51. КАК СОЗДАЮТ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

Ядерная реакция начинается при условии, что протон преодолевает кулоновский потенциал. Например, в случае атома брома он должен обладать энергией 10 МэВ. Для большинства интересных ядерных реакций требуется энергия порядка миллиона электрон-вольт и выше. Чтобы энергия протона достигла 10 МэВ, его следует ускорить разностью потенциалов в 10 миллионов вольт (фиг, 290)

(напряжение у нас дома - 110 или 220 В). Создать такую разность потенциалов, избежав при этом разряда между электродами, практически невозможно.

Фиг. 290.

Существуют естественные источники энергичных частиц: радиоактивные ядра испускают и у-лучи с энергиями порядка 1 МэВ. Именно а-частицы, излученные ядрами полония, использовал Резерфорд в своих ранних исследованиях. Высокоэнергичные ядерные частицы — так называемые космические лучи—непрерывно приходят на Землю откуда-то из солнечной системы или из Галактики (энергия этих частиц достигает значений порядка 1013 МэВ, т. е. 1 Дж!). Именно этот источник позволил в 1932 г. Андерсону впервые наблюдать позитрон. Таким образом, при помощи различных доступных естественных процессов можно получать ядерные и субъядерные частицы, обладающие различными энергиями, и, конечно же, эти частицы использовались при проведении первых ядерных экспериментов. Однако, как и в случае других явлений природы, естественно получаемые энергичные частицы не удовлетворяли всем требованиям ученых, и человеку пришлось изобретать.

Одной из первых машин, предназначенных для получения ускоренных частиц в лаборатории, был генератор Ван де Граафа, или электростатический аккумулятор, заряжаемый до высокого напряжения при помощи трения. В 1929 г. Ван де Грааф построил опытную машину, развивавшую напряжение 80000 В, а в 1931 г. в Принстоне была создана машина на 1,5 MB, авторы которой гордились тем, что «полная стоимость материалов, пошедших на ее изготовление, равнялась приблизительно 100 долларам». [Она до сих пор используется в Принстоне для демонстраций. Стоимость ускорителя на 200 ГэВ, проект которого был недавно одобрен и который будет сооружаться в Вестоне (США), 300 миллионов долларов.]

Англичане Кокрофт и Уолтон сконструировали так называемый линейный ускоритель, в котором был использован источник переменного высокого напряжения (Ван де Грааф использовал источник постоянного напряжения) и протоны ускорялись разностью потенциалов 600 000 В. В 1932 г. они впервые бомбардировали ядра лития этими ускоренными частицами и расщепили их на два ядра гелия С тех пор ускоритель Кокрофта и Уолтона и генератор Ван де Граафа были усовершенствованы. Сегодня они уже не служат в качестве источников высокоэнергичных частиц. Однако они используются в качестве инжекторов частиц для более мощных кольцевых ускорителей, и, кроме того, на их принципе действия были созданы линейные ускорители на более высокие энергии.

Фиг. 291. Линейный ускоритель на дрейфовых трубках (взято из [1]).

Эти большие линейные ускорители бывают двух типов — с трубками дрейфа и волноводные. В ускорителях первого типа частицы ускоряются в промежутках между полыми проводящими цилиндрами (фиг. 291). Когда частица пролетает через зазор, она ускоряется, но напряжение при этом осциллирует, так что в следующем зазоре частица снова ускоряется. Так как частота колебаний напряжения постоянна, длина трубок дрейфа должна возрастать по мере ускорения частицы.

В волноводном ускорителе, изобретенном в 1947 г. Д. Фраем, использовались длинноволновые (10,5 см) электромагнитные волны, распространявшиеся вдоль полого проводника. Поскольку электроны, обладающие достаточно скромной энергией (порядка 2 МэВ), уже движутся со скоростями, близкими к скорости света, они могут двигаться на гребне волны под действием ее электрического поля подобно спортсменам, катающимся на досках на гребне океанской волны. (Решение уравнений Максвелла в случае электромагнитных волн, распространяющихся в полости, ограниченной проводящими стенками, таково, что электрическое поле, вызывающее ускорение частиц, является суммой электрических полей различных волн, отраженных от стенок волновода; можно сделать так, что результирующая волна будет распространяться вдоль волновода со скоростью, меньшей скорости света.) На таком принципе работают самые крупные линейные ускорители. Чтобы энергия частиц достигла больших значений, ускорители должны быть очень длинными, а ускоряющие напряжения — очень высокими, так как к частицам должны быть приложены

огромные силы, действующие в течение длительного времени. Скромных размеров генератор Кокрофта и Уолтона превратился в гигантский линейный ускоритель: например, длина нового Стэнфордского ускорителя превышает 3 км.

