В первую очередь надо понимать, зачем вообще нужны ускорители заряженных частиц – сложные и порой опасные устройства, стоящие миллионы долларов. Вопрос: «Ай-яй-яй, на что идут наши налоги?» – в отношении фундаментальных научных исследований звучит достаточно часто.
Отмечу, что ускоренные частицы встречаются не только в циклотронах и синхрофазотронах, но и в знакомых многим из нас и применяющихся на практике устройствах. Например, в электронно-лучевой трубке (кинескопе) используется направленный поток электронов, который движется к экрану (мишени): это позволяет преобразовать электрический сигнал в изображение (оптическую информацию) и наоборот. Так что если у вашей бабушки сохранился телевизор с ЭЛТ, то вот вам простейший ускоритель. Ещё пример – обычный рентген в поликлинике. Рентгеновские лучи генерируются с помощью специальной электровакуумной трубки, которая является, по сути, ускорителем электронов. Когда разогнанные электроны попадают в материал анода и тормозятся, они резко теряют энергию, испуская так называемое тормозное излучение в рентгеновском диапазоне. Так что рентгеновская трубка тоже дальний родственник Большого адронного коллайдера.
Для получения изображения на экране или генерации рентгеновского излучения слишком мощный ускоритель не нужен, он даже будет вреден. А вот того, чтобы разгонять частицы до очень высоких энергий, он понадобится. Такие частицы являются мощнейшим исследовательским инструментом, изучение их столкновений друг с другом и с различными мишенями может многое сказать о физических свойствах самих частиц, мишеней и в целом об окружающем мире. Ускоритель в этом плане можно назвать микроскопом, который позволяет исследовать мир элементарных частиц, а энергию соударения – смысловым аналогом разрешающей способности объектива, то есть чем выше энергия, тем больше информации об исследуемых объектах мы получаем.
«Как столкновение может о чём-то рассказать?» – спросите вы. Я отвечу: «Косвенно». Нам не под силу заглянуть внутрь атомного ядра с помощью даже самых мощных микроскопов. Значит, информацию нужно получить каким-то другим способом.
Столкновение двух частиц приводит к тому, что из их энергии рождаются новые частицы. Помните знаменитую эйнштейновскую формулу E = mc2? В соответствии с этой формулой при столкновении двух высокоэнергетических частиц могут рождаться другие частицы, если их масса будет меньше энергии исходных частиц.
Энергия частиц измеряется в электрон-вольтах (эВ), где 1 эВ – это энергия, которую приобретает частица с единичным зарядом (например, электрон), проходя разность потенциалов в 1 вольт. Энергии, превышающие энергию покоя частицы (то самое mc2, где m – масса покоя частицы), считаются высокими. Когда частица разогнана до подобной энергии, её скорость приближается к световой, а если на её пути поставить мишень – чаще всего это ядра какого-нибудь элемента, – то образуются продукты соударения, которые можно исследовать, получая информацию об исходных частицах.
Данные о результатах столкновения регистрируются с помощью специальных блоков – детекторов, которые фиксируют заряд, энергию и направление движения образующихся частиц, тем самым позволяя определять их тип. Детекторы могут быть очень разными – от простейших (фотоплёнка) до сложнейших устройств высотой с четырёхэтажный дом.
Введение в ускорители
Ускоритель заряженных частиц – это устройство, которое использует комбинацию электрических и магнитных полей. Электрическое поле ускоряет заряженные частицы, а магнитное определяет направление их движения. Но основной вопрос, который, наверное, возникает у читателя: зачем ускорители строят такими огромными? Почему Большой адронный коллайдер имеет длину кольца в 27 километров?! И почему он вообще кольцеобразный, проще ведь разгонять по прямой – или нет?
Нет. Чем больше длина траектории, тем большую энергию можно придать частицам. А по замкнутому кольцу частицы способны двигаться бесконечно, круг за кругом, и на каждом круге электрическое поле будет «подхлёстывать» их, разгоняя до всё большей и большей энергии. Конечно, существуют линейные ускорители, но максимальные энергии, достижимые в них, значительно меньше, нежели в циклических (кольцевых).
