Прискорювач протонів: історія створення, етапи розвитку, нові технології, запуск колайдера, відкриття і прогнози на майбутнє

Ще кілька років тому передбачали, що, як тільки в дію буде пущений адронний коллайдер, настане кінець світу. Цей величезний прискорювач протонів і іонів, збудований у швейцарському Церні, по праву визнається самим великим експериментальним спорудою в світі. Він був побудований десятками тисяч науковців з багатьох країн світу. Його справді можна назвати міжнародним інститутом. Однак все починалося на зовсім іншому рівні, насамперед для того, щоб можна було в прискорювачі визначити швидкість руху протона. Саме про історію створення та етапи розвитку подібних прискорювачів і буде розказано нижче.

Історія становлення

Після того як було виявлено наявність альфа-частинок і безпосередньо почали вивчатися атомні ядра, люди почали намагатися проводити над ними експерименти. Спочатку ні про які прискорювачі протонів тут мова навіть і не йшла, оскільки рівень технологій був відносно невисокий. Справжня ера створення прискорювальної техніки почалася тільки в 30-ті роки минулого століття, коли вчені почали цілеспрямовано розробляти схеми прискорення частинок. Двоє вчених з Великобританії першими в 1932 році сконструювали особливий генератор постійної напруги, що дозволив іншим почати епоху ядерної фізики, яку стало можливим застосовувати на практиці.

Поява циклотрона

Циклотрон, а саме так називався перший прискорювач протонів, як задумки з’явився у вченого Ернеста Лоуренса ще в 1929 році, однак сконструювати його він зміг лише в 1931 році. Дивно, але перший зразок був достатньо малим, всього близько десятка сантиметрів в діаметрі, а тому міг розганяти протони всього трохи. Вся концепція його прискорювача полягала у використанні не електричного, а магнітного поля. Прискорювач протонів в подібному стані був спрямований не на безпосередній розгін позитивно заряджених частинок, а на викривлення їх траєкторії до того стану, щоб вони літали по колу в замкнутому стані.

Дивіться також:  Фізіогноміка чола: поняття, визначення, застосування

Саме це і дозволило створити циклотрон, що складається з двох порожнистих половинчастих дисків, всередині яких і оберталися протони. Всі інші циклотроны будувалися на даній теорії, однак для того, щоб отримати набагато більшу потужність, вони ставали все більш громіздкими. До 40-м рокам стандартний розмір такого прискорювача протонів став дорівнювати будівель.

Саме за винахід циклотрона у 1939 році Лоуренсу була присуджена Нобелівська премія з фізики.

Синхрофазотроны

Однак у міру того, як вчені намагалися зробити прискорювач протонів більш потужним, почалися проблеми. Часто вони були суто технічними, оскільки вимоги до утвореної середовищі були неймовірно високі, однак частково вони були і в тому, що частинки просто не прискорювалися, як вимагалося від них. Новий прорив у 1944 році зробив Володимир Векслер, який придумав принцип автофазировки. Що дивно, те ж зробив роком пізніше і американський вчений Едвін Макміллан. Вони пропонували налаштувати електричне поле так, щоб воно впливало на самі частинки, при необхідності підганяючи їх або, навпаки, уповільнюючи. Це дозволило зберегти рух частинок у вигляді одного згустку, а не розпливчатою маси. Такі прискорювачі отримали назву синхрофазотрон.

Колайдер

Для того щоб прискорювач розганяв протони до кінетичної енергії, стали вимагати ще більш потужні споруди. Так на світло з’явилися колайдери, які працювали з допомогою застосування двох пучків частинок, які розкручувалися б в протилежні сторони. А оскільки мали їх назустріч один одному, то відбувалося б зштовхування частинок. Вперше на світ ідея з’явилася ще в 1943 році у фізика Рольфа Видероэ, проте розвинути її змогли тільки у 60-х роках, коли з’явилися нові технології, які могли б здійснити цей процес. Це дозволило збільшити число нових частинок, які з’являлися в результаті зіштовхування.

Дивіться також:  Туманність Орел: відкриття, властивості, незвичайні обєкти

Всі напрацювання за наступні роки безпосередньо призвели до спорудження величезної споруди – Великого адронного колайдера у 2008 році, який за своєю структурою являє кільце завдовжки 27 кілометрів. Вважається, що саме проведені в ньому експерименти допоможуть зрозуміти те, як був створений наш світ, і його глибинне пристрій.

Запуск Великого адронного коллайдера

Перша спроба відправити в експлуатацію цей колайдер була зроблена у вересні 2008 року. 10 вересня вважається днем його офіційного запуску. Однак після серії успішних випробувань сталася аварія – вже через 9 днів він вийшов з ладу, а тому були змушені закрити на ремонт.

Нові випробування почалися тільки в 2009 році, проте аж до 2014 року спорудження працювало на вкрай низької енергії, щоб не допустити нових поломок. Саме в цей час і був відкритий бозон Хіггса, який викликав сплеск у науковому середовищі.

На даний момент практично всі дослідження проводяться в області важких іонів і легких ядер, після чого БАК знову буде закритий на модернізацію аж до 2021 року. Вважається, що працювати він зможе приблизно до 2034 року, після чого для подальших досліджень потрібно створити нові прискорювачі.

Сьогоднішня картина

На даний момент конструкційний межа прискорювачів досяг свого піку, тому єдиним варіантом стає створення лінійного прискорювача протонів на зразок тих, що зараз використовують в медицині, але набагато більш потужних. ЦЕРН намагався відтворити мініатюрну версію пристрою, однак помітного просування в цій області так і не з’явилося. Дану модель лінійного коллайдера планують безпосередньо підключити до БАК, щоб спровокувати щільність і інтенсивність протонів, які далі будуть направлені безпосередньо в сам коллайдер.

Висновок

З появою ядерної фізики почалася епоха розвитку прискорювачів частинок. Вони пережили численні етапи, кожен з яких приніс численні відкриття. Зараз неможливо знайти людину, яка ніколи б в житті не чув про Великому адронному колайдері. Його згадують у книгах, фільмах – передрікаючи те, що він допоможе розкрити всі таємниці світу або просто закінчить його. Достеменно невідомо, до чого приведуть всі експерименти Церну, однак з використанням прискорювачів вчені змогли відповісти на багато питань.

Дивіться також:  Формули для визначення відстані від точки до площині та від точки до прямої