Дега и ускоритель частиц

Дега и ускоритель частиц

ЦЕРН отдыхает. Чем российский коллайдер NICA лучше Большого адронного

» src=»https://static.life.ru/publications/2020/10/9/752058194977.4005.png» loading=»lazy» style=»width:100%;height:100%;object-fit:cover»/>

Учёные намерены выяснить, что творится внутри нейтронных звёзд и за что кварки приговорены к пожизненному заключению.

Можно сказать, половина подмосковной Дубны — почти весь правый берег Волги — на три с лишним часа осталась без электричества. И не из-за какой-то аварии, а по статусу наукограда. По улицам на тягаче величественно проследовал гигантский жёлтый металлический саркофаг весом в 120 тонн. Он оказался таким высоким, что пришлось убирать с дороги электрокабели.

Провода поднимали с таким расчётом, чтобы между грузом и проводами оставался просвет в один метр. А высота груза с учётом автомобиля составляла 7,6 метра. Это нестандартный груз, и мы знали с самого начала, что будут такие сложности

Директор лаборатории физики высоких энергий Объединённого института ядерных исследований

» ratio=»1/1″ src=»https://static.life.ru/publications/2020/10/9/57935720185.32315.jpg» loading=»lazy» style=»width:100%;height:100%;object-fit:cover»/>

» ratio=»1/1″ src=»https://static.life.ru/publications/2020/10/9/57935720185.32315.jpg» loading=»lazy» style=»width:100%;height:100%;object-fit:cover»/>

Внутри — стальной цилиндр: восемь метров в длину, 5,6 метра в диаметре. Он обмотан сверхпроводниками — особой металлической «проволокой», которая при очень и очень низких температурах проводит ток беспрепятственно, то есть с нулевым сопротивлением. Очень и очень низкие температуры обеспечит жидкий азот. Его будут заливать в эту огромную трубу. Она называется криостатом. Это крупнейшая часть мощного сверхпроводникового магнита для нового коллайдера NICA. Её сделали в итальянской Генуе и сначала ровно месяц везли морем в Санкт-Петербург, а затем ещё неделю — по Неве, Ладожскому, Онежскому, Белому озёрам, Рыбинскому водохранилищу, Волге и, наконец, по реке Дубне.

Мы были очень ограничены во времени, потому что надо было довезти до реки Дубны до завершения навигации. А груз нельзя оставлять на холоде, он очень чувствителен к температурному режиму, ко всяким вибрациям. Мы очень волновались, нам дали координаты корабля, и мы следили за ним в приложении, каждый день по нескольку раз смотрели на карту, где он находится

Директор лаборатории физики высоких энергий Объединённого института ядерных исследований

» ratio=»1/1″ src=»https://static.life.ru/publications/2020/10/9/57935720185.32315.jpg» loading=»lazy» style=»width:100%;height:100%;object-fit:cover»/>

» ratio=»1/1″ src=»https://static.life.ru/publications/2020/10/9/57935720185.32315.jpg» loading=»lazy» style=»width:100%;height:100%;object-fit:cover»/>

Почему эта труба так важна?

Благодаря советскому кино множество совершенно далёких от физики и математики людей наизусть знают, что положено в основу работы синхрофазотрона. Итак, это. Правильно, с ударением на последние слова: принцип ускорения заряженных частиц магнитным полем. Так вот, синхрофазотрон — это и есть ускоритель. И запущен он впервые был именно в Дубне. Впервые в мире. Это произошло в 1957 году, за полгода до запуска «Спутника», и эти два события считают равными по значимости.

Так что без нужного магнита эксперименты на новейшем уникальном ускорителе были бы совершенно невозможны: именно магнитное поле позволяет наблюдать за «поведением» сталкивающихся частиц.

