Первые синхротроны были так называемого слабофокусирующего типа. Вертикальная фокусировка циркулирующих частиц достигалась наклонными магнитными полями от внутреннего к внешнему радиусу. В любой момент времени среднее вертикальное магнитное поле, воспринимаемое за один оборот частицы, больше для меньших радиусов кривизны, чем для больших. Первым синхротроном этого типа был космотрон в Брукхейвенской национальной лаборатории на Лонг-Айленде. Он начал работу в 1952 году и давал протоны с энергией до 3 ГэВ. В 1960 г. действовали синхротроны слабофокусирующего типа: синхротрон на 1 ГэВ в Университете Бирмингема, Беватрон на 6 ГэВ в Радиационной лаборатории Лоуренса в Беркли, Калифорния, США, синхрофазотрон на 10 ГэВ в Дубне, Россия и 3 ГэВ Сатурн в Сакле, Гиф-сюр-Иветт, Франция. Магнитные поля обычно менялись от 0,02 тесла при энергии инжекции в несколько МэВ до примерно 1,5 тесла при конечной энергии. Эти синхротроны обычно ускоряли 10¹¹ протонов за импульс, который обычно был намного короче секунды. Интервалы между импульсами составляли несколько секунд. В начале 1960-х годов в Аргоннской национальной лаборатории недалеко от Чикаго, США, начал работу самый мощный в мире слабофокусирующий синхротрон на 12,5 ГэВ с нулевым градиентом (ZGS). Первые синхротроны были впечатляющими устройствами. Синхротрон в Дубне, самый большой из них, с радиусом 28 метров и весом магнитного железа 36 000 тонн, - единственный из этих ранних ускорителей. Он очень редко используется и может рассматриваться как памятник этой эпохи.

В 1952 году Эрнест Д. Курант, Милтон Стэнли Ливингстон и Хартланд С. Снайдер предложили схему сильной фокусировки циркулирующего пучка частиц, так что его размер может быть меньше, чем в синхротроне со слабой фокусировкой. В этой схеме поворотные магниты выполнены с переменными градиентами магнитного поля; за магнитом с осевой составляющей поля, уменьшающейся с увеличением радиуса, следует магнит с составляющей, увеличивающейся с увеличением радиуса, и так далее. Таким образом, магнит, расфокусирующий луч по вертикали, следует за магнитом, фокусирующим луч по вертикали. Таким образом, как и в оптике, где дефокусирующая и фокусирующая линзы объединены для обеспечения фокусировки, в синхротроне с переменным градиентом достигается сильная чистая фокусировка. Благодаря сильной фокусировке апертуры магнита могут быть уменьшены, и поэтому требуется гораздо меньше железа, чем для синхротрона со слабой фокусировкой сопоставимой энергии.

Первый синхротрон с переменным градиентом ускорял электроны до 1,5 ГэВ. Он был построен в Корнельском университете, Итака, штат Нью-Йорк, и был завершен в 1954 году. Предварительное ускорение проводилось на ускорителе Ван де Граафа с энергией 2 МэВ, и после инжекции на этой энергии поля кольцевых магнитов составили 0,002 тесла. Ускорение до 1,5 ГэВ происходило за 0,01 секунды, и за это время поле магнита было увеличено до 1,35 тесла. В 1958 г. в Бонне был запущен первый европейский синхротрон с сильной фокусировкой электронов (500 МэВ). Он был разработан и построен под руководством Вольфганга Пауля, лауреата Нобелевской премии по физике 1989 года за разработку метода ионной ловушки. Другие электронные синхротроны типа переменного градиента в начале шестидесятых были расположены в Гамбурге (6 ГэВ), Гарварде-Массачусетском технологическом институте, Кембридже (6 ГэВ) и в Токийском университете (1,3 ГэВ).

