Ускорители элементарных частиц

РЕФЕРАТ

По дисциплине

«Концепции  современного естествознания»

на тему «Ускорители элементарных частиц» 
 
 
 
 

. 
 
 
 
 
 
 
 
 

Содержание 

1. Введение………………………………………………………………………….3
2. Современные ускорители заряженных частиц………………………………...4
3. Научные центры по исследованию элементарных частиц……………………7
4. Циклический ускоритель………………………………………………………15
5. Лазерный ускоритель на биениях……………………………………………..16
6. Заключение……………………………………………………………………..20
7. Список используемой литературы……………………………………………21

Введение 

     В настоящее время широкое применение в науке и технике  нашли  ускорители заряженных  частиц – установки  для получения  пучков  заряженных  частиц  (протонов,  электронов, античастиц,  ядер  других  атомов)  высоких  энергий – от десятков  кэВ (10 ³  эВ) до  нескольких  ТэВ (10¹²  эВ).  В технике  такие  ускорители  используются  для получения  изотопов, упрочнения  поверхностей  материалов и производства новых  материалов,  для создания  источников электромагнитного  излучения  (от  микроволнового до рентгеновского  излучения), широко применяются  в медицине и т.д. Однако,  по-прежнему, к числу  основных областей применения  ускорителей  относятся  ядерная физика и физика  высоких   энергий.  Современные  ускорители  заряженных частиц – главные  источники информации для  физиков, изучающих  вещество,  энергию,  пространство и время. Подавляющее  большинство  элементарных  частиц, известных  сегодня,  не встречаются  в естественных  условиях  на  Земле и получены  на ускорителях.  Именно  потребности физики  элементарных  частиц являются  главным   стимулом для развития  ускорительной  техники, и в первую  очередь  для повышения  энергии, до которой могут быть  ускорены заряженные  частицы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Современные ускорители  заряженных  частиц. 

      В современной  физике  высоких энергий используются  ускорительные установки двух  типов.  Традиционная  схема эксперимента  на укорителе такова: пучок заряженных  частиц  ускоряется до максимально возможной энергии и затем  направляется на  неподвижную  мишень, при столкновении с частицами которой  рождается  множество  элементарных  частиц. Измерения  параметров рождающихся  частиц дают  богатейшую экспериментальную   информацию, необходимую для проверки (или создания)  современной теории элементарных  частиц. Эффективность реакции определяется  энергией сталкивающейся с мишенью частицы в системе  центра масс. Согласно  теории относительности при  неподвижной  мишени  и одинаковых массах  покоя  сталкивающихся  частиц  энергия  реакций 

      E_r = E (1) 

Где E – энергия налетающей на мишень частицы, m₀ – ее масса, c – скорость света. Так, при соударении с неподвижной мишенью протона, ускоренного до  энергии 1000  ГэВ, только  энергия 42  ГэВ идет на рождение новых частиц, а большая часть энергии расходуется на  кинетическую энергию  частиц, родившихся  в результате реакции.

      Предложенные  в конце 60-х годов  XX века ускорители на  встречных пучках  (коллайдеры), в которых реакция осуществляется при столкновении встречных ускоренных  пучков заряженных частиц (электронов и позитронов, протонов и антипротонов и др.) дают существенный выигрыш  в энергии  реакции. В коллайдерах   энергия    реакций   равна сумме энергий сталкивающихся  частиц

E₁ + E₂ , то есть при равных  энергиях частиц выигрыш составляет   2E/m₀c². Разумеется, эффективность коллайдера  оказывается  более низкой, чем  ускорителя с неподвижной  мишенью, так как частицы двух  разреженных  пучков сталкиваются  между  собой гораздо  реже,  чем частицы пучка и плотной мишени. Тем не менее, основная  тенденция физики высоких  энергий – это  продвижение во все более высокие  энергии, и большинство крупнейших  ускорителей сегодня – это коллайдеры, в которых  ради  достижения  рекордных энергий жертвуют  числом  столкновений.

      Современные  ускорители заряженных  частиц являются  самыми крупными экспериментальными установками  в мире, причем  энергия  частиц в  ускорителе  линейно  связана с  его размером. Так, линейный ускоритель электронов SLC на энергию 50 ГэВ в Стэнфордском  университете (США) имеет длину 3  км, периметр протонного синхротрона Тэватрон на энергию 900  ГэВ в лаборатории им. Э.Ферми (Батавия, США)  составляет 6,3 км, а  длина сооружаемого в Серпухове кольца, ускорительно-накопительного комплекса УНК, рассчитанного на энергию3 ТэВ, сооружаемый в 27-километровомускорительном тоннеле европейской  организации ядерных исследований (ЦЕРН)  в Женеве.

