График
Первый запуск длился с 2016 по 2018 год. Источник пара длиной 10 метров был установлен 11 февраля 2016 года, а первый пучок протонов был отправлен через линию пучка и пустой источник пара 16 июня 2016 года. Первые данные с пучком протонов Внутри плазма была приобретена в декабре 2016 года.26 мая 2018 года компания AWAKE впервые ускорила электронный пучок. Пучок ускорялся с 19 МэВ до 2 ГэВ на расстоянии 10 м.
Второй запуск запланирован на 2021–2024 годы. Градиент ускорения будет увеличен, а эмиссия ожидается сокращение. Планируется увеличить энергию электронов до 10 ГэВ. После этого этапа цель состоит в том, чтобы увеличить энергию как минимум до 50 ГэВ и обеспечить лучи для первых применений.
Как фотоны преобразуются в материю?
Как следует из названия коллайдера, ускорение ионов – это ускорение атомных ядер, лишенных своих электронов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а протоны (внутри ядра) имеют заряд положительный, в результате процесса Брейта-Уилера остается ядро с положительным зарядом. Чем тяжелее элемент, тем больше в нем протонов и тем сильнее положительный заряд образующегося иона.
В ходе исследования команда использовала ионы золота, которые содержат 79 протонов, и мощный заряд. Когда ионы золота ускоряются до очень высоких скоростей, они генерируют круговое магнитное поле, которое может быть таким же мощным, как перпендикулярное электрическое поле в коллайдере. Там, где они пересекаются, эти равные поля могут создавать электромагнитные частицы, или фотоны.
Диаграмма, показывающая, как близкое попадание ионов золота приводит к столкновениям фотонов. (Изображение предоставлено исследователями Брукхейвенской лаборатории)
Вот где происходит волшебство: когда два иона просто разминулись, два их облака фотонов могут взаимодействовать и сталкиваться. Сами столкновения обнаружить невозможно, но возникающие в результате электрон-позитронные пары поддаются наблюдению. «Однако одного обнаружения электрон-позитронной пары недостаточно», – пишут авторы исследования.
Дело в том, что фотоны, образующиеся в результате электромагнитного взаимодействия, являются виртуальными фотонами, ненадолго появляющимися и исчезающими, и не имеют той же массы, что и их «реальные» аналоги. А для наблюдения процесса Брейта-Уилера должны столкнуться два реальных фотона, а не виртуальных.
Процесс Брайта-Уилера
Но при релятивистских скоростях виртуальные частицы могут вести себя как настоящие фотоны. К счастью, теперь физики могут определить, какие пары электрон-позитрон образуются в процессе Брейта-Уилера: они проанализировали 6000 пар электронов и позитронов, которые образовались в ходе столкновения ядер атомов золота на коллайдере (RHIC). Также физики измерили все распределения энергии, массы и квантовые числа систем.
Следует также отметить, что работа команды в высшей степени убедительна – по крайней мере, она показывает, что исследователи идут по правильному пути. Ну а пока они будут продолжать наблюдения за созданием материи, мы смело можем ожидать дальнейших и удивительных открытий.
От кинескопа до коллайдера
Простейший ускоритель состоит из… одного-единственного кристалла, обладающего пироэлектрическими свойствами, то есть способного электризоваться при нагреве. В некоторых кристаллах, например LiTaO3, удается достичь разности потенциалов до ста тысяч вольт. Находящиеся поблизости свободные электроны и ионы под действием электрического поля разгоняются до энергий порядка 100 кэВ — этого уже достаточно для изучения некоторых ядерных процессов. Например, в 2005 году исследовательская группа из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе сумела запустить на этом природном мини-ускорителе реакцию термоядерного синтеза. Правда, для энергетики эта схема не представляет интереса из-за чрезвычайно низкого КПД.
Пироэлектрические кристаллы — скорее курьез, но этот пример иллюстрируют главную идею, лежащую в основе всех ускорителей: заряженные частицы ускоряются электрическим полем. И потому современные ускорители — это в первую очередь результат развития электротехники в сочетании, конечно, с достижениями других разделов физики, применяемых для решения возникающих проблем.
Стартовой точкой ускорителя является источник заряженных частиц. Например, источником электронов может служить любой нагретый кусок металла, из которого постоянно выскакивают электроны и тут же возвращаются обратно. Если рядом поместить проволочную сетку и приложить к ней напряжение, эти электроны потянутся к ней и, пролетев насквозь, устремятся к экрану-аноду, образовав пучок частиц невысокой энергии. Именно так работает «домашний ускоритель на 10 кэВ» — электронно-лучевая трубка в старых телевизорах.
