Ускорители и экспериментальная техника

За последние десятилетия в физике элементарных частиц произошел настоящий переворот, во многом изменивший наши представления о природе материи. Этот переворот был связан прежде всего с быстрым развитием ускорителей и экспериментальной техники. Рост энергии ускорителей, на которые ложится основная тяжесть исследований в области элементарных частиц, играет здесь важную рать по нескольким причинам.

С ростом энергии появляется возможность образования новых типов элементарных частиц с большими массами. При меньших энергиях такие частицы просто не могут рождаться в силу законов сохранения энергии и импульса (порог по энергии — см. упражнение 58 к гл. XXV).
Ускорители можно сравнить с гигантскими микроскопами, которые позволяют изучать пространство на очень малых расстояниях, сравнимых с длиной волны де Бройля для ускоренных частиц. Так, частицы с энергией характеризуются длиной волны де Бройля . С их помощью можно зондировать области пространства вплоть до , где могут проявляться какие-то новые закономерности физики микромира, не замеченные на больших расстояниях.
С ростом энергии частиц меняются свойства взаимодействий между ними и характеристики уже известных процессов. Может оказаться, что определенные черты этих явлений при высоких энергиях начинают проявляться более четко. Именно в опытах при очень больших энергиях удалось установить общую природу слабых и электромагнитных сил.

В последние годы были созданы гигантские, даже по сравнению с огромным Серпуховским ускорителем (рис. 393), ускорители, позволившие примерно на два порядка увеличить энергию, доступную для образования новых частиц. При этом важную роль начали играть опыты на так называемых ускорителях-накопителях со встречными пучками.

Чем же различаются между собой эти ускорители?

В опытах на «обычных» ускорителях, или, как еще говорят, на ускорителях с фиксированными мишенями, исследуются процессы взаимодействия ускоренных частиц с «неподвижными мишенями» — нуклонами и ядрами атомов вещества, из которого сделаны мишени. При этом только сравнительно малая часть энергии ускоренных протонов пли электронов может быть затрачена «полезным образом» — на образование новых частиц. Так как налетающие на мишень бомбардирующие частицы имеют большой начальный импульс, то, в соответствии с законом сохранения, этот импульс должен уноситься всеми вторичными частицами, образующимися при взаимодействии. Эти частицы, конечно, будут обладать и значительной кинетической энергией. Таким образом, большая часть начальной энергии переходит в кинетическую энергию продуктов ядерной реакции, и только сравнительно небольшая ее доля может быть затрачена на образование новых частиц.

Напомним решение задачи 58 (гл. XXV), в которой было показано, что для образования протон-антипротонной пары в реакции первичный протон должен обладать кинетической энергией , хотя «полезные затраты» энергии составляют всего . Вся остальная энергия переходит в кинетическую энергию вторичных частиц. Подобная картина имеет место и в других процессах.

В отличие от ускорителей с фиксированными мишенями, накопители на встречных пучках позволяют использовать всю начальную энергию. Основная идея здесь заключается в том, чтобы создать два очень интенсивных и хорошо сфокусированных пучка ускоренных частиц и, направив их навстречу друг другу, осуществить лобовое соударение между ними. При этом суммарный импульс двух сталкивающихся частиц равен нулю, и образующиеся вторичные частицы могут обладать очень малой кинетической энергией (порог рождения соответствует образованию покоящихся частиц). Так, при встречных соударениях двух протонов с кинетическими энергиями уже могут рождаться протон-антипротонные пары, и мы имеем значительный выигрыш в энергии.

Совсем недавно в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН, Женева) были проведены опыты со встречными пучками протонов и антипротонов, причем энергия каждого пучка составляла . В этих экспериментах были найдены частицы с массой, почти в 300 раз превосходящей массу протона. Для опытов с фиксированной мишенью с такой же «полезной энергией» потребовалось бы создание ускорителя, рассчитанного на энергию !

Однако было бы неправильно думать, что следует создавать только ускорители-накопители со встречными пучками. Ускорители с фиксированными мишенями, уступая накопителям по доступной энергии, обладают в свою очередь рядом важных преимуществ. Прежде всего становится возможным проводить исследования с разнообразными пучками нестабильных или нейтральных частиц, которых нет на ускорителях со встречными пучками. Кроме того, на ускорителях с фиксированными мишенями можно изучать более редкие явления, так как здесь удается получить значительно большее число соударений. Поэтому исследования с «обычными» ускорителями и со встречными пучками взаимно дополняют друг друга и вместе дают очень важную информацию о физике элементарных частиц. В табл. 12 приведены основные параметры самых больших существующих и строящихся ускорителей.

