Большой Адронный Коллайдер (БАК или LHC). Факты об ускорителе

История создания ускорителя, который мы знаем сегодня как большой адронный коллайдер, начинается ещё с 2007 года. Изначально хронология ускорителей началась с циклотрона. Прибор представлял собой небольшое устройство, которое легко умещалось на столе. Затем история ускорителей стала стремительно развиваться. Появился синхрофазотрон и синхротрон.

В истории, пожалуй, самым занимательным стал период с 1956 по 1957 годы. В те времена советская наука, в частности физика, не отставала от зарубежных братьев. Используя наработанный годами опыт, советский физик по имени Владимир Векслер совершил прорыв в науке. Им был создан самый мощный по тем временам синхрофазотрон. Его рабочая мощность была равна 10 гигаэлектронвольт (10 миллиардов электронвольт). После этого открытия создавались уже серьёзные образцы ускорителей: большой электронно-позитронный коллайдер, Швейцарский ускоритель, в Германии, США. Все они имели одну общую цель — изучение фундаментальных частиц кварков.

Большой адронный коллайдер был создан в первую очередь благодаря стараниям итальянского физика. Имя ему Карло Руббиа, лауреат Нобелевской премии. Во время своей деятельности Руббиа работал директором в Европейской организации по ядерным исследованиям. Решено было построить и запустить адронный коллайдер именно на месте центра исследований.

Где адронный коллайдер?

Коллайдер размещён на границе между Швейцарией и Францией. Длина его окружности составляет 27 километров, поэтому его и называют большим. Кольцо ускорителя уходит вглубь от 50 до 175 метров. В коллайдере установлено 1232 магнита. Они являются сверхпроводящими, а значит из них можно выработать максимальное поле для разгона, так как затраты энергии в таких магнитах практически отсутствуют. Общий вес каждого магнита составляет 3,5 тонны при длине 14,3 метра.

Как и любой физический объект, большой адронный коллайдер выделяет тепло. Поэтому его необходимо постоянно остужать. Для этого поддерживается температура 1,7 К с помощью 12 миллионов литров жидкого азота. Помимо этого, для охлаждения используется (700 тысяч литров), и самое важное - используется давление, которое в десять раз ниже нормального атмосферного.

Температура 1,7 К по шкале Цельсия составляет -271 градус. Такая температура почти близка к называется минимально возможный предел, который может иметь физическое тело.

Внутренняя часть тоннеля не менее интересна. Там находятся ниобий-титановые кабели со сверхпроводящими возможностями. Их длина составляет 7600 километров. Общий вес кабелей равен 1200 тонн. Внутренность кабеля — это сплетение 6300 проволок с общим расстоянием в 1,5 миллиарда километров. Такая длина равна 10 астрономическим единицам. Например, равняется 10 таким единицам.

Если говорить о его географическом местоположении, то можно сказать, что кольца коллайдера лежат меж городов Сен-Жени и Форнее-Вольтер, расположенными на французской стороне, а также Мейрин и Вессурат - со Швейцарской стороны. Маленькое кольцо, именуемое PS, проходит вдоль границы по диаметру.

Смысл существования

Для того чтобы ответить на вопрос «для чего нужен адронный коллайдер», нужно обратиться к учёным. Многие учёные говорят, что это самое великое изобретение за весь период существования науки, и то, что без него у науки, которая известна нам сегодня, просто нет смысла. Существование и запуск большого адронного коллайдера интересны тем, что при столкновении частиц в адронном коллайдере происходит взрыв. Все мельчайшие частицы разлетаются в разные стороны. Образовываются новые частицы, которые могут объяснить существование и смысл многого.

Первое, что учёные старались найти в этих разбившихся частицах — это теоретически предсказанную физиком Питером Хиггсом элементарную частицу, названную Это потрясающая частица является носителем информации, как считается. Ещё её принято называть «частицей Бога». Открытие ее приблизило бы учёных к пониманию вселенной. Нужно отметить, что в 2012 году, 4 июля, адронный коллайдер (запуск его частично удался) помог обнаружить похожую частицу. На сегодняшний день учёные пытаются изучить её подробнее.

Долго ли...

