Звідки беруться частки для прискорювачів?
Відео: Прискорювачі частинок - Дмитро Казаков
Коли фізикам потрібні частки для прискорювачів, вони приходять на наш сайт і залишають оголошення в коментарях, пропонуючи роботу вакантним часткам. Іноді їм потрібні частинки з позитивним настроєм, іноді більш нейтральні. Потім фізики запрошують частку на побачення, і якщо все йде добре, пропонують взяти участь в процесі прискорення. Так і було зроблено бозон Хіггса.
Якби. На відміну від своїх колег з області біології (які можуть замовити собі гризунів, кільчастих хробаків або п`явок в Інтернеті), фізикам потрібно самостійно створювати собі піддослідних. Не так-то просто набрати потрібну кількість частинок для високошвидкісного зіткнення на Великому адронному колайдері.
Перш ніж ми засунь їх в прискорювач частинок, давайте розберемося, навіщо нам це робити. Що таке прискорювачі, і чому ми не можемо прискорити що-небудь більш істотне, ніж частинки?
Найвідоміший прискорювач частинок - це Великий адронний коллайдер, 27-кілометровий кругової монстр, закопаний під землю. Розташований в Швейцарії, БАК працює під Європейською організацією ядерних досліджень, вона ж ЦЕРН (акронім має сенс, якщо знати його французьку розшифровку). БАК став дуже популярним в 2012 році, коли зіткнення частинок пролили світло на сліди бозона Хіггса, заради якого цей прискорювач, власне, і будувався. Відкриття бозона Хіггса дозволило фізикам більш впевнено говорити про поле Хіггса, а також про те, як матерія у Всесвіті набуває масу.
Але якщо ВАК - це суперзірка в світі прискорювачів, є багато й інших менш відомих студій, записуючих свої платівки. В цілому в світі налічується близько 30 000 прискорювачів, і, можливо, саме їм варто сказати спасибі за найпрактичніші винаходи. І це не просто слова. Вчені, які хотіли вивчати сверхабсорбірующіе полімери, використовувані в одноразових підгузниках, зіткнулися з проблемами при вивченні їх у вологому стані, тому - та-дам - звернулися до рентгенівської мікроскопії (яка використовує прискорення частинок). Будучи в змозі ідентифікувати і вивчити структуру молекулярних ланцюгів, вчені змогли правильно скласти потрібну формулу, завдяки чому сучасні підгузники залишаються сухими і говорять спасибі прискорювачів частинок.
Крім того, прискорювачі відмінно застосовуються в медичному середовищі, зокрема - в дослідженні способів лікування раку. Лінійні прискорювачі (коли частинки стикаються з мішенню, пролітаючи по прямій лінії), направляють електрони в металеву мета, в результаті чого вийдуть високоточні і високоенергетичні рентгенівські промені, які можуть лікувати пухлини. Ну і, звичайно, без прискорювачів в теоретичній фізиці елементарних частинок нікуди - будь-який теорії потрібна практика. Тепер, коли ми трохи знаємо про те, для чого використовуються прискорювачі, давайте поговоримо про те, чим їх годувати.
Як ми говорили вище, вчені ЦЕРН виробляють частинки самі для себе. Це можна порівняти з тим, що бухгалтер збирає сам собі калькулятор. Але для фізики частинок це не проблема. Все, що потрібно вченим, - це почати з водню, вибити електрони з допомогою дуоплазматрона і залишитися наодинці з протонами. Звучить просто, але на ділі складніше. У всякому разі, не так просто для тих, хто не отримує листівки до дня народження від Стівена Хокінга.
Водень - це газ, який надходить в першу щабель прискорювача частинок - дуоплазматрон. Дуоплазматрон - це дуже простий пристрій. У атомів водню є один електрон і один протон. У дуоплазматроне атом водню позбавляють від електрона за допомогою електричного поля. Залишається плазма з протонів, електронів і молекулярних іонів, які проходять через кілька фільтруючих мереж, в результаті чого залишаються одні протони.
На ВАК використовують не тільки протони для рутинних завдань. Фізики ЦЕРН також зіштовхують іони свинцю для вивчення кварк-глюонної плазми, яка віддалено нагадує нам про те, яким був Всесвіт давним-давно. Зіштовхуючи разом іони важких металів (працює і з золотом), вчені можуть створити кварк-глюонну плазму на мить.
Ви вже досить освічені, щоб розуміти, що іони свинцю не з`являються чарівним чином в прискорювачі часток. Ось як це відбувається: фізик ЦЕРН починає збирати іони свинцю з твердого свинцю-208, особливого ізотопу елемента. Твердий свинець нагрівається до пара - до 800 градусів за Цельсієм. Потім його б`ють електричним струмом, який іонізує зразок для створення плазми. Новостворені іони (атоми з електричним зарядом, які придбали або втратили електрони) збиваються в лінійному прискорювачі, який надає їм прискорення, що призводить до ще більшої втрати електронів. Потім вони ще більше збиваються і прискорюються - і іони свинцю готові пройти шлях протонів і розбитися в надрах Великого адронного коллайдера.
