КРУГИ НА ВОДЕ, ИЛИ ЗАЧЕМ ЧЕЛОВЕЧЕСТВУ УСКОРИТЕЛИ

(Окончание. Начало в № 399 от 31 октября.)

Определение 1: Производной пьянки называется количество
бутылок, купленных на сданную от предыдущей пьянки тару.

Определение 2: Пьянка называется фундаментальной, если её
вторая производная не равна нулю.

Теорема о неполноте: Множество фундаментальных пьянок
является открытым, т.е. не содержит своих предельных точек.

Из студенческого фольклора НГУ

Краткое введение в физику ускорителей

Итак, чем более мелкие масштабы микромира мы хотим исследовать, тем более высокие энергии частиц нам потребуются. Для этой цели служат ускорители заряженных частиц. Что же за частицы следует в них ускорять? В принципе, для этого подходят любые частицы, лишь бы они были стабильными. Из практических же соображений для этой роли подходят частицы, которые дешевле всего получать. Таковыми оказываются составляющие самого легкого атома – водорода, то есть электроны и протоны. Поскольку за каждый электронвольт энергии ускорения придётся платить, неплохо бы исследовать, каким образом дешевле всего осуществлять это ускорение. Рабочими лошадками здесь являются электромагнитные силы.

Энергию движущихся частиц принято измерять в электронвольтах (eV). Эта единица обозначает кинетическую энергию, приобретенную частицей при прохождении разности потенциалов в один вольт. Вы уже догадались, что в этом электромагнитном тандеме большую часть работы осуществляет собственно электрическая сила, поскольку магнитная сила не меняет энергии частицы. Однако, и у этого малого золотника есть своя важная роль. Магнитная сила заворачивает частицу в соответствии с правилом буравчика, усвоенным некоторыми из нас ещё со школьной скамьи. Следовательно, её можно использовать для фокусировки или поворота пучков заряженных частиц. Уже обычный конденсатор с пластинами, на которые вы подали некоторую разность потенциалов, может рассматриваться как простейшая модель ускорителя. Соблазнительно было бы построить ба-а-альшой конденсатор и приложить к его пластинам сразу 100 Гигавольт (1 GV=109V) , а ещё лучше 1 Teравольт (1012V) и решить одним махом все фундаментальные проблемы Вселенной, однако природа не любит играть в поддавки, и, покинув Эдем, человек был обязан зарабатывать хлеб свой насущный тяжким трудом. Трудность здесь в том, что все детали конденсатора состоят из атомов, а электроны этих атомов легко отрываются от родных ядер, если приложить достаточное поле. Понятие “достаточное” зависит от материала пластин, качества их обработки (наличия микродефектов на поверхности) и состояния среды между ними (сорт газа, его давление). В лучших случаях удается изготовить высоковольтные устройства с потенциалами до нескольких мегавольт, создавая напряженность поля порядка 100 мегавольт на метр. При дальнейшем повышении напряженности поля с поверхности материалов начинается интенсивная эмиссия паразитных электронов, которые, распространяясь во все стороны, ударяют о стенки, порождая лавины вторичных электронов. Затем наступает высоковольтный разряд, который разрушает стенки прибора. Этот путь ведёт в тупик.

Следующая идея состоит в том, чтобы ускоряемым частицам добавлять энергию понемногу, но часто. Для этой цели подходит поле высокочастотных колебаний. Однако, у него есть свои ограничения: если в положительной полуволне поле ускоряет частицу, то в отрицательной оно будет её тормозить, следовательно, такое поле не может ускорять непрерывный поток частиц. Здесь, так же как и в случае качелей, добавлять энергию следует, согласуясь с движением ускоряемого объекта по фазе колебаний. Для этого частицы нужно сгруппировать в компактные образования (сгустки), и по мере ускорения этих сгустков подстраивать поле высокочастотной волны таким образом, чтобы сгусток пролетал через ускоряющий промежуток в оптимальной для ускорения фазе, то есть обеспечить синхронизм ускоряющих полей и сгустков частиц. А ещё лучше, если волна бежит впереди ускоряемого сгустка с той же скоростью, что и сам сгусток, добавляя ему энергию непрерывно, как океанская волна подгоняет серфингиста.

-Позвольте, - воскликнет педант,- нам в школе говорили, что электромагнитные волны распространяются со скоростью света, а любые материальные образования не могу двигаться с этой скоростью. Как же вы обеспечите синхронизм?