10 кэВ — это очень небольшая энергия, для изучения ядерных явлений ее недостаточно. Поэтому эру ускорительной техники физики отсчитывают от начала 1930-х годов, когда появились сразу две схемы ускорения частиц до энергий около 1 МэВ. В 1932 году Джон Дуглас Кокрофт и Эренст Уолтон в Кембридже сконструировали каскадный 800-киловольтный генератор постоянного напряжения, который открыл новую эру в экспериментальной ядерной физике. Уже в первом своем эксперименте они направили пучок ускоренных протонов на мишень из лития-7 и наблюдали самую настоящую ядерную реакцию: ядро лития захватывало протон и затем разваливалось на две альфа-частицы.
Ожидаемые открытия
По словам Гшвентер, следующим шагом в проекте AWAKE будет работа над качеством пучка и над возможными физическими приложениями использования этого метода. «В этом нам также понадобятся работы Института им. Будкера, так как у нас очень много вопросов
Как много мы сможем ускорить частиц? Какой длины должна быть плазменная ячейка? Сколько должно быть таких ячеек? Каким должен быть между ними зазор? Это важно, во-первых, для обоснования следующего этапа проекта, во-вторых, для прогнозирования успешности будущих экспериментов», — сказала она
30.08.2018 14:00
Комментариев пока нет
Пожалуйста, авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий.
Я согласен(на) на обработку моих персональных данных. Подробнее
Взять с поличным
Но разогнать и столкнуть частицы — это только полдела. Необходимо еще и зарегистрировать рожденные в столкновении вторичные частицы. Этим занимаются не сами ускорители, а другие научные аппараты — детекторы.
На заре ядерной физики для регистрации частиц использовались люминесцентные экраны и фотоэмульсии. Люминесцентные экраны похожи на экран телевизора: частица попадает в какую-то точку экрана, выделяет там энергию, которая затем превращается в короткую вспышку света. С помощью этого нехитрого приспособления можно было наблюдать за рассеянием частиц в реальном времени.
Фотоэмульсии удобны для наблюдения за частицами космических лучей. Запущенная на аэростате стопка фотоэмульсионных пластинок в течение долгого времени подвергается бомбардировке космическими частицами, а после проявки изучаются оставленные ими треки, которые образуются из-за ионизации атомов вдоль пути энергичной заряженной частицы. Огромное преимущество такого метода регистрации — возможность видеть ход реакции, пусть и не в реальном времени. Вот трек входящей частицы, здесь произошло столкновение, а вот следы вторичных частиц. Изучая длину и толщину треков и используя законы механики, можно узнать, что это за частицы, как они взаимодействуют и сколько времени живут до распада.
Следующим шагом стало изобретение пузырьковой камеры. В ней под высоким давлением находится сжиженный газ в состоянии, близком к закипанию. При резком понижении давления жидкость становится термодинамически неустойчивой и начинает вскипать. Если в этот момент сквозь камеру пролетит заряженная частица, то первые пузырьки появятся как раз на оставленном ею ионизационном следе. Спустя долю секунды давление возвращают в норму, жидкость больше не стремится закипеть, но вдоль всего трека остается четкий след из пузырьков. Тут же делается фотоснимок всей камеры, и спустя еще мгновение пузырьки рассасываются — камера готова к очередному циклу.
Способы ускорения частиц
Традиционный способ ускорения частиц до высоких энергий предполагает использование высокочастотных (ВЧ) резонаторов, проходя через которые, пучки ускоряются под действием электромагнитного поля.
В 2013 году в ЦЕРН началась работа над проектом AWAKE. Его основной задачей стало экспериментальное подтверждение возможность использования альтернативного метода, при котором частицы летят сквозь плазму и ускоряются под действием волн, возникающих в ней.
Сила, с которой ускоритель разгоняет частицы, называется темпом ускорения и измеряется в мегаэлектронвольтах на метр (МэВ/м). Чем больше темп ускорения, тем короче требуется ускоритель. Самый большой линейный коллайдер SLC, в котором для ускорения частиц использовались ВЧ-резонаторы, имел номинальный темп ускорения 17 МэВ/м. Он работал в Стэнфорде с 1989 по 1998 год.
В ходе проведенных учеными AWAKE экспериментов, для которых использовался синхротрон SPS — один из ускорителей, обеспечивающих протонами Большой адронный коллайдер, электроны с начальной энергией 19 мегаэлектронвольт пролетели в плазме 10 метров и увеличили свою энергию более чем в 100 раз — до 2 гигаэлектронвольт.
