Информационно-справочный портал Оренбургской области
Рубрики

Встречные пучки

Одна из основных трудностей на пути создания сверхмощных ускорителей — проблема увеличения    энергии    взаимодействия    частиц    высоких энергий. По сути дела, еще со времен Резерфорда идея экспериментов по изучению микромира оставалась неизменной: пучок быстрых частиц бомбардирует неподвижную мишень. Разгоняемые до околосветовых скоростей частицы сталкиваются с мишенью, расположенной либо внутри камеры, либо на выходе пучка из ускорителя. И во все стороны разлетаются протоны, нейтроны, мезоны…

К сожалению, не вся энергия сталкивающихся частиц расходуется на рождение новых. Когда скорость частицы приближается к световой, масса ее существенно увеличивается и становится значительно больше массы частиц, находящихся в мишени. И при соударении значительная доля энергии частицы-снаряда переходит в энергию общего движения обеих частиц. А на рождение новых остается совсем немного.

Физики решили сделать мишень подвижной — направить навстречу друг другу два потока ускоренных частиц и сталкивать «снаряд» с летящей на него мишенью. В этом случае массы частиц остаются все время равными, и они могут всю свою энергию превратить в энергию взаимодействия. Так возникла идея ускорителя на встречных пучках.

Это выглядело очень заманчиво. При скоростях, близких к скорости света, сказываются эффекты теории относительности, и энергия суммарного взаимодействия встречных частиц может увеличиться не в 4 раза, как предсказывает механика Ньютона, а в сотни, тысячи раз. Так, при столкновении двух электронов с энергией 1000 МэВ эффект их взаимодействия будет эквивалентен энергии ускорителя на 4 • 1012 эВ.

Но для того чтобы такое столкновение произошло, необходимо устроить встречу частиц. А это, как оказалось, далеко не простое дело. Плотность подвижной мишени — второго пучка — в сотни миллионов миллиардов раз меньше плотности твердого вещества, из которого изготовлена обычная неподвижная мишень. И если заменить мишень другим пучком, вероятность столкновения частиц резко упадет. По выражению академика Г. И. Будкера, под руководством которого в Новосибирском институте ядерной физики разрабатывался метод встречных пучков: «столкнуть» две частицы — задача по сложности примерно такая же, как «устроить» встречу двух стрел, одну из которых выпустил бы Робин Гуд с Земли, а вторую Вильгельм Тель с планеты, вращающейся вокруг Сириуса.

Правда, эту вероятность можно повысить. Можно сделать пучки обильнее, увеличить число частиц в пучке. Можно пополнять пучок, впрыскивать в него новые частицы по ходу ускорения. Можно сфокусировать, сжать пучок в тонкий шнур. Можно, наконец, заставить пучки проходить друг сквозь друга многократно.

Метод доказал свою эффективность в работе с самой первой установкой сибирских физиков на встречных пучках «ВЭП-1». «Главная деталь» ускорителя — два железных кольца диаметром 86 см, спаренных в виде восьмерки. Это накопитель — кольцевой вакуумный канал с магнитной фокусировкой. Специальный синхротрон каждые 15 с методичными выстрелами заполнял его электронами энергией 43 МэВ. Коммутирующий магнит направлял частицы попеременно то на нижнюю, то на верхнюю дорожки. Здесь они раскручивались и «доразго-нялись» до энергии 130 МэВ. И при таких скромных размерах установка давала энергию взаимодействия электронов, эквивалентную 100 000 МэВ (!). Напомним, что диаметр Серпуховского кольца, ускоряющего протоны до 76 000 МэВ, равен почти 0,5 км.

Благодаря экспериментаторскому мастерству сибирских физиков новый метод стал реальностью, важным средством физики высоких энергий. Теперь установки на встречных пучках сооружены или сооружаются во многих странах.

Два переплетающихся кольца диаметром 300 м — такова одна из крупнейших установок подобного типа, запущенная сравнительно недавно в Европейском центре ядерных исследований в Женеве. Протоны, вспрыснутые в кольца из обычного ускорителя энергией 23 000 МэВ, встречаются в восьми специальных участках и взаимодействуют друг с другом как частицы с энергией в 50 раз большей. Сложная система магнитов массой 5000 т удерживает их на магнитной дорожке длиной около 1000 м и 10 см в диаметре. Для проведения подобного эксперимента с неподвижной мишенью потребовался бы ускоритель, разгоняющий протоны до энергии 1,1 • 1012 эВ. Таких ускорителей до сих пор нет.

Сейчас не представляется возможным построить и ускоритель позитронов на 2 • 1012 эВ, где с неподвижной мишенью можно было бы провести те же эксперименты по взаимодействию электронов и позитронов, которые проводятся новосибирскими физиками на установке «ВЭПП-2». На полутораметровой кольцевой дорожке этого ускорителя впервые в мире столкнулись встречные электронно-позитронные пучки, частицы с античастицами. Общее магнитное поле раскручивает их в противоположных направлениях навстречу друг другу. В массивной магнитной дорожке, диаметром всего лишь 3 м, электроны и позитроны разгоняются до 700 МэВ, накапливаются, а затем сталкиваются. При этом энергия взаимодействия равна 2 • 1012 эВ.

Но и это не предел. Физики считают, что можно говорить о строительстве установок со встречными пучками протонов и антипротонов, соответствующих ускорителю с энергией 2 • 10′5 эВ. Классический ускоритель на такую энергию имел бы диаметр земного шара, а его стоимость приблизилась бы к национальному доходу всей планеты.

Однако и ускорители на встречных пучках довольно сложные и громоздкие устройства. Да к тому же они связаны с обычным, классическим методом ускорения. Поэтому, решая задачи сегодняшнего дня, разрабатывая и сооружая ускорители различных типов и масштабов, ученые анализируют и проверяют совершенно новые принципы ускорения, в которых ведущую роль играют незнакомые пока ускорительной технике «герои» — свет, плазма, взрыв… Идет поиск: тщательно обсуждаются и исследуются все новые идеи, какими бы нереальными они ни казались.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.