Конечно, сразу возникает вопрос, а почему учёные так долго изучают эти частицы. Если есть прибор, то можно запускать его, и каждый раз снимать все новые и новые данные. Дело в том, что работа адронного коллайдера — это дорогостоящее удовольствие. Один запуск обходится в большую сумму. Например, годовой расход энергии равняется 800 млн. кВт/ч. Такой объем энергии расходует город, в котором проживает около 100 тыс. человек, по средним меркам. И это не считая затрат на обслуживание. Ещё одна причина - это то, что у адронного коллайдера взрыв, который происходит при сталкивании протонов, связан с получением большого объёма данных: компьютеры считывают столько информации, что на обработку уходит большое количество времени. Даже несмотря на то что мощность компьютеров, которые получают информацию, велика даже по сегодняшним меркам.

Следующая причина — это не менее известная Учёные, работающие с коллайдером в этом направлении, уверены, что видимый спектр всей вселенной составляет всего 4%. Предполагается, что оставшиеся — это тёмная материя и тёмная энергия. Экспериментально пытаются доказать то, что эта теория верна.

Адронный коллайдер: за или против

Выдвинутая теория о тёмной материи поставила под сомнение безопасность существования адронного коллайдера. Возник вопрос: "Адронный коллайдер: за или против?" Он волновал многих учёных. Все великие умы мира разделились на две категории. «Противники» выдвинули интересную теорию о том, что если такая материя существует, то у неё должна быть противоположная ей частица. И при столкновении частиц в ускорителе возникает тёмная часть. Существовал риск того, что тёмная часть и часть, которую мы видим, столкнутся. Тогда это могло бы привести к гибели всей вселенной. Однако после первого запуска адронного коллайдера эта теория была частично разбита.

Далее по значимости идёт взрыв вселенной, вернее сказать - рождение. Считается, что при столкновении можно пронаблюдать то, как вселенная вела себя в первые секунды существования. То, как она выглядела после происхождения Большого взрыва. Считается, что процесс столкновения частиц очень схож с тем, который был в самом начале зарождения вселенной.

Ещё не менее фантастичная идея, которую проверяют учёные - это экзотические модели. Это кажется невероятным, но есть теория, которая предполагает, что существуют иные измерения и вселенные с похожими на нас людьми. И как ни странно, ускоритель и здесь сможет помочь.

Проще говоря, цель существования ускорителя в том, чтобы понять, что такое вселенная, как она была создана, доказать или опровергнуть все существующие теории о частицах и связанных с ними явлениях. Конечно, на это потребуются годы, но с каждым запуском появляются новые открытия, которые переворачивают мир науки.

Факты об ускорителе

Всем известно, что ускоритель разгоняет частицы до 99% скорости света, но не многие знают, что процент равен 99,9999991% от скорости света. Это потрясающая цифра имеет смысл благодаря идеальной конструкции и мощным магнитам ускорения. Также нужно отметить некоторые менее известные факты.

Приблизительно 100 млн. потоков с данными, которые приходят от каждого из двух основных детекторов, могут в считаные секунды заполнить больше 100 тысяч компакт-дисков. Всего за один месяц количество дисков бы достигло такой высоты, что если их сложить в стопу, то хватило бы до Луны. Поэтому было принято решение собирать не все данные, которые приходят с детекторов, а лишь те, которые разрешит использовать система сбора данных, которая по факту выступает как фильтр для полученных данных. Было решено записывать лишь 100 событий, которые возникли в момент взрыва. Записываться эти события будут в архив вычислительного центра системы Большого адронного коллайдера, который расположен в Европейской лаборатории по физике элементарных частиц, которая по совместительству является местом расположения ускорителя. Записываться будут не те события, которые были зафиксированы, а те, которые представляют для научного сообщества наибольший интерес.

Последующая обработка

После записи сотни килобайт данных будут обрабатывать. Для этого используется более двух тысяч компьютеров, расположенных, в ЦЕРН. Задача этих компьютеров заключается в обработке первичных данных и формировании из них базы, которая будет удобна для дальнейшего анализа. Далее сформированный поток данных будет направлен на вычислительную сеть GRID. Эта интернет-сеть объединяет тысячи компьютеров, которые располагаются в разных институтах по всему миру, связывает более сотни крупных центров, которые расположены на трёх континентах. Все такие центры соединены с ЦЕРН с использованием оптоволокна - для максимальной скорости передачи данных.

Говоря о фактах, нужно упомянуть также о физических показателях строения. Туннель ускорителя находится в отклонении на 1,4% от горизонтальной плоскости. Сделано это в первую очередь для того, чтобы поместить большую часть туннеля ускорителя в монолитную скалу. Таким образом, глубина размещения на противоположных сторонах разная. Если считать со стороны озера, которое находится недалеко от Женевы, то глубина будет равна 50 метрам. Противоположная часть имеет глубину 175 метров.