Для проведения опытов на современных ускорителях, помимо больших пузырьковых камер (§ 235), потребовалось создание огромных и очень сложных экспериментальных установок, которые по своим масштабам сравнимы с самими ускорителями (рис. 422). В состав этих установок входят большие магнитные спектрометры, тысячи быстродействующих сцинтилляционных счетчиков, десятки тысяч газоразрядных детекторов, очень напоминающих пропорциональные счетчики (о таких счетчиках говорилось в § 213). Эти и другие приборы, входящие в экспериментальные установки, позволяют определять траектории частиц, измерять их энергию, импульс, скорость, ионизацию, идентифицировать частицы и подробно исследовать характеристики взаимодействий. В состав таких установок обязательно входят несколько электронно-вычислительных машин, с помощью которых быстро обрабатывается полученная информация, настраиваются многочисленные элементы аппаратуры, контролируется затем правильность их работы, получаются первые физические результаты, позволяющие следить за проведением эксперимента в целом. Полученные в процессе измерений огромные объемы информации после некоторого предварительного отбора записываются на магнитные ленты и затем обрабатываются на самых больших и быстродействующих электронно-вычислительных машинах. На рис. 423 приведен снимок с дисплея ЭВМ, на котором показан вид одного из событий, зарегистрированных на установке UA-1 (рис. 422). Вот с какими сложными процессами приходится иметь дело в современном физическом эксперименте.

Таблица 12. Самые большие ускорители. А. Ускорители с фиксированными мишенями

Название ускорителя	Год ввода в действие	Ускоряемые частицы	Максимальная энергия ( )	Доступная энергия ( )	Примечание
SLAC Стэнфорд, США	1961		24	5,8
PS (ЦЕРН) Женева, Швейцария	1959		28	5,5
AGS (BNL) США	1960		33	6,2
Протонный синхротрон (ИФВЭ) Протвино, СССР	1967		76	10
Протонный синхротрон Теватрон (FNAL) Батавия, США	1972 1983		500 800	29 37	Ускоритель на переделан в Теватрон (энергия будет поднята до
SPS (ЦЕРН) Женева, Швейцария	1976		450	27
УНК (ИФВЭ) Протвино, СССР	Сооружается		3000	73

Б. Накопители со встречными пучками

Название накопителя со встречными пучками	Год ввода в действие	Встречные пучки	Энергия каждого пучка ( )	Доступная энергия ( )	Примечание
ВЭПП-4 (ИЯФ) Новосибирск, СССР	1978		7	14
CESR Корнельский ун-т, США	1978		5,5	11
PETRA (DESY) Гамбург, ФРГ	1978 1983		19 23	38 46	Энергия пучков была увеличена
PEP (SLAC) Стэнфорд, США	1980		15	30
ISR (ЦЕРН) Женева, Швейцария	1971		31	62	Закрыт в 1984г.
SPS-коллайдер (ЦЕРН) Женева, Швейцария	1981 1985		270 450	540 900	Энергия пучков увеличена в 1985г.
Теватрон-коллайдер (FNAL) Батавия. США	Сооружается		1000	2000
SLC (SLAC) Стэнфорд, США	Сооружается		50	100	Первая очередь
LEP (ЦЕРН) Женева, Швейцария	Сооружается		50	100	Первая очередь
HERA (DESY) Гамбург, ФРГ	Сооружается			314
УНК (ИФВЭ) Протвино, СССР	Сооружается		3000	6000

Рис. 422. Общий вид экспериментальной установки UA-1, на rоторой проводились исследования -соударений на самом большом в мире ускорителе-накопителе со встречными протонным и антипротонным пучками (SPS-коллайдер ЦЕРН, см. табл. 12). Установка UA-1— это огромный магнитный спектрометр для измерения импульсов вторичных частиц, образующихся в -соударениях. Частицы регистрировались в газоразрядной камере (она видна в центре установки). Камера представляет собой совокупность большого числа газоразрядных детекторов частиц, напоминающих пропорциональные счетчики. С помощью этих детекторов определяются траектории частиц. В состав установки входит также большое число сцинтилляционпых счетчиков

Рис. 423. Снимок с дисплея ЭВМ, работающей вместе с установкой UA-1 (рис. 422). На снимке зарегистрировано одно из -соударений при энергии Информация со всех детекторов установки, обработанная на ЭВМ, позволяет определить траектории частиц и получить полную картину взаимодействия, несколько напоминающую снимки с пузырьковых камер. Импульсы частиц измерялись по кривизне их треков в магнитном поле. Как видно из снимка, взаимодействия при таких высоких энергиях носят очень сложный характер; в них образуется большое число вторичных частиц