Циклические ускорители заряженных частиц

В линейном резонансном ускорителе, как было указано выше, действует механизм автофазировки, так что частицы, расположенные в некоторой области вблизи равновесной частицы (область захвата), ускоряются вместе с ней, набирая в среднем такую же энергию. Устойчивая равновесная фаза в линейном ускорителе отрицательна, т. е. находится на участке, где поле растет. Поэтому электрическое поле оказывает в линейном ускорителе дефокусирующее действие и нужно принимать специальные меры для обеспечения фокусировки протонов. В ускорителях на небольшие энергии можно применять фольговую или сеточную фокусировку: входы дрейфовых трубок перекрываются фольговой или сетчатой перегородкой. Это приводит к деформации поля между трубками, при которой дефокусирующая область почти полностью исчезает. В ускорителях на большие энергии этот метод фокусировки неприменим (фольги и сетки приводят к недопустимым потерям интенсивности и, кроме того, перегорают под действием пучка). Наиболее распространённый метод фокусировки -- знакопеременная фокусировка с помощью магнитных квадрупольных линз (располагаемых внутри дрейфовых трубок), создающих в окрестности оси ускорителя магнитное поле, линейно нарастающее по мере удаления от оси. Качественно фокусировка таким полем объясняется так же, как в циклических ускорителях.

Преимущество линейных ускорителей над циклическими -- отсутствие громоздкой магнитной системы, простота ввода и вывода частиц, большие плотности тока. Однако сложность и высокая стоимость радиотехнической системы линейных ускорителей и трудности фокусировки ограничивают возможности линейных протонных ускорителей. В основном они пока применяются как инжекторы для кольцевых ускорителей. Энергия инжекторов доходит до 50--100 Мэв и даже до 200 Мэв. Это предел, дальше которого система Альвареса становится нерациональной с радиотехнической точки зрения, т.к. слишком большая энергия затрачивается на создание электрического поля (слишком мало шунтовое сопротивление). Для ускорения до больших энергий разработаны специальные системы связанных резонаторов; может также применяться волноводная система с диафрагмами (как в линейных электронных ускорителях; см. ниже). Современные линейные ускорители протонов на большую энергию состоят из двух ступеней: в первой ускорение производится до 100--200 Мэв резонаторами типа Альвареса, во второй -- резонаторами иного типа, имеющими при этих скоростях частиц более благоприятные характеристики. По такой двухступенчатой схеме реализован линейный протонный ускоритель в Лос-Аламосе (США) на 800 Мэв, дающий средний ток 30 мкА (проектируется повышение тока до 1000 мкА), предназначенный для физических опытов с интенсивными вторичными пучками (так называемая мезонная фабрика). По этой же схеме в СССР разработана мезонная фабрика на 600 Мэв.

Электронные линейные резонансные ускорители обладают ещё одним существенным преимуществом над циклическими -- в них электроны почти не излучают вследствие практического постоянства их скорости (как по величине, так и по направлению). Предельная энергия современных линейных электронных ускорителей составляет 20 Гэв, но она диктуется только экономическими соображениями и может быть увеличена простым наращиванием длины. Для электронных ускорителей, в которых частицы движутся практически с самого начала со скоростью, близкой к скорости света, наиболее выгодна ускоряющая система в виде диафрагмированного волновода с бегущей волной. В гладком волноводе электромагнитные волны бегут с фазовой скоростью, большей скорости света. Для того чтобы бегущая волна могла ускорять частицы, она должна двигаться с той же скоростью, что и частица, т. е. для ускорения электронов её нужно замедлить до скорости, равной скорости света. Такое замедление достигается, например, введением в волновод перегородок (диафрагм; рис. 12). Близость скорости электронов к скорости света приводит к особенностям в движении электронов относительно ускоряющей волны. Для электронов отсутствует механизм автофазировки: изменение энергии электрона практически не приводит к изменению его скорости и, следовательно, к перемещению относительно ускоряющей волны. Фокусировка в поперечном направлении тоже оказывается, как правило, ненужной, т.к. случайные поперечные скорости электронов убывают по мере роста их энергии (по закону сохранения импульса постоянным остаётся поперечный импульс m? , а т.к. по теории относительности масса m растет с ростом энергии, то скорость ? убывает). Кроме того, поперечное кулоновское расталкивание в электронных ускорителях оказывается почти скомпенсированным магнитным притяжением параллельных токов. Ускоряемые сгустки могут, однако, возбуждать в ускоряющем волноводе паразитные волны, раскачивающие пучок и приводящие к его неустойчивости. Этот эффект особенно существен в больших ускорителях, где он ограничивает предельно достижимые токи. Разработан ряд инженерных методов подавления этого эффекта.

