Что такое ускоритель частиц? Как это работает?
Ускоритель частиц - это устройство, которое ускоряет субатомные частицы до высоких скоростей, используя электромагнитные поля. Он генерирует пучок заряженных частиц, который используется в многочисленных исследовательских целях.
История ускорителя частиц восходит к 1930 году, когда ученые разработали трансформатор на 200 000 вольт и ускоряли протоны по прямой траектории. Хотя машина не выполнила свое предназначение, она начала поиски ускорителей частиц более высокой энергии, которые продолжаются и по сей день.
Ускоритель частиц - это большое устройство, которое продвигает субатомные частицы на высоких скоростях, используя электрические и магнитные поля. Для более технически склонных умов это машина, которая ускоряет электрически заряженные частицы, близкие к скорости света, и удерживает их в четко определенных лучах, используя электромагнитные поля.
В 20-м веке ускорители частиц были названы атомными разрушителями. Название сохраняется, несмотря на то, что современные ускорители создают столкновения между двумя субатомными частицами, а не атомными ядрами.
Столкновения таких частиц могут помочь ученым понять, как работает Вселенная. Ускорители частиц высоких энергий чрезвычайно полезны для фундаментальных и прикладных исследований в различных областях, от электроники и медицины до международной безопасности.
Мы рассмотрели некоторые из наиболее интересных фактов и статистических данных о современных ускорителях частиц, которые пробудят в вас интерес к физике частиц. Давайте начнем с основного.
Типы ускорителей частиц
Существует два основных типа ускорителей:
1) Электростатические ускорители: используйте статические электрические поля для увеличения скорости заряженных частиц. Положительная частица притягивается к отрицательно заряженной пластине, а отрицательная частица притягивается к положительно заряженной пластине.
Они простые, менее дорогие и имеют ограниченный выход энергии, что означает, что они не могут разогнать частицы до чрезвычайно высоких скоростей. Максимальная кинетическая энергия частиц зависит от ускоряющего напряжения, которое ограничено явлением, называемым электрическим пробоем.
Генератор Ван де Граафа и генератор Кокрофта-Уолтона являются наиболее распространенным примером электростатических ускорителей. Катодно-лучевая трубка любого старого компьютерного монитора является небольшим примером ускорителя этого типа.
2) Электродинамические ускорители: используйте изменяющиеся электромагнитные поля (либо колеблющиеся радиочастотные поля, либо магнитную индукцию) для ускорения частиц.
В этих устройствах частицы пропускаются через одно и то же электромагнитное поле несколько раз, поэтому они могут достигать гораздо более высоких скоростей, чем в электростатических ускорителях. Максимальная кинетическая энергия частиц не ограничена напряженностью ускоряющего поля.
Эти ускорители можно подразделить на два класса:
- Линейный, в котором частицы ускоряются по прямой
- Циркуляр, в котором частицы изгибаются на приблизительно круговой орбите с помощью магнитных полей. Частицы движутся по этой орбите, пока не достигнут достаточной энергии.
Как это работает?
На базовом уровне ускорители частиц генерируют пучок заряженных частиц, который используется для многочисленных исследовательских целей. Обычно пучок состоит из заряженных субатомных частиц (таких, как протоны и электроны), но в некоторых случаях используются целые атомы более тяжелых элементов (таких, как уран и золото).
Например, в кольцевых ускорителях частицы непрерывно ускоряются в круглой трубе. Напряженность электрического поля увеличивается с каждым проходом, повышая уровень энергии пучка частиц.
Когда частицы достигают необходимой скорости, цель (например, тонкий кусок металлического листа) помещается в их дорожку, где детектор частиц анализирует столкновение.
В целом, существует 6 ключевых компонентов в ускорителях частиц:
А) Частица S : обеспечивает ускорение частиц (таких, как электроны или протоны). Один баллон с газообразным водородом, например, может быть источником частиц. Один атом водорода содержит один электрон и один протон.
Б) Металлическая труба: содержит вакуум, в котором движется пучок частиц. Вакуум поддерживает беспыльную среду для беспрепятственного перемещения электрически заряженных частиц.
С) Электромагниты: контролируют движение частиц, когда они проходят через металлическую трубу.