Интересно то, что лунные фазы влияют на ускоритель. Казалось бы, как такой отдалённый объект может воздействовать на таком расстоянии. Однако замечено, что во время полнолуния, когда происходит прилив, земля в районе Женевы, поднимается на целых 25 сантиметров. Это влияет на длину коллайдера. Протяжённость тем самым увеличивается на 1 миллиметр, а также изменяется энергия пучка на 0,02%. Поскольку контроль энергии пучка должен проходить вплоть до 0,002%, исследователи обязаны учитывать это явление.

Также интересно то, что туннель коллайдера имеет форму восьмиугольника, а не круга, как многие представляют. Углы образуются из-за коротких секций. В них располагаются установленные детекторы, а также система, которая управляет пучком ускоряющихся частиц.

Строение

Адронный коллайдер, запуск которого связан с использованием многих деталей и волнением учёных, - удивительное устройство. Весь ускоритель состоит из двух колец. Малое кольцо называется Протонный синхротрон или, если использовать аббревиатуры — PS. Большое кольцо - Протонный суперсинхротрон, или SPS. Совместно два кольца позволяют разогнать части до 99,9 % скорости света. При этом коллайдер повышает и энергию протонов, увеличивая их суммарную энергию в 16 раз. Также он позволяет сталкивать частицы между собой примерно 30 млн. раз/с. в течение 10 часов. От 4 основных детекторов получается по большей мере 100 терабайт цифровых данных в секунду. Получение данных обусловлено отдельными факторами. Например, они могут обнаружить элементарные частицы, которые имеют отрицательный электрический заряд, а также обладают половинным спином. Поскольку эти частицы являются неустойчивыми, то прямое их обнаружение невозможно, возможно обнаружить только их энергию, которая будет вылетать под определённым углом к оси пучка. Эта стадия называется первым уровнем запуска. За этой стадией следят более чем 100 специальных плат обработки данных, в которые встроены логические схемы реализации. Эта часть работы характерна тем, что в период получения данных происходит отбор более чем 100 тысяч блоков с данными в одну секунду. Затем эти данные будут использоваться для анализа, который происходит с использованием механизма более высокого уровня.

Системы следующего уровня, наоборот, принимают информацию от всех потоков детектора. Программное обеспечение детектора работает в сети. Там оно будет использовать большое количество компьютеров для обработки последующих блоков данных, среднее время между блоками - 10 микросекунд. Программы должны будут создавать отметки частиц, соответствуя изначальным точкам. В результате получится сформированный набор данных, состоящих из импульса, энергии, траектории и других, которые возникли при одном событии.

Части ускорителя

Весь ускоритель можно поделить на 5 основных частей:

1) Ускоритель электронно-позитронного коллайдера. Деталь, представляет собой около 7 тысяч магнитов со сверхпроводящими свойствами. С помощью них происходит направление пучка по кольцевому туннелю. А также они сосредотачивают пучок в один поток, ширина которого уменьшится до ширины одного волоса.

2) Компактный мюонный соленоид. Это детектор, предназначенный для общего назначения. В таком детекторе ведутся поиски новых явлений и, например, поиск частиц Хиггса.

3) Детектор LHCb. Значение этого устройства заключается в поиске кварков и противоположных им частиц - антикварков.

4) Тороидальная установка ATLAS. Этот детектор предназначен для фиксации мюонов.

5) Alice. Этот детектор захватывает столкновения ионов свинца и протон-протонные столкновения.

Проблемы при запуске адронного коллайдера

Несмотря на то что наличие высоких технологий исключает возможность ошибок, на практике все иначе. Во время сборки ускорителя происходили задержки, а также сбои. Нужно сказать, что неожиданной такая ситуация не была. Устройство содержит столько нюансов и требует такой точности, что учёные ожидали подобных результатов. Например, одна из проблем, которая встала перед учёными во время запуска - отказ магнита, который фокусировал пучки протонов непосредственно перед их столкновением. Эта серьёзная авария была вызвана разрушением части крепления вследствие потери сверхпроводимости магнитом.

Эта проблема возникла 2007 году. Из-за неё запуск коллайдера откладывали несколько раз, и только в июне запуск состоялся, спустя почти год коллайдер все же запустился.

Последний запуск коллайдера прошёл успешно, было собрано множество терабайт данных.