И он совершенно прав, но... Волна движется со скоростью света (в вакууме, добавим для точности) только пока не встречает препятствий. При наличии препятствий волна начинает взаимодействовать с ними, возбуждая электронные оболочки атомов препятствия, которые затем отдают полученную энергию, переизлучая её с некоторой задержкой (принцип Гюйгенса). Подобрав препятствия специальной формы, согласованной с параметрами волны, можно добиться того, что сумма переизлучённых волн будет воспроизводить форму исходной волны за вычетом небольших потерь, только эта суммарная волна будет распространяться с гораздо меньшей скоростью, называемой групповой скоростью волны. Эти “препрятствия” обладают резко выраженными резонансными свойствами и называются резонаторами. Они уже не столько препятствуют распространению волны, сколько помогают ей обрести желаемые свойства. Волна плавно замедляется, переходя из одного резонатора в следующий. Таким образом можно понизить скорость волны во много раз по сравнению со скоростью света в вакууме и синхронизовать её с движением заряженных частиц. Такие специальные структуры, составленные из резонаторов, называют ускоряющими, поскольку они служат для ускорения сгустков частиц, но можно называть и замедляющими, поскольку они замедляют скорость распространения в них энергии электромагнитного поля.

Немного остановимся на классификации ускорителей. Они бывают линейными и циклическими. В линейном ускорителе сгустки частиц разгоняются по прямой, в циклических они движутся по спирали (в циклотроне) или кругу (в синхротроне), совсем как лошади на арене цирка, где синхронизация их движения осуществляется щёлканьем бича. Затем ускоренные частицы направляют на мишень, где они во взаимодействии с частицами мишени рождают каскады новых частиц, которые попадают в специальные устройства, называемые детекторами, где они и анализируются. Понятно, что ускорители должны иметь ещё источник исходных частиц и источники энергии (генераторы), которые создают ускоряющие поля. Обе схемы имеют свои преимущества и недостатки.

В циклическом ускорителе сгустки частиц от источника можно порциями сбрасывать в ускоряющее кольцо и накапливать там, пока сгустки совершают в кольце многочисленные обороты, а потом разом скинуть накопленные сгустки на мишень. При этом число событий рождения новых частиц резко возрастёт. А если тонкую мишень поставить на орбиту пучка, то пучок ее будет пересекать вообще сотни тысяч или миллион раз в секунду. Поэтому главное преимущество циклических ускорителей – их высокая светимость (число полезных столкновений с мишенью за единицу времени) и высокая эффективность (затраты энергии из розетки” на единицу светимости). Однако, частица, пролетающая по искривлённой траектории, должна излучать. Иногда такое излучение, называемое по историческим причинам синхротронным, и является основной целью. Например, это излучение используется для модификации свойств материалов, лечения опухолей, при генетических исследованиях для образования мутаций и т.д. Но в нашем случае это излучение представляет собой прямые потери. Интенсивность этих потерь за один оборот пропорциональна четвёртой степени энергии частиц в кольце, и обратна пропорциональна радиусу кольца, поэтому для уменьшения потерь на синхротронное излучение приходится увеличивать радиус кольца, как бы распрямляя траекторию. Например, периметр кольца ускорителя LEP составляет 27 километров и максимальная энергия электронов в нем составляла 104 GeV, причем на каждом обороте электроны теряли 3.3 GeV, то есть три процента своей энергии, что должно было быть восполнено ускоряющими структурами. Допустим, теперь, что для изучения частицы Хиггс нужно построить ускоритель с энергией пучков 500 GeV. Понятно, что в туннель LEP этот ускоритель поместить нельзя, так как пучок на одном обороте успеет пять раз потерять всю свою энергию, и уж совсем очевидно, что увеличение периметра туннеля до 15 тысяч километров, что позволило бы значительно снизить потери энергии, выходит за грани разумного и практичного (даже если учесть заманчивую перспективу что этот туннель потом можно будет использовать для сверхскоростного транспортного сообщения между Европой, Скандинавией, Сибирью и Ближним Востоком). Именно по этой причине дальнейшее увеличение энергии ускорителей электронов возможно только в линейных ускорителях, где потерь на излучение нет, о чем мы подробнее расскажем ниже.

Причина же этого синхротронного излучения довольно проста. Как уже упоминалось, фотоны являются переносчиками электромагнитного взаимодействия, а, значит, каждый электрон как бы окружен шубой из фотонов, формирующих его поле. Поле электрона уменьшается с расстоянием как радиус в квадрате, а с ним уменьшается и плотность фотонной шубы. При прямолинейном и равномерном движении электрона его шуба движется вместе с ним. Теперь представим, что электрон движется по кольцу, причем электрон релятивистский, то есть его скорость лишь чуть-чуть меньше скорости света. Что при этом происходит с фотонами? Представим, что мы раскрутили веревку с двумя узелками, в середине и на конце. Ясно что узелок, вращающийся на большем радиусе, будет двигаться с большей скоростью. Возвращаясь к электрону, ясно, что часть фотонов будет двигаться по большему радиусу, и некоторая их часть должна бы двигаться со скоростью большей, чем скорость света. Поскольку это запрещено законами природы, эта часть фотонов отстает и в итоге отрывается от электрона, унося часть его энергии. Чем больше энергия электрона, тем ближе его скорость к скорости света, а, значит, всё более ближние фотоны, из более плотной шубы, будут потеряны. Излучение это обладает замечательными свойствами узконаправленности, а также возможностью плавно и точно изменять энергию излученных фотонов, меняя энергию электронного пучка, Это позволяет использовать синхротронное излучения для изучения различных сложных объектов, например, исследовать рассеяние фотонов на молекуле белка, с тем чтобы определить пространственное расположение его атомов. Кроме того, если электронный пучок циркулирует в ускорителе, и потери энергии на излучение восстанавливаются ускоряющими структурами, оказывается, что поперечные колебания частиц в пучке очень быстро затухают, размер пучка уменьшается, а плотность увеличивается. Это явление называется радиационным затуханием, и оно имеет колоссальное значение, как мы увидим ниже, для ускорителей со встречными пучками.