Без магнитного поля частицы летят по прямой линии, и всё, и вы ничего не знаете, какая же у них энергия. А если есть магнитное поле, они летят не по прямой линии, а закручиваются, по кругу летят. И если измеришь кривизну этого круга, радиус кривизны этого круга, то узнаешь энергию этой частицы

Заведующий кафедрой физики ускорителей Новосибирского государственного университета

» ratio=»1/1″ src=»https://static.life.ru/publications/2020/10/9/1145045180494.9841.jpg» loading=»lazy» style=»width:100%;height:100%;object-fit:cover»/>

» ratio=»1/1″ src=»https://static.life.ru/publications/2020/10/9/1145045180494.9841.jpg» loading=»lazy» style=»width:100%;height:100%;object-fit:cover»/>

Что будет происходить в коллайдере

На НИКЕ главная задача — понаблюдать, как протоны и нейтроны ударяются друг в друга и разбиваются на составные части: кварки и глюоны. Кварки — это составные части любого протона и любого нейтрона, а глюоны — это такие безмассовые частицы, которые обеспечивают кваркам взаимодействие. Глюон — от слова glue, «клей». Так вот, то, что получается после такого раздробления, называется кварк-глюонной плазмой. По современным представлениям физиков, именно так выглядела Вселенная в самом-самом начале — в первые доли секунды после Большого взрыва.

Частицы будут сталкивать золотые. Кроме шуток — ионы золота. В них очень много протонов и нейтронов, а как раз это и нужно для интересных наблюдений.

ЦЕРН работает со свинцом, Брукхейвенская лаборатория (коллайдер RHIC в США. — Прим. Лайфа) использует золото. Мы хотели бы использовать те же самые ядра, чтобы сравнивать результаты одних и тех же наблюдений. Если будет сделано открытие, мы должны доказать, что результаты согласуются с другими, тогда можно претендовать на открытие. Если это будет другое ядро, могут сказать: «Ребята, это особенности ядра», и доказать будет сложно

Директор лаборатории физики высоких энергий Объединённого института ядерных исследований

Дега и ускоритель частиц

Как мы использовали ускоритель частиц, чтобы найти скрытое лицо в портрете женщины Дега

Картина Эдгара Дега «Portrait of a woman» (Портрет женщины) — загадочное произведение. Когда она была приобретена Национальной галереей Виктории в 1937 году, она вызывала смешанные впечатления.

Некоторые комментировали, что он демонстрирует отличительные черты стиля французского художника примерно в 1870-х годах, другие критиковали его коричневые оттенки и очевидную обесцвеченность на лице женщины.


Более ранние попытки раскрыть портрет под ним не выявили особых деталей. Национальная галерея Виктории

В то время они еще не знали, что картина хранила тайну: там был еще один портрет женщины, перевернутый, лежащий прямо под поверхностью. Некоторое обесцвечивание было вызвано тем, что другая призрачная фигура «истекала кровью».

Читать еще:  Изобразительное искусство Китая. Jianjun Cheng

Похоже, что Дега отказался от этой более ранней работы и перепрофилировал холст для более нового портрета. Но когда он написал первую женщину? Кто был моделью?

Таким образом, начались поиски, чтобы раскрыть женщину, скрытую под верхним слоем, не потревожив сам портрет. Рентгеновские снимки показали немного больше деталей, открыв слабые очертания молодой женщины, нарисованной, возможно, только незадолго до того, как холст был повторно использован.

Последующая инфракрасная фотография позволила предположить, что оригинальная фигура была нарисована еще в 1860 году, в то время как другие едва заметные черты намекали на более раннее творение.

И вот тут на сцену выходит австралийский синхротрон.

Ярче, чем Солнце

Как это часто бывает в современной науке, повторяющаяся задача состоит в разработке технологии, которая облегчает то, что исследователи хотят достичь. Для каждого скачка вперед в силе или скорости необходимо вспомогательное оборудование и инфраструктура, чтобы максимально использовать новые инновации.

Такова была ситуация на Австралийском синхротроне. Сразу после начала работы в 2008 году мы установили тесное сотрудничество с CSIRO и Брукхейвенской национальной лабораторией в Соединенных Штатах.