      Постоянно возрастающие размеры  ускорителей  уже  достигли границы  разумного соотношения  физических  характеристик  и  финансовых затрат,  превращая строительство  ускорителей  в проблему  национального  масштаба. Можно  говорить, что чисто  инженерные  решения  тоже  близки  к  своему  пределу. Очевидно, что дальнейший  прогресс в  ускорительной  технике должен  быть связан  с  поисками  новых  подходов  и  физических решений, делающих  ускорители компактнее и дешевле в сооружении  и эксплуатации. Последнее также  немаловажно,  так  как энергопотребление современных  ускорителей близко  к  энергопотреблению небольшого  города. Прикладная   ускорительная  наука формулирует  перед  современной  физикой  интересную  и чрезвычайно  важную  проблему. Нужно  обратиться  к новым  достижениям в радиофизике, физики  плазмы,  квантовой  электронике и  физике твердого  тела,  чтобы  найти  достойные  решения.

      Наиболее многообещающими  является  поиск  способов  увеличения  темпа  ускорения  частиц.  В  современных  ускорителях  темп  ускорения  частиц ограничен   максимальной  напряженностью  ускоряющего  электрического  поля, которое   можно  создать в вакуумных системах. Эта  величина не превышает  сегодня   50МВ/м. В более  сильных  полях  возникают явления  электрического  пробоя  на  стенках резонатора  и  образование  плазмы, поглощающей энергию  поля    и препятствующей ускорению частиц. В действительности   величина  максимально  допустимого  высокочастотного  поля  зависит  от  его  длины  волны. Современные  ускорители используют электрические  поля  с длиной  волны  больше  10  см. Например, переход  к длине волны 1 см позволит  увеличить максимально допустимые электрические  поля в  несколько  раз и тем  самым  уменьшить размеры  ускорителя. Разумеется, для  реализации  этого преимущества  необходима разработка в этом диапазоне сверхмощных источников  излучения, способных  генерировать импульсы электромагнитных волн  с мощностью в  сотни  МВт и длительностью импульса короче   100 нс. Это представляет  собой  крупную научно-техническую проблему, решением  который заняты многие  исследовательские центры мира.

      Другой  возможный  путь – это  отказ  от  традиционных вакуумных микроволновых резонансных  систем  и использование  лазерного  излучения для  ускорения  заряженных  частиц.  С помощью  современных  лазеров  возможно  создание электрических  полей  с напряженностью, намного превышающей предельные  поля в  микроволновом  диапазоне. Однако  непосредственное  использование  лазерного излучения в вакууме  не позволяет  достичь эффекта  заметного  ускорения  заряженных частиц из-за невозможности резонансного  черенковского взаимодействия  волны с частицей,  так как скорость  света  в вакууме всегда  больше скорости  частицы. В последние  годы активно изучаются  методы  ускорения  заряженных частиц  лазерным  излучением  в  газах  и плазме, причем, поскольку  в сильных  электрических  полях происходит  ионизация  вещества и образование  плазмы, в конечном  счете, речь  идет об ускорении заряженных  частиц интенсивным  лазерным  излучением  в  плазме.

Научные  центры по исследованию элементарных  частиц 

Институт  физики высоких  энергий (ИФВЭ) 

      Основой для создания института явилось строительство в Протвино, расположенном вблизи подмосковного города Серпухова, самого крупного в  мире (вплоть до  1972  г.) кольцевого протонного синхротрона. Собранная в этом научном центре  уникальная экспериментальная техника дает возможность ученым проникнуть в глубины строения материи, понять и раскрыть неизвестные человеку законы бесконечно разнообразного и таинственного мира элементарных  частиц.