Широко распространены линейные резонансные электронные ускорители на малые (порядка десятков Мэв) энергии, используемые для исследований по ядерной нейтронной физике и для прикладных целей.

Ведутся интенсивные исследования возможностей применения сверхпроводящих материалов для стенок резонаторов и волноводов в протонных и электронных ускорителях. Это сильно сократило бы расход ВЧ мощности и позволило бы перейти на работу ускорителей в непрерывном режиме.

Описанные типы ускорителей заряженных частиц применимы для ускорения не только электронов и протонов, но и других заряженных частиц. Электронные ускорители практически без переделок могут быть использованы для ускорения позитронов. Для ускорения тяжёлых частиц используются различные типы протонных ускорителей. Наибольшая энергия ионов достигнута на ускорителе «Бэвалак» (Bevalac, США) типа синхрофазотрона, где в 1974 получены ускоренные ядра вплоть до ядер аргона с энергией 2 Гэв на нуклон. В Дубне разработан проект ускорителя («нуклотрона»), рассчитанного на получение 16 Гэв на нуклон. Как источник тяжёлых ионов применяются также ускорители типа циклотрона и линейные ускорители.

Ускорители на встречных пучках

Ускорители на встречных пучках, ускорители со встречными пучками, установки, в которых осуществляется столкновение встречных пучков заряженных частиц (элементарных частиц и ионов), ускоренные электрическим полем до высоких энергий. На таких установках исследуются взаимодействия частиц и рождение новых частиц при максимально доступных в лабораторных условиях эффективных энергиях столкновения. Наибольшее распространение получили ускорители со встречными электрон-электронными (е^-е^-), электрон-позитронными (е^-е ⁺) и протон-протонными (рр) пучками.

В обычных ускорителях взаимодействие частиц изучается в лабораторной системе отсчёта при столкновениях пучка ускоренных до высокой энергии частиц с частицами неподвижной мишени. При этом вследствие закона сохранения полного импульса соударяющихся частиц большая часть энергии налетающей частицы расходуется на сохранение движения центра масс системы частиц, т. е. на сообщение кинетической энергии частицам - продуктам реакции, и лишь небольшая её часть определяет "полезную", или эффективную, энергию столкновения, т. е. энергию взаимодействия частиц в системе их центра инерции, которая может идти, например, на рождение новых частиц. Из расчёта следует, что при столкновении двух частиц одинаковой массы (m₀), одна из которых покоится в лабораторной системе отсчёта, а другая движется с релятивистской (близкой к скорости света с) скоростью, энергия в системе центра инерции , где E₀ = m₀c² - энергия покоя частицы, а Е - энергия налетающей частицы в лабораторной системе отсчёта. Таким образом, чем больше Е, тем меньшая её доля определяет энергию взаимодействия частиц. Если же сталкиваются частицы с равными по величине и противоположно направленными импульсами, т. е. их суммарный импульс равен нулю, то лабораторная система отсчёта совпадает с системой центра инерции частиц и эффективная энергия столкновения равна сумме энергий сталкивающихся частиц; для частиц с одинаковыми массами (и энергией Е) Е_ци = 2E, т. е. кинетическая энергия может быть полностью использована на взаимодействие.

Особенно велико преимущество изучения процессов взаимодействия на встречных пучках для лёгких частиц - электронов и позитронов, для которых E₀ = 0,5 Мэв. Например, для соударяющихся во встречных пучках электронов с энергией в 1 Гэв Е_ци = 2 Гэв; такая же эффективная энергия столкновения при одном неподвижном электроне потребовала бы энергии налетающего электрона Е = Е²_ци/2Е₀ (4000 Гэв). Для встречных пучков протонов (E₀ = 1 Гэв), например с энергией Е =70 Гэв (энергия протонов Серпуховского ускорителя 76 Гэв), Е_ци = 140 Гэв, тогда как при столкновении с покоящимся протоном эффективная энергия столкновения 140 Гэв была бы достигнута лишь при энергии налетающего протона Е =10 000 Гэв!

Ускорители на встречных пучках имеют важнейшее значение для изучения упругих и неупругих процессов взаимодействия стабильных частиц - протонов и электронов (и их античастиц); в области сверхвысоких энергий с ними не могут конкурировать обычные ускорители с неподвижной мишенью.