Вскоре после изобретения принципа фокусировки с переменным градиентом в европейской лаборатории CERN в Женеве и в Брукхейвенской национальной лаборатории на Лонг-Айленде в Нью-Йорке началось строительство двух почти идентичных очень больших синхротронов, которые все еще работают. В ЦЕРНе протоны ускоряются до 28 ГэВ, а в Брукхейвене - до 33 ГэВ. Протонный синхротрон (PS) ЦЕРН начал работу в 1959 году, а PS Brookhaven - в 1960 году.

В 1960-х годах Brookhaven PS был самым мощным из всех ускорителей, и некоторые показатели производительности могут представлять интерес. В качестве инжектора он имел линейный ускоритель, а энергия инжекции составляла 50 МэВ. Ускорение протонов осуществлялось на 12 ускорительных станциях, размещенных по окружности синхротрона. За время ускорения около одной секунды поля поворотных магнитов увеличились с 0,012 до 1,3 тесла. Это представляет собой очень большое изменение накопленной энергии, учитывая, что кольцо длиной 800 метров заполнено магнитами общим весом 4000 тонн. Интенсивность обычно составляла 10¹¹ протонов на импульс, повторяемый каждую третью секунду. Сейчас интенсивность на два порядка больше. Список используемых в настоящее время синхротронов можно найти, например, на домашней странице CERN2.

Частицы, образующиеся при столкновении пучка ионов или электронов с мишенью, могут быть преобразованы во вторичные пучки, которые нашли множество применений в науке и технике. Мы можем отличить пучки короткоживущих частиц, таких как мезоны или мюоны, от пучков долгоживущих частиц, таких как фотоны, нейтрино, позитроны, нейтроны и антипрофильтры.

Специально разработанные магниты используются для фокусировки пучков частиц. Простой фокусирующий элемент - квадрупольный магнит. Он имеет четыре железных полюса, а магнитное поле возбуждается токами в окружающих катушках. Есть два северных полюса напротив друг друга, и каждый из них имеет соседние южные полюса. Магнитное поле равно нулю на центральной оси и линейно увеличивается с увеличением расстояния от центральной оси. Квадрупольный магнит обеспечивает фокусировку в одной плоскости, например. x, z-плоскость и расфокусировка в другой плоскости, y, z-плоскости. Предполагается, что направление z совпадает с направлением луча. Как и в оптике, где комбинация фокусирующей и дефокусирующей линз может привести к чистой фокусировке, пара из двух квадрупольных магнитов может быть сконструирована так, чтобы обеспечить чистую фокусировку как в x, z-, так и в y, z-плоскостях.

Линейные ускорители

В 1924 году швед Г. Изинг предположил, что максимальную энергию можно увеличить, заменив единственный зазор, удерживающий постоянное напряжение, размещением вдоль прямой линии нескольких полых цилиндрических электродов, удерживающих импульсное напряжение. Норвежец Рольф Видероэ понял, что если фаза переменного напряжения изменится на 180 градусов во время полета частицы между промежутками, частица может набирать энергию в каждом промежутке. На основе этой идеи он построил трехступенчатый ускоритель для ионов натрия. Родилась идея линейного ускорителя. Частицы ускорялись в небольших зазорах, и между зазорами они перемещались внутри экранированных цилиндрических электродов. Усовершенствованная версия линейного ускорителя была задумана несколько лет спустя Луисом Вальтером Альваресом, который по-другому генерировал переменное напряжение; стоячие радиоволны внутри цилиндрических полостей. Эти так называемые структуры Альвареса до сих пор используются для ускорения ионов. Альварес был удостоен Нобелевской премии по физике 1968 года за его решающий вклад в физику элементарных частиц.

Эти ранние предложения были неприменимы для ускорения частиц, и разработка ускорителей электронов по-настоящему началась только после Второй мировой войны. В результате развития радиолокационных систем появились волноводы, которые можно было использовать для линейного ускорителя бегущей волны. В этом ускорителе электромагнитные волны распространяются вперед в ускорителе со скоростью света, а электроны, также движущиеся очень близко к скорости света, постоянно ускоряются вместе с волной по аналогии с серфингистом на океанской волне.

