Шалнов К глубинным тайнам материи 2007

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ

Рис.25. Достижения ускорительной техники во времени: 1 — каскадные генераторы, 2 — электростатические ускорители, 3 — циклотрон, 4 — бетатрон, 5 — циклотрон секторный, 6 — протонный линейный ускоритель, 7 — синхроциклотрон, 8 — слабофокусирующий синхротрон, 9 — сильнофокусирующий синхротрон, 10 — электронный линейный ускоритель, 11 — сильнофокусирующий протонный синхротрон, 12 — накопительные кольца

51

А.В. Шальнов

7. ВСТРЕЧНЫЕ ПУЧКИ

Строительство еще больших кольцевых циклических ускорителей стало слишком дорогим даже для международных организаций, в которых сотрудничают представители многих стран. Следующим этапом развития ускорительной техники в направлении увеличения энергии стали накопительные кольца, в которых реализуется так называемый метод встречных пучков. Метод этот начал развиваться с 1956 г.

В том случае, когда происходит столкновение релятивистских частиц, двигающихся навстречу друг другу, то энергия в лабораторной системе координат совпадает с энергией в системе центра масс. Выигрыш в энергии взаимодействия для релятивистских частиц очень велик, и здесь энергия Eвстреч′ = 2E , где Е — энергия

каждой частицы. Для обычного ускорителя при достижении того же эффекта необходимо иметь эквивалентную энергию, равную

Eэкв ≈ 2E 2 / E0 , где E0 — энергия покоя частицы. Для протонов с энергией 100 ГэВ, величина = 2 10 эВ, а для электронов с

энергией 5 ГэВ аналогичное значение Eэкв ≈ 1014 эВ.

Недостаток метода заключается в очень малой вероятности взаимодействия встречных частиц, так как «мишень» практически прозрачна и лобовые соударения очень маловероятны. Поэтому очень мала и скорость счета полезных событий. Отсюда и возникает идея многократного соударения двух пучков. Для характеристики установки со встречными пучками используется новое понятие, называющееся светимостью L. Она определяется как коэффициент пропорциональности исследуемого процесса σ числу полезных событий в единицу времени N:

N = L σ,

при светимости L = 1030 см− 2 с− 1 реакции с сечением 1 мкбарн =

= 1030 см2 будут соответствовать одному отсчету в секунду. Имеется несколько вариантов схем со встречными пучками, они

изображены на рис.26, где показаны схемы с пучками одноименно и разноименно заряженных частиц. Расчеты показывают, что при приведенном значении светимости и реальных размерах пучка (по-

52

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ

перечное сечение ~ 1 см2) надо иметь величину тока 0,5 А. Даже очень приблизительные оценки приводят к возникновению трудностей и проблем в реализации соударений во встречных пучках. Основная из них — следующая. На самом деле, величина тока в пучках, измеряемая в амперах, недостижима ни в одном из действующих ускорителей. Поэтому частицы должны накапливаться на орбитах в течение длительного времени. Отсюда и необходимость многократного повторения инжекции, т.е. накопления частиц на орбитах. Отсюда и название этих колец — накопительные кольца.

Рис.26. Варианты схем со встречными одноименно (а, б) и разноименно (в) заряженными пучками: 1 — ускоритель-инжектор, 2 — коммутатор пучков, 3 — электрон- но-позитронный конвертор, 4 — место встречи и регистрирующая аппаратура

53

А.В. Шальнов

Надо также обеспечить длительное время жизни пучка в накопительных кольцах. Препятствуют этому два явления. Одно – это рассеяние на остаточном газе и другое — отклонение из-за взаимодействия с уже существующими на орбите частицами. Это приводит к повышенным требованиям к вакууму. Однако эти процессы преодолимы и время жизни пучка измеряется часами и даже сутками. И, наконец, большое число частиц на орбите и длительное время их циркуляции приводит к сильному взаимодействию частиц с одинаковым знаком заряда и появлению так называемых коллективных неустойчивостей. Сам процесс накопления происходит несколько по-разному в зависимости от типа накапливаемых частиц. Это связано с разными физическими явлениями, зависящими от характеристик накапливаемого пучка.

Накопление легких частиц сопровождается радиационными эффектами, выражающимися в радиационном затухании, т.е. изменении траектории частиц (электронов и позитронов) из-за изменения энергии. Это излучение называется синхротронным, при этом изменяется радиус движения частиц, и последующие инжекции производятся на «опустевшие» орбиты. Электрон-электронные пучки дают возможность изучать процессы рассеяния электронов на электронах.

Более оригинальны возможности электронно-позитронных колец*. Их интересная особенность заключается в том, что пучки двигаются по примерно одинаковым каналам навстречу друг другу.

Инжекторами пучков являются синхротроны. Позитроны генерируются в некоторой мишени электронным пучком того же инжектора. При такой схеме получения позитронов их интенсивность значительно меньше электронного пучка и время накопления их значительно больше. Параметры действующих накопительных колец легких частиц приведены табл.12.