Итак, в кольцевых ускорителях электроны теряют энергию на излучение, поэтому увеличение энергии требует увеличения диаметра ускорителя. При энергии выше 100 GeV потери растут столь быстро с ростом энергии, что уже не могут быть скомпенсированы увеличением размеров ускорителя. В линейном ускорителе потерь на такое излучение нет, но зато частицы пролетают через ускоряющую структуру только один раз, что снижает значение эффективности и светимости. Разумеется, в современных линейных ускорителях используют более сложную, комбинированную схему. В ней частицы, получившие некоторое начальное ускорение, сначала накапливаются в специальных кольцах и лишь затем попадают в основную линейную ускоряющую структуру.

Другим параметром нашей классификации является деление ускорителей на однопучковые с неподвижной мишенью и ускорители на встречных пучках (коллайдеры). Впервые метод встречных пучков был предложен А.М. Будкером и реализован в 1965 году в Институте Ядерной физики (Новосибирск) на установке ВЭП-1, имевшей два кольца диаметром 1м, в которых вращались два электронных пучка с энергией по 160 MeV каждый. Энергия их взаимодействия была эквивалентна энергии ускорителя на 100 GeV с неподвижной мишенью. Следующий ускоритель ВЭПП-2 имел уже электронный и позитронный пучки с энергией по 670 MeV каждый.

Коллайдеры

Почему мы используем ускорители со встречными пучками? Чтобы в этом разобраться, нужно вернуться почти ровно на сто лет назад, в начало двадцатого века, когда классическая механика была заменена релятивистской механикой Эйнштейна. Господствующее до Эйнштейна понятие эфира, якобы передающего все взаимодействия, переносящего свет, и т.д., была заменена всего двумя постулатами. Постулат первый: все физические процессы протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета (то есть в тех, которые двигаются прямолинейно и равномерно); и постулат второй: скорость света в пустоте одинакова, с точки зрения любого наблюдателя, находящегося в любой инерциальной системе отсчета. Поскольку постулат (postulatum) - это суждение, которое в рамках существующей системы знаний является недоказуемым, но тем не менее предлагается принять за истину, не удивительно, что Специальная Теория Относительности (СТО) в 1905 году была встречена в штыки даже такими зубрами, как Резерфорд. Конечно, со временем противники СТО исчезли естественным путем, и новые поколения приняли ее как само собой разумеещееся, но тем не менее, хотя эта теория и подтверждается экспериментальными фактами, происхождение изначальных постулатов сейчас не намного яснее, чем сто лет назад. Поэтому до сих пор встречается немало энтузиастов, предлагающих те или иные варианты формулировок, часть из которых основывается на модификациях модели эфира.

Возвращаясь к вопросу об ускорителях со встречными пучками, нужно напомнить некоторые следствия из постулатов Эйнштейна: скорость света есть максимально возможная скорость переноса взаимодействий, масса тела зависит от скорости, энергия тела связана с массой. Следствия, в отличие от постулатов, кажутся почти логичными. Действительно, предположим что мы пытаемся разогнать электрон в ускоряющем поле так, что его энергия растет и скорость всё время возрастает. Однако, при приближении скорости электрона к скорости света дальнейшие попытки его ускорить практически не приводят к увеличению его скорости. Чем это можно объяснить? Тем, что резкое увеличение массы препятствует дальнейшему возрастанию скорости. Например, в самом современном ускорителе электроны разгоняются настолько сильно, что их масса в двести тысяч раз превышает массу электрона в покое. Допустим теперь, что этот ускоренный тяжелый электрон столкнется с электроном неподвижной мишени, как это делалось в ранних экспериментах. Что при этом произойдет? Примерно то же самое, когда паровоз встретит на своем пути пушинку – они продолжат свой путь в направлении более тяжелого тела. Если же два паровоза или два ускоренных электрона столкнутся лоб в лоб, то вся их энергия пойдет на их разрушение, после чего могут быть рождены совсем новые частицы с массой, эквивалентной суммарной энергии сталкивающихся электронов.

