Полная версия


Магазин телескопов

Ускорители заряженных частиц

Астрономия для любителей Арсенал астроном Ускорители

Большой взрывОдним из современных приборов, служащих для изучения окружающего нас мира являются ускорители или более точно - ускорители элементарных частиц. Ускорители это приборы, служащие для получения потока заряженных частиц большой энергии. Современные ускорители это огромные установки, достигающие в размерах нескольких километров. Самый большой ускорители из ныне работающих это Теватрон он находится в соединенных штатах Америки. Сейчас в Европе заканчивается строительство еще большего ускорителя - Большого Адронного Коллайдера. Существует множество различных видом ускорителей, но прежде чем перейти к их рассмотрению расскажет принцип работы любого ускорителя.

Принцип работы ускорителя схож с принципом работы электронной пушки телевизора. Заряженная частица, приходя разность потенциалов, ускоряется, тем самым приобретая энергию. Если последовательно расположить несколько ускоряющих участков то удается достичь очень высоких энергий. По своей конструкции все ускорители можно раздели на два класса: линейные и циклические. В линейных ускорителях частицы проходят один раз ряд ускоряющих участков а в циклических этот рад проходится несколько раз за счет того что частицы летят по кольцу. Для того, чтобы заряженные частицы двигались по дуге окружности применяются сильные магнитные поля.

По своему назначению существует множество различных видом ускорителей: коллайдеры, источники нейтронов, источники синхротронного излучения. Рассказать подробно о всех видов ускорителей не представляется возможным поэтому мы остановимся на коллайдерах как на наиболее интересных с точки зрения астрономии. Коллайдеры это ускорители в которых заряженные частицы сталкиваются при больших энергиях. Для достижения больших энергий при столкновениях части используются так называемые встречные пучки. Коллайдер на встречных пучках устроен так, что заряженные частицы летят на встречу друг другу с большими энергиями. Встречные пучки позволяют увеличить энергию удара в двое. И Теватрон и Большой Адронный Коллайдер сконструированы на встречных пучках.

Большой взрывОсталось ответить на последний, самый важный вопрос, для чего же нам ускорять заряженные частицы. Существует много способов ответить на этот вопрос. Попробую использовать наиболее простые из них. Все началось еще с опытов Резерфорда по рассеиванию альфа частиц на атомах. Как известно, единственный способ изучения микрообъектов, такох как атом и атомное ядро это постановка опытов по рассеиванию частиц. В те времена ускорителе еще небыло и поэтому энергии этих самых альфа частиц были очень малы. Из за этой малости энергии альфа частица не могла достаточно приблизится к атомному ядру, так как отклонялась полем этого самого ядра. Резерфорду, в его опытах по рассеиванию удалось исследовать лишь структура атома, но заглянуть внутрь ядра было невозможно.

Когда появились ускорители стало возможный проводить опыты по рассеиванию высокоэнергитичных электронов и протонов на ядрах. Энергий частиц хватало для того, чтобы проникнуть в атомное ядро и провзаимодействовать с его частицами. Так мы достоверно узнали структуру атомных ядер. Ученые на этом не остановились и стали строить ускоридели дающие еще более высокоэнергитичные протоны и электроны. Энергии стали на столько высоки что стало возможным заглянуть в структуру самих элементарных частиц. На сегодняшний день ученым уже известна структура самого протона. Ее удалось изучить благодаря экспериментам по рассеиванию протонов на пратонах. Тут то нам и понадобились коллайдеры.

Итак, мы выяснили. Чем больше энергия частиц при столкновениях там глубже мы сможем заглянуть в атомное ядро или в структуру самой частицы или ... в структуру пространства! Попробуем разобраться, какие энергии нам нужны. Для этого в начала скажу в каких единицах удобно измерять энергию частиц. Когда заряженная частица проходит разность потенциалов в один вольт то она приобретает некоторое количество энергии. Это количество энергии называется 1 электронвольт или сокращенно 1 эв. Чтобы понять, какие энергии нам нужны воспользуемся знаменитой формулой Эйнштейна дающую свясь между массой и энергией E = m c2. Согласно этой формуле масса, или что тоже, энергия покоя электрона равно примерно 500 Кило эв. ( что равно 0.5 Мега эв.). Масса покоя протона равна примерно 1000 Мега эв. (что тоже 1 Гига эв.). Для того, чтобы начать изучать структуру протона нужно, чтобы его кинетическая энергия была тогоже порядка, что и масса покоя протона, то есть около 1 Гига эв.

Удивительным открытиям послужили эксперименты, в которых энергия сталкивающихся протонов была равна десяткам и сотням Гига эв. При столкновении двух частиц прямо из пустого пространства или как говорят из вакуума раздались десятки различных частиц. Стало понятно, что само пространство имеет структуру, но для того, чтобы понять эту структуру нужны очень большие энергии. Именно четкое понимание структуры элементарных частиц и структуры пространства позволяет строить адекватные космологические модели и позволяет понять структуру космических объектов. Вот список крупнейших коллайдеров.
Ускоритель Центр, город,
страна
Годы работы Ускоряемые
частицы
Максимальная энергия
пучка, ГэВ
Периметр
(длина), км
ВЭПП-4М ИЯФ, Новосибирск, Россия с 1994 е+е- 6 0,366
DAФNE Frascati, Италия 2008 е+е- 0,7 0,098
KEKB KEK, Япония с 1999 е+е- е- ? е+ 8 ? 3,5 3,016
PEP-II SLAC, Стэнфорд, США с 1999 е+е- е-: 7—12 ГэВ; e+: 2.5—4 ГэВ 2,2
HERA DESY, Германия с 1992 еp е 30; p 920 6,336
TEVATRON Fermilab, США с 1987 \stackrel{}{p}\stackrel{-}{p} 980 6,28
RHIC США с 2000 pp, Au-Au,
Cu-Cu, -Au
100 3,834
LEP CERN 2000 е+е- 100—104,6 26,659
LHC CERN с 2009 pp, Pb-Pb 7000, 2760 26,659

Михаил Карневский, 21.02.2009

Арсенал астронома  <-- *       * -->  Большой адронный коллайдер