Предварительный ускоритель
Первым делом частицы надо создать и затем разогнать до небольшой энергии. Всё это делается в маленьком предварительном ускорителе. Электроны и протоны добывают из обычного вещества, например, с помощью электрического поля или ионизации. Частицы «утягиваются» электрическим полем, ускоряются под его действием, а затем попадают в небольшой синхротрон, который называется «накопитель». В нём частицы накапливаются, и когда их станет достаточно много, они «впрыскиваются» в основной ускоритель. Там с ними начинаются эксперименты, а в предварительном ускорителе частицы вновь накапливаются с нуля. Каждый такой цикл занимает несколько часов.
Если же надо проводить эксперименты с частицами, которых отсутствуют в обычном веществе (например, антипротоны), то схема усложняется. Вначале, как и раньше, получают протоны, затем пучок протонов направляется на специальную мишень (конвертор). При столкновении протонов с ядрами мишени рождается мешанина частиц, среди которых есть и антипротоны. С помощью магнитных полей эти антипротоны выделяют и затем направляют в накопитель.
Система «руления» пучком. Поворотные магниты
Когда физики говорят про движение частиц внутри ускорителя, то они называют их коллективно: пучок частиц. Этот пучок не размазан по всей длине трубы, а собран в отдельные сгустки частиц. Обычно сгусток представляет собой длинную (несколько сантиметров или десятков сантиметров) и тонкую (десятки микрон) «иголочку», состоящую из летящих рядом частиц.
По первому закону Ньютона, частицы в свободном состоянии стремятся двигаться по прямой. Поэтому для того, чтобы удерживать их внутри кольцевого ускорителя, их траекторию приходится заворачивать с помощью магнитного поля. Для этого вдоль ускорительного кольца на некотором расстоянии друг от друга устанавливают специальные поворотные магниты. В результате траектория пучка становится похожей на скругленный многоугольник: в его вершинах пучок поворачивается на небольшой угол, а затем летит до следующего магнита по прямой. Именно на прямых участках установлена вся остальная аппаратура.
Чем больше энергия частиц, тем труднее завернуть их в дугу нужного радиуса и тем более сильные поворотные магниты приходится использовать. На коллайдере LHC используются поворотные магниты с индукцией 8 Тесла (примерно в 100 тысяч раз сильнее магнитного поля Земли). Такое сильное поле удается получать лишь в сверхпроводящих электромагнитах и только при очень низкой температуре. В результате всю установку (а это кольцо периметром в 27 км!) приходится охлаждать до очень низких температур (ниже 2 К). Это лишний раз подчеркивает, что ускорительное кольцо — это не просто «труба с магнитным полем», а сложнейшая техническая конструкция.
Магнитное поле в поворотных магнитах не однородное; оно чуть слабее во внутренней части и чуть сильнее во внешней части дуги. Это сделано для того, чтобы вернуть обратно пучок, слегка сбившийся с оптимальной орбиты.
Система контроля и «аварийный выход» для пучка
Несмотря на то, что пучок частиц содержит не так много частиц (суммарная масса всех частиц в пучке обычно составляет нанограммы и меньше!), в нём может быть запасена огромная кинетическая энергия. Например, протонный пучок на LHC обладает энергией, сопоставимой с кинетической энергией летящего реактивного самолета. Если будет потерян контроль над пучком, то он, вырвавшись на свободу, прожжет стенку вакуумной трубы, аппаратуру ускорителя и даже многометровые бетонные стены. Поэтому система слежения за положением пучка абсолютно необходима для безопасной работы ускорителя.
Система слежения в режиме реального времени контролирует, где именно внутри вакуумной трубы проходит в данный момент траектория пучка. Если она немного отклоняется от оси трубы, магнитные поля стараются выровнять его положение. Если же отклонение становится критическим, то происходит «сброс пучка» — специальный очень быстрый магнит резко включается и выводит пучок из кольца ускорителя по специальному «аварийному выходу» вдаль, где огромная бетонная мишень принимает на себя всю его энергию. Обычно достаточно сделать по одному аварийному выходу на каждый из двух встречных пучков: нестабильность пучка развивается не столь быстро, и пучок за это время успеет долететь до своего выхода.
Регулярный сброс пучка происходит также и в штатном режиме. Летая в ускорителе, пучок постепенно теряет частицы — некоторые выбывают при столкновениях в детекторе, некоторые просто рассеиваются на остаточных молекулах газа в вакуумной камере. Каждые несколько часов, когда пучок ослабевает в несколько раз, его «сбрасывают» на ту же стоящую поодаль мишень, а в ускоритель впрыскивается новая порция частиц.
Ускорительная секция
Когда частицы только-только «впрыснуты» из предварительного ускорителя в основной, они обладают еще слишком малой энергией, и их нужно ускорять. Это осуществляется в специальной ускорительной секции — клистроне. Клистрон — это специальная вакуумная камера причудливой формы, отдаленно напоминающий пустую микроволновку. В этой камере возбуждается мощная стоячая электромагнитная волна, частота и фаза которой тщательно согласованы с пролетающими сгустками: когда очередной сгусток влетает в ускорительную секцию, сильное электрическое поле его подталкивает вперед.
Летая по кольцу, пучок частиц не ускоряется, а только постепенно теряет свою энергию. Разгон частиц для компенсации этих потерь и увеличения энергии происходит в специальной ускорительной секции секции кольца (на фото). Это вакуумная камера сложной формы с переменным электрическим полем, колеблющимся в такт пролетающему пучку. Каждый раз, когда сгусток частиц пролетает сквозь камеру, электрическое поле подталкивает их, придавая им дополнительную энергию.
Магнитные линзы
Частицы, летящие в пучке друг рядом с другом, имеют одинаковые электрические заряды и поэтому отталкиваются. В результате пучок стремится расплыться в поперечном направлении. Для предотвращения этого расхождения пучок приходится постоянно фокусировать. Этим занимаются специальные квадрупольные магниты, расставленные вдоль ускорительного кольца, — «магнитные линзы».
Из-за того, что пучок состоит из одноименно заряженных частиц, он стремится разойтись в стороны во время своего движения. Для того, чтобы удерживать пучок от расширения, вдоль кольца стоят сложные фокусирующие магниты — магнитные линзы (на фото). Самые главные магнитные линзы стоят перед детектором. Их задача — сфокусировать пучок в центр детектора, там, где он должен будет столкнуться со встречным сгустком частиц.
Самая важная пара магнитных линз установлена непосредственно перед входом встречных пучков в детектор — эти линзы называют «финальные квадруполи». Именно там частицы из встречных пучков должны будут столкнуться, чтобы породить новые тяжелые частицы. Вероятность столкновения тем выше, чем «туже» сфокусированы пучки в месте встречи: если диаметр «пятна фокусировки» в каждом пучке уменьшить в два раза, то частота столкновений возрастет в 16 раз.
- Зачем нужен ускоритель
- Единицы измерения расстояний, энергий и масс
- Краткая история ускорителей
- Как работает ускоритель
- Основные компоненты детектора
- Как на ускорителе изучают свойства частиц
- Природные ускорители
- Применение ускорителей и детекторов в медицине
Вернуться к интерактивной модели