Здесь есть одно “но”, связанное с сохранением электрического заряда. Продукт столкновении двух электронов обязан иметь заряд, равный удвоенному заряду электрона. То есть их столкновение не может породить, например, один нейтральный фотон. Это накладывает сильные ограничения на полезность электрон-электронных столкновений для рождения новых частиц. Что же делать? Читатель, безусловно, догадался, что решением является столкновение материи с антиматерией, то есть электронов с позитронами. Однако, поскольку наша Вселенная состоит из материи, и антиматерию взять негде (к счастью для нас, благодаря нарушению симметрии при рождении Вселенной не вся материя аннигилировала с антиматерией), процесс получения позитронов очень трудо- и энергоемкий. Чтобы получить позитроны, электроный пучок ускоряется до энергии, эквивалентной примерно десяти тысячам их массы покоя, и сбрасывается на вольфрамовую мишень, где при столкновении с электронами атомов рождаются высокоэнергичные фотоны, которые, в свою очередь, рождают электрон-позитронные пары. Не вдаваясь в детали, скажем, что позитроны затем отделяются, захватываются и фокусируются сильным магнитным полем, ускоряются и охлаждаются в специальных кольцевых ускорителях, чтобы уменьшить поперечный размер позитронного пучка, который затем готов к использованию, то есть к столкновению с электронами. Кстати, аналогичным методом можно получать и антипротоны, только на мишень нужно сбрасывать не электронный, а протонный пучок. Дополнительная сложность с антипротонами состоит в том, что их очень сложно “охладить”, поскольку из-за их массивности радиационное охлаждение, столь эффективное для электронов или позитронов, для антипротонов не работает.

Термин “охлаждение” требует некоторого пояснения для читателя, не обременённого знаниями термодинамики. Так, даже непьющий человек знает, что водку принято перед употреблением охлаждать, например, поместив её в холодильник, а когда времени в обрез – сразу в морозильную камеру. Но он станет в тупик, услышав термин “поперечное охлаждение”, а если к этому словосочетанию добавлен термин “стохастическое”, то возникает желание немедленно выпить с малосольной закуской, не дожидаясь обычного (продольного) охлаждения напитка. А между тем, ничего сложного тут нет, если вспомнить из школьного курса, что температура, по-определению, это средняя энергия хаотического движения частиц или атомов, выраженная в специальных единицах – градусах. Тут главное – не спутать градусы температуры с градусами самой водки, характеризующими крепость напитка, однако, обсуждение этих тонкостей уже выходит за рамки нашей статьи. В нашем же случае, при движении сгустка частиц, кроме направленного движения сгустка, характеризуемого движением его центра масс, существуют и мелкомасштабные хаотические движения относительно этого центра. Продольная компонента этих движений не доставляет больших хлопот из-за высокой продольной скорости движения центра масс, а поперечная компонента (характеризуемая численно поперечной температурой) приводит к непрерывному росту поперечных размеров сгустка и последующей потере периферийных частиц. Поэтому в движущемся ансамбле частиц можно отдельно понизить температуру поперечных движений, в отличие от неподвижной бутылки водки в морозильнике.

Здесь уместно сказать несколько слов об эффективности ускорителей со встречными пучками. Когда идея встречных пучков была впервые предложена, одним из возражений было то, что не удастся произвести сколь нибудь эффективные взаимодействия. Действительно, плотность металла (или другого материала) неподвижной мишени очень велика, и сброшенный на нее пучок имеет большую вероятность с ней провзаимодействовать. Однако, если столкнуть два пучка, вероятность взаимодействия будет ничтожна, утверждали критики идеи. Представьте две горстки пшена, брошенные навстречу друг другу. Это препятствие можно преодолеть, если увеличить плотность пучков, а также очень точно нацелить их друг на друга. Для электронов и позитронов милостиво подаренное нам природой радиационное охлаждение прекрасно справляется с этой задачей. Например, в электрон-позитронном коллайдере PEP-II (SLAC), изучающем нарушение симметрии между материей и антиматерией, пучки в месте столкновения имеют поперечный размер всего около микрометра. Однако, для протонов и антипротонов при достигнутых сегодня энергиях радиационное охлаждение все еще слишком слабое и не может обеспечить охлаждение пучков за разумное время. Два совершенно разных метода охлаждения антипротонов были изобретены и осуществлены в Новосибирском ИЯФ (электронное охлаждение) и в CERN (стохастическое охлаждение). В первом случае антипротонный пучок совмешается на коротком (несколько метров) прямолинейном участке своей орбиты с плотным пучком электронов, имеющих такую же скорость, как и у антипротонов. Если представить, что мы находимся в системе отсчета, движущейся вместе с пучками, то мы увидим холодный газ электронов и горячий газ антипротонов, который постепенно охлаждается, приходя в термодинамическое равновесие с электронами. В случае же стохастического охлаждения отклонение каждого из антипротонов (!!!) в пучке измеряется специальным электродом (представляющим из себя конденсатор, между пластинами которого пролетает пучок), анализируется и усиливается, и корректирующий импульс подается на другой электрод, расположенный на противоположной стороне ускорителя. Поскольку корректирующий сигнал при этом проходит по диаметру, то есть по более короткому пути, даже с учетом задержки в усилителе он успевает прибыть к корректирующему электроду как раз вовремя, в тот момент, когда туда прибывает антипротонный сгусток. Метод стохастического охлаждения был успешно применен на протон-антипротонном ускорителе SPS в CERN и сыграл решающую роль в открытии W и Z бозонов.