Эксперты признали неудовлетворительной безопасность ядерной лаборатории США в Лос-Аламосе
Теоретический координатор проекта AWAKE, главный научный сотрудник ИЯФ Константин Лотов отмечает, что новая технология позволит при существующих размерах ускорителей примерно в 100 раз увеличить энергию электронных и позитронных пучков, доступных в эксперименте. Также эта технология позволяет уменьшить размеры будущих исследовательских установок, а значит и сократить затраты на их строительство.
Оседлать волну
Большой адронный коллайдер до сих пор не нашел прямых свидетельств явлений за пределами Стандартной модели. Это заставляет физиков уже сейчас планировать новые ускорители, чтобы продвинуться еще глубже в познании микромира (см.: Куда двигаться коллайдерной физике в следующем десятилетии?, «Элементы», 20.08.2018). К сожалению, эти ускорители будут очень большими, размером в десятки километров, и потому неизбежно очень дорогими. Например, в линейном электрон-позитронном коллайдере планируется ускорять частицы сильным электрическим полем на прямолинейной траектории. Это можно сделать с помощью стоячей электромагнитной волны в специальном металлическом сверхпроводящем резонаторе. Однако тут есть предел: электрическое поле сильнее пары десятков мегавольт на метр получить не удастся. Если мы хотим разогнать электроны до энергий 250 ГэВ, потребуется разность потенциалов в 250 гигавольт, а значит, придется строить ускорительный участок длиной как минимум 10 км для электронов и столько же — для позитронов.
Прорывным решением проблемы быстрого ускорения электронов может стать принципиально иная идея — кильватерное ускорение в плазме (см. FAQ: Лазерно-плазменные ускорители, «Постнаука»). В этой схеме сверхсильное электрическое поле создается не в металлической структуре, которая всё равно его не выдержит, а в плазме, точнее, внутри маленького движущегося вперед пузырька плазменного колебания. Этот пузырек можно породить, запустив в плазму драйвер — сверхсильный лазерный импульс или компактный сгусток частиц. Драйвер возбуждает в плазме сильное поперечное колебание электронов, которое в фазе разрежения и выглядит как положительно заряженный пузырек с отрицательно заряженной задней стенкой (рис. 2). Электронный сгусток влетает в этот пузырек, располагается внутри него рядом с задней стенкой, в области подталкивающего вперед поля, и, словно оседлав волну, за короткое время ускоряется до больших энергий. (Дополнительные подробности об этом механизме ускорения можно найти в популярной лекции Артема Коржиманова На гребне плазменной волны к четкому биоимиджингу и в лекции Константина Лотова Кильватерное ускорение частиц в плазме.)
Рис. 2. Идея кильватерного ускорения. Короткий сгусток частиц влетает в плазму, запускает в ней колебания электронной плотности и создает плазменный пузырь, вблизи задней стенки которого возникает очень сильное электрическое поле. Рисунок с сайта hep.ucl.ac.uk
Этот процесс выглядит очень сложным, но кильватерное ускорение реально работает. В 2006 году было продемонстрировано ускорение электронов до энергии 1 ГэВ на участке длиной чуть более 3 см, что отвечает ускоряющему полю напряженностью 30 ГВ/м (см.: Плазменные ускорители преодолели рубеж в 1 ГэВ, «Элементы», 29.09.2006). Это достижение открывает головокружительные перспективы: ведь тот же электрон-позитронный коллайдер на 500 ГэВ можно, казалось бы, уместить в сотню метров! Увы, не так всё просто. Во-первых, до сих пор методика кильватерного ускорения была продемонстрирована только в плазменных ячейках размером в сантиметры. Хотя схему пытаются масштабировать, стыкуя друг с другом несколько плазменных ячеек (Создан лазерно-плазменный ускоритель нового поколения, «Элементы», 17.08.2011), до метровых размеров еще очень далеко. Во-вторых, ускоритель не должен слишком сильно размазывать сгусток ускоренных частиц ни в пространстве, ни по углам расхождения, ни по энергии, и достичь этого непросто.
В общем, хотя идея была в принципе реализована, до действующего ускорителя на ее основе всё еще очень далеко.
