ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Ускорители из "Введение в экспериментальную физику частиц Изд2 " Начиная с 50-х годов основным источником экспериментальной информации о частицах стали опыты на ускорителях высоких энергий. Физика частиц отделилась от физики космических лучей и стала самостоятельным разделом науки. С тех пор и на все предвидимое будущее успехи экспериментальной физики частиц определяются прежде всего развитием ускорителей и соответствующих им детекторов, хотя некоторые из важнейших экспериментов были осуществлены (и осуществляются) без использования ускорителей. [c.48] До второй мировой войны для исследований по ядерной физике было создано несколько типов ускорителей частиц и ионов. Среди них изобретенный Э. Лоуренсом циклотрон. [c.48] В соответствии с принципом автофазпровкп были созданы резонансные циклические ускорители разных типов синхроциклотроны В — постоянно, со у — переменно) и синхротроны (В — неременно). При этом в электронных синхротронах сОу — постоянно, в протонных — переменно . Во всех этих ускорителях частицы группируются в сгустки и их пучки имеют дискретную временную структуру. [c.49] Первыми ускорителями, основанными на принципе автофазпровкп, были электронные синхротроны, заработавшие в 1947 г. в Москве (создан в ФИАПе под руководством Векслера ) и в США. Они ускоряли электроны до нескольких десятков МэВ. [c.49] Максимальные энергии пучков создаваемых ускорителей систематически возрастают. В 50-е годы это было несколько ГэВ, в настоящее время — до тысячи ГэВ, а сооружается ускоритель LH па еще большие энергии (см. таблицу основных ускорителей. Приложение IV). Важнейшим параметром ускорителей является и иптепсивпость их пучков, также постоянно увеличиваемая. [c.49] Предельные энергии электронов в циклических ускорителях ограничиваются так называемым синхротронным излучением, возникающим нри движении ультрарелятивистских электронов но искривленным траекториям и приводящим к потерям энергии на каждом обороте (для релятивистских протонов того же имнульса эти потери меньше в отношении (гпр/гпе) , Т. е. приблизительно в 10 раз). Поэтому для создания пучков электронов очень больших энергий (десятки ГэВ) строят также линейные ускорители. Электронные сгустки в них ускоряются, двигаясь через последовательность связанных резонаторов как бы на гребне электромагнитной волны, бегущей со скоростью света. [c.50] Самый большой линейный ускоритель электронов на энергию 25 ГэВ, длиной две мили, построен в Стэнфорде (СГЦА). Наращивая длину ускорителя, можно увеличивать получаемую па пем энергию частиц. [c.50] Среди достоинств линейных ускорителей отметим высокую достижимую интенсивность пучка и простоту вывода этого пучка из ускорителя. [c.50] В циклических ускорителях использование нучка ускоренных частиц для физических исследований может быть осуществлено несколькими путями. Простейший из них ускоренный нучок не выводится из вакуумной камеры, но из рожденных им вторичных частиц создаются внешние пучки, па которых и размещаются экспериментальные установки. Для этого внутренний пучок наводится на помещенные внутри вакуумной камеры мишени, и возникающие вторичные частицы (имеющие, очевидно, меньшие имнульсы) под действием магнитного ноля ускорителя отклоняются и выходят наружу. Из этих частиц с помощью систем магнитных линз, отклоняющих динольных магнитов и коллиматоров формируются нучки частиц определенного знака заряда и импульса . [c.50] Это позволяет создавать высокоэнергетические пучки вторичных частиц, в том числе нестабильных (тг , и т. д.) и нейтральных [п К которые не могут быть непосредственно ускорены. [c.51] Вернемся к соотношению (2.6). Из него видно, что при неподвижной мишени доля энергии W/E, используемая для рождения новых частиц, при увеличении Е уменьшается (как Е ). Другими словами, с увеличением энергии ускорителей их КПД для рождения новых частиц падает. При столкновении с неподвижной протонной мишенью пучка с энергией Е = 7000 ГэВ, которая будет достигнута на крупнейшем из строящихся сверхускорителей LH , W = 11Ъ ГэВ, а чтобы получить таким способом W = 7000 ГэВ (энергии такого порядка необходимы для следующего этапа развития физики частиц), потребовался бы ускоритель на энергии 26 ООО ООО ГэВ. Длина кольца LH составляет 27 км, а кольцо такого ускорителя имело бы длину 100 000 км, т. е. в 2,5 раза больше окружности земного шара. И все-таки уже в ближайшие годы физики получат ускоритель, в котором будет достигнута энергия в с. ц. м. W = 14 ООО ГэВ (Пусть читатель нас простит, что в этом месте мы используем для обозначения таких энергий единицы ГэВ, а не ТэВ, но нам кажется, что такая запись помогает лучше почувствовать огромность этих энергий.) И этим ускорителем будет... LH . [c.52] Слово коллайдер обозначает ускоритель, в котором ускоренный нучок сталкивается не с неподвижной мишенью, а с другим, встречным ускоренным нучком. [c.52] Если энергии сталкивающихся пучков Ei и Е2, то W = 2у/Е Е2. При Е = Е2 = Е di большинстве ускорителей со встречными пучками это условие выполняется) W = 2Е, т. е. энергии нучков просто складываются. Именно таким путем будет достигнута на LH колоссальная энергия 14 ТэВ. [c.52] Большинство создаваемых в настоящее время крупных ускорителей высокой энергии — коллайдеры. В них осуществляются столкновения рр, рр, е+е и ер, т. е. стабильных частиц (а также ядер), которые могут быть ускорены При этом в одном и том же кольце синхротрона могут быть одновременно ускорены р и р или е+ не частицы разных знаков двигаются одновременно в противоположных паправлепиях. Для столкновений рр требуются два ускорительных кольца. Разрабатываются также проекты создания линейных е+е -коллайдеров высоких энергий. [c.52] Особую проблему представляет получение интенсивных и плотных пучков ускоренных антипротонов. Их рождают, бомбардируя мишепь интенсивным протонным нучком, затем в течение длительного времени (до суток) собирают в накопителе, после чего вводят в ускорительное кольцо. В накопителе антипротоны вращаются, не ускоряясь, в перпендикулярном магнитном поле. В накопителе их также охлаждают , уменьшая поперечные импульсы (т. е. поперечное сечение пучка) и разброс по скоростям. [c.53] О методах охлаждения нучков будет рассказано в 10.4.1. [c.53] Если энергии сталкивающихся пучков одинаковы, то система центра масс совпадает с лабораторной системой координат. В этом случае рожденные частицы разлетаются в разные стороны (преимущественно в направлениях, близких к направлениям сталкивающихся пучков) с относительно небольшими энергиями, полученными ими в акте рождения. Поэтому экспериментальные установки для таких коллайдеров должны перекрывать по возможности полный телесный угол (иметь 47г-геометрию ). [c.53] Возможно использование коллайдеров также и для экспериментов с неподвижными мишенями. [c.53] В ускорительных центрах, где последовательно строились разные ускорители, их обычно связывают в комплексы. Лучшим примером в этом отношении (как, кстати, и во многих других) является ЦЕРН. [c.53] Вернуться к основной статье