Размеры ускорителей обусловлены необходимостью поддерживать сильное магнитное поле, которое «поворачивает» частицы. Чем большую энергию при разгоне приобретают частицы и чем меньше радиус их поворота, тем большее магнитное поле требуется для удержания их на траектории. Соответственно, для того, чтобы обойтись меньшим магнитным полем, нужно увеличивать радиус: чем он больше, тем ближе траектория к прямой линии и тем меньше энергии требуется на корректировку движения. А увеличение радиуса поворота естественным образом ведёт к увеличению размера колец ускорителя.
Помимо того, при движении по круговой траектории частицы испускают так называемое синхротронное излучение, на которое растрачивается часть их энергии. Чем меньше радиус траектории, тем больше энергии частицы при повороте уходит в излучение. Когда потери энергии в единицу времени превышают энергию, которая затрачивается на разгон, ускорение прекращается. Соответственно, увеличение радиуса ускорителя позволяет уменьшить затраты на синхротронное излучение и увеличить предельную энергию, до которой можно разогнать частицы.
«Ускоритель» – это название большой группы приборов. Как я писал выше, даже телевизионная ЭЛТ представляет собой небольшой ускоритель, правда линейный и с очень маленькой энергией (10–25 кэВ). Большие ускорители могут разгонять частицы до энергий в десятки, сотни тысяч, миллионы или даже миллиарды раз выше.
Ускорители делятся на две большие конструктивные группы: линейные и циклические. Внутри этих групп существует более узкое деление в зависимости от конфигурации электрического и магнитного полей – бетатроны, циклотроны, микротроны, синхрофазотроны, фазотроны и т. д. Коллайдер – термин немного другого плана: коллайдерами называются ускорители, в которых пучки частиц не бомбардируют неподвижную мишень, а сталкиваются «лоб в лоб» с аналогичным образом разогнанным пучком (ускоритель на встречных пучках). Такая схема позволяет повысить энергию столкновений в несколько раз за счёт эффектов теории относительности.
Ещё встречается вопрос: откуда берутся частицы для ускорителя? Они берутся из ионных источников – устройств, создающих поток ионов (атомов, от которых оторваны один или несколько электронов) с помощью нагрева или электрического разряда. Например, в Большом адронном коллайдере разгоняют ионы (ядра атомов) водорода, которые получают, ионизируя водород из баллонов электрическим разрядом.
Наверное, у меня получился довольно сумбурный текст. Это связано с тем, что всю теорию ускорителей нельзя уместить в такой небольшой объём. Если вам интересны различные устройства для разгона частиц, принципы их действия и цели разработки, вы можете прочесть об этом в других, специализированных изданиях. Я же просто изложил вам основные принципы, необходимые для того, чтобы понимать, что же изобрёл Владимир Иосифович Векслер.
Первые ускорители
Самыми первыми циклическими ускорителями частиц стали циклотроны. В циклотроне пучки частиц, подгоняемые высокочастотным электрическим полем, движутся по спиральной траектории в постоянном и однородном магнитном поле. Циклотрон представляет собой вакуумную камеру, в которой расположены два полуцилиндра (дуанта), раздвинутых на небольшое расстояние, и мощный электромагнит. Пучок частиц движется по заданной магнитным полем траектории и каждый раз, попадая в зазор между дуантами, получает разгонный импульс от электрического поля. Траектория частиц при этом представляет собой спираль. На последнем, самом широком витке спирали частицы выводятся на прямолинейную траекторию и отправляются в мишень.
Обычный циклотрон позволяет разгонять протоны до энергий 20–25 МэВ. Его специфическая модификация (изохронный циклотрон) с переменным магнитным полем позволяет достигать около 1000 МэВ энергии, что тоже относительно мало в сравнении с ускорителями других типов. Зато циклотрон может быть достаточно компактным и потому ускорители этого типа применяются в практических, а не только в исследовательских целях – например, медицинские циклотроны генерируют пучки частиц для радиационной терапии.
