Ускорители элементарных частиц

      Серпуховский эффект привлек большое  внимание   теоретиков и экспериментаторов и сделал измерение полных сечений одним из интересных и важнейших экспериментов на  новых  ускорителях с большими энергиями в  Батавии (США) и  на пересекающихся кольцах в ЦЕРНе (Женеве). А настоящее  время имеются данные по протон - протонным сечениям в области энергий 300 – 2000 ГэВ, полученные в 1973 г. на накопительных кольцах  ЦЕРНа, и по рассеянию нуклонов на протоне  с энергией до 500 ГэВ, полученные в 1974  г. в Батавии (США). Эти данные не только подтвердили существование серпуховского эффекта, но и показали, что он может быть началом нового явления в физике высоких энергий – быстрого роста полных сечений  процессов.  Исходя из физического смысла сечения, можно сказать,  что «поперечный размер» нуклона  возрастает с ростом энергии. Этот результат заставляет  теоретиков пересмотреть некоторые важные положения, лежащие в основе изучения динамики взаимодействия частиц высоких энергий.

      На пучке 2  была сделана попытка обнаружить гипотетические фундаментальные частицы – кварки с электрическим зарядом  равным 2/3  от заряда электрона. Для этого была  собрана уникальная установка, способная выделять частицы указанного заряда и определять их массу. В опыте удалось полностью подавить фон, вызываемый другими частицами - мезонами. Среди миллиардов прошедших через установку частиц не оказалось ни одного  с дробным зарядом.

      Пучок 4 – пучок отрицательно заряженных частиц с энергией от 20 до 45 ГэВ и интенсивностью порядка 10⁶   частиц/имп. На этом пучке в конце 1969 г. были открыты ядра ³He.  Опыт состоял в том, что отрицательно заряженные частицы, рождающиеся при столкновении ускоренных протонов с внутренней мишенью, отклонялись магнитным полем, формировались в пучок  с определенным импульсом, а затем система черенковских  и сцинтилляционных  счетчиков анализировала заряд и скорость каждой частицы в пучке. Из 200 миллиардов пролетевших через счетчики вторичных частиц  пять оказались ядрами антигелия.

      В 1974 г. ученые  ОИЯИ и ИФВЭ открыли также ядра антитрития   ³H, состоящего из одного  антипротона и двух антинейтронов. Пропустив через детектирующую установку 400 миллиардов вторичных частиц, физики обнаружили, что четыре из них можно идентифицировать как ядра антитрития.

      Открытие ядра антигелия и антитрития подтверждает теоретическую  концепцию  о существовании антивещества, что важно для понимания процессов, происходящих во Вселенной, и ее эволюции.

      Помимо пучков отрицательных частиц, из ускорителя сделан вывод протонного пучка, с помощью которого получают чистые, или сепарированные, пучки мезонов и антипротонов с энергиями до  40 ГэВ. Создание таких пучков необходимо для исследования в пузырьковых камерах процессов, вызываемых этими частицами.

      Пучок 7 протонов или мезонов направлен в жидководородную пузырьковую камеру «Мирабель».

      Пучок 8 – нейтринный. Для получения нейтринного пучка требуется сперва получить мезонный пучок. Для этого протоны из ускорителя выводятся импульсным магнитом. Эти протоны в количестве до 10¹² в импульсе подводят к мишени по 170-метровой вакуумной трубе. Диаметр пучка на всем протяжении равен 2 мм.  Потери частиц не превышают сотых долей процента.  Протоны попадают в мишень. Система параболических магнитных линз, созданная в ИФВЭ, фокусирует родившиеся мезоны в тонкий пучок  диаметром меньше 2 мм.

Сформированный  мезонный пучок направляется в вакуумную трубку длиной 104 м. Здесь поддерживается глубокий вакуум. Труба выбрана достаточно  длинной, чтобы значительная часть мезонов успела распасться,  образуя мюоны и нейтрино. Мюоны доходят до закрытого слоем железа конца трубы толщиной 66 м. и поглощаются целиком. Нейтрино, летящие вдоль трубы, проходят эту толщу и на выходе   образуют чистый нейтринный пучок. Он попадает в мишень, где вызывает ядерные реакции. Поскольку в распадный канал поступают пионы разных  энергий, то и образующиеся нейтрино обладают широким спектром энергии в диапазоне несколько десятков гигаэлектронвольт.