Здесь нужно сделать небольшое отступление и рассказать, чем отличается ускоритель, сталкивающий электроны с позитронами, от ускорителя, использующего протоны и/или антипротоны. Выше мы упоминали, что самый мощный на сегоднящий день (по энергии пучков) ускоритель Теватрон сталкивает протоны с антипротонами. Естественно,- скажет читатель,- ведь мы только что видели, на примере электрон-позитронных пучков, что столкновения материи с антиматерией гораздо “удобнее” для рождения новых частиц. Однако, в данном случае, это не совсем так. Электрон, насколько мы знаем, частица “точечная”, то есть не содержит внутренней структуры, и не состоит из более мелких частей. Однако протон, как известно, состоит из кварков и связывающего их “клея” (глюонов). Столкновения протонов можно представить как столкновения двух ящиков с апельсинами, когда как апельсины (кварки), так и детали ящика (глюоны), сталкиваются между собой. Оказывается, что столкновения глюонов также могут вести к рождению новых частиц, особенно при очень больших энергиях. Именно это позволяет строящемуся в CERN ускорителю LHC использовать протон-протонные столкновения. Кстати, из аналогии ящиков с апельсинами понятно, что полная энергия ускоренного протона распределена между составляющими его частями, и на каждое столкновение частей приходится только часть полной энергии. Именно поэтому протонные пучки необходимо ускорять до гораздо большей энергии, по сравнению с электронными, чтобы исследовать те же самые частицы. Кроме того, из нашей аналогии с ящиками очевидно, что, поскольку рождение частиц может произойти и от столкновения апельсинов и деталей яшика друг с другом, и апельсинов с деталями ящика, вероятность рождения новой частицы может быть высока, даже если энергии протонов и антипротонов и не оптимальны, однако разобраться в этой каше событий, какое именно столкновение породило новую частицу, а, значит, каковы ее свойства, очень и очень трудно. С другой стороны, при столкновении точечных электронов и позитронов новая частица может быть рождена только, если ее масса точно равна суммарной энергии пучков. Не зная заранее эту массу, обнаружить новую частицу в электрон-позитронных ускорителях значительно труднее. Именно поэтому протон-(анти)протонные ускорители часто называют машинами для открытий, а электрон-позитронные для тонкого исследования открытых частиц. Например, W и Z бозоны были предсказаны теоретически и открыты сначала на протон-антипротонном ускорителе SPS в CERN в 1982 году. Однако аккуратное изучение их свойств оказалось возможно лишь когда был построен электрон-позитронный ускоритель LEP.

Типичный вид на ускоритель. Слева – протон антипротонный ускоритель SPS в CERN, открывший W и Z бозоны. Справа – электрон-позитронный ускоритель PEP-II в SLAC, изучающий нарушение симметрии между материей и антиматерией.

 

Сложность интерпретации протон-антипротонных столкновений, однако, может показаться дошкольной задачкой по сравнению с анализом столкновений ионов тяжелых элементов, например, ионов золота друг с другом, изучаемых на ускорителе RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider). Образующаяся при этих столкновениях кварк-глюонная плазма позволяет понять процессы, происходившие во время большого взрыва, приведшие к синтезу разнообразия частиц и атомов, которые мы наблюдаем в настоящее время.

Источники ускоряемых частиц

Мощность, закачиваемая в высокочастотные структуры современных ускорителей, может достигать сотни мегаватт и более. Кто же производит эту мощность? Это делают генераторы СВЧ (сверх высоких частот). Наиболее распространённым типом генераторов такого рода является клистрон, впервые разработанный А. Арсеньевой и О. Хайлом в 1935 г. Только клистрон в любом ускорителе не один. По всей длине ускоряющей структуры, которая может составлять десятки километров, располагаются клистроны, каждый из которых запитывает свою секцию структуры.

75-мегаваттный клистрон, разработанный в SLAC для проекта NLC. Он работает на частоте 11.4 GHz и генерирует импульсы ВЧ-колебаний длительностью до 3 микросекунд. В нижней части клистрона расположена пушка, центральную секцию занимает цепочка формирующих резонаторов, а сверху показан медный коллектор.

Электронная пушка клистрона имеет подогревной катод, эмитирующий непрерывный пучок электронов, и анод с отверстием для прохождения пучка. На анод подаётся потенциал относительно катода, достигающий сотен киловольт. Под действием ускоряющего поля пучок фокусируется в анодном отверстии, сжимаясь в поперечном сечении в сотни раз. При этом резко возрастает плотность электронов, а, значит, и расталкивающее действие объемного заряда пучка. Чтобы скомпенсировать его действие, сфокусированный пучок сопровождает магнитное поле, которое обжимает его, препятствуя расширению. Далее пучок попадает в высокочастотное поле резонатора, который называют модулятором. Частицы пучка, попавшие в модулятор во время положительной полуволны, ускоряются, а те, что попали в отрицательную полуволну, замедляются. Таким образом из непрерывного пучка формируются отдельные облака электронов, называемые сгустками (отсюда и происхождения названия клистрон: kluzein или klus по гречески означает разбивать на части).

