Ученые анализируют столкновения элементарных частиц, поскольку они могут порождать новые или крайне редкие, чьи свойства еще мало изучены или неизвестны. Изучение таких процессов помогает глубже понять устройство Вселенной и ее материю.
Для обнаружения новых частиц проводят эксперименты на коллайдерах. Такие установки сталкивают разогнанные до больших скоростей частицы, например, электроны с позитронами. Все возникшие при этом события фиксируются детекторами — сложными аппаратами, которые отвечают за определение траектории, измерение энергии и идентификацию частицы. После этого информация обрабатывается на компьютерах. Это дает возможность тщательно анализировать продукты распада — мюоны, пионы и другие, появившиеся в результате столкновений.
В мире насчитывается более 30 тыс. ускорителей частиц разного типа — от небольших учебных установок до крупнейших исследовательских коллайдеров. Однако лишь немногие из них достигают параметров, которые необходимы для фундаментальных открытий в физике элементарных частиц.
Любой коллайдер работает по следующему алгоритму.
- Генерация и подготовка частиц. Источник (например, электронная пушка) создает заряженные частицы.
- Предускоритель. Линейный ускоритель или небольшой синхротрон разгоняет пучок частиц.
- Кольцевая или линейная трасса-накопитель. Множество магнитов удерживают пучок заряженных частиц на круговой орбите, вновь и вновь «прокатывают» их через один и тот же участок, чтобы они набрали энергию.
- Встречные пучки. В нескольких специальных точках трассы два противонаправленных пучка пересекаются. Там и происходит главное событие — столкновение.
- Детекторы. Сверхчувствительные приборы, фиксирующие результат «ударов» частиц, регистрируют мельчайшие следы продуктов распада.
Ниже перечислены параметры коллайдера.
- Энергия на луч. Чем выше энергия, тем «сильнее» выстреливают частицы друг в друга. К примеру, 1 ГэВ — это эквивалент того, что получил бы электрон, летящий в потоке с напряжением в миллиард вольт. Коллайдеры с энергией в несколько ТэВ (тысяч ГэВ) позволяют зоткрыть новые частицы;
- Светимость показывает, сколько столкновений происходит в секунду на перекрестке пучков. Представьте, что у вас есть два шланга воды — при одновременной подаче на встречу друг другу капель получается больше брызг, если давление (аналог светимости) выше;
- Периметр кольца — длина трассы, по которой разгоняют частицы, от десятков метров до двух десятков километров. Чем длиннее периметр, тем выше скорость и тем более гладкий разгон пучков.
ВЭПП-2000: Новосибирск, Россия
ВЭПП-2000 начал работу в 2009 году на базе Института ядерной физики СО РАН. Главная задача — изучение свойств легких векторных мезонов и поиск редких процессов при столкновениях электрон–позитрон.
На этом коллайдере было получено около 20% всех числовых значений, которые входят в современную физику элементарных частиц. Кроме того, на нем с наибольчшей точностью измерены массы примерно половины всех известных элементарных частиц.
Основное кольцо коллайдера — всего около 24 м в окружности. Частицы разгоняются в маленьком линейном ускорителе, вбрасываются в кольцо и двигаются в СВЧ-камерах, набирая до 1 ГэВ энергии. Из-за малой дистанции каждое ускорение происходит чаще, но и контроль за пучком должен быть жестче.
Главные сложности работы, которые мешают вычислениям:
- из-за компактности сильные магнитные поля мешали детекторам, их приходилось экранировать;
- малейшее колебание поля или температуры дает большой разброс энергии частиц;
- поддерживать вакуум в узкой трубе сложнее, чем в больших кольцах.
ВЭПП-4: Новосибирск, Россия
ВЭПП-4 начал работу в 1970-х, но в 1990–1994 годах был серьезно модернизирован в ВЭПП-4М для достижения более высоких энергий и установки нового детектора KEDR. Находится по соседству с ВЭПП-200. Здесь изучают тонкие свойства тяжелых частиц (мезонов), узнают их точную массу и строят карту микромира.
Источник генерирует электроны и позитроны. Сначала их немного разгоняют по прямой линии, потом вводят в круговой туннель длиной 366 м. Внутри стоят мощные магниты, которые не дают частицам разлетаться.
Пару раз за оборот частицы пролетают через СВЧ-ускорители — они разкгоняют пучок. В одной точке внутри кольца потоки электронов и позитронов встречаются и сталкиваются. В месте ударного события стоят детекторы, которые фиксируют все образовавшиеся новые частицы.
Главные сложности работы, которые мешают вычислениям:
- сделать внутри трубы длиной 366 м вакуум, чтобы частицы не сталкивались с остаточным газом;
- настроить магниты так, чтобы пучок оставался узким и не размывался;
- удерживать все оборудование при стабильной температуре (изменения в долях градуса влияют на точность).