Саму идею циклического ускорителя впервые выдвинули в Германии в середине 1920-х годов. Ещё в 1927 году физик Макс Штеенбек разрабатывал подобную систему для компании Siemens, но дальше чертежей дело не пошло. Впоследствии Штеенбек построил первый в мире работающий бетатрон (это ещё одна разновидность циклического ускорителя). В 1929 году венгерский физик Лео Силард запатентовал циклотрон, но его система тоже осталась на бумаге.
В итоге первый в мире циклический ускоритель частиц был построен в 1932 году в США, в Калифорнийском университете в Беркли. Патент на систему принадлежал физику Эрнесту Лоуренсу, немалый вклад в разработку сделал его же студент Милтон Стэнли Ливингстон. Занятно, но первый пробный циклотрончик (иначе не скажешь) они построили двумя годами раньше – он разгонял частицы всего до 80 кэВ, но Ливингстон защитил на этом материале диссертацию. Так или иначе в последующие годы под руководством Лоуренса было построено несколько циклотронов всё большей и большей энергии – к 1939 году он разогнал частицы в циклотроне до 16 МэВ.
В СССР шла аналогичная работа. У советских физиков 1930-х годов был доступ к материалам зарубежных коллег, и практически сразу после постройки Лоуренсом циклотрона в 1932 году физики Лев Мысовский и Георгий Гамов разработали проект метрового циклотрона для Радиевого института в Ленинграде. В работе также принимали участие знаменитый в будущем, а пока совсем молодой Игорь Курчатов и один из основателей Радиевого института Виталий Хлопин. В 1937 году был запущен первый советский (и европейский) циклотрон. Гамов этого не застал. Из группы специалистов, работавших над устройством, он больше всего времени проводил за границей в рабочих командировках, в период с 1928 по 1931 год объездил ведущие лаборатории мира, а в 1933-м во время очередной командировки на Сольвеевский конгресс в Брюсселе Гамов отказался возвращаться и спустя семь лет стал гражданином США.
С циклотрона Радиевого института началась работа над ускорителями в СССР – наравне с работой, которая велась в США, Германии, Дании и других странах мира. Новые схемы циклических ускорителей, позволяющие преодолевать различные ограничения, появлялись и продолжают появляться регулярно. В 1945 году физик Эдвин Макмиллан разработал и построил первый синхротрон; годом позже под его же руководством 470-сантиметровый циклотрон в лаборатории Лоуренса (ныне Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли) был модифицирован в синхроциклотрон; в 1954 году в Беркли появился первый беватрон (то есть ускоритель с энергией порядка нескольких ГэВ); в 1970-м в национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми – первый тэватрон (с энергией порядка нескольких ТэВ) и т. д.
В эту «гонку тронов» внесли свой вклад и советские учёные.
Принцип автофазировки
Над разработкой ускорителей в СССР работало немало выдающихся учёных, но именно изобретательское направление ассоциируется с конкретным человеком – Владимиром Иосифовичем Векслером. Векслер родился в 1907 году, в 1931-м окончил Московский энергетический институт, после работал во Всесоюзном электротехническом институте, потом в Физическом институте АН СССР – в общем, его трудовой путь можно назвать примером идеальной советской научной карьеры, которой чудом не коснулись ни сталинские репрессии, ни изоляция от мирового сообщества (не без оговорок, но об этом я расскажу позже), ни регулярные смены курса правящей партии.
В 1940 году Векслер защитил докторскую и остался работать в Физическом институте АН СССР. Он активно публиковался в научных журналах и считался одним из молодых светил советской ядерной физики. А в 1944 году Векслер первым в мире сформулировал принцип автофазировки.
Как уже говорилось ранее, когда пучок заряженных частиц разгоняется в циклическом ускорителе, он многократно проходит через ускоряющие промежутки. Для эффективного разгона необходимо, чтобы в эти моменты направление движения частицы и направление электрического поля совпадали, то есть движение частицы и изменение поля надо синхронизировать. Для синхронизации частота обращения частицы должна быть или равна, или кратна частоте электрического поля, при этом частица всегда будет пролетать ускоряющий промежуток при одном и том же значении фазы поля, получать энергию – и ускоряться. Именно на таком принципе и работает циклотрон: в нём частицы движутся в постоянном магнитном поле с постоянной частотой обращения, равной частоте ускоряющего поля.