Накопители легких частиц имеют меньшие размеры, чем накопители тяжелых.

Так, при энергии в десятки гигаэлектрон-вольт радиусы накопительных колец достигают нескольких сотен метров. Поэтому при-

* Напомним, что позитрон это частица с массой электрона, но положительным зарядом.

54

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ

ходится прибегать к пересекающимся накопительным кольцам, располагающимся в одном тоннеле, так как это обходится значительно дешевле, рис.26, а.

Таблица 12

Ускорительно-накопительные комплексы легких частиц е+ е-

Место распо-	Энергия,		Светимость, см-2 с-1	Длина орбиты, м
ложения	ГэВ
TRISTAN	2	30	1,4 1031	3018
Япония
LEP	2 93,5		5,6 1031	26658
ЦЕРН
ADONE	2	1,5	—	104,9
Италия
BEPC	2	2,8	1,7 1031	240,4
Китай
DORIS	2 7		2,5 1031	288
ФРГ
PEP	2	16	5 1031	2200
США

Инженерные сооружения для реализации встречного взаимодействия ускоренных частиц занимают площади в сотни квадратных километров, потребляют электрическую мощность в сотни мегаватт, требуют большой штат обслуживающего персонала, используют десятки современных быстродействующих ЭВМ для управления и обработки результатов эксперимента. Стоят они сотни миллионов долларов при сооружении и требуют суммы того же порядка при эксплуатации. Такие установки называются ускори- тельно-накопительными комплексами (УНК). Проект одного из таких комплексов для протонов разработан в ИФВЭ (Протвино). Крупнейшим из создаваемых комплексов станет Большой адронный коллайдер (LHC), сооружаемый в ЦЕРН в тоннеле, который занимала установка LEP. Создание ускорителя ведется при участии многих государств, в том числе, России. Строительство более мощного комплекса SSC в США было остановлено по экономическим соображениям. В табл.13 приводятся параметры ряда ускори- тельно-накопительных комплексов.

55

А.В. Шальнов

										Таблица 13
Ускорительно-накопительные комплексы тяжелых частиц
Место рас-	Соуда-	Энергия,			Свети-				Длина	Примечание
положения	ряю-	ГэВ			мость,				орбиты,
	щиеся				см-2 с-1				м
	части-
	цы
ISR		2×	31				31		942	Пересекающие-
ЦЕРН	РР				4 10					ся кольца
ISR,	!!	2×	31		1029				942	То же
ЦЕРН
SPS,		2× 315					30		6911	Одиночные
ЦЕРН	РР			2,8 10						кольца
ВЭПП,	РР	2×	23		—				—	Пересекающие-
Новоси-										ся кольца
бирск
TEVANRON		2× 900					30		6280	Одиночное
Батавия	!!				2 10					кольцо
УНК	!!	2× 3 000			1032				20770	Пересекающие-
Протвино										ся кольца
ISABELLE	РР	2× 400			1030				2640	То же
Брукхейвен
SSC	РР	2× 20 000			1033				86760	—
LHC		2× 7 000					34		26658	Пересекающие-
ЦЕРН	РР			3,8 10						ся кольца
RHIC	Р и	100/				31		(Р)	3833	Кольцо
Брукхейвен	ионы	атомная		1,4 10
					27		(Аи)
	до Аи	масса		1 10

Интересный проект создания сверхпроводящего электронпозитронного коллайдера предложен в Гамбурге в лаборатории DESY. Здесь в отличие от накопительных колец электроны будут сталкиваться лоб в лоб с позитронами. Оба пучка будут ускорены в сверхпроводящих линейных ускорителях. Планируемая светимость

коллайдера 3,4 1034 см− 2 с− 1. Общая длина тоннеля, в котором

располагаются два ускорителя, составляет 33 км. Оба ускорителя имеют одинаковую длину и состоят из 1000 сверхпроводящих резонаторов длиной 1 м каждая. Частота питания 1,3 ГГц. Источники мощности 2 292 клистрона, каждый из которых генерирует мощность 10 МВт. Ускоряющее поле не менее 25 МВ/м. Температура

56

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ

2 К. Предполагается, что энергия сталкивающихся частиц будет 500 ГэВ с возможным увеличением до 800 ГэВ.

Созданный проект явился основой проекта Международного линейного коллайдера (ILC), который готовится к реализации в рамках международного соглашения ряда государств.

НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Следует отметить, что материалами для этой книги были источники [3] и [4], а также труды конференций по ускорителям.

Только, разобравшись с составляющими атомное ядро частицами и увеличивая далее энергию ускорителей, чтобы сделать это знакомство подетальнее, ученые натолкнулись на то, что эти частицы, не являются элементарными. Ну, и на самом деле, элементарными (или фундаментальными) называют частицы, которые на современном уровне знания не состоят из более элементарных частиц. Таким образом, электрон, протон, нейтрон лишились своего королевского звания. На смену им пришли кварки и лептоны.

