В массовой культуре, например в фильме «Ангелы и демоны», ускорители частиц часто изображают как загадочные и опасные установки. Однако реальность их применения гораздо шире и практичнее. Эти устройства, способные разгонять мельчайшие частицы материи до колоссальных скоростей, не только расширяют границы фундаментальной науки, но и приносят ощутимую пользу в медицине, промышленности и технологиях. Как устроены эти сложнейшие машины и зачем человечество вкладывает огромные ресурсы в их создание? Давайте разберемся.
Что такое ускоритель частиц и как он работает
Ускоритель — это установка, в которой заряженные частицы, такие как протоны, электроны или ионы, с помощью электрических и магнитных полей разгоняются до скоростей, близких к скорости света, набирая гигантскую энергию, измеряемую в триллионах электронвольт. Электрическое поле сообщает частицам энергию, а магнитное — управляет их траекторией, заставляя двигаться по заданному пути.
Масштабы этих устройств поражают: от компактных лабораторных моделей до гигантских подземных тоннелей длиной в десятки километров. Области их применения невероятно разнообразны. Помимо чисто научных исследований, ускорители используются в лучевой терапии для лечения онкологических заболеваний, в промышленности для обработки материалов, в полупроводниковом производстве и даже для очистки сточных вод.
По словам Сергея Гаврилова, директора пучковой лаборатории Института ядерных исследований РАН, из примерно 40 000 ускорителей в мире лишь малая часть (менее 5%) задействована в фундаментальной науке. Около трети работают в промышленности, еще треть — в медицине, и столько же — в высокотехнологичных отраслях, связанных с микроэлектроникой.
Любой ускоритель состоит из четырех ключевых элементов: источника частиц (например, электронной пушки), системы, создающей ускоряющее электрическое поле, электромагнитов для управления траекторией и вакуумной камеры, которая защищает пучок от столкновений с молекулами воздуха. Комбинация и конфигурация этих элементов определяют тип и возможности установки.
Линейные ускорители: прямолинейный путь к результату
Конструкция линейного ускорителя наиболее проста: частицы, испущенные источником, движутся по прямой линии через серию ускоряющих полей и врезаются в неподвижную мишень. Эта простота делает их невероятно универсальными. С их помощью получают радиоактивные изотопы для медицинской диагностики (например, для позитронно-эмиссионной томографии), тестируют материалы на радиационную стойкость для космических аппаратов и проводят точечную лучевую терапию опухолей.
Рекордсменом среди линейных ускорителей является установка в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Стэнфорде (США). Ее длина составляет 3,2 километра, а туннель проложен на глубине 9 метров под землей. Этот гигант способен разгонять электроны и их античастицы — позитроны — до энергий в 50 миллиардов электронвольт, что открывает широкие возможности для экспериментов в физике, химии и биологии.
В России крупнейший линейный ускоритель протонов находится в Институте ядерных исследований в Троицке. Его длина — полкилометра, и он является самым большим подобным сооружением в Евразии. Установка активно используется для исследований в материаловедении и производства медицинских изотопов.
Круговые ускорители и коллайдеры: в погоне за рекордной энергией
Если «замкнуть» траекторию частиц в кольцо с помощью мощных магнитов, получится круговой, или циклический, ускоритель. В таком устройстве частицы могут многократно проходить через участки ускорения, набирая гораздо большую энергию, чем в линейных моделях. Это делает их идеальными инструментами для фундаментальных исследований строения материи.
Большой адронный коллайдер в Женеве — самый мощный ускоритель частиц в мире
Особый подкласс круговых ускорителей — коллайдеры. Их главная задача — сталкивать встречные пучки частиц, разогнанных до предельных энергий. Самый известный пример — Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРНе (Швейцария). Его главное кольцо длиной 26,7 км позволяет сталкивать протоны с энергией 13,6 триллионов электронвольт. Эксперименты на БАК, такие как открытие бозона Хиггса, проверяют самые передовые теории физики элементарных частиц.
Обратите внимание: Японские ученые осваивают технологии создания детей из клеток кожи.
В мире ведутся работы над новыми проектами. Например, в Японии может быть построен Международный линейный коллайдер длиной 31 километр. В России, в подмосковной Дубне, достраивается коллайдер NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility). Этот комплекс предназначен для изучения свойств плотной барионной материи, а также для прикладных исследований в области космической медицины и разработки методов лечения рака.
Ускорительный комплекс NICA в Дубне. Фото предоставлено: Объединенный институт ядерных исследований
Синхротроны: когда побочный эффект становится главным инструментом
При движении по искривленной траектории в магнитном поле заряженные частицы (особенно легкие электроны) теряют энергию, испуская так называемое синхротронное излучение — интенсивные пучки фотонов. Изначально этот эффект мешал разгону частиц, но ученые быстро оценили его уникальные свойства и создали специальные установки — синхротроны.
Синхротронное излучение — это мощный инструмент для неразрушающего анализа структуры вещества на атомном и молекулярном уровне. Оно подобно сверхмощному микроскопу, позволяющему изучать быстропротекающие химические реакции, структуру белков, состав древних артефактов и дефекты в новых материалах.
В мире существует всего три синхротрона самого современного, четвертого поколения: MAX-IV в Швеции, Sirius в Бразилии и ESRF-EBS во Франции. Россия присоединится к этому элитному клубу в 2024 году с запуском Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ) в новосибирском наукограде Кольцово. На момент ввода в строй он станет одним из самых передовых в мире.
Периметр кольца СКИФ составит 476 метров. Вокруг него будут построены экспериментальные залы с исследовательскими станциями. По словам Владислава Крутько, руководителя проекта Digital Core в «Газпром нефти», возможности СКИФ, в частности нанотомография высокого разрешения, позволят детально изучать структуру керна (образцов горных пород). Это поможет смоделировать процессы внутри нефтяного пласта и повысить эффективность добычи углеводородов на 10-15%.
Всего к СКИФ сможет подключиться до 30 исследовательских станций. Первые шесть будут посвящены самым востребованным направлениям: от добычи полезных ископаемых и создания новых материалов до разработки электроники и фармацевтики.
Оригинал статьи и другие материалы можно найти на сайте журнала «Энергия+»:
https://e-plus.media/vse-publikatsii/
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Зачем ученые разгоняют частицы до гигантских скоростей.