Терра Си в Германии-2

[Terra Cee]

Как я упоминала в прошлом посте, летняя школа проходила в Юлихе, потому что там находится один из крупнейших научно-исследовательских центров. Естественно, не обошлось без экскурсии, про которую я сейчас расскажу.

Юлихский исследовательский центр был построен в 1956 году. Может показаться странным, что его разместили в таком маленьком провинциальном городке, но на это была веская причина: в исследовательском центре находился экспериментальный ядерный реактор (ныне неактивный), и если бы он взорвался, то по крайней мере, было бы не очень жалко. Но ядерным реактором вклад центра в физику элементарных частиц не ограничился. В Юлихском исследовательском центре находится синхротрон COSY, на котором ускоряются и сталкиваются протоны и дейтроны (дейтрон — это связанная система протона и нейтрона). А теперь следует немного отвлечься и рассказать об ускорителях в целом, потому что я уверена, что никто из моих ПЧ про них не знает почти ничего.

Лекция об ускорителях

Для начала посмотрим на таблицу всех известных на сегодняшний момент фундаментальных частиц.



Слева расположены фермионы — строительный материал вещества. Фермионы делятся на лептоны и кварки. В таблице фермионы расположены не абы как. Каждый столбик представляет собой одно поколение, и всего их три. Частицы из разных поколений различаются массой: первое поколение — самое лёгкое, третье — самое тяжёлое. Когда Вселенная была молодой и горячей, в ней существовали частицы всех трёх поколений, но потом космос расширился и остыл, тяжёлые частицы перестали рождаться, и сейчас всё, что нас окружает, состоит из частиц только первого поколения. Однако не всё так печально.
В космосе есть звёзды, внутри которых очень горячо, есть чёрные дыры, которые сильно разогревают материю, которую поглощают, есть сверхновые, разбрасывающее вещество с огромной скоростью. Короче говоря, ещё остались места, где при больших энергиях могут рождаться частицы второго и третьего поколений. Эти частицы порой долетают до Земли. Мюон и K-мезон — частицу, содержащую s-кварк — открыли, изучая космические частицы. И тогда учёные подумали: "А что, если самим научиться ускорять наши лёгкие частицы и рождать более тяжёлые?" Согласно формуле Эйнштейна E = mc^2 энергия и масса эквивалентны. То есть маленькие электроны, движущиеся с околосветовой скоростью (и, следовательно, имеющие большую энергию), могут при столкновении породить Z-бозон, который в 180000 раз тяжелее электрона.

В ускорителях используются заряженные частицы, из которых состоит всё вокруг: электроны и протоны (и их античастицы — позитроны и антипротоны). Ускорить заряженную частицу можно с помощью постоянного электрического поля: для этого достаточно приложить напряжение к двум электродам и запустить между ними частицу. Так устроены самые маленькие промышленные ускорители. В современных экспериментальных установках для ускорения используется высокочастотное переменное электрическое поле. Самые первые ускорители были линейными, то есть пучок частиц один раз проходил через ускоряющую систему и сталкивался с другим пучком. Но ведь было бы неплохо заставить пучок проходить через ускоряющую систему несколько раз, чтобы он набрал энергию побольше? Для этого надо заставить его двигаться по кругу. Такие ускорители называются циклическими. Циклотроны, бетатроны, синхротроны и, прости Боже-Машина, синхрофазотроны — всё это простейшие циклические ускорители. У циклических ускорителей есть очевидное преимущество в более высокой энергии пучка, но заставить частицы двигаться по кругу сложнее, чем по прямой. Кроме того, двигаясь по кругу, заряженные частицы излучают жёсткое рентгеновское излучение, которое заставляет их терять энергию и вредит установке. Большинство работающих сейчас ускорителей — циклические, но и линейные тоже используются.

Итак, у нас есть пучок частиц высокой энергии. Что же мы будем с ним делать? Первые ускорители работали так: пучок делал положенное число оборотов в ускорителе, затем выводился из него и сталкивался с мишенью (сгустком частиц, которые стоят на месте). Такая схема — эксперимент с неподвижной мишенью — становится несостоятельной, если мы хотим рождать тяжёлые частицы. Например, если мы хотим в столкновении электрона и позитрона родить Z-бозон, то для неподвижной мишени нам понадобится строить ускоритель радиусом 26400 километров (!). А вот если электрон и позитрон будут лететь навстречу друг другу, то их энергия удвоится, и радиус ускорителя будет всего лишь 150 метров (как вы поняли, чем больше ускоритель, тем сильнее он ускоряет). Схема эксперимента со встречными пучками впервые была предложена в Институте ядерной физики, и поначалу казалось, что осуществить её невозможно. К счастью, это не так, и сейчас большинство ускорителей (их ещё называют коллайдерами ) работают именно с встречными пучками. Но эксперименты с неподвижной мишенью тоже проводятся: их неоспоримое достоинство — большая плотность мишени, а, значит, большая вероятность столкновений.