Недостаток ускорителей на встречных пучках - малая плотность пучков частиц по сравнению с плотностью неподвижной мишени. Для увеличения плотности частиц до процесса соударения производится накапливание заряженных частиц в специальных накопительных кольцах, так чтобы токи циркулирующих частиц составляли не менее десятков А. Однако и при таких токах интенсивность пучков вторичных частиц высоких энергий (p- и К-мезонов, нейтрино и др.), образующихся при соударениях, на несколько порядков меньше, чем интенсивность пучков тех же частиц, получаемых на обычных ускорителях. Кроме того (т.к. энергия вторичной частицы не может превышать энергию сталкивающихся в ускорителях на встречных пучках первичных частиц), получается проигрыш в энергии вторичных частиц по сравнению с традиционными ускорителями. Поэтому ускорители на встречных пучках не могут заменить, а лишь дополняют традиционные ускорители, и развитие тех и других должно идти параллельно. В накопительные кольца, представляющие собой кольцевые вакуумные камеры, помещенные в магнитное поле, ускоренные заряженные частицы поступают из обычного ускорителя. Магнитное поле создаётся, как правило, секторными магнитами, разделёнными прямолинейными промежутками (без магнитного поля) для областей пересечения пучков (и для размещения ускорительного устройства). Установка со встречными пучками содержит один или два накопительных кольца в зависимости от того, различны (как у е- е +, р , где р- антипротон) или соответственно одинаковы (как у е- е-, рр) знаки электрических зарядов сталкивающихся частиц. Предварительное ускорение пучков (до инжекции в накопительные кольца) производится в синхрофазотронах или синхротронах (с сильной или слабой фокусировкой), а также в линейных ускорителях. Возможно и дополнительное ускорение частиц в накопительных кольцах после инжекции. Однако независимо от того, производится ли дополнительное ускорение, каждый накопительный комплекс на встречных пучках обязательно включает ускоряющую систему для компенсации потерь энергии заряженных частиц на синхротронное излучение (для электрон-позитронных пучков) и ионизацию остаточного газа в камере. Второе назначение системы ускорения - фиксация азимутальных размеров пучка (число сгустков частиц равно кратности частоты ускоряющей системы по отношению к частоте обращения частиц).

Основная характеристика системы со встречными пучками - величина, которая определяет число (N) событий исследуемого типа в единицу времени и называется светимостью установки. Если изучается взаимодействие с сечением d, то N = L. В наиболее простом случае, когда угол встречи пучков равен нулю, L = R (N1N2 /S)w/2p, где N1, N2 - полные числа частиц в каждом пучке, заполняющем кольца, S - площадь поперечного сечения, общая для обоих пучков, w - круговая частота обращения частиц по замкнутой орбите, R - коэффициент использования установки, равный отношению длины промежутков встречи пучков к периметру орбиты. В более общем случае R зависит от области перекрытия пучков, т. е. от углов пересечения и относительных размеров пучков. Для эффективного изучения процессов взаимодействия с сечением d = 10-26=10-32 см2, величина светимости должна составлять 1028-1032 см-2сек-1. Это достигается накоплением циркулирующего тока пучков заряженных частиц и уменьшением поперечного сечения пучков при помощи специальной магнитной фокусировки в прямолинейных промежутках, а также использованием методов электронного или стохастического охлаждения с целью уменьшения поперечной компоненты импульса сталкивающихся пучков. Метод электронного охлаждения был предложен в 1966г. советским физиком Г. И. Будкером для тяжёлых частиц (протонов и антипротонов), у которых из-за практического отсутствия синхротронного излучения не происходит автоматического затухания поперечных колебаний частиц в пучке. Метод основан на эффекте передачи тепловой энергии пучка тяжёлых частиц сопутствующему (пущенному параллельно) электронному пучку с более низкой температурой. Для того чтобы обеспечить непрерывный физический эксперимент с мало меняющейся светимостью установки, необходимо большое время жизни накопленных пучков частиц. Время жизни пучка (время, в течение которого интенсивность пучка уменьшается в е=2,7 раз) зависит от ряда эффектов. Главные из них - однократное и многократное рассеяние ускоренных частиц на атомах остаточного газа в камере накопителя, а для электронов и позитронов - синхротронное излучение и квантовые флуктуации; существенную роль может также играть эффект взаимного рассеяния электронов (позитронов) пучка. Экспериментальный критерий времени жизни пучка - относительная величина потери интенсивности пучков в % за 1 ч; для лучших действующих установок она составляет десятые доли % в час [для протонной установки в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРНе) = 0,1%/ч при токе 22 А]. Такая большая величина времени жизни пучков достигается при помощи высокого вакуума в камерах накопителей пучков: 10-11 мм рт. ст. в объёме камеры и 10-12 мм рт. ст. в зонах встречи пучков.

Необходимым элементом ускорителя со встречными е- е + пучками является электрон-позитронный конвертер - металлическая мишень (с толщиной около 1 радиационной длины), в которой электроны рождают тормозные гамма-кванты, а те, в свою очередь, - пары электрон-позитрон. Коэффициент конверсии - отношение числа позитронов, захваченных в накопитель, к числу электронов, выведенных из синхротрона при энергии электронного пучка в сотни Мэв, может достигать величины 10-4 для позитронного пучка с энергией, примерно вдвое меньшей энергии электронов.