Но при достижении энергией частицы достаточно высокого значения синхронизация сбивается. Связано это вот с чем. При скоростях, значительно меньших скорости света, кинетическая энергия пропорциональна квадрату скорости:
Но если скорости приближаются к скорости света, то, в соответствии с теорией относительности равенство нарушается (что эквивалентно возрастанию массы m). А это, в свою очередь, ведёт к замедлению обращения частицы по мере роста энергии – собственно, период обращения частицы становится прямо пропорциональным её энергии.
Частота обращения уменьшается, перестаёт совпадать с частотой разгоняющего электрического поля, и частицы выпадают из ускоряемого пучка. Если у нас одна частица, то мы можем подгонять под изменение её частоты обращения частоту поля, снижая по ходу ускорения или изменяя величину магнитного поля. Но если частиц миллионы и миллиарды, то у них существует разброс энергий (иначе говоря, каждая ведёт себя немного по-своему) и подстроиться под все попросту невозможно. Это и есть естественное ограничение циклотрона – как уже говорилось, он позволяет разогнать частицы не более чем до 20–25 МэВ.
Итак, Владимир Векслер, исследуя описанную проблему, открыл физическое явление, названное им принципом автофазировки частиц. Представьте себе, что в процессе ускорения мы плавно увеличиваем период частоты ускоряющего поля. Некоторым частицам «повезёт»: период их обращения будет изменяться с точно такой же скоростью, и при прохождении через разгоняющий промежуток они станут получать на каждом обороте одинаковую порцию энергии для разгона. Такие частицы называются равновесными. Векслер же обнаружил, что остальные частицы с энергией, близкой к энергии равновесных частиц, тоже могут разгоняться, не «выпадая» из ускоряемого пучка, просто несколько иным путём!
Если частица имеет изначально чуть большую энергию, чем её равновесные «коллеги», то её период обращения возрастает быстрее и на очередном витке она запаздывает при подходе к ускоряющим электродам. Иначе говоря, она попадает туда в момент уменьшения поля, получает меньшую энергию и период её обращения уменьшается. Так, виток за витком, частица постепенно уменьшает период обращения вплоть до момента, когда он идеально совпадает с периодом обращения равновесной частицы, – иначе говоря, приближается к резонансу.
Но на этом уменьшение не останавливается, и частица продолжает приобретать энергию, меньшую, чем равновесная, постепенно уходя в другую крайность. Эффект начинает работать в обратную сторону: частица имеет меньшую энергию, чем равновесная, её период обращения уменьшается, и на очередном витке она проходит ускоряющий промежуток слишком рано, в момент увеличения поля. В целом же и отстающие, и опережающие частицы колеблются около равновесной фазы и постепенно собираются к ней – это и называется автофазировкой.
Визуально её можно представить вот так:
Пересечения штриховой линии с графиком колебания энергии частицы – это те самые точки, в которых частица получает ускорение. Хорошо видно, что частица колеблется вокруг нужной фазы. Энергию она приобретает неравномерно – то побольше, то поменьше.
Вы скажете: это же открытие, а книга-то об изобретениях! С одной стороны, вы будете правы. Но с другой – именно открытие принципа автофазировки привело к появлению нового поколения ускорителей частиц, то есть к изобретению в прямом смысле слова. И это изобретение первым тоже описал именно Владимир Векслер.
Микротрон и синхротрон
Принцип автофазировки лёг в основу нового класса приборов – резонансных ускорителей, описанных Векслером в 1944 году. Устойчивость нужных режимов для подобных ускорителей математически рассчитал коллега Векслера по ФИАН Евгений Фейнберг.
Первыми двумя представителями этого класса стали микротрон и синхротрон. В микротроне магнитное поле и частота электрического поля постоянны, а период обращения (и траектория) частиц меняется так, что на каждом следующем обороте они все равно проходят ускоряющий промежуток в нужной фазе поля. В синхротроне орбиты частиц не меняются, возрастает только магнитное поле, а электрическое имеет постоянную частоту. Принцип, который лёг в основу обеих схем, Векслер описал в знаменитом докладе «Новый метод ускорения релятивистских частиц» 25 апреля 1944 года. Этот доклад ссылается и на Лоуренса, и на Керста (изобретателя изохронного циклотрона), но вводит понятие автофазировки, открывая бесконечное поле для новых разработок в области ускорения частиц.
