Столкновение на встречных курсах
В 2008 году в Европейском центре ядерных исследований ЦЕРН, расположенном на границе Швейцарии и Франции вблизи Женевы, начнет работать на полную мощность Большой адронный коллайдер LHC (Large Hadronic Collider) — главный физический эксперимент десятилетия. С ним специалисты связывают надежды на новую революцию в физике микромира. За сто лет, в течение которых человечество изучает элементарные частицы, ускорительная и регистрирующая техника прошла огромный путь. Ее развитие опиралось на многочисленные научные достижения и инженерные решения и ознаменовалось несколькими нобелевскими премиями. Создание коллайдера LHC вместе с гигантскими детекторами — это одна из самых сложных научно-технических задач, которые когда-либо предстояло решить.
Задача ускорителя — разогнать частицы до большой энергии, столкнуть их друг с другом, а затем — дать ученым посмотреть, что из этого выйдет. Однако первоначально целью физиков было — не разломать атомы и ядра, а разглядеть их «внутреннее устройство». Ускоритель, словно микроскоп, позволяет увидеть чрезвычайно мелкие детали строения вещества.
Когда мы рассматриваем маленький предмет в микроскоп, мы освещаем его и наблюдаем, как свет отражается или рассеивается на предмете. Но у микроскопа есть физическое ограничение: в него нельзя увидеть объекты размером меньше длины световой волны. Для видимого света это примерно полмикрона.
Более мелкие объекты позволяет различить электронная микроскопия: вместо света предмет« «освещают» пучком электронов и смотрят, как они рассеиваются. Чем больше энергия электронов, тем меньше их длина волны, а значит, мельче детали, которые можно увидеть. Энергия в несколько килоэлектронвольт позволяет« «разглядеть» отдельные крупные молекулы. Атомное ядро« «видно» только на ускорителе при энергии электронов в сотни мегаэлектронвольт, а структуру протона можно изучать, лишь достигнув энергии около 1 ГэВ. (Энергия в 1 электрон-вольт равна 1,6.10-19 Дж.)
Модель
распада бозона Хиггса, который (возможно) удастся зафиксировать на детекторе CMS Большого адронного
коллайдера
|
Именно поэтому главная задача ускорительных экспериментов сегодня — разогнать частицы до максимально высокой энергии и проникнуть в мир тяжелых частиц. Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе позволит изучить неведомый ранее мир частиц с массой около 1 ТэВ. Физики уверены, что именно в этой области масс будет обнаружен предсказанный теоретически, но до сих пор неуловимый бозон Хиггса, дающий ключ к окончательному пониманию слабых и электромагнитных сил и одновременно открывающий новые перспективы для развития физики микромира.
Большой адронный коллайдер
Характеристики LHC впечатляют. В каждой из двух кольцевых труб длиной 27 километров будет
циркулировать протонный пучок, состоящий из 2 808 сгустков по 100 миллиардов протонов в каждом. Его
поперечник 0,03 мм, а суммарная масса всех протонов в пучке меньше 1 нанограмма (10-9 г) —
легче пылинки, но в них запасена чудовищная энергия: 300 мегаджоулей, что сопоставимо с кинетической
энергией самолета или 100 кг тротила. Не удивительно, что предусмотрены все возможные меры
безопасности, начиная от системы слежения за пучком и заканчивая специальным« «аварийным выходом» для
него: в случае дестабилизации пучка специальные магниты в считанные доли миллисекунды уведут его по
длинному туннелю в бункер, где он поглотится огромной графитовой мишенью. Еще большая энергия — 10
миллиардов джоулей — запасена в нескольких тысячах сверхпроводящих магнитов, работающих при температуре
лишь на два градуса выше абсолютного нуля. При этой температуре жидкий гелий, используемый для
охлаждения, становится сверхтекучим и у него резко повышается теплопроводность, что помогает охлаждать
установку. Все эти магниты уже смонтированы и в целях безопасности тестируются на «выживание» в разных
нештатных ситуациях. Несмотря на огромные размеры и энергии, LHC является чрезвычайно точным прибором.
Достаточно сказать, что для его успешной работы придется принимать во внимание и положение Луны и
Солнца. Вызываемые ими приливы в литосфере ежедневно поднимают и опускают окрестности Женевы на 25 см.