Адронный коллайдер, запуск которого состоялся 5 апреля 2015 года, успешно функционирует. В течение месяца пучки будут гонять по кольцу, постепенно увеличивая мощность. Цели для исследования как таковой нет. Будет повышена энергия столкновения пучков. Значение поднимут с 7 ТэВ до 13 ТэВ. Такое увеличение позволит увидеть новые возможности при столкновении частиц.

В 2013 и 2014 гг. проходили серьёзные технические осмотры туннелей, ускорителей, детекторов и другого оборудования. В результате было 18 биполярных магнитов со сверхпроводящей функцией. Нужно отметить, что общее количество их составляет 1232 штуки. Однако оставшиеся магниты не остались без внимания. В остальных заменили системы защиты от остывания, поставили улучшенные. Также улучшена охлаждающая система магнитов. Это позволяет им оставаться при низких температурах с максимальной мощностью.

Если все пройдёт успешно, то следующий запуск ускорителя пройдёт лишь через три года. Через этот период намечены плановые работы по улучшению, техническому осмотру коллайдера.

Нужно отметить, что ремонт обходится в копейку, не учитывая стоимость. Адронный коллайдер, по состоянию на 2010 год имеет цену, равную 7,5 млрд. евро. Эта цифра выводит весь проект на первое место в списке самых дорогих проектов в истории науки.

Туннель Linac 4 и фрагмент установки - радиочастотные резонаторы

Andrew Hara/CERN

В CERN состоялось официальное открытие нового линейного ускорителя - Linac 4, первого нового ускорителя CERN с момента открытия Большого адронного коллайдера. Он станет первым элементом ускорительного комплекса БАК высокой светимости (HL-LHC), открытие которого запланировано на середину 2020-х годов. Установка будет ускорять гидрид-ионы до энергий в 160 мегаэлектронвольт перед переносом в протонный бустер. В создании Linac 4 участвовали российские физики и инженеры из Снежинска (ВНИИТФ) и Новосибирска (ИЯФ им. Будкера). Ускоритель будет подключен к системе коллайдера в 2019-2020 году, во время следующего длительного техобслуживания. Об этом сообщает пресс-релиз CERN.

Для разгона протонов до современных энергий БАК - 6,5 тераэлектронвольт - требуется несколько ускорительных установок. На первом этапе водород из обычной емкости (газового баллона) попадает в камеру линейного ускорителя Linac 2. Там с помощью мощного электрического поля атомы водорода разделяют на протоны и электроны. Затем протоны перемещаются в основную камеру, где с помощью электрического поля радиочастотных резонаторов они начинают разгон. Linac 2 сообщает протонам кинетическую энергию 50 мегаэлектронвольт, это менее пяти процентов их энергии покоя. Затем частицы попадают в протонный бустер (PSB), где происходит разгон до 1,4 гигаэлектронвольт на кольцевых траекториях. Эта энергия уже в полтора раза больше массы покоя протона. Следующие этапы: протонный синхротрон (25 гигаэлектронвольт), протонный суперсинхротрон (450 гигаэлектронвольт) и, лишь потом, Большой адронный коллайдер.

От синхронизации всей цепочки ускорителей и точности их работы зависит работа экспериментов БАК. Так, уже на этапе линейного ускорителя формируется плотность и интенсивность сгустков протонов, которые попадут в БАК. Чем больше эта плотность, тем больше оказывается вероятность столкновения частиц в точках, где пересекаются траектории пучков. Это позволяет фиксировать большее количество столкновений и получать больше научных данных - быстрее набирать статистику для поиска новых частиц и редких процессов. В проекте HL-LHC, Большого адронного коллайдера высокой светимости, ожидается поднять современную светимость в десять раз. Подробнее о понятии светимости можно прочесть .

Снимок Linac 4 во время церемонии открытия

Maximilien Brice/ CERN

Для этого требуется модернизировать все основные ускорительные системы, в частности, Linac 2. Именно на смену ему придет Linac 4. На строительство установки потребовалось 10 лет, лишь в ноябре прошлого года она вышла на проектную энергию разгона - 160 мегаэлектронвольт. Это в три раза выше, чем энергия Linac 2.

Физически Linac 4, как и другие линейные ускорители, представляет собой цилиндрический проводник, внутри которого перемещаются частицы. Заряд разных участков проводника управляется радиочастотными резонаторами - с их помощью ученые добиваются того, чтобы область проводника за заряженной частицей отталкивала ее вперед, а область перед частицей - притягивала к себе. Траектории частиц удерживаются в узком пучке с помощью небольших квадрупольных магнитов. Общая длина Linac 4 составляет 90 метров, он находится на глубине 12 метров под землей.