Детектор «Maia» расположен менее чем в 2 мм от поверхности картины, чтобы получить самые качественные данные

С помощью «Maia» мы получали обширные пучки от линии рентгеновской флуоресцентной микроскопии синхротрона, поскольку она доставляла свет в миллион раз ярче Солнца во множество научных образцов.

Это сотрудничество помогло нам разработать рентгеновский флуоресцентный детектор, способный работать значительно быстрее, чем любая современная технология, доступная в наше время, чтобы максимально использовать эти данные.

У нас также было захватывающее и длительное сотрудничество с Национальной галереей Виктории (NGV).

NGV имеет фантастическую коллекцию австралийского и международного искусства. Некоторые предметы коллекции оставляют без ответа вопросы, которые обычные аналитические методы не в состоянии разрешить, например, «Портрет женщины» Дега.

Это сотрудничество оказалось весьма успешным, и новая технология, разработанная CSIRO и Брукхейвенской национальной лабораторией в Соединенных Штатах, получившая название детектора «Maia», открыла инновационные исследования, которые ранее были невозможны.

До детектора «Maia» мы были ограничены в получении небольших изображений образца – таких как лист, содержащий следы металлов, электроды, используемые в медицинских имплантатах, или скрытые слои в картине, – которые содержали довольно ограниченное количество пикселей, мешая нам видеть всю картину.

С помощью нового детектора «Maia» это препятствие было преодолено. Теперь мы можем регулярно получать элементарные изображения, состоящие из миллионов пикселей на больших площадях, всего за час или около того.

С технологией, доступной на Австралийском синхротроне, мы полагали, что нам удастся увидеть скрытый портрет, подвергая небольшие области радиации всего лишь на долю секунды. И, что немаловажно, мы могли бы сделать это, не повредив произведения искусства.

После нескольких месяцев планирования картина прибыла из NGV рано утром, и мы закрепили ее в специальном креплении, с детектором всего в 2 мм над поверхностью картины. Мы установили координаты области для сканирования, чтобы захватить как можно больше скрытого портрета.

После некоторой тонкой настройки рентгеновского луча мы запустили сканирование, которое заняло бы около 33 часов, давая отдельные изображения с разрешением более 31 мегапикселя, что выходит за пределы разрешения большинства современных лучших цифровых камер.

Намеренно применяя неверные цвета к элементам, можно было выделить области живописи и изучить художественную технику. Дэвид Терроугуд

Мы смогли сделать первоначальный анализ присутствующих элементов и загрузить его в компьютер, чтобы получить изображение картины в реальном времени по мере сбора данных.

Было невероятно волнующе видеть, как на мониторе компьютера появляется изображение и пиксель за пикселем раскрывается скрытый под ним портрет.

Основываясь на нашем анализе и сравнении с другими работами Дега, мы предполагаем, что скрытый портрет принадлежит модели Эмме Добиньи.

Мы знаем, что Дега писал Эмму и в другие времена, например, знаменитый портрет 1869 года, названный в ее честь.

Мы надеемся, что эти данные дадут историкам искусства больше информации о Дега и эволюции его творчества. И мы надеемся, что плодотворное сотрудничество с NGV и CSIRO продлится еще много лет.

Дега «Скрытая женщина сияет с помощью ускорителя частиц

С помощью ускорителя частиц картина 19-го века, наконец, отдает свои секреты.

Известный французский импрессионист Эдгар Дега написал «Портрет женщины» когда-то в конце 1870-х годов, но с 1922 года деградированные масла на холсте выявили дразнящие намеки на другую женщину, скрытую под видимым образом. Однако контуры слишком слабы, чтобы четко разглядеть невооруженным глазом.

Физика частиц встречает искусство

Используя синхротрон, тип ускорителя частиц, подобный Большому адронному коллайдеру, исследователи Австралии смотрели под тонким поверхностным слоем картины и вытащили скрытое изображение на первый план. Они достигли этого, запустив крошечный пучок фотонов при высоких энергиях по всей картине за одну маленькую кусочек за один раз, метод, называемый рентгеновской флуоресценцией. Высокоэнергетическое излучение толкало свободные атомы от атомов, заставляя их излучать фотоны при определенной энергии. Измеряя длину волны фотонов, они медленно создавали серию изображений, по одному для каждого элемента, содержащегося в пигментах.