В результате периметр ускорительного кольца меняется примерно на один миллиметр, а это будет приводить
к небольшим изменениям энергии пучков.
От кинескопа до коллайдера
Простейший ускоритель состоит из... одного-единственного кристалла, обладающего пироэлектрическими свойствами, то есть способного электризоваться при нагреве. В некоторых кристаллах, например LiTaO3, удается достичь разности потенциалов до ста тысяч вольт. Находящиеся поблизости свободные электроны и ионы под действием электрического поля разгоняются до энергий порядка 100 кэВ — этого уже достаточно для изучения некоторых ядерных процессов. Например, в 2005 году исследовательская группа из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе сумела запустить на этом природном мини-ускорителе реакцию термоядерного синтеза. Правда, для энергетики эта схема не представляет интереса из-за чрезвычайно низкого КПД.
Пироэлектрические кристаллы — скорее курьез, но этот пример иллюстрируют главную идею, лежащую в основе всех ускорителей: заряженные частицы ускоряются электрическим полем. И потому современные ускорители — это в первую очередь результат развития электротехники в сочетании, конечно, с достижениями других разделов физики, применяемых для решения возникающих проблем.
Стартовой точкой ускорителя является источник заряженных частиц. Например, источником электронов может служить любой нагретый кусок металла, из которого постоянно выскакивают электроны и тут же возвращаются обратно. Если рядом поместить проволочную сетку и приложить к ней напряжение, эти электроны потянутся к ней и, пролетев насквозь, устремятся к экрану-аноду, образовав пучок частиц невысокой энергии. Именно так работает «домашний ускоритель на 10 кэВ» — электронно-лучевая трубка в старых телевизорах.
10 кэВ — это очень небольшая энергия, для изучения ядерных явлений ее недостаточно. Поэтому эру ускорительной техники физики отсчитывают от начала 1930-х годов, когда появились сразу две схемы ускорения частиц до энергий около 1 МэВ. В 1932 году Джон Дуглас Кокрофт и Эренст Уолтон 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.
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).
Американский физик Эрнесто Орландо Лоуренс, создатель первого циклотрона
(внизу). Построенный в 1930 году этот прибор легко умещался на ладони
|
Принципиально важно, что пока скорость электронов 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.
Первый построенный Лоуренсом циклотрон имел чуть больше 10 см в диаметре и разгонял частицы
до 80 кэВ. Быстрый прогресс привел к появлению циклотрона на 8 МэВ в 1936 году и к 200-мэвному
многометровому гиганту в 1946 году, но дальнейший рост размеров оказался сопряжен со слишком большими
техническими сложностями (необходимо обеспечить однородное магнитное поле, глубокий вакуум и
механическую прочность, не мешая при этом пучку раскручиваться по спирали). Чтобы избавиться от этих
проблем вместо огромного диска частицы стали запускать в длинную свернутую в кольцо трубу, а для
удержания их на постоянной орбите синхронно с ростом энергии увеличивали магнитное поле. Ускоритель
такого типа получил название синхротрон. В основе многих современных ускорителей, в частности в основе
LHC, лежит принцип синхротрона.
Следующим этапом в истории ускорительной техники стало создание коллайдеров — ускорителей со встречными пучками. Изначально эту идею высказал и даже запатентовал в 1943 году Рольф Видероэ, однако реализована она была лишь в начале 1960-х годов тремя независимыми командами исследователей: итальянской группой под руководством Бруно Тушека, американцами из Принстона и Стэнфорда и новосибирской группой, возглавляемой Г.И. Будкером.
До того момента все эксперименты проводились с неподвижной мишенью. Когда высокоэнергетическая частица налетает на неподвижную мишень, 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. Поэтому в коллайдерах могут возникать намного более тяжелые частицы, чем в экспериментах с неподвижной мишенью при той же энергии пучка.
Чудеса на виражах
Типичный ускорительный комплекс представляет собой длинный кольцевой туннель с двумя вакуумированными трубами, по которым в противоположных направлениях движутся частицы. Эти кольца не идеально круглые, а, скорее, представляют собой скругленные многоугольники. На скруглениях стоят поворотные магниты, которые меняют направление пучка, а на прямых участках расположены ускоряющие элементы — клистроны, корректирующие магниты, система «впрыскивания» частиц из предварительного ускорителя, а также вспомогательная аппаратура. В нескольких точках два кольца пересекаются — именно там происходят столкновения встречных частиц, результаты которых изучаются расположенными тут же детекторами.