Теперь становится понятным, зачем нужно было фокусировать пучок в пушке. Ускоряющее поле в сечении резонатора не является однородным, поэтому изменение (модуляция) их скорости не будет одинаковой для электрона, летящего вдоль оси прибора, и электрона вне оси. Для сгустков с большим радиусом сечения будут неизбежны потери электронов, которые попадают на стенки резонатора и погибают, отдавая свою энергию на нагрев стенок и уменьшая к.п.д. прибора. В первом резонаторе сгустки только начинают формироваться, затем они попадают в цепочку резонаторов, которая аналогична ускоряющей структуре большого ускорителя, отличаясь от не только размерами. Формирование сгустков продолжается по мере пролёта их через эту цепочку, затем они попадают в выходной резонатор, параметры которого подобраны таким образом, чтобы каждый сгусток подлетал к этому резонатору в фазе торможения. При торможении сгусток почти всю накопленную кинетическую энергию отдает, возбуждая в резонаторе мощное высокочастотное поле. Затормозившийся сгусток попадает в коллектор, где он рассеивает оставшуюся часть энергии на стенках в виде тепла, а порождённые им электромагнитные колебания большой мощности через отверстия в выходном резонаторе передаются по волноводам к соответствующим секциям основного ускорителя. Таким образом, клистрон, по существу, является устройством, которое трансформирует энергию постоянного поля, приложенного между анодом и катодом пушки, в энергию высокочастотных колебаний строго определённой частоты. К.п.д. такого преобразователя бывает до 65% и выше.

Источник электронного пучка не случайно называют электронной пушкой. Его назначение, как и у обычной пушки, стреляющей шрапнелью, состоит в том, чтобы придать выстреливаемым частицам как можно более высокие скорости движения в направлении цели и обеспечить кучность стрельбы, то есть малые поперечные размеры и расходимость выстреливаемого пучка. Догадливый читатель уже сообразил, что кроме электронных бывают и ионные пушки, стреляющие тяжелыми заряженными частицами.

Источником сгустков, ускоряемых в канале основного ускорителя, (инжектором частиц) чаще всего служит такая же термоэмиссионная пушка, что и у клистрона. Основное требование к ней – срок службы. Находящиеся в области прохождения пучка молекулы остаточного газа ионизуются пролетающими близко от них высокоэнергетичными электронами, и положительные ионы притягиваются катодной поверхностью, бомбардируя её и внедряясь, таким образом, в кристаллическую структуру эмиттера. При этом на катоде образуются пятнышки, которые не обладают эмиссионной способностью, и суммарный ток пушки начинает падать. В таких случаях говорят, что катод “отравляется”. Средний срок непрерывной работы термоэмиссионных катодов исчисляется десятками тысяч часов, после чего они подлежат замене.

В последнее время появились принципиально новые источники с теоретически бесконечным сроком службы, которые сразу же генерируют не пучок, а готовые сгустки частиц, инжектируемые в канал ускорителя. Их называют пушками, управляемыми лазерными импульсами. В этих источниках очень короткий импульс (~10-11 сек.) мощного лазера падает на поверхность обычной медной пластинки, вырывая из этой поверхности облако электронов, которое представляет готовый сгусток. Регулируя фокусировку лазера, достаточно просто получить облачко нужных поперечных размеров, а, регулируя длину импульса, так же просто получить и заранее определённые продольные размеры сгустка. Вся трудность здесь заключается в том, чтобы подавить естественное желание плотного сгустка электронов разлететься в разные стороны под действием расталкивающих сил их объёмного заряда и естественного теплового разброса скоростей рождённых частиц. Тут как в армии: “солдат, не занятый делом – это готовый преступник, поэтому главный метод предотвращения безобразий – занять солдата любым делом, чтобы у него не осталось свободного времени”. Другими словами, дать ему “направление развития”. То же и с электронами. Чтобы они не болтались в случайных направлениях, их нужно сразу же ускорять в заданном направлении. Понять смысл такого упорядочивания изначально хаотической толпы помогает теорема Лиувилля, которая утверждает, что при любых эволюциях физической системы её начальный фазовый объём сохраняется. Представим себе 6-мерное пространство из координат и соответствующих скоростей частиц. Каждая рождённая вблизи эмиттера частица будет представлена точкой в этом пространстве, а всё облако частиц занимает какой-то объём. Из-за естественного теплового разброса скоростей рождённых частиц этот объём будет отличным от нуля. Единственным фактором, который может изменять этот объём, в нашем случае, является электромагнитное поле. Ускоряя частицы в продольном направлении, мы их фокусируем, то есть уменьшаем как поперечные размеры пучка, так и поперечные импульсы, а продольные размеры при этом возрастают, в полном соответствии с теоремой Лиувилля. Стоит только дать пучку “расслабиться”, он начнёт тормозиться и разбухать в поперечном направлении, стараясь вместо прежнего “имперского порядка” образовать “либерально-демократический охлос”, хорошо рифмующийся со словом хаос.