      Ускоритель пущен в октябре 1967 г. В этом  ускорителе первоначально  протоны  образуются в результате газового разряда, затем ускоряются электрическим полем  высоковольтного импульса трансформатора до энергии 760 КэВ и попадают в линейный ускоритель – инжектор, где предварительно ускоряются до энергии 100МэВ, и затем поступают в кольцо основного ускорителя. В нем уже протоны ускоряются до энергии 76 ГэВ. Число  протонов в одном импульсе ускорителя – 3·10¹² . Повторение импульсов происходит через каждые 7 сек. Ускоритель имеет в диаметре 472 м.  Вес электромагнитов 20 тыс. т.   Потребляемая ускорителем мощность 100 МВт. Ежегодно для физических исследований ускоритель работает 3000 -   4000 час.

      Научный центр имеет насыпь, под которой находится ускорительное кольцо, и экспериментальный зал. Эксперименты в ИФВЭ осуществляются  как на внутренней мишени ускорителя, так и на выведенных пучках частиц.

      На внутренней мишени к 1970 г. выполнен эксперимент по изучению упругого рассеяния протона на протоне и протона на дейтоне,  с использованием разработанной в ОИЯЛ газоструйной водородной мишени. Мишень представляла собой сверхзвуковую струю водорода, направленную в камеру и пересекающую протонный пучок. В опыте измерялось угловое распределение протонов, отклонившихся от направления движения в пучке из-за соударения с протонами газа-мишени. Из вида этого распределения можно было сделать вывод о радиусе протона.

      Основная часть экспериментов проводится на выведенном пучке. Всего получают около двух десятков пучков частиц. Схема разводки пучков: 

                                                            Кольцо основного ускорителя¹

   10

       9

            8 

      7

      4

            2

Часть пучков используется для  технических  целей – проверки работы оборудования, а часть – для физических исследований.

      Один из пучков (2)  - это пучок отрицательных π – и  κ - мезонов с энергией от 30 до 65 ГэВ и интенсивностью от 10⁴ до 10⁶ частиц/имп  ускорителя. Его получают следующим образом.

      Пучок  ускоренных протонов направляется на твердую, обычно бериллиевую мишень, расположенную внутри вакуумной камеры. Родившиеся при соударении отрицательно заряженные частицы π – и  κ - мезоны  или  антипротоны отклоняются магнитным полем и выводятся из ускорителя.  Только небольшую  часть из них  удается с  помощью электрических и магнитных полей сформировать в пучок. Поэтому для получения пучков  вторичных частиц желательно иметь максимальную интенсивность ускоряемого основного пучка. Дальнейший этап – разделение мезонов и антипротонов по массе с помощью большого масс-спектрометра. В масс-спектрометре частицы разной массы  движутся под действием  магнитного поля по  разным дорожкам  и затем выводятся в  отдельные пучки.  Такое разделение  быстрых частиц, имеющих  скорости, близкие к скорости света, - сложная техническая задача, она требует создания  сильных  магнитов и спектрометров большого размера. Основную  долю в пучке составляют пионы.

      Важнейшая группа экспериментов, выполненных в 1971 г. на пучке 2, состояла в измерении  полных  сечений рассеяния отрицательно заряженных частиц на протоне. Часть опытов проведена  совместно учеными  ИФВЭ и ЦЕРНа. Измерения осуществляли с помощью  счетчиков  частиц. Аналогичные измерения затем были выполнены и для положительно заряженных  пионов, каонов и протонов.

      Результаты оказались совершенно неожиданными по сравнению с тем,  что наблюдалось при меньших энергиях. Так, было известно,  что полные сечения рассеяния в измеренном ранее интервале энергий от 1  до  30  ГэВ монотонно убывают, причем разница сечений рассеяния мезонов противоположных  знаков  убывает с ростом энергий частиц (сечение рассеяния отрицательно заряженных частиц больше сечения положительно заряженных частиц того же вида). Очевидная экстраполяция в область больших энергий требовала дальнейшего убывания сечений.  Однако эксперименты в ИФВЭ показали, что при рассеянии пионов и антипротонов вместо дальнейшего быстрого падения сечений с ростом энергий обнаружилось замедление падения и установление некоторого постоянного значения; для κ⁺ - рассеяния на протоне сечение, которое было постоянным, обнаружило заметный рост. Эффект изменения характера поведения сечений рассеяния частиц на протоне с ростом энергии получил название «серпуховского эффекта». Авторы открытия:      Ю.Д. Прокошкин, С.П. Денисов, Ю.П. Горин, С.В. Денисов, В.И. Петрухин, Д.А. Стоянова, Р.С. Шувалов,  Ю.Б. Бушнин, Ю.П. Дмитриевский, В.С. Селезнев.