Успешная работа ускорителя опирается на целый ряд нетривиальных технических ухищрений. Например, в современных ускорителях пучок толщиной меньше волоса распределен вдоль кольца не равномерно, а собран в отдельные короткие сгустки, следующие друг за другом — так удобнее ускорять частицы. Но одноименные заряды, как известно, отталкиваются, и потому сгусток имеет тенденцию расплываться как в продольном, так и в поперечном направлениях. Для компенсации продольного расплывания был придуман метод автофазировки: ускоряющее поле в клистроне прикладывается таким образом, чтобы подгонять отставшие частицы чуть сильнее, а убежавшие вперед сгустка — послабее. С расплыванием в поперечном направлении справляются с помощью магнитного поля сложной формы, которое фокусирует проходящий сквозь него пучок. Такое поле действует на пучок, словно собирающая линза на луч света, его так и называют: магнитная линза.
У протонных коллайдеров есть еще одна проблема: пучок оказывается слишком «горячим» (с большим разбросом по кинетической энергии протонов из-за их поперечного движения). Магнитные линзы ограничивают его расплывание ценой нарастания поперечных колебаний. Справиться с этой проблемой помогла идея электронного охлаждения протонов, выдвинутая советским физиком Г.И. Будкером в 1966 году и экспериментально реализованная в 1974 году под его же руководством в Институте ядерной физики в Новосибирске. На одном из линейных участков рядом со сгустком протонов «впрыскивают» холодный сгусток электронов (они, в отличие от протонов, хорошо охлаждаются сами по себе), движущийся примерно с той же скоростью. Какое-то время они, перемешиваясь, летят вместе, и протоны охлаждаются за счет столкновений с электронами, после чего сгустки вновь разделяются в магнитном поле.
Большой
дипольный магнит, последним (из 1 700) уложенный в тоннель Большого адронного коллайдера в апреле 2007
года
|
Дальше увеличивать энергию электронов можно, лишь отказавшись от поворачивающего магнитного поля, то есть вернувшись к линейным ускорителям. Проекты таких линейных электрон-позитронных ускорителей сейчас активно разрабатываются, и вполне вероятно, что они начнут строиться лет через десять. Однако и здесь энергии больше 1 ТэВ кажутся недостижимыми.
Прорыв может обеспечить только принципиально новая методика ускорения электронов. Стандартная технология позволяет частицам набирать примерно по 50 МэВ на метр пути внутри клистрона. Однако в последние годы активно разрабатывается новая, лазерно-плазменная методика ускорения. В ней с помощью короткого лазерного импульса в облаке плазмы возбуждается сильное возмущение электрического поля. Пролетающий сквозь плазму сгусток электронов может быть подхвачен этим возмущением и очень резко ускориться. На сегодня уже достигнуты впечатляющие результаты: прирост энергии на целый гигаэлектронвольт на пути всего несколько сантиметров! Правда, для успешного применения этой схемы в ускорителе потребуется преодолеть еще много трудностей: научиться состыковывать друг с другом множество ускоряющих модулей и справиться с большим разбросом по энергии частиц в пучке.
Полное
сканирование тела методом позитронноэмиссионой томографии
Ускорители и детекторы в медицине
В мире сейчас насчитывается примерно 17 тысяч ускорителей. Но лишь около сотни из них используются в
научных целях. Остальные — это компактные низкоэнергетические ускорители, половина из которых работает
на благо медицины. Адронная терапия позволяет с миллиметровой точностью выжигать глубокие опухоли без
существенного воздействия на остальные ткани. При торможении в веществе протоны выделяют основную часть
своей энергии на последних миллиметрах пути. Зная глубину залегания опухоли, можно так подобрать
энергию пучка, чтобы эти последние миллиметры как раз попали внутрь опухоли.
Другое медицинское применение ускорителей — создание прямо в медицинском центре короткоживущих изотопов-маркеров с периодом полураспада порядка часа. Сразу после синтеза они вводятся в организм, оседают в тканях и вскоре распадаются. Высокочувствительные детекторы регистрируют продукты распада и дают четкое изображение тканей даже при сверхнизкой концентрации радиоизотопов. Именно этот метод лежит в основе позитронной томографии. Впервые ее опробовали в ЦЕРНе в 1977 году, а сейчас используют в некоторых клиниках Европы.