По этой причине, вместо статического ускоряющего потенциала анода обычной пушки, модулятора, формирующего сгустки и затем цепочки резонаторов, как в обычном клистроне, наша прогрессивная пушка свою воспитательную работу над рождёнными в хаосе лазерного импульса электронами начинает сразу от эмиттера. Иными словами, эмиттер уже является частью стенки ускоряющего резонатора, а все остальные элементы устаревшей схемы традиционного инжектора выброшены за ненадобностью. Такая пушка называется высокочастотной, поскольку в ней ВЧ-поле сразу же в момент рождения сгустка электронов нежно подхватывает его и ускоряет. Дополнительным фактором, препятствующим разбеганию электронов в стороны под действием объёмного заряда, служит внешнее магнитное поле, обжимающее сгустки и сопровождающее их вплоть до входа в основную ускоряющую структуру.

Детекторы

Регистрирация продуктов столкновения электронов с позитронами или протонов с антипротонами осуществляется в специальных детекторах, представляющих из себя очень сложное устройство, состоящее из различных слоев. Задача детектора – измерить траекторию рожденных или рассеяных частиц, определить их энергию и заряд. Одна из самых больших проблем детектора это “отделение зёрен от плевел”, то есть выделение интересующих нас новых событий от других событий, которые уже изучены и неинтересны в данный момент, но которые могут давать существенно преобладающий сигнал. В зависимости от конструкции, детекторный пирог может иметь следующие слои. В самом центре, непосредственно рядом с местом столкновения пучков, может располагаться так называемый вершинный детектор, состоящий из кремниевых кристаллов, разбитых на квадратики в несколько десятков микрометров (как в цифровом фотоаппарате). Пролетая через такой квадратик и ионизируя атомы кремния, частица оставляет след, который позволяет очень точно определить положение точки, откуда вылетела рожденная частица.

Следующим слоем пирога может быть, например, камера с многочисленными натянутыми проволочками и заполненная газом. Принцип работы аналогичен – частица ионизирует газ, ионы попадают на проволочку и производят электрический импульс, который позволяет определить положение траектории. Кстати, для того, чтобы определить энергию рожденных частиц, весь детектор помещается в очень сильное магнитное поле, производимое, как правило, сверхпроводящим соленоидом. Частица в этом поле закручивается по упомянутому выше правилу буравчика (на самом деле по правилу правой руки, как проницательный читатель, несомненно, нас уже поправил), и кривизна траектории помогает определить энергию частицы. Как же быть, если рожденная частица нейтральна? Для этого служит следующий слой начинки, состоящий из плотного материала, чередующегося с сцинтиллятором (то есть веществом, излучающим свет при прохождении через него частицы). В плотном вешестве частица теряет энергию, и, определив скорость потерь, можно определить её энергию.

С ростом энергии размер детекторов возрастает. Детектор CDF ускорителя Теватрон (слева) очень скромных размеров по сравнению со строящимся детектором ускорителя LHC.

 

Так же как и ускорители, детекторы столкновений с увеличением энергии становятся все больше в размерах. Например, сооружаемый в CERN ускоритель LHC будет экипирован двумя детекторами размерами с пятиэтажку, которые, тем не менее, будут способны измерить траектории частиц с точностью в несколько микрометров. Эти детекторы на каждом обороте частиц вокруг кольца (то есть каждые 90 микросекунд) будут регистрировать столкновения около трех тысяч сгустков). Читатель может себе представить, какое колоссальное количество информации необходимо будет зарегистрировать и обработать, чтобы выделить крупицы полезной информации. Достаточно сказать, что для обработки информации с LHC создается компьютерная сеть, которая будет распределена между восемьюдесятью институтами Европы и будет насчитывать более семи тысяч процессоров. База данных LHC будет иметь возможность хранить более шести тысяч терабайт, что в несколько раз превышает размер самой крупной на сегодняшний день базы данных, хранящей записи событий, рожденных на PEP-II ускорителе в SLAC, которая насчитывает около 900 терабайт.

Необходимость эффективного обмена и обеспечения распределенной обработки информации, поступающей с детекторов, подтолкнула физиков к поиску новых путей организации и передачи информаций. Так была рождена всемирная паутина – “the Web” был изобретен в CERN в 1991, а вебсайт Стенфордского Центра Линейных Ускорителей был первым на американском континенте. Как бы неожиданно это ни показалось читателю интернетного журнала, его появлению мы во многом обязаны ускорителям.

