Успешная работа ускорителя опирается на целый ряд нетривиальных технических ухищрений. Например, в современных ускорителях пучок толщиной меньше волоса распределен вдоль кольца не равномерно, а собран в отдельные короткие сгустки, следующие друг за другом — так удобнее ускорять частицы. Но одноименные заряды, как известно, отталкиваются, и потому сгусток имеет тенденцию расплываться как в продольном, так и в поперечном направлениях. Для компенсации продольного расплывания был придуман метод автофазировки: ускоряющее поле в клистроне прикладывается таким образом, чтобы подгонять отставшие частицы чуть сильнее, а убежавшие вперед сгустка — послабее. С расплыванием в поперечном направлении справляются с помощью магнитного поля сложной формы, которое фокусирует проходящий сквозь него пучок. Такое поле действует на пучок, словно собирающая линза на луч света, его так и называют: магнитная линза.
У протонных коллайдеров есть еще одна проблема: пучок оказывается слишком «горячим» (с большим разбросом по кинетической энергии протонов из-за их поперечного движения). Магнитные линзы ограничивают его расплывание ценой нарастания поперечных колебаний. Справиться с этой проблемой помогла идея электронного охлаждения протонов, выдвинутая советским физиком Г.И. Будкером в 1966 году и экспериментально реализованная в 1974 году под его же руководством в Институте ядерной физики в Новосибирске. На одном из линейных участков рядом со сгустком протонов «впрыскивают» холодный сгусток электронов (они, в отличие от протонов, хорошо охлаждаются сами по себе), движущийся примерно с той же скоростью. Какое-то время они, перемешиваясь, летят вместе, и протоны охлаждаются за счет столкновений с электронами, после чего сгустки вновь разделяются в магнитном поле.
Большой дипольный магнит, последним (из 1 700) уложенный в тоннель Большого адронного коллайдера в апреле 2007 года
Интересно, что в электронных коллайдерах проблем с охлаждением нет. Любая движущаяся заряженная частица создает вокруг себя электромагнитное поле, которое перемещается вместе с ней. Однако на поворотах часть этого поля« «отрывается» от частицы и, став свободным электромагнитным излучением, улетает вперед. Это излучение называется синхротронным. Величина заряда у протонов и электронов одинаковая, а вот масса различается почти в 2 тысячи раз. Поэтому в сопоставимых экспериментах легкие (и куда более быстрые) электроны тратят на излучение на несколько порядков больше энергии, чем протоны. Благодаря этому электронный пучок легко остывает (в нем затухают поперечные колебания), но одновременно с этим он и тормозится, сводя на нет все усилия по его ускорению. Именно по этой причине Большой электрон-позитронный коллайдер LEP в ЦЕРНе с энергией электронов 100 ГэВ, в туннеле которого теперь размещается LHC, считается последним из поколения гигантских кольцевых электронных ускорителей.
Дальше увеличивать энергию электронов можно, лишь отказавшись от поворачивающего магнитного поля, то есть вернувшись к линейным ускорителям. Проекты таких линейных электрон-позитронных ускорителей сейчас активно разрабатываются, и вполне вероятно, что они начнут строиться лет через десять. Однако и здесь энергии больше 1 ТэВ кажутся недостижимыми.
Прорыв может обеспечить только принципиально новая методика ускорения электронов. Стандартная технология позволяет частицам набирать примерно по 50 МэВ на метр пути внутри клистрона. Однако в последние годы активно разрабатывается новая, лазерно-плазменная методика ускорения. В ней с помощью короткого лазерного импульса в облаке плазмы возбуждается сильное возмущение электрического поля. Пролетающий сквозь плазму сгусток электронов может быть подхвачен этим возмущением и очень резко ускориться. На сегодня уже достигнуты впечатляющие результаты: прирост энергии на целый гигаэлектронвольт на пути всего несколько сантиметров! Правда, для успешного применения этой схемы в ускорителе потребуется преодолеть еще много трудностей: научиться состыковывать друг с другом множество ускоряющих модулей и справиться с большим разбросом по энергии частиц в пучке.