Схема Linac 4. После генерации гидрид ионов идет три разных ускоряющих фрагмента. CCDTL был создан в России, усилиями инженеров из ВНИИТФ (Снежинск) и Института ядерной физики им. Будкера (Новосибирск)

Вместо протонов Linac 4 ускоряет гидрид-ионы - протоны, окруженные двумя электронами. В сумме такие частицы несут отрицательный заряд. Сейчас системы инжекции протонов в синхротрон на основе гидрид-ионов используются почти во всех подобных ускорителях, непосредственно протоны ускоряют перед инжекцией лишь в Linac 2 и на ускорителе в Протвино. Системы с гидрид-ионами гораздо легче контролировать. Это позволяет избежать потерь при инжекции частиц в следующую ступень ускорителя и добиться большей плотности пучков, в частности, удвоить яркость пучка в протонном бустере.

Принцип работы Большого адронного коллайдера

Ускоритель БАК будет работать на основе эффекта сверхпроводимости, т.е. способности определенных материалов проводить электричество без сопротивления или потери энергии, обычно при очень низких температурах. Чтобы удержать пучок частиц на его кольцевом треке, необходимы более сильные магнитные поля, чем те, которые использовались ранее в других ускорителях ЦЕРН.

Большой адронный коллайдер - ускоритель протонов, построенный на территории Швейцарии и Франции, не имеет аналогов в мире. Эта кольцевая конструкция протяженностью 27 км сооружена на 100-метровой глубине.

В ней с помощью 120 мощных электромагнитов при температуре, близкой к абсолютному нулю - минус 271,3 градуса по Цельсию, предполагается разогнать до близкой к световой скорости (99,9 процентов) встречные пучки протонов. Однако в ряде мест их маршруты пересекутся, что позволит протонам сталкиваться. Направлять частицы будут несколько тысяч сверхпроводящих магнитов. Когда энергии будет достаточно, частицы столкнутся, тем самым учёные создадут модель Большого взрыва. Тысячи датчиков будут фиксировать моменты столкновения. Последствия столкновения протонов и станет главным предметом изучения мира. [ http://dipland.ru /Кибернетика/Большой_андронный_коллайдер_92988]

Технические характеристики

В ускорителе предполагается сталкивать протоны с суммарной энергией 14 ТэВ (то есть 14 тера электронвольт или 14·1012 электронвольт) в системе центра масс налетающих частиц, а также ядра свинца с энергией 5 ГэВ (5·109электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов . На начало 2010 года БАК уже несколько превзошел по энергии протонов предыдущего рекордсмена - протон-антипротонный коллайдер Тэватрон , который до конца 2011 года работал в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (США ). Несмотря на то, что наладка оборудования растягивается на годы и ещё не завершена, БАК уже стал самым высокоэнергичным ускорителем элементарных частиц в мире, на порядок превосходя по энергии остальные коллайдеры, в том числе и релятивистский коллайдер тяжёлых ионов RHIC , работающий в Брукхейвенской лаборатории (США).

Детекторы

На БАК работают 4 основных и 3 вспомогательных детектора:

· ALICE (A Large Ion Collider Experiment)

ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)

CMS (Compact Muon Solenoid)

LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment)

TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement)

LHCf (The Large Hadron Collider forward)

MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC).

ATLAS, CMS, ALICE, LHCb - большие детекторы, расположенные вокруг точек столкновения пучков. Детекторы TOTEM и LHCf - вспомогательные, находятся на удалении в несколько десятков метров от точек пересечения пучков, занимаемых детекторами CMS и ATLAS соответственно, и будут использоваться попутно с основными.

Детектор CMS

Детекторы ATLAS и CMS - детекторы общего назначения, предназначены для поиска бозона Хиггса и «нестандартной физики», в частности тёмной материи , ALICE - для изучения кварк-глюонной плазмы в столкновениях тяжёлых ионов свинца, LHCb - для исследования физики b -кварков , что позволит лучше понять различия между материей и антиматерией , TOTEM - предназначен для изучения рассеяния частиц на малые углы, таких что происходит при близких пролётах без столкновений (так называемые несталкивающиеся частицы, forward particles), что позволяет точнее измерить размер протонов, а также контролировать светимость коллайдера, и, наконец, LHCf - для исследования космических лучей , моделируемых с помощью тех же несталкивающихся частиц .

