Чтобы понять принцип работы ускорителя частиц, можно представить необычный эксперимент с автомобилями. Допустим, инженер создал самый быстрый автомобиль в мире, но вскоре конкуренты выпустили новую модель, которая оказалась еще быстрее. Разобрать ее обычным способом невозможно — производитель использовал закрытые технологии. Тогда остается лишь купить две такие машины, разогнать их навстречу друг другу и столкнуть на максимальной скорости, чтобы по разлетевшимся деталям понять, из чего они были сделаны.

Примерно по такому принципу работают крупнейшие ускорители частиц. Вместо автомобилей они разгоняют элементарные частицы почти до скорости света, а затем сталкивают их между собой, позволяя ученым заглянуть в самые фундаментальные процессы, происходящие во Вселенной.

Что такое ускоритель частиц

Ускоритель частиц — это установка, предназначенная для разгона элементарных частиц, таких как протоны и электроны, до чрезвычайно высоких скоростей — примерно 99,99% скорости света.

После разгона частицы сталкивают либо с неподвижной мишенью, либо с другим пучком частиц, движущимся навстречу.

Во время столкновения рождаются новые, очень тяжелые частицы, например бозон Хиггса или топ-кварк. Они существуют лишь ничтожную долю секунды, после чего распадаются на более легкие частицы. Анализируя продукты этих распадов, физики получают информацию о строении материи и процессах, происходивших сразу после Большого взрыва.

Какие бывают ускорители

Все ускорители делятся на два основных типа — линейные и кольцевые. Линейный ускоритель (LINAC) разгоняет частицы по прямой линии с помощью сильного электрического поля.

Кольцевой ускоритель заставляет частицы двигаться по круговой траектории, постепенно увеличивая их энергию до тех пор, пока они не столкнутся друг с другом.

Самым большим кольцевым ускорителем в мире является Большой адронный коллайдер (LHC), расположенный в Европейском центре ядерных исследований (CERN) на границе Франции и Швейцарии. Длина его кольца составляет около 27 километров.

Из-за принципа работы кольцевые ускорители иногда называют «атомными разрушителями», хотя на самом деле они сталкивают не атомы, а субатомные частицы.

Как происходит разгон частиц

Работа любого ускорителя начинается с источника частиц. Чаще всего используются протоны или электроны, однако современные установки способны ускорять и более тяжелые ядра. Например, Большой адронный коллайдер может работать с ядрами аргона, ксенона или свинца.

Частицы движутся внутри металлической трубы, из которой практически полностью удален воздух. Вакуум необходим для того, чтобы частицы не сталкивались с молекулами газа и могли беспрепятственно разгоняться почти до скорости света.

По всей длине ускорителя расположены специальные устройства, создающие мощные электрические поля. Они быстро меняют полярность, формируя радиоволны, которые словно подталкивают частицы вперед и постепенно увеличивают их скорость.

Одновременно многочисленные электромагниты удерживают пучок частиц на заданной траектории и не позволяют ему отклоняться.

Откуда берется огромная энергия

С каждым новым кругом частицы получают дополнительную энергию.

В Большом адронном коллайдере протоны разгоняются до энергии 6,5 триллиона электронвольт.

Когда два таких пучка сталкиваются, колоссальная энергия столкновения превращается в материю в соответствии с известным принципом Альберта Эйнштейна, согласно которому масса и энергия могут переходить друг в друга.

Именно благодаря этому во время столкновений могут появляться чрезвычайно тяжелые частицы, существование которых невозможно наблюдать в обычных условиях.

Изучая их свойства, ученые получают новые сведения о строении вещества и ранних этапах существования Вселенной.

Ускорители бывают совсем небольшими

Хотя ускорители частиц обычно ассоциируются с гигантскими научными комплексами, далеко не все они имеют огромные размеры. Первый ускоритель частиц был меньше 13 сантиметров в диаметре. Сегодня в мире работает более 30 тысяч различных ускорителей, и большинство из них не используются для фундаментальной науки.

Ускорители давно стали важной частью современной промышленности и медицины. Линейные ускорители используются в медицинской диагностике и лучевой терапии онкологических заболеваний, где генерируют рентгеновское излучение и высокоэнергетические электронные пучки.

Кроме того, ускорители применяются при производстве полупроводников. С их помощью в материалы внедряют необходимые ионы, формируя структуру будущих микросхем. Их используют и во многих других отраслях промышленности — от изготовления компьютерных чипов до стерилизации пищевой продукции, которая затем может храниться при комнатной температуре в течение длительного времени.