Для схемы протон-протонных столкновений, реализуемой на базе двух магнитных структур с сильной фокусировкой, характерно наличие многих точек встречи пучков, что позволяет одновременно проводить несколько физических экспериментов.

Краткая история развития ускорителей на встречных пучках. Разработка и сооружение экспериментальных установок для исследований на встречных пучках частиц были начаты в 1956г. во многих лабораториях в СССР и за рубежом после опубликованного предложения американского физика Д. У. Керста. В течение 1956-66гг. преимущество в реализации встречных пучков было отдано лёгким стабильным частицам - электронам и позитронам (предложение о реализации ускорителей со встречными электрон-позитронными пучками принадлежит Будкеру), для которых ультрарелятивистские скорости достигаются при энергиях в сотни Мэв. Первые установки на встречных е- е- и е- е + пучках были созданы в институте ядерной физики Сибирского отделения АН СССР (Будкер, А. А. Наумов с сотрудниками), в Станфордском центре линейных ускорителей (американский физик В. К. Панофский и др., США), в Лаборатории линейных ускорителей во Фраскати (С. Тазарри и др., Италия), в Лаборатории ускорителей в Орсе (П. Марин и др., Франция).

В связи с запуском в 1959-60гг. высокоэнергичных ускорителей протонов в ЦЕРНе (Швейцария) на 28 Гэв и в США на 33 Гэв открылись реальные возможности для создания накопительных колец на встречных рр пучках. В 1971г. в ЦЕРНе были запущены два накопительных кольца для встречных рр пучков с энергией 31,4 Гэв (К. Йонсен с сотрудниками). Успешная эксплуатация этой установки при циркулирующих токах протонов 22-25А и светимости 6,7-1030 см-2 сек-1 стимулировала дальнейшее развитие проектных работ по рр, р и pe- накопительным установкам высоких энергий. Идёт разработка ещё 6 проектов в СССР, США и Великобритании, реализация которых предполагается в 1980-90гг.

Большой адронный коллайдер

Большой адромнный колламйдер (англ. Large Hadron Collider, LHC; сокр. БАК) -- ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (фр. Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire, CERN), на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы. По состоянию на 2008 год БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире.

Большим БАК назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26,7 км; адронным -- из-за того, что он ускоряет адроны, то есть частицы, состоящие из кварков; коллайдером (англ. collide -- сталкиваться) -- из-за того, что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных местах.

В начале XX века в физике появились две основополагающие теории -- общая теория относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна, которая описывает Вселенную на макроуровне, и квантовая теория поля, которая описывает Вселенную на микроуровне. Проблема в том, что эти теории несовместимы друг с другом. Например, для адекватного описания происходящего в чёрных дырах нужны обе теории, а они вступают в противоречие.

Эйнштейн многие годы пытался разработать единую теорию поля, но безуспешно, поскольку игнорировал квантовую механику. В конце 1960-х гг. физикам удалось разработать Стандартную модель (СМ), которая объединяет три из четырёх фундаментальных взаимодействий -- сильное, слабое и электромагнитное. Гравитационное взаимодействие по-прежнему описывают в терминах ОТО. Таким образом, в настоящее время фундаментальные взаимодействия описываются двумя общепринятыми теориями: ОТО и СМ. Их объединения пока достичь не удалось из-за трудностей создания теории квантовой гравитации.

Для дальнейшего объединения фундаментальных взаимодействий в одной теории используются различные подходы: теория струн, получившая своё развитие в М-теории (или теории бран), теория супергравитации, петлевая квантовая гравитация и другие. Некоторые из них имеют внутренние проблемы, и ни у одной из них нет экспериментального подтверждения. Проблема в том, что для проведения соответствующих экспериментов нужны энергии, недостижимые на современных ускорителях заряженных частиц.

БАК позволит провести эксперименты, которые ранее было невозможно провести и, вероятно, подтвердит или опровергнет часть этих теорий. Так, существует целый спектр физических теорий с размерностями больше четырёх, которые предполагают существование «суперсимметрии» -- например, теория струн, которую иногда называют теорией суперструн именно из-за того, что без суперсимметрии она утрачивает физический смысл. Подтверждение существования суперсимметрии, таким образом, будет косвенным подтверждением истинности этих теорий.