Для научных целей в настоящее время существует около 130 линейных ускорителей для электронов и позитронов и около 50 для ионов, включая протоны. Они охватывают широкий диапазон энергий от нескольких МэВ до 52 ГэВ для крупнейшего линейного ускорителя электронов, расположенного в Стэнфордском центре линейных ускорителей (SLAC). В Лос-Аламосе линейный ускоритель протонов ускоряет протоны до 800 МэВ на расстоянии 800 метров. Этот ускоритель является сердцем лаборатории мезонной физики Лос-Аламоса (LAMPF) и является крупнейшим линейным ускорителем протонов в мире. Многие линейные ускорители используются в качестве инжекторов для синхротронов.

Помимо научных ускорителей, в больницах по всему миру для лечения рака используются тысячи небольших линейных ускорителей.

Коллайдеры

В непрерывной гонке за более высокими энергиями, необходимыми для поиска неоткрытых тяжелых частиц и для исследования меньших расстояний, было обнаружено, что коллайдеры частиц превосходят другие типы ускорителей. Коллайдер состоит из одного или двух накопительных колец, в которых сгустки частиц ускоряются в противоположных направлениях, по и против часовой стрелки. Когда частицы достигают необходимой энергии, они накапливаются и заставляют сталкиваться в определенных точках по окружности кольца (колец), где размещаются детекторы для регистрации частиц, рассеянных и образовавшихся в результате столкновений. Уже в 1960-х годах новаторская работа по столкновению двух пучков электронов, циркулирующих в двух синхротронах, была проведена в Новосибирске в институте Будкера, названном в честь изобретателя электронного охлаждения пучков частиц.

Первым коллайдером, который использовался для экспериментов, были пересекающиеся накопительные кольца (ISR), которые использовались в ЦЕРН с 1971 по 1983 год. Протоны инжектировались из протонного синхротрона в два кольца, которые пересекались друг с другом на восьми пересечениях, где протоны были вынуждены сталкиваться. Могут быть достигнуты энергии столкновения до 62 ГэВ и токи протонов 30 ампер в каждом кольце. Поскольку скорость протонов близка к скорости света, запомненное количество протонов может быть легко вычислено. Зная, что окружность ISR составляла около 1 км, было обнаружено, что ток в 30 ампер соответствует 600 000 миллиардов протонов, хранящихся в каждом из колец.

Отрицательно заряженные антипротоны можно заставить циркулировать в том же кольце, что и протоны, но в противоположных направлениях. В ЦЕРНе в 1980 году впервые было показано, что с антипротонами можно обращаться и преобразовывать их в циркулирующие пучки. Антипротоны образовывались в протон-ядерных столкновениях, последовательно накапливались и формировались в узкий пучок с помощью метода охлаждения, называемого стохастическим охлаждением, изобретенного голландцем Саймоном ван дер Меером. До 1980 года антипротоны наблюдались всего за доли секунды. Антипротоны могут храниться в течение многих часов, циркулируя внутри трубки в исключительно высоком вакууме (10-12 торр), чтобы предотвратить их слишком быстрое разрушение при столкновении с нормальным веществом, то есть в этом случае с остаточными молекулами воздуха. Ожидается, что изолированные от вещества антипротоны имеют то же время жизни, что и протоны, то есть они являются стабильными частицами. Нобелевскую премию по физике 1984 года разделили Карло Руббиа и ван дер Меер за их решающий вклад в открытие полевых частиц W и Z, коммуникаторов слабого взаимодействия, которые возникают при столкновениях протонов и антипротонов, циркулирующих в противоположных направлениях в одно и то же кольцо синхротрона, СПС.

