Вокруг Света 2007 № 07 (2802) - [40]

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

Превысив энергию в 1 ГэВ, физики словно открыли новую, неведомую ранее грань нашего мира. Протоны и нейтроны стали разрушаться, и в столкновениях рождались и распадались новые нестабильные частицы. Чем выше была энергия, тем более тяжелые и «удивительные» появлялись частицы. Поначалу специалисты были этому не слишком рады: одно дело, когда весь мир состоит из электронов, протонов и нейтронов, а другое — когда в эксперименте вы получаете еще пару сотен нестабильных частиц. Но постепенно ситуация прояснилась, и сейчас мы знаем, что эти нестабильные частицы во многом определяют строение нашего «обычного» мира.

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.