Изучение топ-кварков. Топ-кварк -- самый тяжёлый кварк и, более того, это самая тяжёлая из открытых пока элементарных частиц. Согласно последним результатам Тэватрона, его масса составляет 171,4 ± 2,1 ГэВ. Из-за своей большой массы топ-кварк до сих пор наблюдался пока лишь на одном ускорителе -- Тэватроне, на других ускорителях просто не хватало энергии для его рождения. Кроме того, топ-кварки интересуют физиков не только сами по себе, но и как «рабочий инструмент» для изучения хиггсовского бозона. Один из наиболее важных каналов рождения хиггсовского бозона в БАК -- ассоциативное рождение вместе с топ-кварк-антикварковой парой. Для того, чтобы надёжно отделять такие события от фона, надо вначале хорошо изучить свойства самих топ-кварков.

Изучение механизма электрослабой симметрии. Одной из основных целей проекта является экспериментальное доказательство существования бозона Хиггса -- частицы, предсказанной шотландским физиком Питером Хиггсом в 1960 году в рамках Стандартной Модели. Бозон Хиггса является квантом так называемого поля Хиггса, при прохождении через которое частицы испытывают сопротивление, представляемое нами как масса. Сам бозон нестабилен и имеет большумю массу (более 120 ГэВ). На самом деле, физиков интересует не столько сам хиггсовский бозон, сколько хиггсовский механизм нарушения электрослабой симметрии. Именно изучение этого механизма, возможно, натолкнёт физиков на новую теорию мира, более глубокую, чем СМ.

Изучение кварк-глюонной плазмы. Ожидается, что в ускорителе в режиме ядерных столкновений будут происходить не только протон-протонные столкновения, но и столкновения ядер свинца. При неупругом столкновении двух ядер на ультрарелятивистских скоростях на короткое время образуется и затем распадается плотный и очень горячий комок ядерного вещества. Понимание происходящих при этом явлений (переход вещества в состояние кварк-глюонной плазмы и её остывание) нужно для построения более совершенной теории сильных взаимодействий, которая окажется полезной как для ядерной физики, так и для астрофизики.

Поиск суперсимметрии. Первым значительным научным достижением экспериментов на БАК может стать доказательство или опровержение «суперсимметрии» -- теории, гласящей, что любая элементарная частица имеет гораздо более тяжёлого партнера, или «суперчастицу».

Изучение фотон-адронных и фотон-фотонных столкновений. Протоны электрически заряжены, поэтому ультрарелятивистский протон порождает облако почти реальных фотонов, летящих рядом с протоном. Этот поток фотонов становится ещё сильнее в режиме ядерных столкновений, из-за большого электрического заряда ядра. Эти фотоны могут столкнуться как встречным протоном, порождая типичные фотон-адронные столкновения, так и друг с другом.

Проверка экзотических теорий. Теоретики в конце XX века выдвинули огромное число необычных идей относительно устройства мира, которые все вместе называются «экзотическими моделями». Сюда относятся теории с сильной гравитацией на масштабе энергий порядка 1 ТэВ, модели с большим количеством пространственных измерений, преонные модели, в которых кварки и лептоны являются составными частицами, модели с новыми типами взаимодействия. Дело в том, что накопленных экспериментальных данных оказывается всё ещё недостаточно для создания одной-единственной теории. А сами все эти теории совместимы с имеющимися экспериментальными данными. Поскольку в этих теориях можно сделать конкретные предсказания для БАК, экспериментаторы планируют проверять предсказания и искать следы тех или иных теорий в своих данных. Ожидается, что результаты, полученные на ускорителе, смогут ограничить фантазию теоретиков, закрыв некоторые из предложенных конструкций. Также ожидается обнаружение физических явлений вне рамок Стандартной Модели. Планируется исследование свойств W и Z-бозонов, ядерных взаимодействий при сверхвысоких энергиях, процессов рождения и распадов тяжёлых кварков (b и t).

История строительства. Идея проекта Большого адронного коллайдера родилась в 1984 году и была официально одобрена десятью годами позже. Его строительство началось в 2001 году, после окончания работы предыдущего ускорителя -- Большого электрон-позитронного коллайдера.

В ускорителе предполагается сталкивать протоны с суммарной энергией 14 ТэВ (то есть 14 тераэлектронвольт или 14·1012 электронвольт) в системе центра масс налетающих частиц, а также ядра свинца с энергией 5,5 ГэВ (5,5·109 электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов. Таким образом, БАК будет самым высокоэнергичным ускорителем элементарных частиц в мире, на порядок превосходя по энергии своих ближайших конкурентов -- протон-антипротонный коллайдер Тэватрон, который в настоящее время работает в Национальной ускорительной лаборатории им. Э. Ферми (США), и релятивистский коллайдер тяжёлых ионов RHIC, работающий в Брукхейвенской лаборатории (США).

Ускоритель расположен в том же туннеле, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер. Туннель с длиной окружности 26,7 км проложен на глубине около ста метров под землёй на территории Франции и Швейцарии. Для удержания и коррекции протонных пучков используются 1 624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км. Последний из них был установлен в туннеле 27 ноября 2006 года. Магниты будут работать при температуре 1,9 K (?271 °C). Строительство специальной криогенной линии для охлаждения магнитов закончено 19 ноября 2006 года.