В Фермилабе недалеко от Чикаго был построен первый в мире синхротрон, основанный на технологии сверхпроводящих магнитов, и он работает с 1987 года. В магнитах со сверхпроводящими проволочными катушками протоны и антипротоны ускоряются до энергии 1000 ГэВ, накапливаются и сталкиваются. Энергию также можно выразить как один тераэлектронвольт (1 ТэВ), от которого название Тэватрон было получено для коллайдера Фермилаб. Когда в 1987 году был запущен коллайдер Тэватрон, антипротоны производились при работе Главного кольца при 120 ГэВ. Антипротоны собирались в кольце дебанчера, прежде чем они были перенесены в аккумулятор, где применялось стохастическое охлаждение. После охлаждения антипротоны инжектировались в Главное кольцо и Тэватрон для ускорения до 1 ТэВ. С недавним расширением комплекса Фермилаб, главное кольцо было заменено новым синхротроном с быстрым циклом 120 ГэВ, главным инжектором. В том же туннеле было построено накопительное кольцо на 8 ГэВ, Recycler, с использованием постоянных магнитов. Ресайклер действует как хранилище охлаждаемых антипротонов, что позволяет поддерживать высокую скорость охлаждения в аккумуляторе, которая лучше всего работает с низкими токами. Ресайклер также принимает антипротоны, оставшиеся и замедленные после завершения хранения в Тэватроне. Стохастическое охлаждение, изначально установленное в Recycler, в ближайшем будущем будет усилено добавлением электронного охлаждения.

В одном лобовом столкновении протона и антипротона в Тэватроне обычно создаются сотни новых частиц. Согласно формуле Эйнштейна E = mc², максимальная масса, которую можно преобразовать из кинетической энергии, соответствует массе примерно 2000 протонов, если вся кинетическая энергия протона и антипротона в одном столкновении должна быть преобразована в массу. Если вместо этого антипротон той же энергии столкнется с неподвижным протоном в мишени, может быть создана максимальная масса, соответствующая массе около 40 протонов. В последнем случае для массового производства доступно гораздо меньше энергии, потому что при столкновении с неподвижной мишенью импульс (движение) движущегося антипротона должен сохраняться. По той же причине лобовое столкновение между двумя движущимися автомобилями является гораздо более сильным, чем если бы одна из них была в состоянии покоя.

Коллайдер для тяжелых ионов масс до золота был запущен в 2000 году в Брукхейвене. Два кольца в этом релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) используют сверхпроводящие магниты для изгиба ионов. Он может столкнуться с любым элементом периодической системы с энергией до 100 ГэВ на нуклон. В июне 2000 г. были зарегистрированы первые столкновения с ионами золота с энергией 56 ГэВ на нуклон.

В ЦЕРНе в туннеле длиной 27 км построены два сверхпроводящих магнитных кольца для ускорения протонов и ионов. Этот Большой адронный коллайдер (LHC) обеспечил возможность изучать протон-протонные столкновения и ион-ионные столкновения с максимальной энергией, когда-либо существовавшей в лаборатории. Портал BelNET обещает опубликовать специальные материалы про LHC.

Подобно протонам и антипротонам, электроны и позитроны можно заставить циркулировать в противоположных направлениях и сталкиваться в одном синхротронном кольце. Электрон-позитронные коллайдеры с энергией столкновения от одного до десяти ГэВ являются обычными инструментами для создания мезонов, распады которых можно изучать в чистых условиях. Коллайдеры этой категории существуют в Риме, Итаке, Новосибирске, Пекине, Стэнфорде и Цукубе. Коллайдер в Пекине, запущенный в 1989 г., использовался в основном для изучения очаровательного кварка и тау-лептона. Энергия столкновения колеблется от 2 до 5,6 ГэВ. Коллайдеры в Стэнфорде и Цукубе, называемые заводами B, производят большое количество B- и анти-B-мезонов. Изучение их распадов обеспечивает лучшее понимание так называемого CP-нарушения, то есть асимметрии в распадах материи и частиц антиматерии. Фабрика Stanford B состоит из двух отдельных колец, размещенных в туннеле длиной 2,2 км. Электроны ускоряются до 9, а позитроны до 3,1 ГэВ, прежде чем они сталкиваются.