      Многоэтапность получения нейтринного пучка, возможность фокусировки лишь части пионного пучка и направления в мишень еще меньше доли нейтрино  приводит к небольшой интенсивности нейтринного пучка в расчете на один импульс ускорителя.

      Мишенями на нейтринном пучке служат искровая камера размером 25x25 м.² и общим весом железных пластин - электродов 100 m и пузырьковая камера «Скат». Обе установки созданы в ИФВЭ.

      Интенсивность нейтринного пучка - 10¹⁰ нейтрино за импульс обеспечивает получение в искровой камере одного события за 5-7 циклов работы ускорителя. Фотографирование взаимодействий нейтрино с ядрами железа искровой камеры производится двумя фотокамерами с широкоугольными объективами. Только за первые недели работы нейтринного пучка удалось получить 40 тысяч фотографий.

      Другая мишень, одновременно и детектор – пузырьковая камера  «Скат», самая крупная в СССР (4,5 x 1,6 x 1,5 м³), объемом 7,5 м³, сдана в эксплуатацию в 1974 г. Рабочим веществом камеры является бромистый фреон или его смесь с жидким пропаном. Жидкость находится под давлением 30 атм. Корпус камеры металлический, толщиной 20 см. Фотографирование камеры осуществляется через 2,6-метровый слой воды и плавающее оптическое стекло  толщиной 14 см четырьмя камерами с широкоугольными объективами. Камера находится в магнитном поле  мощного электромагнита с напряженностью поля 27 кгс при потребляемой мощности 10 МВт. Изготовление оптически однородного стекла гигантских размеров – свыше 4 м длиной, 1,3 м шириной и толщиной 14 см – потребовало необычайно высокой точности обработки его поверхности. Для отлива этого стекла была разработана специальная технология  непрерывной варки и разливки стекла. В мировой практике не было еще случая отливки столь крупного оптического однородного стеклянного блока. Проектирование и постройка камеры выполнены учеными и инженерами  ИФВЭ и НИИЭФА, инженерами и рабочими Ленинградского машиностроительного объединения  «Электросила», Невского машиностроительного завода им. В.И. Ленина, Лыткаринского завода оптического стекла. Благодаря большим размерам камеры и выбору в качестве рабочего вещества тяжелой жидкости увеличивает количество вещества в мишени, а следовательно, и вероятность взаимодействия нейтрино. В среднем здесь получается одно событие на 30 импульсов ускорителя.

      Обработав снимки с пузырьковой камеры, получим информацию о вероятности взаимодействия нейтрино, энергетическом и угловом распределении родившихся в реакциях с нейтрино вторичных частиц. Эта информация позволяет лучше понять природу слабого взаимодействия частиц.

      Канал 9 подготовлен для ввода пучка в пузырьковую камеру «Людмила». Двухметровая жидководородная камера «Людмила» создана в ОИЯИ, а затем с большими предосторожностями перевезена в ИФВЭ. Она пущена в строй в 1971 г.  Это огромная установка, в которой только магнит весит 700 т.  В одном из первых экспериментов камера экспонировалась на пучке антипротонов с энергией 23 ГэВ. Получено более ста тысяч снимков, обработка которых дала первую информацию о взаимодействии антипротонов с энергией 23 ГэВ с протонами.  Фотографии обрабатывали физические центры не только Дубны, но и Москвы, Тбилиси, Хельсинки.

      В ИФВЭ создана большая теоретическая школа, развивающая исследования частиц при высоких энергиях. Анализируются новые экспериментальные  результаты, получаемые на крупнейших ускорителях,  сравниваются  с теоретическими моделями. Так, серпуховский эффект показал ограниченность предположений модели полюсов Редже для высокоэнергетического рассеяния. В частности, выяснили, что возрастание сечений может быть получено из общих физических принципов. Повысился интерес к таким результатам теории, которые строго следуют из основных положений.  Так, Г.Г. Волков, А.А. Логунов, М.А. Мествиришвили доказали в 1970 г., что если полное сечение рассеяния частиц с ростом энергии возрастает, то отношение этого сечения к сечению рассеяния античастиц стремится к единице с ростом энергии. Эта теорема доказывает отсутствие противоречий между основными принципами теории и современными экспериментальными данными по поведению сечений рассеяния частиц.

     Циклический ускоритель

     Рассмотрим  устройство циклического ускорителя электронов².