Процесс ускорения частиц в коллайдере. Скорость частиц в БАК на встречных пучках близка к скорости света в вакууме. Разгон частиц до таких больших скоростей достигается в несколько этапов. На первом этапе низкоэнергетичные линейные ускорители Linac 2 и Linac 3 производят инжекцию протонов и ионов свинца для дальнейшего ускорения. Затем частицы попадают в PS-бустер и далее в сам PS (протонный синхротрон), приобретая энергию в 28 ГэВ. После этого ускорение частиц продолжается в SPS (протонный суперсинхротрон), где энергия частиц достигает 450 ГэВ. Затем пучок направляют в главное 26,7-километровое кольцо и в точках столкновения детекторы фиксируют происходящие события.

Потребление энергии. Во время работы коллайдера расчётное потребление энергии составит 180 МВт. Предположительные энергозатраты всего CERNа на 2009 год с учётом работающего коллайдера -- 1000 ГВт·ч, из которых 700 ГВт·ч придётся на долю ускорителя. Эти энергозатраты -- около 10 % от суммарного годового энергопотребления кантона Женева. Сам CERN не производит энергию, имея лишь резервные дизельные генераторы.

Неконтролируемые физические процессы. Некоторые специалисты и представители общественности высказывают опасения, что имеется отличная от нуля вероятность выхода проводимых в коллайдере экспериментов из-под контроля и развития цепной реакции, которая при определённых условиях теоретически может уничтожить всю планету. Из-за подобных настроений БАК иногда расшифровывают как Last Hadron Collider (Последний Адронный Коллайдер). В этой связи наиболее часто упоминается теоретическая возможность появления в коллайдере микроскопических чёрных дыр, а также теоретическая возможность образования сгустков антиматерии и магнитных монополей с последующей цепной реакцией захвата окружающей материи.

Указанные теоретические возможности были рассмотрены специальной группой CERN, подготовившей соответствующий доклад, в котором все подобные опасения признаются необоснованными. Английский физик-теоретик Эдриан Кент опубликовал научную статью с критикой норм безопасности, принятых CERN, поскольку ожидаемый ущерб, то есть произведение вероятности события на число жертв, является, по его мнению, неприемлемым. Тем не менее, максимальная верхняя оценка вероятности катастрофического сценария на БАК составляет 10-31.

В качестве основных аргументов в пользу необоснованности катастрофических сценариев приводятся ссылки на то, что Земля, Луна и другие планеты постоянно бомбардируются потоками космических частиц с гораздо более высокими энергиями. Упоминается также успешная работа ранее введённых в строй ускорителей, включая релятивистский коллайдер тяжёлых ионов RHIC в Брукхейвене. Возможность образования микроскопических чёрных дыр не отрицается специалистами CERN, однако при этом заявляется, что в нашем трёхмерном пространстве такие объекты могут возникать только при энергиях, на 16 порядков больших энергии пучков в БАК. Гипотетически микроскопические чёрные дыры могут появляться в экспериментах на БАК в предсказаниях теорий с дополнительными пространственными измерениями. Такие теории пока не имеют каких-либо экспериментальных подтверждений. Однако, даже если чёрные дыры будут возникать при столкновении частиц в БАК, предполагается, что они будут чрезвычайно неустойчивыми вследствие излучения Хокинга и будут практически мгновенно испаряться в виде обычных частиц.

Аргументы в пользу катастрофического сценария. По мнению сторонников катастрофического сценария, существует принципиальная разница между бомбардировкой Земли космическими частицами и экспериментами на ускорителе. В первом случае сталкиваются прилетающие из космоса ультрарелятивистские (летящие со скоростью, близкой к скорости света) элементарные частицы с элементарными частицами на Земле, скорость которых мала. Образующиеся частицы также являются ультрарелятивистскими и улетают в космическое пространство, не успев причинить Земле никакого вреда. В коллайдере же сталкиваются пучки элементарных частиц, летящие с ультрарелятивистскими скоростями в противоположных направлениях. Образующиеся микроскопические чёрные дыры и другие опасные частицы могут вылетать с любыми скоростями. Некоторые из них будут настолько медленными, что не смогут покинуть Землю.

Общая теория относительности в виде, предложенном Эйнштейном, не допускает возникновения микроскопических чёрных дыр в коллайдере. Однако они будут возникать, если верны теории с дополнительными пространственными измерениями. По мнению сторонников катастрофического сценария, хотя такие теории и умозрительны, вероятность того, что они верны, составляет десятки процентов. Излучение Хокинга, приводящее к испарению чёрных дыр, также является гипотетическим -- оно никогда не было экспериментально подтверждено. Поэтому есть достаточно большая вероятность того, что оно не действует.

