Ускорители

    Основными источниками пробных частиц в субатомных экспериментах являются ускорители. Необходимость использования ускорителей для исследования структуры микромира очевидна. Во-первых, атомные ядра и элементарные частицы занимают очень малые области пространства, и проникновение в эти области требует высокой разрешающей способности зондирующего пучка, обеспечивающей взаимодействие отдельной пробной частицы с отдельным микрообъектом. Во-вторых, чем меньше микрообъект, тем он прочнее и проведение экспериментов с перестройкой или разрушением внутренней структуры такого объекта также требует большей энергии.
    Зная размеры изучаемого объекта, легко оценить энергию пробных частиц, необходимую, для его изучения. Всякая частица обладает волновыми свойствами. Длина её волны зависит от импульса и дается формулой де Бройля

Приведенная формула даёт также связь между длиной волны релятивистской частицы и её кинетической энергией Е (использовано численное значение переходной константы ћc = 197 МэВ^.Фм200 МэВ^.Фм и ультрарелятивистское приближение для импульса – p = T/c).
    В эксперименте по рассеянию структура объекта становится “видимой”, если длина волны де Бройля сравнима или меньше размера (радиуса) объекта R, т. е. при < R. При использовании в качестве зондирующих частиц электронов внутрь ядра можно “заглянуть”, если энергия электрона будет превышать 100 МэВ. Для наблюдения структуры нуклона энергия электрона должна уже исчисляться гигаэлектронвольтами (1 ГэВ = 10⁹ эВ). Современные ускорители позволяют ускорять частицы до энергии нескольких ТэВ (1 ТэВ = 10¹² эВ). Для сравнения укажем, что кинетическая энергия летящего москита приблизительно 1 ТэВ.
    Рождение новых частиц происходит в результате преобразования кинетических энергий взаимодействующих (сталкивающихся) частиц. Чем больше масса частицы, которую необходимо получить в столкновении, тем больше должна быть энергия сталкивающихся частиц.
    В принципе ускоритель позволяет сформировать пучок пробных частиц с требуемыми для эксперимента характеристиками (энергией, потоком или интенсивностью, пространственными размерами и т. д.). Для ряда экспериментов необходим пучок, так называемых, поляризованных частиц, т. е. частиц, спины которых направлены в одну сторону (выстраивание спинов достигается пропусканием пучка частиц через сильное магнитное поле). В современных ускорителях, предназначенных для изучения элементарных частиц, могут ускоряться античастицы (позитроны, антипротоны) и для многократного роста эффективности использования энергии частиц их пучки в ряде установок (коллайдерах) после завершения ускорительного цикла сталкиваются (встречные пучки).
    Ускорители различаются типом ускоряемых частиц, характеристиками пучка (энергией, интенсивностью и др.), а также конструкцией. Наиболее распространены ускорители электронов и протонов, поскольку пучки этих частиц проще всего приготовить. Есть ускорители более тяжелых частиц – дейтронов (ядер дейтерия ²H), -частиц (⁴He), а также ионов других ядер, в том числе и тяжёлых, таких как свинец. Современные ускорители высокой энергии оснащаются системами генерации пучков вторичных частиц. В качестве последних могут быть пионы, мюоны, нейтрино и др. С помощью пучков вторичных частиц (в частности, нейтрино и антинейтрино) выполнены многие важные эксперименты.

Ускоритель и его место в эксперименте

    В ускорителях увеличение энергии заряженных частиц происходит под действием электрического поля, направленного вдоль импульса частицы. Любой ускоритель конструктивно состоит из трёх частей (см. рисунок) – системы, где “изготавливаются” ускоряемые частицы (инжектор), ускорительной системы, где низкоэнергичные частицы от инжектора (обычно сформированные в виде локализованных в пространстве сгустков) увеличивают энергию до проектной, и системы транспортировки (вывода) пучка к экспериментальной установке.
    Условно, с точки зрения траектории, по которой частицы двигаются в процессе ускорения, ускорители можно разбить на два класса – линейные (и прямого действия) и циклические. Как следует из самих названий, в линейных ускорителях частицы в процессе ускорения двигаются прямолинейно, а в циклических – либо по одной и той же замкнутой траектории, многократно проходя одни и те же ускоряющие промежутки (синхротроны), либо по траектории, напоминающей раскручивающуюся спираль (циклотроны, микротроны).

[Ускорители]