Другой метод получения частиц высоких энергий был предложен Лоуренсом. Ему удалось заменить прямой ускоряющий канал линейного ускорителя круговым, а несколько мощных ускоряющих импульсов — последовательностью слабых импульсов, для получения которых требуется меньшая разность потенциалов. «Экспериментальные трудности быстро возрастают при увеличении напряжения», — заметили Лоуренс и Ливингстон в 1932 г., описывая первый циклотрон. На этой первой установке диаметром 28 см протоны ускорялись до энергии 1,2 МэВ.

Фиг. 292. Схематический чертеж циклотрона (взято из [2]).

Суть идеи Лоуренса состояла в использовании магнитного поля, заставляющего заряженные ионы двигаться по круговой орбите. После каждого оборота частицу можно слегка ускорить В результате при помощи малых разностей потенциалов удается добиться больших значений энергии частицы, чем те, что были получены ранее на других ускорителях с большими напряжениями (фиг. 292). Идея циклотрона пришла Лоуренсу в голову, когда случайно в 1929 г. он увидел статью немецкого инженера Ввдероэ, посвященную ускорению частиц. Лоуренс не знал немецкого языка, но схемы, приведенные в статье, навели его на идею циклотрона (отсюда возникает вопрос: плохо это или хорошо не уметь читать по-немецки для доктора физических наук?).

Если напряженность магнитного поля в циклотроне постоянна, то нерелятивистская частица совершает каждый оборот за один и тот же отрезок времени, не зависящий от радиуса орбиты. Поэтому ускоряющее поле может колебаться с постоянной частотой (Одна из причин, почему Лоуренс не мог ускорять электроны, состоит в том, что масса электрона уже при энергии всего лишь 50 000 эВ возрастает

на 10% из-за релятивистских эффектов, что приводит к изменению его периода обращения.) Для решения этой проблемы необходимо уменьшать частоту переменного поля по мере увеличения массы частицы; этот метод используется в синхроциклотронах.

В 1941 г. Д. Керст изобрел бетатрон, названный так потому, что с его помощью ускорялись бета-частицы (фиг, 293). Если в циклотроне ускоряющее электрическое поле создавалось разностью потенциалов, то в бетатроне это поле возбуждалось благодаря электромагнитной индукции (переменное магнитное поле возбуждает электрическое поле). Магнитное поле изменяется таким образом, чтобы радиус орбиты частицы оставался всегда постоянным, несмотря на непрерывное возрастание импульса частицы. Обычно вывод пучка осуществляется возмущением равновесной орбиты в конце ускоряющего периода с помощью электрического или магнитного полей. Иногда используют подвижные мишени, которые вдвигаются в ускорительный канал во время ускоряющего цикла в определенные моменты времени.

Фиг. 293. Схематический чертеж бетатрона (взято из [1]).

В типичном бетатроне пучок электронов, выходящий из генератора Ван де Граафа, инжектируется в машину в момент нарастания магнитного поля и выводится из нее, когда напряженность поля достигает максимального значения. В бетатроне, как и в циклотроне и в синхроциклотроне (фото 17), используются магниты, площадь полюсов которых превосходит площадь орбиты. В связи с этим создание машин такого типа для ускорения частиц до энергий, превышающих примерно

1 ГэВ, экономически нецелесообразно (железо и электричество слишком дороги).

В 1945 г. В. Векслер в СССР и Э. Макмиллан в США независимо друг от друга предложили идею синхрофазотрона, или кольцевого ускорителя с постоянной орбитой. Суть этой идеи состояла в одновременном изменении частоты электрического поля и напряженности магнитного поля. Векслер и Макмиллан показали, что орбиту частицы в этом случае можно сделать устойчивой Магнит синхрофазотрона

состоит из больших С-образных магнитов, размеры которых относительно малы в сравнении с магнитами, используемыми в машинах с переменным радиусом орбиты, так как они располагаются в синхротроне только вдоль определенной фиксированной орбиты. Обычно магнит разбивают на четыре секции, а зазоры используют для инжекции, ускорения и вывода частиц (фиг. 294). При увеличении энергии частицы (а следовательно, и при увеличении ее скорости) частота ускоряющего поля и напряженность магнитного поля нарастают.

Фиг. 294. Схематический чертеж синхрофазотрона (взято из [1])

После достижения релятивистских скоростей частота может оставаться неизменной (хотя энергия частицы, движущейся со скоростью 0,99 с, растет, ее скорость при этом практически не меняется), но магнитное поле должно расти, так как после каждого оборота импульс частицы увеличивается.