Сравнение с природными скоростями и энергиями. Ускоритель предназначен для сталкивания таких частиц, как адроны и атомарные ядра. Однако существуют природные источники частиц, скорость и энергия которых значительно выше, чем в коллайдере. Такие природные частицы обнаруживают в космических лучах. Поверхность планеты Земля частично защищена от этих лучей, но, проходя через атмосферу, частицы космических лучей сталкиваются с атомами и молекулами воздуха. В результате этих природных столкновений в атмосфере Земли рождается множество стабильных и нестабильных частиц. В результате, на планете уже в течение многих миллионов лет присутствует естественный радиационный фон.

Микроскопические чёрные дыры. Если чёрные дыры могут возникать в ходе столкновения элементарных частиц, они также будут и распадаться на элементарные частицы, в соответствии с принципом CPT-инвариантности, являющимся одним из самых фундаментальных принципов квантовой механики.

Далее, если бы гипотеза существования стабильных чёрных микродыр была верна, то они бы образовывались в больших количествах в результате бомбардировки Земли космическими элементарными частицами. Но бомльшая часть прилетающих из космоса высокоэнергетических элементарных частиц обладают электрическим зарядом, поэтому часть чёрных дыр были бы электрически заряжены. Эти заряженные чёрные дыры захватывались бы магнитным полем Земли и, будь они в самом деле опасны, давно разрушили бы Землю. Механизм Швиммера, делающий чёрные дыры электрически нейтральными, очень похож на эффект Хокинга и не может работать, если эффект Хокинга не работает.

К тому же, любые чёрные дыры, заряженные или электрически нейтральные, захватывались бы белыми карликами и нейтронными звёздами (которые, как и Земля, бомбардируются космическим излучением) и разрушали их. В результате время жизни белых карликов и нейтронных звёзд было бы гораздо короче, чем наблюдаемое в действительности. Кроме того, разрушаемые белые карлики и нейтронные звёзды испускали бы дополнительное излучение, которое в действительности не наблюдается.

Наконец, теории с дополнительными пространственными измерениями, предсказывающие возникновение микроскопических чёрных дыр, не противоречат экспериментальным данным, только если количество дополнительных измерений не меньше трёх. Но при таком количестве дополнительных измерений должны пройти миллиарды лет, прежде чем чёрная дыра причинит Земле сколько-нибудь существенный вред.

Страпельки. Частицы, состоящие из верхних, нижних и странных кварков, обильно производятся в лабораторных условиях, но распадаются за время порядка 10-9 сек. Существует гипотеза, что достаточно большие ядра, состоящие из примерно равного количества верхних, нижних и странных кварков, являются стабильными, поскольку кварки относятся к фермионам, а принцип Паули запрещает двум одинаковым фермионам находиться в одном и том же квантовом состоянии. Если в ядре есть три разных типа кварков, а не два, как в обычных ядрах, то большее количество кварков может находиться в низкоэнергетических состояниях, не нарушая принципа Паули. Такие гипотетические ядра, состоящие из трёх типов кварков, называются страпельками.

Гипотетически возможно, что страпельки каким-то неизвестным нам образом катализируют превращение обычной материи в страпельки, что может привести к превращению в страпельки всей планеты. Однако даже в этой ситуации коллайдер не представляет опасности, поскольку энергии столкновения частиц там на порядки выше, чем те, при которых могут образовываться ядра (будь то обычные или страпельки). Кроме того, если бы страпельки возникали в БАК, они бы в ещё больших количествах возникали и в релятивистском ускорителе тяжёлых ионов RHIC, поскольку количество столкновений там выше, а энергии ниже. Но этого не происходит.

Машина времени. По информации международного издания New Scientist (англ.), профессор, доктор физико-математических наук Ирина Арефьева и член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук Игорь Волович полагают, что этот эксперимент может привести к созданию машины времени. Они считают, что протонные столкновения могут породить пространственно-временные червоточины («кротовые норы»).

Противоположных взглядов придерживается доктор физико-математических наук из НИИ ядерной физики МГУ Эдуард Боос, отрицающий возникновение на БАК чёрных дыр, а следовательно, «кротовых нор» и путешествий во времени.

Заключение

В последние годы все большее значение приобретают такие ускорители, в которых разогнанные частицы сталкиваются не с неподвижной мищенью, а с пучком частиц, ускоренных в противоположном направлении. Преимуществом таких ускорителей (коллайдеров) является то, что они дают большой выигрыш полезной энергии, которую можно использовать для рождения новых частиц.

Трудности современного этапа в изучении фундаментальных взаимодействий связаны с двумя главными факторами.