Впрочем, детекторам частиц нашлось немало работы и без радиоизотопов. Чувствительность детекторов высокоэнергетических фотонов, применяющихся в ускорительных экспериментах, на порядки выше, чем у обычной пленки. На их основе удалось создать малодозные цифровые рентгенографические установки, которые сейчас получили повсеместное распространение. При низкой дозе облучения они обладают очень высоким пространственным разрешением и совершенно недостижимым на обычных пленках количеством градаций яркости. Благодаря этому на одном и том же снимке, подобрав правильный контраст, можно изучать структуру и костей, и мягких тканей.
Взять с поличным
Но разогнать и столкнуть частицы — это только полдела. Необходимо еще и зарегистрировать рожденные в столкновении вторичные частицы. Этим занимаются не сами ускорители, а другие научные аппараты — детекторы.
На заре ядерной физики для регистрации частиц использовались люминесцентные экраны и фотоэмульсии. Люминесцентные экраны похожи на экран телевизора: частица попадает в какую-то точку экрана, выделяет там энергию, которая затем превращается в короткую вспышку света. С помощью этого нехитрого приспособления можно было наблюдать за рассеянием частиц в реальном времени.
Фотоэмульсии удобны для наблюдения за частицами космических лучей. Запущенная на аэростате стопка фотоэмульсионных пластинок в течение долгого времени подвергается бомбардировке космическими частицами, а после проявки изучаются оставленные ими треки, которые образуются из-за ионизации атомов вдоль пути энергичной заряженной частицы. Огромное преимущество такого метода регистрации — возможность видеть ход реакции, пусть и не в реальном времени. Вот трек входящей частицы, здесь произошло столкновение, а вот следы вторичных частиц. Изучая длину и толщину треков и используя законы механики, можно узнать, что это за частицы, как они взаимодействуют и сколько времени живут до распада.
Следующим шагом стало изобретение пузырьковой камеры. В ней под высоким давлением находится сжиженный газ в состоянии, близком к закипанию. При резком понижении давления жидкость становится термодинамически неустойчивой и начинает вскипать. Если в этот момент сквозь камеру пролетит заряженная частица, то первые пузырьки появятся как раз на оставленном ею ионизационном следе. Спустя долю секунды давление возвращают в норму, жидкость больше не стремится закипеть, но вдоль всего трека остается четкий след из пузырьков. Тут же делается фотоснимок всей камеры, и спустя еще мгновение пузырьки рассасываются — камера готова к очередному циклу.
Пузырьковая камера позволяет визуализировать треки в реальном времени, однако ее главный недостаток заключается в том, что она должна работать непрерывно, цикл за циклом, независимо от того, пролетели частицы или нет. В подавляющем большинстве случаев на фотографиях ничего нет, а поиск какого-то редкого процесса на десятках тысяч снимков становится очень трудоемким занятием.
Чтобы избавиться от бесполезных циклов работы, физики изобрели искровую камеру. Она тоже визуализирует траектории частиц, но иным, электрическим, способом. В отличие от пузырьковой камеры, ее можно запускать только тогда, когда гарантированно пролетает какая-то частица, что позволяет избавиться от «холостых» снимков. Именно использование искровой камеры позволило в 1962 году открыть мюонное нейтрино.
Современные универсальные детекторы, применяемые на больших ускорителях, устроены намного сложнее. Их главная черта — многослойность. Все вместе разные компоненты детектора извлекают из пролетающих частиц максимум информации: координаты точки рождения, скорость, импульс, энергию и тип. Все это необходимо для понимания того, что именно произошло с частицами из встречных пучков в момент их столкновения.
Ближе всего к точке столкновения расположен вершинный детектор. Его задача — с максимальной точностью восстановить первые сантиметры траектории заряженной частицы. Имея несколько таких траекторий от одного столкновения, можно проследить их до пересечения и с субмиллиметровой точностью восстановить вершину — точку в пространстве, в которой произошло рождение частиц.