Наложение этих изображений поверх друг друга выявило контуры лица, повернутые на 180 градусов от оригинала. Они реконструировали цвета Дега, используемые при сопоставлении различных элементов с оттенками, которые они производят. Весь процесс занял около 33 часов и произвел 31, 6 мегапиксельную визуализацию скрытой картины. Они опубликовали свои результаты в четверг в журнале Scientific Reports .

Читать еще:  Интерьерная фотография и бизнес - главные преимущества для предпринимателей

Вы можете видеть меня сейчас?

Результатом стала женщина с ушами, окруженная вихрем полуразрушенных мазков. Ее лицо, оказанное исследователями, более сносно и в явно более легкой палитре, чем задумчивая женщина в финальной версии. Скрытая женщина, скорее всего, Эмма Добиньи, любимая модель Дега и других живописцев того времени. Готовый портрет был написан примерно через семь лет после его первой попытки, намекнув, что Дега держал Добиньи по какой-то причине.

Повторное использование старых полотен было несколько обычным явлением — по слухам, это скрытые картины примерно в одной трети работ Ван Гога, но художники обычно применяли базовый слой поверх первой части, чтобы обеспечить пустую поверхность, на которой можно было работать. Дега, кажется, не выполнил этот шаг, рисуя прямо над лицом Добиньи, когда он работал над окончательной живописью.

Физики начали запуск «второй ступени» коллайдера NICA

Физики Объединенного института ядерных исследований в подмосковной Дубне начали процесс запуска второй ступени ускорительного комплекса NICA — сверхпроводящего промежуточного синхротрона Бустер, который будет разгонять ионы золота до энергий 578 мегаэлектронвольт на нуклон. Это предпоследний крупный элемент ускорительного комплекса, после его запуска останется запустить только большое кольцо коллайдера. Как ожидается, пучок ионов начнет циркулировать в кольце Бустера примерно через две недели, сообщил N + 1 руководитель проекта NICA Владимир Кекелидзе.

Установку NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility) начали строить в 2016 году. В ускорителе будут сталкиваться не протоны, как в Большом адронном коллайдере, а пучки тяжелых ионов. Главная задача установки — исследование кварк-глюонной плазмы, экстремального состояния вещества, где кварки и глюоны, из которых состоят протоны и нейтроны, могут находиться в свободном состоянии. Как предполагают ученые, кварк-глюонная плазма существовала в первые мгновения после Большого взрыва. Более подробно о задачах установки читайте в нашем материале «Маленький взрыв».

Коллайдерный комплекс состоит из целой цепочки ускорителей, каждая из которых разгоняет частицы до все более высоких энергий. Первая «ступень» — уже построенные и работающие линейные ускорители ЛУ-20 (для легких ионов) и HILAC (для тяжелых), вторая — сверхпроводящий Бустер, который запускается сейчас, третья — сверхпроводящий ускоритель «Нуклотрон», который работает уже почти три десятилетия. «Нуклотрон» будет разгонять частицы до энергий около 4,5 гигаэлектронвольта на нуклон, и переправлять их в строящееся сейчас большое кольцо коллайдера, где будут происходить столкновения ионов.

Бустер будет разгонять ионы золота 197 Au до энергии 578 мегаэлектронвольт на нуклон и передавать их в «Нуклотрон». По словам Кекелидзе, сегодня начался процесс запуска синхротрона, который должен занять 12-13 дней. Несколько дней уйдет на откачку воздуха и обеспечение глубокого вакуума в ускорителе, параллельно начинается процесс охлаждения сверхпроводящих магнитов — сначала до температуры жидкого азота, потом — до температуры жидкого гелия. После всех проверок и испытаний в ускорителе появится пучок ионов — на первой стадии это будут не ионы золота, а ядра дейтерия или ядра углерода. Процесс запуска, как ожидается, завершится в 10-х числах декабря.