BEPC II: Пекин, Китай
BEPC II запущен в 2008-2009 годах на базе Института высокоэнергетической физики (IHEP) в Пекине. Здесь ищут новые частицы, изучают семейство тяжелых кварков и тестируют физические теории.
На этом коллайдере пучки электронов и позитронов разгоняют по кольцу длиной около 240 м. Каждые несколько десятков метров стоят СВЧ-ускорители, которые поддерживают высокую скорость до 1,89 ГэВ. В точках столкновения стоят детекторы, собранные из множества сенсоров: кремниевые камеры, газовые трекеры, калориметры для измерения теплоты.
Главные сложности работы, которые мешают вычислениям:
- коллайдер находится непосредственно под городом — пришлось строить туннели так, чтобы не затронуть метро и коммуникации;
- вся система магнитов и ускорителей должна быть синхронизирована с точностью до наносекунд;
- изготовление сверхчистых магнитов — задача для высокотехнологичных заводов, где цена одного бракованноо изделия — миллионы долларов.
DAFNE: Фраскати, Италия
DAFNE запустили в конце 1990-х годов в Национальном институте ядерной физики (INFN) под Римом. Этот коллайдер изучает особенности мезонов, что важно для понимания, почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии.
В DAFNE электроны и позитроны разгоняют по окружности около 100 м. По пути частицы попадают в резонатор — устройство, которое придает им дополнительную энергию. При столкновении данные улавливаются детектором KLOE и разбираются на компьютерах.
Главные сложности работы, которые мешают вычислениям:
- на таком круге нужно очень точно выравнивать магниты — буквально миллиметры отклонения влияют на качество столкновений;
- часто приходится менять и чистить внутреннюю часть труб из-за износа;
- радиочастотные резонаторы должны работать без сбоев, иначе частицы не получат нужный «толчок».
SuperKEKB: Цукуба, Япония
SuperKEKB — преемник коллайдера KEKB, введен в строй в 2016-2018 годах в Организация по изучению высокоэнергетических ускорителей (KEK) в Японии. Современный рекордсмен по светимости. Главная цель — обследовать процессы распада B-мезонов и проверить особенности Стандартной модели.
В SuperKEKB два кольца длиной по 3 км: в одном электроны, в другом — позитроны. Электроны двигаются быстрее (7 ГэВ), позитроны чуть медленнее (4 ГэВ), .
Главная особенность японского коллайдера — Crab Waist, схема раскачки пучков, которая увеличивает число встречных частиц без увеличения энергозатрат. Евгений Левичев, заместитель директора по научной работе Института ядерной физики имени Г. И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук, так объясняет: «В 2006 году наш коллега итальянский физик Панталео Раймонди предложил новую технологию электрон-позитронной встречи, когда пучки пересекаются под достаточно большим углом, что позволяет их сильно сжать в точке встречи, повысить плотность частиц и тем самым светимость — главную меру эффективности коллайдеров, пропорциональную скорости рождения частиц, которые мы хотим изучать. Чем больше светимость, тем больше статистика, тем тоньше и точнее измерения. Однако новый метод работал, только если у налетающих друг на друга сгустков электронов и позитронов слегка развернуть линию максимальной плотности частиц (waist — перетяжка, талия) специальными магнитами. При этом сгустки летят как бы смешно скособоченными, что напоминает походку краба слегка боком. Поэтому новый метод получил название Crab Waist (встреча с «крабовой» перетяжкой)».
Главные сложности работы, которые мешают вычислениям:
- сверхпроводящие магниты должны работать при −271 °C, причем каждый состоит из тысячи витков провода;
- огромная система охлаждения;
- сборка и обслуживание узлов ускорителей требует специальных роботов и вакуумных камер.
RHIC: Брукхейвен, США<
Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) запустили в 2000 году в Брукхейвенской национальной лаборатории в США. Это первый коллайдер, где сталкиваются тяжелые ионы золота и меди, чтобы воссоздать условия первых мгновений после Большого взрыва.
Здесь расположены два кольца в форме овалов общей длиной около 3,8 км. В одном кольце могут быть протоны, в другом — ионы. Их разгоняют до нескольких сотен ГэВ. При столкновении тяжелых ионов образуется плазма, которую ловят детекторы STAR и PHENIX.
Главные сложности работы, которые мешают вычислениям:
- переключение с протонов на тяжелые ионы требует перенастройки всей системы магнито-криогенных и СВЧ-усилителей;
- тяжелые ионы нестабильнее и распадаются» быстрее, чем протоны, — сложнее поймать нужное событие;
- нужно держать магниты холодными при высоких нагрузках почти круглосуточно.
➤ Подписывайтесь на телеграм-канал «РБК Трендов» — будьте в курсе последних тенденций в науке, бизнесе, обществе и технологиях.