Зачем ученые разгоняют частицы до гигантских скоростей

При упоминании ускорителя частиц многим представляются яркие сгустки и вспышки из фильма «Ангелы и демоны», где «снялся» ЦЕРН — Европейский центр ядерных исследований со знаменитым коллайдером. Реальность недалека от фантастики, ведь ускорители меняют устоявшиеся представления о физике и об устройстве мира. Зачем ученые разгоняют частицы и с помощью каких ускорителей? Как это связано с лечением рака и поиском углеводородов? Давайте разбираться.

Что такое ускоритель

Ускорители — сложные устройства, которые разгоняют заряженные частицы (ионы, протоны, электроны) практически до скорости света, или огромных энергий в триллионы электронвольт. Частицы ускоряются под действием электрических и магнитных полей, которые создаются в установке. Первые изменяют энергию частиц, обладающих электрическим зарядом, а вторые управляют траекторией их движения.

Размеры ускорителей варьируются от совсем компактных, практически настольных, до огромных, протяженностью в несколько километров. Их применяют в самых разных сферах — от получения рентгеновских лучей до очистки сточных вод с помощью потока ионов и выпуска транзисторов.

Любой ускоритель включает четыре элемента: источник заряженных частиц, источник электрического поля, систему электромагнитов для управления траекторией частиц и металлические вакуумные трубы, где их не тормозят ни пыль, ни воздух. От сочетания и настройки этих элементов зависит тип ускорителя.

Линейные: простые и универсальные

Конструкция линейного ускорителя — самая простая. Пучок частиц, испущенный источником (например, специальной электронной пушкой), летит по прямой и ускоряется под действием электрического поля однократно, пока не столкнется с неподвижной мишенью. Можно бить протонами о ядра молекул и получать радиоактивные изотопы для медицины, можно бомбардировать материалы для проверки их в космических условиях, а можно направлять частицы на опухоль и отрабатывать перспективные виды терапии рака.

Самый длинный в мире линейный ускоритель — 3,2 километра — расположен в Стэнфорде (США). Тоннель, по которому летят частицы, находится под землей на глубине девять метров, а над ним — галерея с оборудованием. Ускоритель-рекордсмен разгоняет электроны и позитроны до 50 миллиардов электронвольт. Частицы применяют для научных исследований и экспериментов в разных областях: от физики до медицины.

Протонный ускоритель Института ядерных исследований РАН в Троицке, имеющий длину в полкилометра, — самый большой в Евразии. На этой установке исследуют, к примеру, свойства различных материалов и получают медицинские изотопы для томографии. 

Круговые: «энергичные» и знаменитые

Если добавить линейному ускорителю магниты и закольцевать его вакуумную трубу, получится круговой, или циклический, ускоритель. В нем частицы движутся под действием двух полей: электрическое разгоняет, а магнитное закручивает траекторию частиц, чтобы они снова и снова проходили ускоряющие участки. Кольцевой ускоритель позволяет разогнать частицы до бо́льших энергий, чем в линейном.

Самый мощный кольцевой ускоритель частиц в мире — Большой адронный коллайдер. Он построен Европейским центром по ядерным исследованиям в Женеве (Швейцария). Длина основного кольца составляет почти 26,7 километра, а энергия, до которой можно разогнать частицу, — 13,6 триллиона электронвольт.

Коллайдер — это тип ускорителей не по форме, а по содержанию: в нем пучки частиц сталкивают во встречных направлениях. В Большом адронном коллайдере используют адроны — протоны и тяжелые ядра атомов. Основная задача этого исследовательского комплекса — проверка теоретических представлений о физике элементарных частиц и их изучение.

Почти 20 лет назад началось проектирование Международного линейного коллайдера. Его длина составит 31 километр — на порядок больше, чем длина нынешнего линейного рекордсмена. Предполагается, что коллайдер могут построить в Японии.

В России достраивают большой коллайдер в Дубне. Этот круговой ускоритель будут использовать для фундаментальных и прикладных исследований, включая космическую медицину и терапию онкологических заболеваний.

Синхротроны: источники полезного излучения

Приблизить скорость даже самой легкой заряженной частицы — электрона — к скорости света технически крайне сложно. Одна из помех — синхротронное излучение, или поток фотонов, которые частица испускает при движении по кривой траектории кольцевого ускорителя. Изначально такое излучение считали паразитным эффектом, отбирающим энергию частиц, но ученые нашли ему полезное применение — и создали синхротроны.

Синхротроны — это циклические ускорители для получения качественного синхротронного излучения. Им можно «просвечивать» вещество на уровне атомов и его составных, не разрушая структуру молекул: это полезно в медицине, археологии, биологии.

В синхротронах ускоряют легкие электроны и добиваются нужной яркости излучения, чтобы «видеть» более быстрые физико-химические процессы, получать больше данных и смотреть глубже в объекты исследования.

Ускорителей-синхротронов последнего четвертого поколения в мире всего три: это MAX-IV в Швеции, Sirius в Бразилии, ESRF-EBS во Франции. Четвертый строится в России — СКИФ (Сибирский кольцевой источник фотонов) планируют запустить в 2024 году в новосибирском наукограде Кольцово.

В России есть два синхротрона — в Институте ядерной физики Сибирского отделения РАН и в Курчатовском институте в Москве.

На момент пуска СКИФ станет самым современным синхротроном в мире. Циклическая часть траектории, где электроны выдают синхротронное излучение на поворотах, составит 476 метров. Рядом расположится экспериментальный зал с исследовательскими станциями.

Всего к СКИФу смогут подключиться до 30 станций, первыми станут шесть по самым востребованным направлениям науки и промышленности. Помимо исследований в области нефтегазодобычи они будут изучать структуру материалов, процесс возникновения микротрещин и ход химических реакций для решения задач электроники.