Д) Электрические поля: регулярно переключаются с положительного на отрицательный. Это генерирует радиоволны, которые ускоряют заряженные частицы.
E) Цели: когда частицы достигают желаемой скорости, они сталкиваются с неподвижной целью. Иногда сталкиваются два пучка частиц.
F) Детекторы: регистрируют столкновение частиц и выявляют радиацию или субатомные частицы, генерируемые в процессе.
Самые большие ускорители частиц в мире
В настоящее время в мире действуют более 30 000 ускорителей частиц. Из них 44% используются для лучевой терапии, 41% для ионной имплантации, 9% для промышленной обработки и 4% для низкоэнергетических и биомедицинских исследований. Только 1% существующих ускорителей способны генерировать энергии свыше одного миллиарда электрон-вольт или 1 ГэВ.
В настоящее время Большой адронный коллайдер является самым мощным ускорителем частиц в мире. Он способен ускорять два пучка протонов до энергии 6,5 тера электрон-вольт. Когда эти два мощных пучка сталкиваются, они создают энергию центра масс 13 тераэлектронвольт (ТэВ).
Машина лежит в туннеле глубиной 175 метров. Это 27 километров в окружности, и его кольцо магнитов может создавать магнитное поле 8.36 Тесла.
Структура содержит более 1000 дипольных магнитов, которые удерживают частицы, движущиеся почти со скоростью света: одна частица движется по 27-километровому кольцу 11 000 раз в секунду.
Он был разработан Европейской организацией ядерных исследований в сотрудничестве с более чем 10 000 исследователей и сотнями лабораторий и университетов из более чем 100 стран.
Частица бозона Хиггса, которую иногда называют "частицей Бога", была обнаружена в Большом Адронном Коллайдере в 2012 году. В том же году физики сформировали кварк-глюонную плазму, которая могла достигать 5,5 триллиона градусов по Цельсию — самой высокой температуры, зарегистрированной рукотворной машиной.
В ближайшие годы эта гигантская машина позволит физикам проверить различные теории физики элементарных частиц, включая анализ свойств бозонов Хиггса, поиск новых элементарных частиц, предлагаемых суперсимметричными теориями, а также других загадок во вселенной.
Применение
От промышленности до энергоснабжения, от здравоохранения до безопасности - помимо научных исследований, существует несколько областей, в которых технологии, связанная с ускорением частиц, положительно влияет на жизнь людей.
Применение в медицине. Ежегодно миллионы пациентов получают диагностику и лечение на основе ускорителей в клиниках и больницах по всему миру. Ускоренные частицы (такие, как протоны, электроны или более тяжелые заряженные частицы) используются для уничтожения раковых клеток и создания детального изображения изнутри тела.
Потребительские товары: ускорители частиц в настоящее время используются в различных промышленных процессах, начиная от сшивания пластмассы для термоусадочной пленки и заканчивая производством компьютерных чипов.
В частности, ускорители ионных пучков используются для изготовления электронных микросхем и упрочнения поверхностей материалов, подобных тем, которые используются в искусственных соединениях. Ускорители с электронным пучком, с другой стороны, обычно используются для изменения свойств материала, таких как пластические модификации для обработки поверхности.
Национальная безопасность: ускорители играют важную роль в управлении запасами, проверке грузов и характеристике материалов. Они в основном используются для сканирования контейнеров и предметов и помогают идентифицировать оружие и другие опасные материалы.
Что еще они могут сделать?
Анализ столкновений частиц высоких энергий может быть полезным для фундаментальных и прикладных исследований в науке. Это может помочь физикам решить некоторые фундаментальные проблемы в физике, включая глубокую структуру пространства-времени и взаимосвязь между общей теорией относительности и квантовой механикой.
Вот четыре основных вопроса, на которые ученые надеются ответить в течение следующих нескольких десятилетий:
- Существуют ли дополнительные измерения, предсказанные моделями теории струн?
- Какова природа темной материи?
- Как выглядела ранняя вселенная?
- Почему мы видим асимметрию между веществом и антивеществом во вселенной?
По словам Стивена Хокинга, технология, основанная на ускорителе частиц, является самой близкой вещью к машинам времени. В 2010 году он написал статью, объясняющую, как можно путешествовать во времени.