Полное сканирование тела методом позитронноэмиссионой томографии
Ускорители и детекторы в медицине
В мире сейчас насчитывается примерно 17 тысяч ускорителей. Но лишь около сотни из них используются в научных целях. Остальные — это компактные низкоэнергетические ускорители, половина из которых работает на благо медицины. Адронная терапия позволяет с миллиметровой точностью выжигать глубокие опухоли без существенного воздействия на остальные ткани. При торможении в веществе протоны выделяют основную часть своей энергии на последних миллиметрах пути. Зная глубину залегания опухоли, можно так подобрать энергию пучка, чтобы эти последние миллиметры как раз попали внутрь опухоли. Другое медицинское применение ускорителей — создание прямо в медицинском центре короткоживущих изотопов-маркеров с периодом полураспада порядка часа. Сразу после синтеза они вводятся в организм, оседают в тканях и вскоре распадаются. Высокочувствительные детекторы регистрируют продукты распада и дают четкое изображение тканей даже при сверхнизкой концентрации радиоизотопов. Именно этот метод лежит в основе позитронной томографии. Впервые ее опробовали в ЦЕРНе в 1977 году, а сейчас используют в некоторых клиниках Европы. Впрочем, детекторам частиц нашлось немало работы и без радиоизотопов. Чувствительность детекторов высокоэнергетических фотонов, применяющихся в ускорительных экспериментах, на порядки выше, чем у обычной пленки. На их основе удалось создать малодозные цифровые рентгенографические установки, которые сейчас получили повсеместное распространение. При низкой дозе облучения они обладают очень высоким пространственным разрешением и совершенно недостижимым на обычных пленках количеством градаций яркости. Благодаря этому на одном и том же снимке, подобрав правильный контраст, можно изучать структуру и костей, и мягких тканей.
Взять с поличным
Но разогнать и столкнуть частицы — это только полдела. Необходимо еще и зарегистрировать рожденные в столкновении вторичные частицы. Этим занимаются не сами ускорители, а другие научные аппараты — детекторы.
На заре ядерной физики для регистрации частиц использовались люминесцентные экраны и фотоэмульсии. Люминесцентные экраны похожи на экран телевизора: частица попадает в какую-то точку экрана, выделяет там энергию, которая затем превращается в короткую вспышку света. С помощью этого нехитрого приспособления можно было наблюдать за рассеянием частиц в реальном времени.
Фотоэмульсии удобны для наблюдения за частицами космических лучей. Запущенная на аэростате стопка фотоэмульсионных пластинок в течение долгого времени подвергается бомбардировке космическими частицами, а после проявки изучаются оставленные ими треки, которые образуются из-за ионизации атомов вдоль пути энергичной заряженной частицы. Огромное преимущество такого метода регистрации — возможность видеть ход реакции, пусть и не в реальном времени. Вот трек входящей частицы, здесь произошло столкновение, а вот следы вторичных частиц. Изучая длину и толщину треков и используя законы механики, можно узнать, что это за частицы, как они взаимодействуют и сколько времени живут до распада.
Следующим шагом стало изобретение пузырьковой камеры. В ней под высоким давлением находится сжиженный газ в состоянии, близком к закипанию. При резком понижении давления жидкость становится термодинамически неустойчивой и начинает вскипать. Если в этот момент сквозь камеру пролетит заряженная частица, то первые пузырьки появятся как раз на оставленном ею ионизационном следе. Спустя долю секунды давление возвращают в норму, жидкость больше не стремится закипеть, но вдоль всего трека остается четкий след из пузырьков. Тут же делается фотоснимок всей камеры, и спустя еще мгновение пузырьки рассасываются — камера готова к очередному циклу.
Снимок пузырьковой камеры, где виден процесс рождения и распада первого зарегистрированного омега-гиперона. K--мезон взаимодействует с протоном, образуются омега--гиперон и два мезона (K0 и K+), которые далее распадаются в другие частицы. Справа: расшифровка снимка. Траектории нейтральных частиц, невидимых в пузырьковой камере, отмечены пунктиром
Пузырьковая камера позволяет визуализировать треки в реальном времени, однако ее главный недостаток заключается в том, что она должна работать непрерывно, цикл за циклом, независимо от того, пролетели частицы или нет. В подавляющем большинстве случаев на фотографиях ничего нет, а поиск какого-то редкого процесса на десятках тысяч снимков становится очень трудоемким занятием.