В циклических (кольцевых) ускорителях, таких как синхрофазотрон, величина максимально достижимой энергии электронов существенно ограничена потерями энергии на излучение. Тот факт, что частица движется по окружности, означает, что она непрерывно ускоряется, даже если ее скорость остается практически неизменной. При очень больших энергиях величина потерь на излучение, вызванных ускоренным движением заряженных частиц, становится ощутимой. Оказывается, что энергия электронов, достижимая даже в синхрофазотроне, не может из-за потерь на излучение превысить примерно 10 ГэВ. Можно надеяться, что удастся получить электроны с гораздо большей энергией на достаточно длинных линейных ускорителях (ускоритель в Стэнфорде на 20 ГэВ имеет длину 3 км), где частицы

всегда движутся по прямым линиям и поэтому не испытывают таких больших потерь на излучение.

Самым большим из действующих к 1967 г. ускорителей является синхрофазотрон Брукхейвенской национальной лаборатории на (фиг. 295 и фото 18); в Женеве находится ускоритель на 28 ГэВ (фото 19), принадлежащий Европейскому совету по ядерным исследованиям (ЦЕРН). Между 1968 и 1970 гг. в Советском Союзе под Серпуховом должно закончиться строительство синхрофазотрона на 70 ГэВ.

Фиг. 295. План Брукхейвенского синхрофазотрона на 33 ГэВ с жесткой фокусировкой.

В будущем намечается строительство ускорителей на еще большие энергии; самым мощным из них будет протонный синхротрон на 200 ГэВ, строительство которого должно закончиться в начале семидесятых годов в Вестоне (США). Протоны в этом ускорителе будут предварительно ускоряться в генераторе типа Кокрофта до энергии 750 кэВ. Затем они будут ускоряться до энергии 200 МэВ в линейном

ускорителе, а после этого инжектироваться в синхрофазотрон на 8 ГэВ. Когда энергия протонов достигнет 8 ГэВ, они отправятся в свое последнее путешествие в главном синхрофазотроне на 200 ГэВ. Диаметр основного кольца ускорителя будет равняться 2 км, а само кольцо в целях защиты от радиации будет закопано в землю на глубину 7,5 м. Помимо этого ускорителя, поговаривают о создании машины на 300 ГэВ в ЦЕРН (фото 19),

Фиг. 296. Пример заглавия работы многочисленной группы авторов (взято из [3]).

Хотя стоимость синхрофазотрона в расчете на 1 ГэВ меньше стоимости бетатрона, полная стоимость этой машины чрезвычайно велика. Считают, что строительство ускорителя в Вестоне обойдется в несколько сотен миллионов долларов, а его последующая эксплуатация будет стоить примерно 100 млн. долларов ежегодно. Такие цены внесли определенные изменения в характер физических исследований. Сама физика осталась такой же, как и во времена Фарадея; однако,

когда стоимость строительства и обслуживания установки исчисляется суммами в полмиллиарда долларов, в решении о создании такой установки принимают теперь участие не только ученые, но и конгрессмены. Научные проекты, как и все остальное, сравнивались со свиной тушей, и это сравнение, безусловно, справедливо. Но смог ли бы Фарадей дать нам электричество, если бы ему каждый раз приходилось убеждать премьер-министра в том, что затраты на приобретение двадцати фунтов медного провода оправданы? («Нет, я не могу обойтись десятью фунтами», — услышали бы мы от Фарадея.)

Фиг. 297. Ускорительная лаборатория будущего с контролируемым распределением времени устроена таким образом, чтобы команда вызова ускорителя действовала до тех пор, пока все требования не будут выполнены. При наличии многоцелевого распределительного блока экспериментаторам достаточно иметь кабельную связь между своим лабораторным оборудованием и электронной вычислительной машиной, контролирующей работу системы (взято из [4]).

Выполнение эксперимента с частицами высоких энергий является делом ученых различных специальностей, поэтому авторов такого эксперимента чрезвычайно много (на фиг. 296 представлен в качестве примера список авторов одного из экспериментов); человек, чья фамилия находится в конце списка авторов и который выглядит карликом на фоне гигантских ускорителей и всевозможных детекторов, может лишь мечтать об утерянной индивидуальности былых дней. Возможно, что такой характер исследований является только промежуточным этапом. Сейчас для проведения эксперимента необходимы специалисты по электронике, обработке данных и т. и ни один человек не может быть специалистом по всем этим дисциплинам. Однако верно и то, что ни один человек не может сегодня сам изготовить медный

провод без помощи шахтеров, плавильщиков и волочильщиков. Подобно тому как человек может теперь просто заказать кусок медного провода, не обязательно зная, как его изготовляют, так, возможно, физик будущего сможет планировать свои эксперименты и заказывать многоцелевую машину, способную осуществить и проанализировать то, что им задумано. В настоящее время разрабатываются системы, подобные показанной на фиг. 297, где физик, сидя за рабочим столом, сможет с помощью телетайпа включать ускоритель, заказывать частицы и программировать свои эксперименты,