Но процесс углубления знаний об атомном ядре продолжается, и ускорители с большими энергиями, составляющие ускорительнонакопительные кольца и коллайдеры, остаются необходимыми элементами прогресса. Однако это очень дорогое удовольствие. Чем же оно мотивируется?

Ну, во-первых, желанием разобраться детально в устройстве микромира и продвинуть вперед фундаментальную физику, используя новые экспериментальные результаты. Чистая теория без этого вряд ли может достичь новых высот.

Во-вторых, развитие фундаментальной физики сопровождается появлением принципиально новой физической аппаратуры, новой техники и методик. Некоторая, далеко не полная информация об этом содержится в работе [2], изданной довольно давно.

В-третьих, как уже кратко упоминалось ранее, сейчас новые установки — накопительные кольца и коллайдеры — создаются в помещениях, где уже располагались отработавшие свою программу ускорители. При этом экономятся колоссальные средства, так как для новых установок уже готовы помещения, энергоснабжение, другие технические системы, научный и обслуживающий персонал.

57

А.В. Шальнов

В-четвертых, в космологии существует мнение о том, что в «первое мгновения своего существования Вселенная была настолько горячей, что состояла только из элементарных частиц, связанных фундаментальными силами» [3, 5, 6].

Вернемся теперь к результатам, полученным фундаментальной физикой с использованием ускорителей заряженных частиц.

Открытые частицы назвали фермионами, «склеивающие» их вещества — векторными бозонами. Ниже показаны 12 фермионов S = 1/ 2 (S — так называемый спин частицы).

Поколение				Фермионы
		Кварки				Лептоны
	верхние		нижние		нейтрино		заряженные
I	u		d		ν е		e
II	c		S		ν		µ
III	t		b		ν r		τ
Z	+2/3		-1/3		0		-1

Имеются и соответствующие античастицы. Мир вокруг нас построен из нуклонов и электронов, причем нуклоны (протон p и нейтрон n) состоят из трех кварков p = uud и n = ddu. Для его функционирования нужны еще и нейтрино, которые обеспечивают горение водорода в Солнце и звездах, и этот процесс является источником энергии для нашей жизни.

Таким образом, из трех поколений для объяснения окружающего нас материального мира достаточно поколения I. Однако, согласно теоретическим моделям, без двух следующих поколений II и III не существовало бы Вселенной.

Кроме фермионов еще существуют четыре бозона (без учета античастиц): фотон γ , глюон g, нейтральный слабый бозон Z0 и за-

ряженные слабые бозоны W±, являющиеся античастицами по отношению друг к другу.

В заключение приведем упомянутые выше основные элементарные частицы с указанием энергии, необходимой для их рождения, времени жизни, а также года их открытия. Часть этих частиц

58

К ГЛУБИННЫМ ТАЙНАМ МАТЕРИИ

была открыта в космических лучах, но большинство из них (начиная с 50-х г.) — на ускорителях.

ν е < 10 эВ	ν	<170 кэВ			ν r	< 24 МэВ			γ < 10-15 эВ
1953		1962				> 1975			1926
е 0,51 МэВ	µ	107,5 МэВ			τ	1777 МэВ			g 0
1897			-6	с			-13	с	1973
		2 10			3 10
	1937, 1947					1975
u 5 МэВ	с 1300 МэВ				t 176 ГэВ				Z 91,2 ГэВ
1964		10-12 с			Г = 2 ГэВ				Г= 2,5 ГэВ
		1974				1995			1983
d 10 МэВ	S 150 МэВ				b 4,3 ГэВ				W 80,4 ГэВ
1964		1964				1977			Г = 2,5 ГэВ
									1983

Примечание. Переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны g. Г — ширина уровня.

Заканчивая этот последний раздел, можно рекомендовать интересующимся этими вопросами хорошую литературу [5, 6], недавно опубликованную и подробно излагающую затронутые здесь вопросы.

И, в заключение, еще раз отметим, что не исключена возможность потери звания элементарных и у вновь открытых новых частиц.

59

А.В. Шальнов

НЕКОТОРЫЕ ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЙ, УПОТРЕБЛЯЕМЫЕ В УСКОРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ

		Энергия
эВ (eV)	—	электрон-вольт
кэВ (keV)	—	килоэлектрон-вольт 103 эВ
МэВ (MeV)	—	мегаэлектрон-вольт 106 эВ
ГэВ (GeV)	—	гигаэлектрон-вольт 109 эВ
ТэВ (TeV)	—	тераэлектрон-вольт 1012 эВ
	Мощность
Вт	—	ватт
кВт	—	киловатт 103 ватт
МВт	—	мегаватт 106 ватт

Напряжение

В— вольт

кВ

—

киловольт 103 вольт

Сила тока

А— ампер

мА — миллиампер 10-3 А мкА — микроампер 10-6 А

		Частота
Гц	—	герц
МГц	—	мегагерц 106 Гц

Магнитная индукция

Тл. (Гс. — гаусс) — тесла (1 Тл = 104 Гс)

Мощность дозы

Р— рентген

60