С работой БАК связан также седьмой, совсем незначительный в плане бюджета и сложности, детектор (эксперимент) MoEDAL , предназначенный для поиска медленно движущихся тяжёлых частиц.

Во время работы коллайдера столкновения проводятся одновременно во всех четырёх точках пересечения пучков, независимо от типа ускоряемых частиц (протоны или ядра). При этом все детекторы одновременно набирают статистику.

Потребление энергии

Во время работы коллайдера расчётное потребление энергии составит 180 М Вт . Предположительные энергозатраты всего ЦЕРН на 2009 год с учётом работающего коллайдера - 1000 ГВт·ч, из которых 700 ГВт·ч придётся на долю ускорителя. Эти энергозатраты - около 10 % от суммарного годового энергопотребления кантона Женева . Сам ЦЕРН не производит энергию, имея лишь резервные дизельные генераторы .[ http://ru.wikipedia.org/wiki/ ]

Возможно, через какие-то несколько лет интернет уступит место новой, более глубокой интеграции удаленных компьютеров, позволяющей не только удаленно передавать информацию, локализованную в разных концах света, но и автоматически использовать удаленные вычислительные ресурсы. В связи с запуском Большого адронного коллайдера CERN уже несколько лет работает над созданием такой сети.

То, что интернет (или то, что обозначается термином web) был изобретен в Европейской организации ядерных исследований (CERN), давно уже стало хрестоматийным фактом. Вокруг таблички «В этих коридорах была создана всемирная сеть» в одном из обычных коридоров обычного здания CERN во время дня открытых дверей всегда толпятся зеваки. Сейчас интернет используют для своих практических нужд люди по всему миру, а изначально он был создан для того, чтобы ученые, работающие на одном проекте, но находящиеся в разных концах планеты, могли общаться между собой, делиться данными, публиковать информацию, к которой можно было бы получить доступ удаленно.

Разрабатываемая в CERN система GRID (по-английски grid - решётка, сеть ) - это еще один шаг вперед, новая ступень интеграции пользователей компьютеров.

Он дает не только возможность публиковать данные, которые находятся где-то в другой точке планеты, но и использовать удаленные машинные ресурсы, не сходя со своего места.

Конечно, обычные компьютеры не играют особой роли в обеспечении вычислительных мощностей, поэтому первый этап интеграции - это соединение мировых суперкомпьютерных центров.

Создание этой системы спровоцировал Большой адронный коллайдер. Хотя уже сейчас GRID используется для массы других задач, без коллайдера его бы не было, и наоборот, без GRID обработка результатов коллайдера невозможна.

Люди, которые работают в коллаборациях БАК, находятся в разных концах планеты. Известно, что над этим прибором работают не только европейцы, а и все 20 стран - официальных участниц CERN, всего же порядка 35 стран. Теоретически для обеспечения работы БАК существовала альтернатива GRID - расширение собственных вычислительных ресурсов компьютерного центра CERN. Но тех ресурсов, что были на момент постановки задачи, было совершенно недостаточно для моделирования работы ускорителя, хранения информации его экспериментов и ее научной обработки. Поэтому компьютерный центр нужно было бы очень значительно перестраивать и модернизировать, закупать больше компьютеров и средств для хранения данных. Но это бы означало, что все финансирование будет сосредоточено в CERN. Это было не очень приемлемо для стран, находящихся далеко от CERN. Конечно, они не были заинтересованы в спонсировании ресурсов, которыми очень сложно будет воспользоваться и скорее склонны были наращивать свой вычислительный, машинный потенциал. Поэтому родилась идея использовать ресурсы там, где они находятся.

Не пытаться все сосредоточить в одном месте, а объединить то, что уже есть в разных уголках планеты.

) - один из типов резонансных циклических ускорителей . Характеризуется тем, что в процессе ускорения частиц орбита пучка остаётся постоянного радиуса, а ведущее магнитное поле поворотных магнитов, определяющее этот радиус, возрастает во времени. Кроме того, остаётся постоянной частота ускоряющего электрического поля (в отличие от синхрофазотрона). Понятно, что для пучков ультрарелятивистских частиц период обращения определяется только длиной орбиты, и коль скоро она не изменяется, то нет необходимости изменять частоту электрического поля. Поэтому все резонансные циклические ускорители лёгких частиц (электронов и позитронов), а также высокоэнергетические протонные и ионные машины, такие как LHC и Тэватрон - это синхротроны. В синхротроне достигнуты энергии около 4 ТэВ для протонов (LHC) и более 100 ГэВ для электронов (LEP). Дальнейшее повышение энергии в электронных синхротронах, фактически, не представляется возможным вследствие огромных потерь энергии на излучение. Потеря энергии за один оборот пропорциональна 4-й степени энергии: W ~ E 4 /R.

