Откуда берутся частицы для ускорителей

В отличие от своих коллег из области биологии (которые могут заказать себе грызунов, кольчатых червей или пиявок в Интернете), физикам нужно самостоятельно создавать себе подопытных

Когда физикам нужны частицы для ускорителей, они приходят на наш сайт и оставляют объявления в комментариях, предлагая работу вакантным частицам. Иногда им нужны частицы с позитивным настроем, иногда более нейтральные. Затем физики приглашают частицу на свидание, и если все идет хорошо, предлагают поучаствовать в процессе ускорения. Так и был сделан бозон Хиггса.

Если бы. В отличие от своих коллег из области биологии (которые могут заказать себе грызунов, кольчатых червей или пиявок в Интернете), физикам нужно самостоятельно создавать себе подопытных. Не так-то просто набрать нужное количество частиц для высокоскоростного столкновения на Большом адронном коллайдере.

Прежде чем мы засунем их в ускоритель частиц, давайте разберемся, зачем нам это делать. Что такое ускорители, и почему мы не можем ускорить что-нибудь более существенное, чем частицы?

Самый известный ускоритель частиц — это Большой адронный коллайдер, 27-километровый круговой монстр, зарытый под землю. Расположенный в Швейцарии, БАК работает под Европейской организацией ядерных исследований, она же ЦЕРН (акроним имеет смысл, если знать его французскую расшифровку). БАК стал весьма популярным в 2012 году, когда столкновения частиц пролили свет на следы бозона Хиггса, ради которого этот ускоритель, собственно, и строился. Открытие бозона Хиггса позволило физикам более уверенно говорить о поле Хиггса, а также о том, как материя во Вселенной приобретает массу.

Но если БАК — это суперзвезда в мире ускорителей, есть много и других менее известных студий, записывающих свои пластинки. В целом в мире насчитывается около 30 000 ускорителей, и, возможно, именно им стоит сказать спасибо за самые практичные изобретения. И это не просто слова. Ученые, которые хотели изучать сверхабсорбирующие полимеры, используемые в одноразовых подгузниках, столкнулись с проблемами при изучении их во влажном состоянии, поэтому — та-дам — обратились к рентгеновской микроскопии (которая использует ускорение частиц). Будучи в состоянии идентифицировать и изучить структуру молекулярных цепей, ученые смогли правильно составить нужную формулу, благодаря чему современные подгузники остаются сухими и говорят спасибо ускорителям частиц.

Кроме того, ускорители отлично применяются в медицинской среде, в частности — в исследовании способов лечения рака. Линейные ускорители (когда частицы сталкиваются с мишенью, пролетая по прямой линии), направляют электроны в металлическую цель, в результате чего получатся высокоточные и высокоэнергетические рентгеновские лучи, которые могут лечить опухоли. Ну и, конечно, без ускорителей в теоретической физике элементарных частиц никуда — любой теории нужна практика. Теперь, когда мы немного знаем о том, для чего используются ускорители, давайте поговорим о том, чем их кормить.

Как мы говорили выше, ученые ЦЕРН производят частицы сами для себя. Это можно сравнить с тем, что бухгалтер собирает сам себе калькулятор. Но для физики частиц это не проблема. Все, что нужно ученым, — это начать с водорода, выбить электроны с помощью дуоплазматрона и остаться наедине с протонами. Звучит просто, но на деле сложнее. Во всяком случае, не так просто для тех, кто не получает открытки на день рождения от Стивена Хокинга.

Водород — это газ, который поступает в первую ступень ускорителя частиц — дуоплазматрон. Дуоплазматрон — это весьма простое устройство. У атомов водорода есть один электрон и один протон. В дуоплазматроне атом водорода избавляют от электрона при помощи электрического поля. Остается плазма из протонов, электронов и молекулярных ионов, которые проходят через несколько фильтрующих сетей, в результате чего остаются одни протоны.

На БАК используют не только протоны для рутинных задач. Физики ЦЕРН также сталкивают ионы свинца для изучения кварк-глюонной плазмы, которая отдаленно напоминает нам о том, какой была Вселенная давным-давно. Сталкивая вместе ионы тяжелых металлов (работает и с золотом), ученые могут создать кварк-глюонную плазму на мгновение.

Вы уже достаточно просвещены, чтобы понимать, что ионы свинца не появляются волшебным образом в ускорителе частиц. Вот как это происходит: физик ЦЕРН начинает собирать ионы свинца с твердого свинца-208, особого изотопа элемента. Твердый свинец нагревается до пара — до 800 градусов по Цельсию. Затем его бьют электрическим током, который ионизирует образец для создания плазмы. Новосозданные ионы (атомы с электрическим зарядом, которые приобрели или потеряли электроны) сбиваются в линейном ускорителе, который придает им ускорения, что приводит к еще большей потере электронов. Затем они еще больше сбиваются и ускоряются — и ионы свинца готовы пройти путь протонов и разбиться в недрах Большого адронного коллайдера.

Источник: hi-news.ru