Юлихский исследовательский центр действительно велик, больше ИЯФа, но нас интересовало только одно из его строений — то, в котором находится COSY.
Вот и оно.



Во дворе растёт остролист.



А на бордюрах растёт лишайник — показатель экологического благополучия.



Но хватит, мы тут собрались физику обсуждать, а не цветочки! Поэтому заходим внутрь.
В фойе нас встречает странная инсталляция.



Написано, что это модель детектора, а какого, я так и не поняла.

Ещё в фойе нас встречает макет самого синхротрона.





Для проведения эксперимента сначала надо получить протоны. Сделать это очень просто: надо взять газ водород и с помощью сильного электрического поля оторвать от атомов все электроны. То, что останется, и будет протонами (потому что ядро атома водорода — это протон). Протоны попадают в циклотрон (зелёная коробочка на верхнем фото), где приобретают некоторую энергию, затем они по вакуумной трубе, обозначенной зелёным, попадают в кольцо синхротрона COSY и там ускоряются до нужной энергии. Затем пучок выводят из кольца по красным "дорожкам", и он сталкивается с мишенью. Вокруг места встречи стоит детектор: серым цилиндром показан времяпролётный детектор TOF, оранжевой коробочкой — магнитный спектрометр BIG KARL.

Макет — это хорошо, а настоящий синхротрон — лучше! Но прежде чем идти на настоящую установку, надо подумать о безопасности.



Каждой паре посетителей выдали по дозиметру (на каждого человека не хватило). Его следовало носить везде с собой, а в конце экскурсии сдать и записать в специальном журнале показатели прибора (в идеале равные 0) и расписаться. Так-то.

Про синхротрон COSY

Из чего же состоит ускоритель? Во-первых, из вакуумной трубы, по которой движется пучок (скопление частиц, в одном пучке может быть от 10^6 до 10^13 частиц). Для того, чтобы провести хороший точный эксперимент, нам надо, чтобы все частицы в пучке имели одинаковую энергию, одинаково направленный импульс, двигались строго по заданно траектории и держались как можно ближе друг к другу. И в этом нам помогает другая неотъемлемая часть ускорителя — магнитная система.

Это поворотный магнит, он нужен, чтобы частицы детали по окружности. У этого магнита два полюса — северный и южный — поэтому его называют дипольным (если вы когда-нибудь держали в руках магнит, то он был именно дипольный). Дипольный магнит создаёт однородное магнитное поле, направленное вертикально. Когда частица влетает в магнитное поле, она начинает двигаться по дуге окружности. Каждый из поворотных магнитов COSY поворачивает пучок на 15 градусов.



Все частицы в пучке одноимённо заряжены (ещё бы, они ведь одинаковые), а одноимённые заряды отталкиваются. Поэтому наши частицы стремятся разлететься кто куда. Чтобы удерживать их вместе, нужен фокусирующий магнит. У него четыре полюса (два северных и два южных), поэтому он называется квадрупольным.



На картинке показаны силовые линии магнитного поля внутри фокусирующего магнита. Представим, что пучок летит нам навстречу. Тогда он будет сжиматься в вертикальном направлении, но расширяться в горизонтальном. Поэтому сразу после квадрупольного магнита надо поставить ещё один, с поменянными местами северным и южным полюсами. Такой магнит будет расширять пучок в вертикальном направлении и сжимать в горизонтальном. Таким образом, два квадрупольных магнита сжимают пучок.



Это октупольный магнит, у него восемь полюсов. Частицы с разными импульсами движутся по разным траекториям, но мы хотим, чтобы все частицы двигались одинаково. Октупольный магнит как раз исправляет разброс пучка, связанный с разбросом по импульсам.



Для того, чтобы результаты эксперимента имели высокую точность, надо, чтобы частицы в пучке двигались не хаотично, как мошки в рое, а сонаправленно, как рыбы в косяке. Температура тела пропорциональна средней энергии хаотического движения его молекул. То есть, иными словами, мы хотим, чтобы пучок имел низкую температуру. Чтобы охладить предмет, можно, например, обложить его льдом. На похожем принципе основан метод электронного охлаждения пучка. Рядом с пучком протонов впрыскивается пучок холодных электронов. Взаимодействуя, электронный пучок нагревается, протонный остывает, потом электроны убирают. Вот установка, которая это делает.