Самый большой из когда-либо построенных электрон-позитронный коллайдер LEP (Large Electron Positron collider), имел окружность 27 км и был введен в эксплуатацию в 1989 году в ЦЕРНе. На первом этапе изучались столкновения между позитронами и электронами при энергии столкновения 91,2 ГэВ, соответствующей массе покоя Z-бозона. После установки очень мощных сверхпроводящих радиочастотных ускоряющих резонаторов энергия столкновения последовательно увеличивалась и, наконец, достигла максимума 209 ГэВ. LEP прекратил работу к концу 2000 года, в то же время, когда началась установка LHC в туннеле LEP.

Интересным вариантом коллайдера был Стэнфордский линейный коллайдер (SLC). Сгустки позитронов и электронов одновременно ускорялись примерно до 45 ГэВ в линейном ускорителе длиной 3 км. В конце линейного ускорителя они были отклонены от прямых направлений влево и вправо соответственно, а затем отклонились назад и столкнулись по прямой. Сгустки частиц встретились только один раз, тогда как в обычном коллайдере они повторяются в точке столкновения. Чтобы получить достаточную скорость взаимодействия, два луча, сталкивающиеся за один проход, должны иметь чрезвычайно малые поперечные размеры. Поперечное сечение двух балок составляло всего 1 мкм в диаметре. SLC сейчас закрыт, но разработка в Стэнфорде представляет большой интерес для будущих высокоэнергетических электрон-позитронных коллайдеров, которые, чтобы избежать чрезмерного синхротронного излучения, должны быть сконструированы как два противоположно направленных линейных ускорителя, ускоряющих электроны и позитроны в направлении единственная точка столкновения.

Уточненные измерения размера электрона с помощью электрон-позитронных коллайдеров показали, что заряд электрона ограничен размерами, по крайней мере, в 1000 раз меньшими, чем размер протона. Очевидно, что для исследования внутренней структуры протона предпочтительнее использовать электрон по сравнению с протоном, который сам имеет структуру. Изучение структуры протона является основной целью исследований на единственном электрон-протонном коллайдере, коллайдере HERA в DESY в Гамбурге. В HERA электроны с энергией 27 ГэВ сталкиваются с противоположно движущимися протонами с энергией 920 ГэВ. Сверхпроводящее протонное кольцо помещено поверх электронного кольца, построенного из обычных магнитов, в туннеле длиной 6,3 км.

Для будущих ускорителей электронов в диапазоне ТэВ потребуется очень высокий градиент ускорения на метр, чтобы не быть чрезмерно длинными. Разработка сверхпроводящих радиочастотных резонаторов в DESY в Гамбурге позволила достичь градиента ускорения 30 МВ на метр. Так называемый метод двухлучевого ускорения, разработанный в рамках проекта CLIC в ЦЕРНе, использует ускоряющее напряжение очень высокой частоты, 30 ГГц, что приводит к ускорению резонаторов размером сантиметр. Вместо возбуждения ускоряющих резонаторов с помощью клистронов, они возбуждаются с помощью низкоэнергетического сильноточного пучка электронного привода. С этой схемой был продемонстрирован ускоряющий градиент 100 МВ на метр. Такие разработки очень важны в связи с будущим линейным электрон-позитронным коллайдером (Future Linear Collider), который в настоящее время рассматривается в США, Европе и Японии. Цель состоит в том, чтобы получить энергию ускорения 150 МэВ на метр, и если эта цель будет достигнута, два линейных ускорителя длиной 10 км каждый дадут энергию столкновения 3000 ГэВ. Портал BelNET обещает специально вернуться к теме будущего линейного коллайдера - International Linear Collider (ILC).

Полный материал, размещенный на сайте Нобелевского комитета, содержит также обзор истории открытия и создания синхротронного излучения, электронов и тяжелых ионов, фабрик мезонов и источников нейтронов. Портал BelNET верннтся к этим темам.

Дополнительные важные ссылки:

1. CERN
2. DESY
3. GSI
4. ESFR
5. LANL
6. ILC