Несколько лет назад в ЦЕРНе стартовала работа над пионерским экспериментом AWAKE. Его целью должно стать превращение этой смелой идеи в надежную, стабильно работающую технологию. Главное новшество AWAKE — оригинальная схема ускорения, при которой драйвер (протонный сгусток) должен вначале сам испытать некоторое превращение, чтобы начать ускорять электроны (см. ниже). Важную роль в разработке эксперимента сыграли сотрудники Института ядерной физики имени Г. И. Будкера (см. пресс-релиз ИЯФ). В 2016 году работа вышла на финишную прямую, установка заработала, а в мае этого года на ней были проведены первые эксперименты, подтвердившие работоспособность идеи. Как сообщает статья коллаборации, опубликованная на днях в журнале Nature, в десятиметровой (!) плазменной ячейке продемонстрировано успешное устойчивое ускорение электронов с энергии 19 МэВ до 2 ГэВ.
Ускорение плазменного кильватерного поля под действием протонного сгустка
Моделирование взаимодействия сгустков протоны (красные точки) и плазма Wakefield (синие волны)
Плазма состоит из положительно заряжен ионы и отрицательно заряженные свободные электроны, оставаясь макроскопически нейтральными. Если приложить сильное электрическое поле, ионы и электроны могут быть пространственно разделены. Тем самым создается локальное электрическое поле, поэтому заряженная частица, входящая в такую плазму, может быть ускорена.Когда драйвер, положительно заряженный сгусток протонов, проникает в плазму, он притягивает отрицательно заряженные электроны плазмы, они разлетаются и начинают колебаться, создавая кильватерное поле. В взаимодействие между полем пробуждения и заряженным частица введенный за протоном можно интерпретировать как то же, что и между серфером и волной. Последний передаст свою энергию серферу, который, таким образом, получит ускорение. Кильватерное поле состоит из фазы замедления и ускорения, а также фазы фокусировки и расфокусировки. Таким образом, положение инжекции электронного сгустка в кильватерном поле имеет решающее значение, поскольку только часть (1/4) кильватерного поля одновременно сфокусирована и ускорена, что необходимо для захвата и ускорения электронов. эксперимент Wakefield с использованием пучка протонов в качестве драйвера. Протоны, например протоны, образующие СПС ЦЕРН, могут нести большое количество энергии (~ 400 ГэВ). Следовательно, они могут создавать кильватерные поля в плазме на гораздо больших расстояниях, чем лазерный импульс или сгусток электронов в качестве драйвера из-за истощения энергии.
Плазму можно рассматривать как ансамбль генераторы с частота плазменной частоты ωп2= 4nее2/ εmе, с nе плазменный электрон плотность, ме электрон масса и е элементарный заряд. Для резонансного возбуждения этих генераторов драйвер должен содержать Фурье составляющая, близкая к плазменной частоте ωп. Причем длина приводного пучка должна быть близка к длине волны плазмы λп (= 2πc / ωп с c — это скорость света ). Для ПРОБУЖДЕНИЯ как плотность (nе ≈ 1•1015 см−3) это примерно соответствует λп ≈ 1 мм. Длина имеющихся в настоящее время сгустков протонов значительно превышает это значение. Прибыль от AWAKE формируется за счет засеянной самомодуляции (SSM) протонного сгустка, проходящего через плазму, которая делит длинный протонный сгусток на короткие микропучки с длиной волны плазмы, которая может резонансно управлять кильватерным полем.
Чудеса на виражах
Типичный ускорительный комплекс представляет собой длинный кольцевой туннель с двумя вакуумированными трубами, по которым в противоположных направлениях движутся частицы. Эти кольца не идеально круглые, а, скорее, представляют собой скругленные многоугольники. На скруглениях стоят поворотные магниты, которые меняют направление пучка, а на прямых участках расположены ускоряющие элементы — клистроны, корректирующие магниты, система «впрыскивания» частиц из предварительного ускорителя, а также вспомогательная аппаратура. В нескольких точках два кольца пересекаются — именно там происходят столкновения встречных частиц, результаты которых изучаются расположенными тут же детекторами.
Успешная работа ускорителя опирается на целый ряд нетривиальных технических ухищрений. Например, в современных ускорителях пучок толщиной меньше волоса распределен вдоль кольца не равномерно, а собран в отдельные короткие сгустки, следующие друг за другом — так удобнее ускорять частицы. Но одноименные заряды, как известно, отталкиваются, и потому сгусток имеет тенденцию расплываться как в продольном, так и в поперечном направлениях. Для компенсации продольного расплывания был придуман метод автофазировки: ускоряющее поле в клистроне прикладывается таким образом, чтобы подгонять отставшие частицы чуть сильнее, а убежавшие вперед сгустка — послабее. С расплыванием в поперечном направлении справляются с помощью магнитного поля сложной формы, которое фокусирует проходящий сквозь него пучок. Такое поле действует на пучок, словно собирающая линза на луч света, его так и называют: магнитная линза.