Есть ещё один метод охлаждения, называемый стохастическим. Его суть заключается в том, что положение пучка измеряется, и если пучок находится, например, выше, чем надо, то с помощью электрического поля его толкают вниз. После нескольких таких циклов колебания пучка затухают.



COSY — единственный синхротрон, обладающий системами и электронного, и стохастического охлаждения.

Что делают эти установки, я не помню или не расслышала. Но один их вид может заставить сердце любого техножреца биться чаще (если оно у него ещё есть).

Радость техножреческая

Судя по надписи, это вакуумная камера от системы стохастического охлаждения. Обратите внимание на количество болтов: это чтобы вакуум наружу не убежал!



В Дармштадте строится ускорительный комплекс "Центр по исследованию ионов и антипротонов" (FAIR), планируется, что он начнёт работу в 2025 году. Одним из направлений исследований будут эксперименты с неподвижной мишенью по столкновению протонов и антипротонов (PANDA). Учёные из Юлихского исследовательского центра вкладываются в этот эксперимент, в частности, они разработали трековую систему будущего детектора.

Про трековую систему

Детектор элементарных частиц расположен вокруг места столкновения пучка с мишенью или места встречи двух пучков. Это очень сложная система, состоящая из "слоёв", каждый из которых измеряет определённые характеристики рождённых частиц. Все вместе они позволяют измерять энергии, импульсы, скорости частиц, их массы, углы вылета и даже строить их траектории.
Трековая система — самый внутренний слой детектора, она позволяет получить траекторию (трек) заряженной частицы. Если трековая система находится внутри однородного магнитного поля, она ещё позволяет измерять импульс (в магнитном поле частица двигается по окружности, радиус которой зависит от импульса).

Трековая система детектора PANDA состоит из трубочек, сделанных из металлизированной плёнки.



По оси цилиндра протянута тонкая золотая проволочка (на фото можно увидеть, насколько тонкая).



К проволочке и цилиндру приложено напряжение. Внутрь закачан газ под давлением, так что трубочка держит форму и не сминается, даже если на неё положить кирпич.

Когда заряженная частица влетает в трубочку, она ионизирует газ внутри. Находясь в электрическом поле, электроны летят к проволочке, а ионы — к стенкам. Электроны ускоряются и становятся способны сами ионизировать газ. Так рождается электронная лавина. Благодаря ей сигнал многократно усиливается, а большой сигнал можно измерить с большей точностью.



Вот так выглядит собранный прототип трековой системы. Зная номер сработавшей трубочки, мы можем восстановить траекторию частицы. Белая труба по оси детектора обозначает вакуумную камеру, тонкая вертикальная трубка с лампочками — мишень.



Это я точно не ожидало увидеть в центре. Русские повсюду.



После экскурсии было что-то вроде пикника, который мне не понравился по личным причинам.
Зато на память я получила буклет.





А это участники нашей школы. Темноволосая женщина в сарафане — это Элизабетта Пренчипе, организатор школы.

@темы: Германия, волшебный мир физики, слава Омниссии!, What a time to be alive!

Comments

[LikeIason]

Его следовало носить везде с собой, а в конце экскурсии сдать и записать в специальном журнале показатели прибора (в идеале равные 0) и расписаться. Так-то.

Надеюсь был полный ноль?

[Terra Cee]

LikeIason, был. У всех был. Даже как-то неинтересно.

[Dai Ri]

Ух ты, и физика может быть интересной *__* Вы очень классно рассказываете И ох уж эти большие машины, творящие магию.

[Terra Cee]

Dai Ri,

Ух ты, и физика может быть интересной

А то!

Вы очень классно рассказываете

Спасибо. Я очень стараюсь рассказывать так, чтобы понятно было.

[Dai Ri]

Terra Cee, Я очень стараюсь рассказывать так, чтобы понятно было.
Это очень ценно. У меня брат очень увлекается физикой, но какк анчнет рассказывать - после пяти предложений мозг сворачивается в трубочку и сбегает.
А у вас если и встречаются незнакомые слова-явления-понятия - всё так аккуратно по полочкам разложено, прям не чувствуешь себя нубом

[Terra Cee]

Dai Ri,