     Из  инжектора 1(это, как правило, линейный  ускоритель или микротрон) предварительно ускоренные  электроны попадают на круговую орбиту ускорителя. Захват электронов в режиме синхротронного ускорения возможен при достижении релятивистских скоростей частиц, ибо синхротронная равновесная орбита, по которой электрон движется с постоянной средней угловой частотой и медленно меняющимся радиусом, требует уже в начальном периоде, чтобы энергия частицы была релятивистской (E>mc²). Поэтому синхротронному режиму ускорения предшествует предварительный этап ускорения либо в бетатроне, либо в специальном инжекторе типа линейного ускорителя или микротрона. На круговой орбите электроны 5 удерживаются магнитным полем поворотных магнитов 4. В индукционном  ускорителе (бетатроне) и несущее, и ускоряющее поля магнитные. Предел энергии, до которой ускоряются электроны в бетатроне, равен примерно 300 МэВ. В синхротроне магнитное поле в поворотных магнитах увеличивается по мере  увеличения энергии электронов, чтобы удержать электроны на равновесной синхротронной орбите (синхронно с ускорением – отсюда и название синхротрон). Обычно круговая камера 2 синхротрона разделяется на 4 части (квадранты 4), между которыми образуются прямолинейные промежутки 3. В один из них  устанавливается резонатор с меняющимся электрическим поле, в котором электроны «подталкиваются» (ускоряются). Преимущества синхротрона существенны, так как магниты в отличии от бетатрона, установлены только на криволинейных участках траектории, а потери энергии на СИ компенсируются. Предел достижимой энергии теперь линейными размерами ускорителя, магнитными полями и потерями на СИ. Итак, в синхротроне ускоренный электрон движется со скоростью υ, близкой к скорости света c. 
 

 Лазерный  ускоритель  на биениях 

      Рассмотрим поведение  плазмы в поле двух лазерных пучков с  близкими частотами  ω₁ и ω₂, распространяющихся  в одном и том же направлении (с линейно поляризованным электрическим  полем,  ориентированным  вдоль  оси  y).  Суммарное электрическое поле  

      E = E₁ cos (ω₁t – k₁x) + E₂ cos (ω₂ t – k₂ x )  (2) 

Может быть в этом случае представлено в  виде высокочастотной синусоиды, промодулированной  в пространстве и во времени на разностной частоте. Максимумы и минимумы модуляции (волны биений) двигаются в направлении x со скоростью υ_гр =( ω₁ – ω₂)/( k₁ – k₂), которая при близких частотах ω₁ и ω₂ называется групповой скоростью. В плазме групповая скорость несколько меньше скорости света и определяется выражением 

(3) 
 

где ω_c = (ω_{1 +} ω₂) /2 – средняя частота электромагнитных волн.

      На заряженную частицу в этом поле действует обычная сила  Лоренца. В нерелятивистском случае, который реализуется при плотностях потока энергии лазерного излучения, много меньшей 10¹⁹ Вт/см², уравнение движения электрона имеет вид  

(4) 

Где  B – магнитное поле лазерных волн, ν – вектор скорости. Под действием электрического поля электроны совершают колебательное движение в направлении электрического поля волны 

      (5) 

и, кроме того, на них действует усредненная по высокой частоте сила, являющаяся результатом комбинированного действия обеих лазерных волн (слагаемое  ν х B). Эта сила, называемая обычно усредненной пондеромоторной силой или силой Миллера, направлена вдоль x и изменяется в пространстве и времени с частотой биений (разностной частотой ω₁ - ω₂ и разностным волновым числом k₁ – k₂ ) 

      (6) 

Эта сила приводит к выталкиванию электронов из областей с более сильным полем и  создает неравномерность распределения  электронов в пространстве, то есть возбуждает в плазме коллективное пространственно-периодическое электрическое поле на частоте биений.

      Таким образом, два лазерных пучка создают в плазме бегущую волну силвого поля, распространяющуюся в направлении x с групповой скоростью лазерной волны. Если эта сила окажется в резонансе  с плазменными колебаниями, то есть частота лазерных биений совпадет с плазменной частотой, а групповая скорость лазерной волны совпадает с фазовой скоростью плазменной волны, то даже при сравнительно малой величине силы Миллера возможно резонансное возбуждение плазменной волны с большой амплитудой³.