Принцип работы коллайдера, или ускорителя, прост — заряженные частицы ускоряются под действием электрического поля.
Созданию Большого адронного коллайдера предшествует большая работа ученых всего мира.
Первые эксперименты по изучению атомных ядер проводились без ускорителей. Альфа-частицы (ядра гелия-4), использовавшиеся в таких опытах, появлялись после распада нестабильных изотопов (например, радия) и 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 г. англичанин Джон Кокрофт и ирландец Эрнест Уолтон в Кембридже сконструировали каскадный 800-киловольтный генератор постоянного напряжения, который открыл новую эру в экспериментальной ядерной физике. Уже в своем первом 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 только искривляет их траекторию. В однородном магнитном поле траектория заряженной частицы замыкается в окружность. Если такую частицу время от времени подталкивать вперед электрическим полем, она будет набирать энергию, постепенно увеличивая радиус своей траектории. При этом автоматически решаются две задачи: частицы можно удерживать на орбите столько, сколько нужно, а ускоряющее электрическое поле необязательно должно быть большим.
Ускоритель частиц на основе этого принципа — циклотрон — был задуман Эрнестом Лоуренсом в 1929 г. и сконструирован в 1930 г.
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 компенсируется увеличением радиуса орбиты. Благодаря этому частица всегда подлетает к зазору через равные промежутки времени, и поэтому на края зазора можно подавать переменное напряжение известной и строго фиксированной частоты.
Первый построенный Лоуренсом циклотрон был диаметром чуть больше 10 см и разгонял протоны всего до 80 кэВ (килоэлектронвольт). Быстрый прогресс привел к появлению циклотрона на 8 МэВ (в 1936 г.) и к 200-Мэвному многометровому гиганту в 1946 г. Правда, при такой энергии скорость протонов была близка к скорости света, поэтому нерелятивистская формула для расчета циклотронной частоты уже не работала. Достичь таких энергий физики сумели, лишь научившись подстраивать частоту переменного электрического поля в зазоре в соответствии с частотой обращения частиц.
Синхрофазотроны
Вопрос дальнейшего увеличения энергий вызвал ряд проблем. Среди них были конструкторские трудности (обеспечить однородное магнитное поле, глубокий вакуум и механическую прочность, не мешая при этом частицам раскручиваться по спирали) и принципиальная проблема — частицы разбегались по камере, попадали в ускорительные зазоры в неправильные моменты времени и не ускорялись.
В 1944 г. физик Владимир Векслер и американец Эдвин Макмиллан (годом позже) придумали принцип автофазировки. Их идея состояла в специальной настройке электрического поля в зазоре, которая сильнее подгоняла бы отстающие частицы, а убежавшие вперед — слабее. В результате частицы всегда будут держаться в виде компактного 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 благодаря им 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 запатентовал в 1943 г. норвежский физик Рольф Видероэ, однако реализована она была лишь в начале 1960-х.
До этого 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. Если же частицы ультрарелятивистские, то в коллайдерах на встречных пучках могут рождаться частицы гораздо более тяжелые, чем в экспериментах с неподвижной мишенью при той же энергии пучка.
В 2008 г. заработал самый мощный ускоритель, когда-либо построенный человеком, — Большой адронный коллайдер, LHC, с энергией протонов 7 ТэВ. 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.
Основной целью создания Большого адронного коллайдера было уточнение или опровержение так называемой Стандартной модели — теоретической конструкции в физике, описывающей поведение и взаимодействие элементарных частиц. Для этого исследователи планировали заняться поиском бозона Хиггса — «неуловимой» частицы, последнего элемента Стандартной модели. По словам ученых, если бы добиться открытия бозона Хиггса не удалось, это поставило бы под сомнение всю Стандартную модель. В свою очередь, это могло потребовать полного пересмотра всех существующих представлений об устройстве мира и элементарных частицах.
Коллайдер работает так: пучки протонов разгоняют до огромных скоростей и сталкивают. За 20 минут пучки получают энергию до 7 ТэВ, на нужной траектории их удерживают более тысячи сверхпроводящих магнитов. Накопительные кольца пересекаются в четырех точках взаимодействия, рядом с каждой из них — детектор определенной специализации. Два детектора собирают данные, необходимые для поиска бозона Хиггса.
Уже в июле 2012 г. руководство CERN заявило об обнаружении новой частицы, которая с вероятностью в 99,99995 % является бозоном Хиггса. В конце 2013 г. исследователи пришли к выводу, что выявленная частица не выходит за рамки Стандартной модели.
Главная 