Принципиальное устройство синхротрона

Синхротрон представляет собой электровакуумную установку с приблизительно кольцевой вакуумной камерой, в которой частицы ускоряются до скорости, близкой к скорости света , а стоящие на их пути мощные электромагниты задают траекторию их движения. В вакуумной камере постоянно поддерживается сверхвысокий вакуум (порядка 10 -9 Торр и выше), чтобы избежать рассеяния частиц пучка на атомах остаточного газа. Синхротрон действует по резонансному принципу ускорения, то есть циркулирующий сгусток частиц попадает в ускоряющее электрическое поле ВЧ-резонатора всегда в одной и той же фазе, и частицы получают небольшую порцию энергии, много меньшую, чем уже имеющаяся у них кинетическая энергия. Ускорение частиц происходит за счёт многократного пролёта (~10 6 раз в секунду) через ускоряющую секцию.

См. также

Напишите отзыв о статье "Синхротрон"

Литература

• в Физической энциклопедии
• , E.J.N. Wilson, CERN, Proc. EPAC"1996.

Отрывок, характеризующий Синхротрон

Принцип работы всех ускорителей прост - заряженные частицы ускоряются под действием электрического поля.

Первые эксперименты

Первые эксперименты по изучению атомных ядер проводились вообще без ускорителей. Альфа-частицы (ядра гелия-4), использовавшиеся в таких опытах, получались из распада нестабильных изотопов (например, радия) и сами собой ускорялись в электрическом поле родительского ядра до энергий в несколько МэВ.

Эру ускорительной техники отсчитывают от начала 1930-х годов, когда появились сразу две схемы ускорения частиц до энергий около 1 МэВ. В 1932 году англичанин Джон Кокрофт (John Cockcroft) и ирландец Эрнест Уолтон (Ernest Walton) в Кембридже сконструировали каскадный 800-киловольтный генератор постоянного напряжения, который открыл новую эру в экспериментальной ядерной физике. Уже в первом своем эксперименте они направили пучок ускоренных протонов на мишень из лития-7 и наблюдали самую настоящую ядерную реакцию: ядро лития захватывало протон и затем разваливалось на две альфа-частицы.

Циклотроны

Создать разность потенциалов в десятки мегавольт очень непросто, но быстро выяснилось, что это и не обязательно. Вместо этого можно свернуть ускоритель в кольцо, поместив его в магнитное поле. В отличие от электрического, магнитное поле не ускоряет частицы, а лишь искривляет их траекторию. В частности, в однородном магнитном поле траектория заряженной частицы замыкается в окружность. Если теперь частицу время от времени подталкивать вперед электрическим полем, она будет набирать энергию, постепенно увеличивая радиус траектории. При этом автоматически решаются две задачи: частицы можно удерживать на орбите столько времени, сколько нужно, а ускоряющее электрическое поле не обязательно должно быть большим (тысяча проходов через разность потенциалов в один киловольт эквивалентна мегавольтному линейному генератору).

Ускоритель частиц на основе этого принципа - циклотрон - был задуман Эрнестом Лоуренсом (Ernest Lawrence) в 1929 году и сконструирован в 1931 году. Циклотрон состоит из двух полых половинок диска, внутри которых вращаются частицы. На края зазора между половинками подается переменное напряжение, частота которого точно совпадает с частотой обращения частиц. Когда частицы пролетают сквозь зазор в одну сторону, электрическое поле подталкивает их вперед, а через полпериода, когда они вновь пересекают зазор в обратном направлении с другой, диаметрально противоположной стороны диска, поле уже успевает сменить знак и снова их подталкивает, а не тормозит. Так повторяется круг за кругом, пока не будет достигнута максимальная энергия.

Принципиально важно, что, пока скорость частиц существенно меньше скорости света, частота их обращения остается постоянной: рост скорости в точности компенсируется увеличением радиуса орбиты. Благодаря этому частица всегда подлетает к зазору через одинаковые интервалы времени, и поэтому на края зазора можно подавать переменное напряжение известной и строго фиксированной частоты.