Но Векслеру не повезло, причём не повезло дважды. Во-первых, в Европе свирепствовала война. Да, в ней уже произошёл перелом, советские войска теснили фашистов, наконец-то забрезжил свет победы – но, объективно говоря, Европе и СССР было не до науки. Конечно, учёные продолжали вести исследования, публиковать статьи, делать открытия, но темпы этой работы были очень низкими, в том числе из-за нарушенных каналов связи между научными сообществами.
Кроме того, Векслеру не повезло с тем, что внешнеполитические отношения сильно охладились. Сделай он своё открытие в 1930-е годы – и его статья в считаные недели была бы переведена на английский и появилась в научных журналах США и Великобритании. Но начиная с середины сороковых количество «творческих командировок» сократилось в разы, научные статьи чаще всего оставались внутри советского исследовательского сообщества и переводились с большой задержкой. Поэтому работа Векслера осталась незамеченной миром, несмотря на то что в июле 1944 года он опубликовал статью под названием «О новом методе ускорения релятивистских частиц».
В результате в 1945 году, несколько позже Векслера, принцип автофазировки независимо сформулировал американский физик Эдвин Макмиллан, уже упоминавшийся в этой главе. Он же, базируясь на принципе автофазировки, спроектировал первый в истории синхротрон. Знаменитый Большой адронный коллайдер является по конструкции именно синхротроном, и энергии, до которых он может разогнать частицы, достигают 6,5 ТэВ. Впоследствии, к слову, справедливость была восстановлена: Макмиллан признал первенство Векслера в открытии, а в 1963 году оба учёных разделили премию «Атомы для мира» (Atoms for Peace Award) за вклад в технологии мирного использования атома (Векслер стал единственным русским обладателем этой награды).
Если конкретизировать, то резонансный ускоритель, который Векслер приводил в своей статье в качестве теоретического примера, всё-таки микротрон. Вот почему нередко можно услышать утверждение, что «Векслер изобрёл микротрон, а Макмиллан – синхротрон». Но это не совсем корректно. Я бы сказал, что оба исследователя примерно в одно время независимо изобрели и то и другое. Что интересно, новую схему ускорителя Векслер в своей работе описал в сугубо теоретических целях, чтобы на примере мысленного эксперимента продемонстрировать принцип автофазировки. Иначе говоря, Векслер если и думал в тот момент о физическом воплощении микротрона, сам не сделал сколь-нибудь заметных шагов к реализации идеи.
В 1960-х годах другой советский физик, Андрей Коломенский, усовершенствовал идею Векслера, предложив концепцию разрезного микротрона. По сути, он представляет собой тот же микротрон, который разрезан пополам, а полукруглые его половинки раздвинуты. При этом ускоряющий резонатор, придающий частицам разгонный импульс, остаётся между половинками. Таким образом получается гибрид циклического и линейного ускорителей – частицы разгоняются на линейном участке, разворачиваются по полукруглой траектории в одной из половинок, снова разгоняются. Это позволяет достигнуть равномерного и постоянного разгона – внутри разрезного микротрона всегда присутствуют частицы, находящиеся на той или иной стадии ускорения. Это и есть преимущество микротрона перед другими ускорителями: они обычно работают в импульсном режиме, разгоняя частицы в течение коротких периодов времени, микротрон же позволяет получать частицы высокой энергии практически непрерывно.
Несмотря на то что теоретические выкладки по микротрону были сделаны в СССР, первый экспериментальный микротрон «в металле» построили в 1948 году в Оттаве, а первую практически использовавшуюся для экспериментов машину сделали ещё позже – в 1961 году в Университете Западного Онтарио (Лондон, Канада). Разрезные микротроны ввиду непрерывности потока частиц с 1970-х используются не только в лабораторных исследованиях, но и на практике – для радиотерапии.