Во-первых, строительство новых ускорителей чрезвычайно "дорогое удовольствие" - они обходятся в десятки миллиардов долларов.

Во-вторых (и это самая главная трудность), что в земных условиях самый мощный ускоритель, который человечество в принципе могло бы построить, 107 ГэВ (1 Гэв = 109 эВ), тогда что уж говорить о постройке ускорителя, достигающего энергий 1019Гэв. (Оценки показывают, что для разгона частиц до гораздо "более скромных" энергий 1015 ГэВ при самой смелой экстраполяции современных технологических возможностей необходимо иметь ускоритель с линейными размерами в несколько световых лет!)

Поэтому становится все более очевидным, что Вселенная, это единственный ускоритель, который когда-либо мог производить частицы с энергиями, достаточными для проверки выводов т.н. единых калибровочных теорий и которым мы можем пользоваться практически бесплатно! Людям нужно лишь научиться правильно обрабатывать результаты уже "поставленного эксперимента."

С этой точки зрения гораздо большие усилия в обозримом будущем следует тратить не на построение новых суперускорителей (хотя они, конечно, также нужны), а на исследования в так называемой нейтринной астрономии, направленной на регистрацию реликтовых нейтрино, т.е. нейтрино, рожденных в самые первые минуты жизни Вселенной.

Приложение

Рис. 1. К пояснению механизма автофазировки.

Рис. 2. При «бочкообразной» форме магнитного поля сила F, действующая на отклоненную частицу (1), имеет составляющую F_z, фокусирующую частицу по вертикали; F_R -- радиальная составляющая F; 2 -- полюсные наконечники.

Рис. 3. Схема расположения магнитов в сильнофокусирующем ускорителе: Д -- магниты, дефокусирующие по радиусу (n >> 1), Ф -- фокусирующие по радиусу (n << -1); пунктирная кривая -- орбита неотклонённой частицы (равновесная орбита), сплошная кривая -- орбита отклонённой частицы.

Рис. 4. Поле магнитной квадрупольной линзы: N, S -- северный и южный полюсы магнита, F -- сила действия магнитного поля на частицу, движущуюся перпендикулярно плоскости рисунка (в центре О F = 0).

Рис. 5. Распределение электрического поля в ускоряющем зазоре между электродами А и В; F_x, F_y -- продольная и поперечная составляющие силы F, действующей на частицу.

Рис. 6. Схема слабофокусирующего синхротрона или синхрофазотрона: 1 -- инжектор; 2 -- система ввода; 3 -- вакуумная камера; 4 -- сектор электромагнита; 5 -- прямолинейный промежуток; 6 -- ускоряющее устройство. Магнитное поле перпендикулярно плоскости рисунка.

Рис. 7. Схематический разрез магнита ускорителя с сильной фокусировкой: 1 -- полюсные наконечники, обеспечивающие сильное изменение магнитного поля В по радиусу; 2 -- обмотки электромагнита; 3 -- сечение вакуумной камеры.

Рис. 8. Схема движения частиц в циклотроне и фазотроне; магнитное поле перпендикулярно плоскости чертежа. 1 -- ионный источник; 2 -- орбита ускоряемой частицы (спираль); 3 -- ускоряющие электроды; 4 -- выводное устройство (отклоняющие пластины); 5 -- источник ускоряющего поля.

Рис. 9. Схематический разрез бетатрона: 1 -- полюсы магнита; 2 -- сечение кольцевой вакуумной камеры; 3 -- центральный сердечник; 4 -- обмотки электромагнита; 5 -- ярмо магнита.

Рис. 10. Схема ускорителя Видероэ с пролётными трубками: 1 -- пролётные трубки; 2 -- источник переменного напряжения; 3 -- область действия электрического поля Е.

Рис. 11. Схематический разрез резонатора (1) линейного ускорителя с дрейфовыми трубками (2). Вблизи оси электрическое поле Е сосредоточено лишь в зазорах между трубками.

Рис. 12. Схематический разрез волновода с диафрагмами (1). Стрелками показано распределение поля, бегущего вдоль волновода; 2 -- ускоряемый сгусток электронов.

Литература

1. Гринберг А. П. “Методы ускорения заряженных частиц”, М. -- Л., 1950;

2. Коломенский А. А., Лебедев А. Н. “Теория циклических ускорителей”, М., 1962;

3. Брук Г. “Циклические ускорители заряженных частиц”, пер. с франц., М 1970;

4. Вальднер О. А., Власов А. Д., Шальнов А. В. “Линейные ускорители” М., 1969;

5. Комар Е. Г. “Основы ускорительной техники”, М., 1975;

6. Соколов А. А., Тернов И. М. “Релятивистский электрон”, М., 1974.