токи — решающее подтверждение теории электрослабого взаимодействия. 1976 — запущен протонный суперколлайдер SPS, 300 ГэВ (позже — 400 ГэВ). 1983 — открытие W- и Z-бозонов — Нобелевская премия, 1984: Карло Руббиа, Симон ван дер Меер. 1989 — запущен коллайдер LEP, длина кольца 27 км, энергия 45 ГэВ (остановлен в 2000-м для переделки в LHC). 1990 — Тим Бернес-Ли создал протокол HTTP и заложил основу World Wide Web — всемирной паутины. 1999 — начато строительство LHC (запуск ожидается в 2007-м). 2000 — впервые наблюдались признаки образования кварк-глюонной плазмы. 10.6. Установки Linac2 (протоны, 50 МэВ) и Linac3 (тяжелые ионы) — линейные ускорители готовят пучки частиц для других установок. PS Booster — протонный ускоритель, 1,4 ГэВ, окружность более 600 м. Принимает протоны от Linac2, разгоняет и подает в PS. PS — протонный синхротрон (28 ГэВ, 1959), разгоняет протоны и тяжелые ионы и передает в SPS. SPS — протонный суперсинхротрон (400 ГэВ, 1971), окружность 7 км. Первоначально работал с фиксированной мишенью, с 1981 года в режиме протон-антипротонного коллайдера. С 1989 года ускорял электроны и позитроны для LEP. С 2007 года будет ускорять протоны для LHC. 37 © CERN Copyright. Основные экспериментальные установки ЦЕРНа (изображение с сайта cdsweb.cern.ch) LEP — Большой электрон-позитронный коллайдер (45 ГэВ, 1989), туннель окружностью 26 км 659 м проложен на глубине около 100 м. Остановлен в 2000 году для перестройки в LHC. LHC — Большой адронный коллайдер (14 ТэВ, 2007), создается в туннеле LEP, станет крупнейшим в мире ускорителем на встречных протонных пучках. При нем сооружается пять основных экспериментальных установок. Две самые крупные CMS и ATLAS предназначены для детектирования бозона Хиггса, поиска подтверждений суперсимметрии и отклонений от Стандартной модели. 10.7. Персоналии Жорж Шарпак, родился в 1924 году в Польше, еще в детстве уехал с родителями в Палестину, потом оказался в Париже. Во время войны был во французском сопротивлении, выжил в Дахау. В 1946-м получил французское гражданство. В ЦЕРНе работал с 1959-го по 1991 год и был там одной из ключевых фигур. Тим Бернерс-Ли (фото с сайта www.inter.su) 38 Изобретенная им многопроволочная пропорциональная камера радикально повысила точность регистрации частиц и через 24 года принесла ему Нобелевскую премию. Тим Бернерс-Ли (на фото), родился в 1955 году в Лондоне в семье математиковкомпьютерщиков. В 1976 году закончил Оксфорд и собрал свой первый ПК. Идею гипертекста он придумал для личных нужд около 1980 года. В 1989 году, работая программистом в ЦЕРНе, предложил на ее основе построить совместный доступ к научным данным в распределенной компьютерной сети. Вскоре были готовы первые версии языка HTML и протокола HTTP. Всего через несколько лет проект обрел мировой масштаб, а сам Бернерс-Ли учредил Консорциум всемирной паутины (W3C), который занимается разработкой стандартов для интернета. 10.8. Легенды Первая делегация из СССР появилась в ЦЕРНе в 1959 году. Члены делегации внесли целый ряд интересных предложений. Но всё же больше всего коллегам из ЦЕРНа запомнились два факта: никому не известный молчаливый «эксперт», который всюду сопровождал советских ученых, и банкет, организованный делегацией в отеле «Метрополь». Количество икры и водки вспоминали даже на 50-летнем юбилее ЦЕРНа. За доставку яств отвечал член делегации Иван Чувило — один из основателей и впоследствии директор Лаборатории высоких энергий при ОИЯИ в Дубне. Ему пришлось тогда приложить массу усилий, убеждая швейцарскую таможню в дипломатическом статусе своего багажа, чтобы его пропустили без досмотра. 10.9. Терминология Адроны — класс частиц, состоящих из кварков. Бозоны — частицы с целым значением спина; бозонами являются все переносчики взаимодействий. Глюоны — частицы-переносчики взаимодействия, связывающие кварки в адронах. Кварки — фундаментальные частицы материи. Коллайдер — ускоритель, в котором сталкиваются два встречных пучка частиц. Синхротрон — кольцевой ускоритель частиц с орбитой постоянного радиуса. Стандартная модель — современная теория элементарных частиц; охватывает электрослабое и сильное взаимодействия. Теория электрослабого взаимодействия — описывает электромагнитное и слабое взаимодействия как разные проявления одного взаимодействия. Электронвольт =1,6 х 10–19 Дж — энергия, приобретаемая электроном при прохождении разности потенциалов 1 вольт. 39 Заключение На начало 2011 года коллайдер был остановлен на рождественские каникулы и на нём были проведены технические работы и мелкий ремонт. Столкновения протонных пучков возобновились в середине марта 2011 года и будут происходить на суммарной энергии 7 ТэВ до конца 2011 года. Вопреки предварительным планам, советом директоров ЦЕРНа 31 января 2011 года было принято решение продолжить работу коллайдера в 2012 году. Это, возможно, позволит открыть бозон Хиггса, а также набрать статистику, необходимую для других исследований. Также в 2012 году возможно повышение энергии пучков до 4 ТэВ, окончательное решение об этом ещё не принято. После окончания сеанса работы в 2012 году коллайдер будет закрыт на долговременный ремонт. Ремонт предположительно будет длиться не менее полутора лет и займёт весь 2013 год. После ремонта ожидается повышение энергии протонов до проектной энергии в 7 ТэВ на пучок. После того, как LHC выйдет на проектную энергию и светимость, планируется провести модернизацию каскада предварительных ускорителей, в первую очередь SPS, что позволит заметно повысить светимость коллайдера (проект Super-LHC). Также обсуждается возможность проведения столкновений протонов и электронов (проект LHеC). Для этого потребуется пристроить линию ускорения электронов. Обсуждаются два варианта: пристройка линейного ускорителя электронов и размещение кольцевого ускорителя в том же тоннеле, что и LHC. Ближайшим из реализованных аналогов LHeC является немецкий электрон-протонный коллайдер HERA. Отмечается, что в отличие от протон-протонных столкновений, рассеяние электрона на протоне — это очень «чистый» процесс, позволяющий изучать партонную структуру протона намного внимательнее и аккуратнее. 40 Список используемой литературы 1.Lyndon Evans, Philip Bryant. LHC Machine // Journal of Instrumentation, 3, S08001. 2.Будущий электрон-протонный коллайдер на базе LHC. Элементы.ру. Проверено 28 декабря 2010. 3.Дрёмин И. М. Физика на Большом адронном коллайдере. // УФН : журнал. — 2009. — Т. 179. — № 6. 4.http://www.nikiet.ru/rus/structure/hightemp/lhc.html проверено 2011 год 5.http://elementy.ru/LHC 6.http://elementy.ru/LHC/LHC/about проверено 2010 год 41
