Измерение неизмеримого - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
113
даяием большого мМ111"* и сильного магнитного поля, оказываются бесполезными.
Выход из создавшегося положения указал советский физик В. И. Векслер. Для того чтобы частица не выходила из резонанса при уменьшении частоты ее вращения, В. И. Векслер предложил питать циклотрон напряжением не с постоянной, а с уменьшающейся частотой. В опубликованной в 1944 году работе он доказал, что при выполнении определенных условий частица как бы сама "следит" за электрическим полем, пролетая щель между дуантами каждый раз в подходящие моменты времени, или, как обычно говорят, в подходящей фазе. Этот принцип, названный впоследствии принципом автофазировки, позволил использовать до конца все возможности магнита. Циклотроны с переменной частотой ускоряющего поля стали называть фазотронами, или синхроциклотронами. Один из таких ускорителей, построенный в СССР в Дубне, позволяет ускорять протоны до энергии около 700 МэВ. Диаметр полюсов магнита этого ускорителя равен 6 м, а его масса — 7000 т.
Можно было бы построить фазотрон и на еще большую энергию, но с увеличением размеров ускорительной камеры масса магнита и стоимость установки возрастают примерно пропорционально радиусу в кубе, т. е. при увеличении радиуса, например, в 2 раза стоимость возрастает в 8 раз. При этом нужную нам большую энергию частицы набирают только на самом краю магнита, а вся его середина используется только для подготовки основного цикла ускорения. Поэтому ускорители на энергии протонов выше 1000 МэВ строят уже не со сплошными, а с кольцевыми магнитами. Называются такие ускорители синхрофазотронами, или протонными синхротронами.
Ускорительная камера синхрофазотрона напоминает гигантскую баранку, вставленную в зазор кольцевого электромагнита. В нескольких местах магнит имеет разрывы, в которых находятся ионный источник, ускоряющие электроды и мишень. Для того чтобы можно было представить себе размеры подобных установок, достаточно познакомиться с характеристиками некоторых из них. Синхрофазотрон в Дубне, ускоряющий протоны до энергии 10000 МэВ (10 ГэВ), имеет радиус кольцевой камеры 28 м и массу магнита 36000 т. В нем за один оборот частица набирает энергию вс?го около 2 кэВ, так что за все время ускорения протон совершает около 4,5 миллиона оборотов и проходит путь, в два с лишним раза превышающий расстояние от Земли до Луны. Другой советский синхрофазотрон ускоряет протоны до энергии 7 ГэВ и имеет
114
радиус кольцевой камеры 40 м, причем использование нового принципа конструкции позволило уменьшить массу магнита в десять с лишним раз — до 2500 т. Еще один подобный ускоритель построен в нашей стране недалеко от Серпухова. На глубине 6 м под землей в кольцевом туннеле установлено 1200 магнитов, между полюсами которых расположена ускорительная камера. Этот гигант характеризуется следующими параметрами: радиус кольцевой ускорительной камеры — около 236 м, а масса каждого магнита 200 т. 14 октября 1967 года на серпуховском синхрофазотроне были впервые получены протоны энергией 76 ГэВ. Тогда это был самый крупный ускоритель в мире. В последующие годы в разных странах были созданы подобные ускорители на еще большие энергии. Так, в Батавии (США) построен протонный синхротрон, ускоряющий протоны до энергии 400 ГэВ. Один из самых крупных ускорителей этого типа сооружается в настоящее время в СССР около Серпухова. На нем протоны будут ускоряться до громадной энергии 3000 ГэВ (или 3 ТэВ; 1 ТэВ = 1012 эВ). Гигантское кольцо этого ускорителя будет иметь длину около 20 км, но и при такой длине окружности для удержания на ней протонов энергией 3 ТэВ требуется колоссальное магнитное поле индукцией около 5 Тл (1 Тл = 10000 Гс). Обычными стальными магнитами обеспечить такое поле нельзя, поэтому специально для данного ускорителя были разработаны магниты со сверхпроводящими обмотками, для которых по всему двадцатикилометровому кольцу придется подавать жидкий гелий.
Отсюда видно, что повышение энергии ускоряемых частиц обходится очень дорого. Опыт показывает, что стоимость ускорителя возрастает примерно пропорционально квадрату энергии ускоряемых частиц, так что сооружение современного протонного синхротрона обходится в миллионы рублей. И тем не менее в различных странах мира строятся ускорители на все большие и большие энергии.
Зачем физикам нужны частицы, ускоренные до столь больших энергий? Одной из интереснейших задач является получение и исследование новых частиц. Дело в том, что при столкновении двух частиц (например, протонов) часть кинетической энергии налетающей частицы AE может пойти в соответствии с упоминавшимся ранее соотношением теории относительности AZT = Атс2 на образование каких-то новых частиц массой Am. Чем выше энергия налетающей частицы, тем более тяжелые вторичные частицы смогут родиться. Так, при энергии протонов 290 МэВ начинают рождаться тг-мезоны, при энергии около
115
5 6 ГэВ - пары протонов и антипротонов*, а при еще больших энергиях - коротк^живущие гипероны и другие частицы с очень интересными и необычными свойствами. Но при этом далеко не вся энергия первичной частицы может пойти на создание новых частиц. Ведь кроме энергии во всех случаях должно сохраняться и количество движения частиц. Поэтому количество движения налетающей частицы должно перейти в количество движения всех вторичных частиц, которые, таким образом, обязательно будут двигаться с большими скоростями и, стало быть, унесут значительную долю энергии первичной частицы. К чему это приводит, видно на примере рождения протон-антипротонной пары. Масса протона в энергетических единицах равна примерно 0,938 ГэВ, поэтому на рождение такой пары требуется энергия около 1,9 ГэВ, но практически, как отмечалось выше, рождение протон-антипротонных пар наблюдается лишь при энергиях налетающих протонов начиная с 5,6 ГэВ, потому что 3,7 ГэВ при этом сохраняется в виде кинетической энергии разлетающихся частиц. Таким образом, большая часть полученной ценой значительных усилий и затрат энергии ускоренной частицы пропадает зря.