Весь коллайдерный комплекс, как ожидается, будет достроен к 2022 году, но уже сейчас на установке идут эксперименты — работает детектор BM@N.

Краткая история ускорителей

Принцип работы всех ускорителей прост — заряженные частицы ускоряются под действием электрического поля.

Первые эксперименты

Первые эксперименты по изучению атомных ядер проводились вообще без ускорителей. Альфа-частицы (ядра гелия-4), использовавшиеся в таких опытах, получались из распада нестабильных изотопов (например, радия) и сами собой ускорялись в электрическом поле родительского ядра до энергий в несколько МэВ.

Эру ускорительной техники отсчитывают от начала 1930-х годов, когда появились сразу две схемы ускорения частиц до энергий около 1 МэВ. В 1932 году англичанин Джон Кокрофт (John Cockcroft) и ирландец Эрнест Уолтон (Ernest Walton) в Кембридже сконструировали каскадный 800-киловольтный генератор постоянного напряжения, который открыл новую эру в экспериментальной ядерной физике. Уже в первом своем эксперименте они направили пучок ускоренных протонов на мишень из лития-7 и наблюдали самую настоящую ядерную реакцию: ядро лития захватывало протон и затем разваливалось на две альфа-частицы.

Циклотроны

Создать разность потенциалов в десятки мегавольт очень непросто, но быстро выяснилось, что это и не обязательно. Вместо этого можно свернуть ускоритель в кольцо, поместив его в магнитное поле. В отличие от электрического, магнитное поле не ускоряет частицы, а лишь искривляет их траекторию. В частности, в однородном магнитном поле траектория заряженной частицы замыкается в окружность. Если теперь частицу время от времени подталкивать вперед электрическим полем, она будет набирать энергию, постепенно увеличивая радиус траектории. При этом автоматически решаются две задачи: частицы можно удерживать на орбите столько времени, сколько нужно, а ускоряющее электрическое поле не обязательно должно быть большим (тысяча проходов через разность потенциалов в один киловольт эквивалентна мегавольтному линейному генератору).

Ускоритель частиц на основе этого принципа — циклотрон — был задуман Эрнестом Лоуренсом (Ernest Lawrence) в 1929 году и сконструирован в 1931 году. Циклотрон состоит из двух полых половинок диска, внутри которых вращаются частицы. На края зазора между половинками подается переменное напряжение, частота которого точно совпадает с частотой обращения частиц. Когда частицы пролетают сквозь зазор в одну сторону, электрическое поле подталкивает их вперед, а через полпериода, когда они вновь пересекают зазор в обратном направлении с другой, диаметрально противоположной стороны диска, поле уже успевает сменить знак и снова их подталкивает, а не тормозит. Так повторяется круг за кругом, пока не будет достигнута максимальная энергия.

Читать еще:  Живопись светом. Gordon Hunt

Принципиально важно, что, пока скорость частиц существенно меньше скорости света, частота их обращения остается постоянной: рост скорости в точности компенсируется увеличением радиуса орбиты. Благодаря этому частица всегда подлетает к зазору через одинаковые интервалы времени, и поэтому на края зазора можно подавать переменное напряжение известной и строго фиксированной частоты.

Первый построенный Лоуренсом циклотрон был чуть больше 10 см в диаметре и разгонял протоны всего до 80 кэВ (килоэлектронвольт). Быстрый прогресс привел к появлению циклотрона на 8 МэВ в 1936 году и к 200-Мэвному многометровому гиганту в 1946 году. Правда, при такой энергии скорость протонов уже близка к скорости света, поэтому нерелятивистская формула для расчета циклотронной частоты уже не работает. Достичь таких энергий физики сумели, лишь научившись подстраивать частоту переменного электрического поля в зазоре в соответствии с частотой обращения частиц.