Первый построенный Лоуренсом циклотрон был чуть больше 10 см в диаметре и разгонял протоны всего до 80 кэВ (килоэлектронвольт). Быстрый прогресс привел к появлению циклотрона на 8 МэВ в 1936 году и к 200-Мэвному многометровому гиганту в 1946 году. Правда, при такой энергии скорость протонов уже близка к скорости света, поэтому нерелятивистская формула для расчета циклотронной частоты уже не работает. Достичь таких энергий физики сумели, лишь научившись подстраивать частоту переменного электрического поля в зазоре в соответствии с частотой обращения частиц.

Синхрофазотроны

Дальнейшее увеличение энергий столкнулось с рядом проблем. Среди них были как чисто конструкторские трудности (необходимо обеспечить однородное магнитное поле, глубокий вакуум и механическую прочность, не мешая при этом частицам раскручиваться по спирали), так и принципиальная проблема - частицы разбегались по камере и попадали в ускорительные зазоры в неправильные моменты времени, из-за чего они не ускорялись.

В 1944 году советский физик Владимир Векслер и независимо от него годом позже американец Эдвин Макмиллан (Edwin McMillan) придумали принцип автофазировки . Их идея состояла в специальной настройке электрического поля в зазоре, которая отстающие частицы подгоняла бы сильнее, а убежавшие вперед - слабее. В результате частицы всегда будут держаться в виде компактного, не расплывающегося сгустка. Наконец, чтобы избавиться от инженерных проблем, частицы стали запускать вместо огромного диска в длинную свернутую в кольцо трубу, а для удержания их на постоянной орбите синхронно с ростом энергии увеличивали магнитное поле. Ускорители такого типа получили название синхрофазотронов . В последующие годы их энергия выросла до нескольких ГэВ и на них были совершены многие открытия в физике элементарных частиц. В основе многих современных ускорителей, в частности LHC, лежит принцип синхрофазотрона.

Коллайдеры

Следующим этапом в истории ускорительной техники стало создание коллайдеров - ускорителей со встречными пучками, где два пучка частиц раскручиваются в противоположных направлениях и сталкиваются друг с другом. Изначально эту идею высказал и даже запатентовал в 1943 году норвежский физик Рольф Видероэ (Rolf Wideröe), однако реализована она была лишь в начале 1960-х годов тремя независимыми командами исследователей: итальянской группой под руководством австрийца Бруно Тушека (Bruno Touschek), американцами под руководством Джерарда О’Нейлла (Gerard K. O"Neill) и Вольфганга Пановски (Wolfgang K. H. Panofsky) и новосибирской группой, возглавляемой Г. И. Будкером.

До того момента все эксперименты проводились с неподвижной мишенью. Когда высокоэнергетическая частица налетает на неподвижную частицу, рожденные продукты столкновения летят вперед с большой скоростью, и именно на их кинетическую энергию тратится основная доля энергии пучков. Если же сталкиваются летящие навстречу друг другу одинаковые частицы, то большая часть их энергии расходуется по прямому назначению: на рождение частиц. По формулам релятивистской механики можно вычислить полную энергию в системе центра масс - именно эту часть энергии исходных частиц можно потратить на рождение новых частиц. В первом случае это примерно , а во втором случае 2E . Если частицы ультрарелятивистские, E >> mc 2 , то в коллайдерах на встречных пучках могут рождаться гораздо более тяжелые частицы, чем в экспериментах с неподвижной мишенью при той же энергии пучка.

В 2008 году в строй вступает самый мощный ускоритель, когда-либо построенный человеком, - Большой адронный коллайдер, LHC, с энергией протонов 7 ТэВ (см. раздел об LHC на «Элементах»). Он находится в подземном кольцевом туннеле длиной 27 км на границе Швейцарии и Франции. Физики надеются, что результаты LHC приведут к новому прорыву в понимании глубинного устройства нашего мира.

Сейчас ускорители подошли к своему конструкционному пределу. Существенное увеличение энергии частиц станет возможным, только если коллайдеры станут линейными и будет реализована более эффективная методика ускорения частиц. Прорыв обещает лазерная или лазерно-плазменная методика ускорения. В ней короткий, но мощный лазерный импульс либо непосредственно разгоняет заряженные частицы, либо создает возмущение в облаке плазмы, которое подхватывает пролетающий сгусток электронов и резко его ускоряет. Для успешного применения этой схемы в ускорителе потребуется преодолеть еще немало трудностей (научиться состыковывать друг с другом несколько ускоряющих элементов, справиться с большим угловым расхождением, а также разбросом по энергии ускоренных частиц), но первые результаты очень обнадеживают.