Для расшифровки результатов столкновения сигналы, зарегистрированные детектором, обрабатываются сложными алгоритмами, которые позволяют восстановить траектории рожденных частиц и измерить их свойства. Слева – первый Z бозон, обнаруженный в протон-антипротонных столкновениях на ускорителе SPS в CERN в 1983 году. Справа – столкновение ионов золота друг с другом на ускорителе RHIC, позволяющее исследовать кварк-глюонную плазму, проникая в тайны Большого взрыва.

 

Подбивая итоги нашего рассказа, нужно упомянуть еще несколько интересных и полезных применений ускорителей. Вскользь уже упоминались кольцевые ускорители, производящие исключительно синхротронное излучение (СИ), используемое в основном для материаловедческих, химических и биологических исследований. С помощью СИ можно определить, например, пространственное расположение атомов в вирусе или молекуле белка. Компактные низкоэнергичные ускорители электронов представляют еще одно очень многочисленное семейство, и используются они, например, в медицине, и даже для обработки продуктов питания, которое началось более тридцати лет назад с космических блюд первых астронавтов. В настояшее время, например, значительная часть полуфабрикатов в МакДональдсе обработана электронным пучком, что, естественно, вызывает бурные публичные дебаты. Ни в коей мере не пытаясь отстаивать или опровергать полезность обработки продуктов питания, нужно все же заметить, что электронный пучок низкой энергии действительно практически не вызывает остаточной радиоактивности, если его энергия мала настолько, что он не может привести к изменению состояний ядер атомов.

Двухмильный линейный ускоритель построенный сорок лет назад в SLAC и преобразованный в конце 80-х в первый линейный коллайдер, является прообразом международного линейного соллайдера ILC, проектируемого в рамках международного сотрудничества ведущими ускорительными лабораториями мира

Еще одно интересное применение ускорителей - это так называемые лазеры на свободных электронах (ЛСЭ). В обычном лазере рабочим телом является особое стекло, или, допустим, газ, атомы которого “возбуждаются” независимо, но “расслабляются” и испускают фотоны одновременно и лавинообразно, для чего достаточно одного затравочного фотона, совсем как в случае с горной лавиной. Это приводит к сложению их поля (так называемое когерентное сложение) и многократному увеличению интенсивности излучения. В ЛСЭ (где электроны не связаны с атомами и потому “свободны”) рабочим телом является электронный пучок, распространяющийся в поперечном магнитном поле, которое меняет направление через каждые несколько сантиметров структуры, называемой ондулятором, и, в результате, траектория электронов приобретает зигзагообразный вид. В момент смены направления электроны излучают фотоны, которые при определенных условиях суммируются, приводя к генерации узконаправленного и очень яркого луча. Одно из больших достоинств ЛСЭ - это то, что электронный пучок, а, значит, и вспышка света может быть очень короткой. Строящийся в SLAC лазер на электронном пучке LCLS (Linac Coherent Light Source) позволит сжать вспышку вплоть до 10-14 секунды. Это даст возможность исследовать очень быстропротекающие процессы, например, буквально, снять фильм о том, как движутся атомы во время химических реакций.

Любопытные применения ускорителей связаны также с использованием антипротонов и получением антиматерии. В этом случае, произведенные с большим трудом антипротоны не ускоряются, чтобы быть разрушенными в столкновениях с протонами, а, наоборот, замедляются до очень низкой энергии и захватываются в специальные магнитные ловушки. Если этим антипротонам позволить захватить позитрон, получится атом антиводорода, что даст еще один способ исследовать нарушение симметрии между материей и антиматерией. К счастью, процесс получения антиматерии настолько сложен и дорог, что никакое другое использовании антиматерии, кроме научного, практически невозможно.

Наш рассказ был бы неполным без упоминания линейного коллайдера ILC (International Linear Collider) на энергию от 500 до 1000 GeV, который в настоящее время проектируется, и, как мы надеемся, будет исследовать свойства Хиггс-бозона и суперсимметричных частиц вместе с LHC. Прообразом этого линейного коллайдера является двухмильный линейный ускоритель SLC (Stanford Linear Collider), построенный сорок лет назад в SLAC, который в конце 80-х был дополнен системой производства позитронов, кольцами для охлаждения пучков, дополнительными системами транспортировки пучков, позволяющими столкнуть электроны с позитронами, и, таким образом, был превращен в первый в мире линейный коллайдер. Проектируемый международный линейный коллайдер будет расположен в туннеле длиной 30-40 км, будет оснащен сверхпроводящими ускоряющими структурами и будет сталкивать сгустки с поперечными размерами всего в несколько нанометров (10-9м).

Мы полагаем, что более или менее справились со своей задачей, если из всего сказанного читатель вынесет впечатление, что современный ускоритель – это огромное и дорогостоящее увеличительное стекло, позволяющее рассмотреть и исследовать самые мелкомасштабные детали нашего мира, а число людей, строящих каждое из таких “стёкол”, составляет тысячи человек. Получается, что эти люди – одни из самых любопытных и дотошных людей на земном шаре.