Следующими идут трековые детекторы. Они измеряют искривление траектории в магнитном поле и позволяют вычислить импульс частицы. Часто в качестве трековых детекторов используются дрейфовые камеры. В них с мелким шагом натянуты тонкие проволочки под напряжением. Заряды, порожденные пролетевшей частицей, оседают на ближайшей проволочке, сообщая регистрирующей аппаратуре, где пролетела частица. Из сигналов с многих проволочек и складывается траектория частицы.
Следующим слоем расположены черенковские детекторы, которые измеряют скорость пролетевшей заряженной частицы. Зная импульс и скорость, можно затем вычислить массу частицы и определить ее тип. Тут главная проблема состоит в том, что для всех рождающихся частиц скорость очень близка к световой. Требуется устройство, которое надежно различает, например, 95 и 99% скорости света, что при равных импульсах отвечают частицам с массами, различающимися вдвое.
На помощь приходит еще один физический эффект, на этот раз из оптики. Свет распространяется со скоростью с=300 000 км/с только в вакууме. При входе в прозрачную среду с показателем преломления n он замедляется до скорости c/n. А вот элементарные частицы при этом не тормозятся, и поэтому их скорость оказывается выше скорости света в данной среде. В 1934 году советские физики П.А. Вавилов и С.И. Черенков открыли, что такая заряженная частица излучает свет (черенковское излучение) под углом к направлению движения, и этот угол зависит от скорости частицы.
Для создания черенковских детекторов пришлось решить интересную задачу из области материаловедения. Для максимальной эффективности требовалось вещество с показателем преломления n=1,01–1,05. Но ничего подобного в природе не существует (например, для воды n=1,33, а для газов он не превышает n=1,001), и потому нужные материалы пришлось создавать искусственно. Так в детекторах появились аэрогели, которые иногда называют «твердым дымом». В руках кусок аэрогеля вызывает непривычные ощущения: по прочности он примерно как пенопласт, но ощутимо легче него и вдобавок прозрачный. Подбросив аэрогель в воздух, можно заметить, что падает он как бы «неохотно» — ведь он всего в несколько раз плотнее воздуха.
Наконец, внешние слои детектора состоят из нескольких разных калориметров — приборов, измеряющих энергию частиц. Эти компоненты детектора обязаны стоять самыми последними, поскольку для надежного измерения энергии частица должна полностью поглотиться калориметром и передать ему всю свою энергию. Для этого на пути частицы ставятся слои вещества с тяжелыми атомами, при столкновении с которыми порождается лавина вторичных частиц. Лавина застревает в детекторе, и вся ее энергия переходит частично в тепло, а частично — в свет. Эту вспышку улавливают фотоэлектронные умножители. Они превращают ее в электрический сигнал, измеряя который можно с хорошей точностью рассчитать энергию первоначальной частицы.
Все это — стандартная начинка современного детектора, его «анатомия». Но есть еще большая интересная тема, связанная с его «физиологией», с тем, что в нем происходит непосредственно в ходе эксперимента. Сгустки частиц сталкиваются внутри детектора миллионы раз в секунду, и при этом либо рождаются новые частицы, либо происходит упругое рассеяние частиц сгустка. Каждый такой процесс оставляет в разных компонентах детектора много информации. За какие-то доли микросекунды требуется не только собрать всю эту информацию и подготовить детектор к приему следующих частиц, но и успеть предварительно обработать полученные данные. Детектор буквально напичкан сложнейшей электроникой. Важнейшая из электронных систем называется триггером. Он на лету отбирает из всего потока события, интересные с точки зрения физики. Если бы не этот отбор, система хранения данных просто захлебнулась бы чудовищным потоком информации от детекторов. Поэтому создание эффективного триггера — один из важнейших этапов конструирования детектора.
Но даже после отсева объемы получаемой информации остаются огромными. Ожидается, что с LHC будет поступать порядка 10 петабайт (10 миллионов гигабайт) данных в год — грубо говоря, по DVD-диску в несколько секунд. Чтобы осмыслить такое количество информации, потребуется порядка сотни тысяч сегодняшних процессоров, участие в работе примут исследователи со всего мира, а хранение и обработка информации будет вестись с опорой на создаваемую сейчас GRID-технологию, которая обеспечивает глобальное использование распределенных вычислительных ресурсов.
Читайте также на сайте «Вокруг Света»:
http://www.scorcher.ru/xml/news.rss
|