Синхрофазотроны

Дальнейшее увеличение энергий столкнулось с рядом проблем. Среди них были как чисто конструкторские трудности (необходимо обеспечить однородное магнитное поле, глубокий вакуум и механическую прочность, не мешая при этом частицам раскручиваться по спирали), так и принципиальная проблема — частицы разбегались по камере и попадали в ускорительные зазоры в неправильные моменты времени, из-за чего они не ускорялись.

В 1944 году советский физик Владимир Векслер и независимо от него годом позже американец Эдвин Макмиллан (Edwin McMillan) придумали принцип автофазировки. Их идея состояла в специальной настройке электрического поля в зазоре, которая отстающие частицы подгоняла бы сильнее, а убежавшие вперед — слабее. В результате частицы всегда будут держаться в виде компактного, не расплывающегося сгустка. Наконец, чтобы избавиться от инженерных проблем, частицы стали запускать вместо огромного диска в длинную свернутую в кольцо трубу, а для удержания их на постоянной орбите синхронно с ростом энергии увеличивали магнитное поле. Ускорители такого типа получили название синхрофазотронов. В последующие годы их энергия выросла до нескольких ГэВ и на них были совершены многие открытия в физике элементарных частиц. В основе многих современных ускорителей, в частности LHC, лежит принцип синхрофазотрона.

Коллайдеры

Следующим этапом в истории ускорительной техники стало создание коллайдеров — ускорителей со встречными пучками, где два пучка частиц раскручиваются в противоположных направлениях и сталкиваются друг с другом. Изначально эту идею высказал и даже запатентовал в 1943 году норвежский физик Рольф Видероэ (Rolf Wideröe), однако реализована она была лишь в начале 1960-х годов тремя независимыми командами исследователей: итальянской группой под руководством австрийца Бруно Тушека (Bruno Touschek), американцами под руководством Джерарда О’Нейлла (Gerard K. O’Neill) и Вольфганга Пановски (Wolfgang K. H. Panofsky) и новосибирской группой, возглавляемой Г. И. Будкером.

До того момента все эксперименты проводились с неподвижной мишенью. Когда высокоэнергетическая частица налетает на неподвижную частицу, рожденные продукты столкновения летят вперед с большой скоростью, и именно на их кинетическую энергию тратится основная доля энергии пучков. Если же сталкиваются летящие навстречу друг другу одинаковые частицы, то большая часть их энергии расходуется по прямому назначению: на рождение частиц. По формулам релятивистской механики можно вычислить полную энергию в системе центра масс — именно эту часть энергии исходных частиц можно потратить на рождение новых частиц. В первом случае это примерно , а во втором случае 2E. Если частицы ультрарелятивистские, E >> mc 2 , то в коллайдерах на встречных пучках могут рождаться гораздо более тяжелые частицы, чем в экспериментах с неподвижной мишенью при той же энергии пучка.

В 2008 году в строй вступает самый мощный ускоритель, когда-либо построенный человеком, — Большой адронный коллайдер, LHC, с энергией протонов 7 ТэВ (см. раздел об LHC на «Элементах»). Он находится в подземном кольцевом туннеле длиной 27 км на границе Швейцарии и Франции. Физики надеются, что результаты LHC приведут к новому прорыву в понимании глубинного устройства нашего мира.

Сейчас ускорители подошли к своему конструкционному пределу. Существенное увеличение энергии частиц станет возможным, только если коллайдеры станут линейными и будет реализована более эффективная методика ускорения частиц. Прорыв обещает лазерная или лазерно-плазменная методика ускорения. В ней короткий, но мощный лазерный импульс либо непосредственно разгоняет заряженные частицы, либо создает возмущение в облаке плазмы, которое подхватывает пролетающий сгусток электронов и резко его ускоряет. Для успешного применения этой схемы в ускорителе потребуется преодолеть еще немало трудностей (научиться состыковывать друг с другом несколько ускоряющих элементов, справиться с большим угловым расхождением, а также разбросом по энергии ускоренных частиц), но первые результаты очень обнадеживают.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector