Физика ускорителей physics.acc-ph

Пучок тяжёлых ионов в ускорителе похож на толпу людей, которые расталкивают друг друга локтями: чем больше народу, тем шире толпа. Заряженные частицы отталкиваются, и при токе выше нескольких микроампер пучок расползается, теряет форму. Для лёгких частиц это терпимо, но для тяжёлых, например ионов золота, проблема стоит остро: они летят медленно, и расталкивание успевает испортить пучок.

В кольцевом ускорителе частицы носятся по кругу, как автомобили по кольцевой развязке. Обычно при впрыскивании новых частиц они занимают случайные места на этой развязке — пучок становится «рыхлым».

Гитарная струна, задетая пальцем, дрожит — и воздух вокруг неё передаёт дрожь в ухо. Пространство-время дрожит иначе: когда в нём проходит гравитационная волна, оно слегка растягивается и сжимается. Заметить такую дрожь на частотах от 10 килогерц до 100 мегагерц — задача, для которой строят детекторы нового типа. В основе — сверхпроводящая радиочастотная полость.

В ускорителе частиц электроны мчатся по кругу почти со скоростью света. Когда такой электрон сталкивается с фотоном — частицей света, — фотон отскакивает, как мячик от летящего грузовика, и улетает с гораздо большей энергией.

В гигантских ускорителях частицы летят почти со скоростью света и сталкиваются лоб в лоб. Но иногда один пучок оказывается чуть плотнее другого — как будто на переполненном эскалаторе кто-то встал не в ту сторону. Тогда столкновения идут неравномерно, и приборы начинают «мигать», сбивая измерения. Чтобы этого не случалось, нужно очень точно управлять плотностью пучков.

Каждый год в одних только Соединённых Штатах врачи проводят больше 16 миллионов обследований с радиоактивным изотопом технецием-99m. Он подсвечивает на снимках сердце, кости, лёгкие, помогает найти опухоль или проверить кровоток. Но сам изотоп живёт всего шесть часов, поэтому его нельзя накопить впрок — нужен постоянный подвоз.

Кольцо размером с обеденную тарелку заставило пучок электронов бегать по кругу. Диаметр — 22 сантиметра, а полный оборот занимает всего 4,7 наносекунды. Для сравнения: за одну секунду такой электрон успел бы обернуться больше двухсот миллионов раз.

В плазменном ускорителе частицы разгоняются, как сёрферы на волне, созданной в плазме. Если ведущий сгусток и хвостовой сгусток летят не по одной линии, возникает неустойчивость, которая раскачивает хвостовой сгусток. Это как если бы сёрфер на волне начал вилять из стороны в сторону — его траектория портится, и он может вылететь с волны.

В сердце Альп, на глубине около ста метров, расположен Большой адронный коллайдер (LHC) — крупнейший в мире ускоритель заряженных частиц. Время от времени его детекторы фиксируют внезапные, необъяснимые всплески сигналов, которые исследователи окрестили UFO (Unidentified Falling Objects — неопознанные падающие объекты).

Поток электронов можно сравнить с пучком света от лазерной указки: если он расходится, пятно на стене быстро расплывается. В лаборатории физики сделали настолько узкий пучок, что он оставался тонким на большом расстоянии, как луч хорошей указки. Для этого они разгоняли электроны в плазменном ускорителе, где частицы подхватываются волной в ионизированном газе, а затем сжимали поток постоянным магнитом-соленоидом.

Лазерный импульс, бегущий сквозь плазму, подобен бегуну, прокладывающему себе дорогу в толпе. Он расталкивает электроны, оставляя за собой разреженный канал — как расступается толпа за спринтером. В этом канале гребень световой волны движется чуть быстрее, чем свет в вакууме, и именно эта скорость определяет, насколько эффективно импульс передаёт энергию частицам.

Обычный лазер на свободных электронах похож на музыкальный инструмент с одной струной: он может играть только одну ноту, пока не изменишь его конструкцию. Чтобы получить другую длину волны, приходится перенастраивать магниты или разгонять электроны сильнее. Это дорого и громоздко.

Современные источники рентгеновского света похожи на оркестр без дирижёра: электроны в пучке летят кто в лес, кто по дрова, и излучение получается смазанным. Новая идея — заставить электроны выстроиться ровными шеренгами с шагом в несколько нанометров. Тогда испускаемый ими свет становится когерентным, как лазерный луч.

Внутри будущего термоядерного реактора будет парить магнит весом с небольшой автомобиль. Он удерживает раскалённую плазму, как невидимая рука держит облако. Раньше такой магнит считался непригодным для топлива из дейтерия и трития: потоки нейтронов быстро разрушали его. Теперь инженеры придумали, как защитить магнит и заменить повреждённую часть.

Внутри больших ускорителей частиц есть полые металлические камеры, где разгоняются пучки. Со временем на их стенках оседает нагар, как в старой кастрюле. Этот нагар мешает ускорителю работать на полную мощность. Чтобы вернуть ускорителю силу, в камеру запускают плазму — светящийся газ из аргона или неона с добавкой кислорода.

Частицы в ускорителе могут колебаться сразу в двух поперечных направлениях, и эти колебания не всегда независимы. Если толкнуть маятник в одну сторону, а он начнёт качаться ещё и вбок — это и есть связанные колебания. В ускорителях такое случается из-за несовершенства магнитов или специальных вставок, и тогда движение частиц становится сложным.

Лучевая терапия похожа на стрельбу из очень крупнокалиберного ружья по маленькой мишени: даже точный выстрел задевает большое пространство вокруг. Толщина «следа» — её называют полутенью — у стандартных аппаратов составляет 2–3 миллиметра. Для опухоли в лёгком это полбеды, но рядом с нервом или сосудом такие миллиметры решают, останется ли человек здоровым.

Обычный ускоритель похож на конвейер, где электроны — это заготовки. Чтобы получить нужный рентгеновский импульс, заготовку долго подгоняют уже после запуска: сжимают, фильтруют, корректируют. В новой работе инженеры решили действовать иначе — придавать форму заготовке ещё до того, как она попадёт на конвейер. В установке LCLS-II электроны выбиваются из металла коротким лазерным импульсом.

Электронный пучок в ускорителе похож на стаю птиц: летит плотной группой, но со временем разлетается. Чтобы удержать частицы вместе, обычно ставят тяжёлые магниты. Здесь обошлись без них — пучок сам себя сжал. В эксперименте на установке FACET-II пучок из 10 миллиардов электронов (заряд 1 нКл) с энергией 10 ГэВ пропустили через стопку тонких металлических фольг.

Лазер бьёт по крошечной стеклянной решётке, и электроны, пролетая сквозь неё, разгоняются. Заглянуть внутрь невозможно, поэтому о происходящем судят по энергии электронов после ускорения — как по брызгам от камня судят о его форме. Учёные построили цифрового двойника: компьютерную модель, которая повторяет поведение настоящего ускорителя.

Обычный ядерный реактор похож на котёл, где топливо сгорает равномерно по всему объёму. Здесь другая картина: по цилиндрическому стержню из карбида урана медленно ползёт волна деления — узкая зона, где атомы расщепляются и выделяют тепло. Впереди волны топливо ещё не тронуто, позади — уже отработало. Так огонь бежит по фитилю свечи, оставляя за собой воск.

Обычная фотовспышка замирает на сотых долях секунды — но для атомов это вечность. Внутри молекул электроны перескакивают за аттосекунды: миллиардные доли миллиардной доли секунды. Чтобы заснять такое, нужен импульс света короче самого события. Физики берут пучок электронов в линейном ускорителе и сжимают его так, что отдельные сгустки становятся тоньше волоса — по времени.

Инфракрасный лазер в Институте Фрица Габера теперь работает как дирижёр с двумя палочками. Раньше он давал один луч — в среднем инфракрасном диапазоне, где колеблются молекулы. Теперь к нему добавили второй осциллятор, который светит дальним инфракрасным светом, где «дышат» целые молекулярные каркасы.

Рентгеновский луч — это поток крошечных порций энергии, фотонов. Обычные детекторы считают их, но не различают оттенки: два фотона с близкой энергией для них на одно лицо. Новый прибор работает как чувствительный термометр: он ловит каждый фотон и измеряет, насколько тот нагрел тонкую плёнку. По нагреву можно точно сказать, сколько энергии принёс фотон.

Длинная узкая грядка требует полива, но шланг нельзя двигать — только воду включать и выключать. Если просто открыть кран, вода польётся сплошным потоком и зальёт всё сразу. А если быстро дёргать рычаг, можно посылать короткие порции воды — и каждая попадёт точно в свой участок.

Электронные облака вокруг атомных ядер можно представить как пушистые шубы: они не дают ядрам сблизиться для слияния. Но замените лёгкий электрон на мюон — тяжёлый аналог электрона из стандартной модели элементарных частиц, — и картина меняется. Мюон формирует компактную «шубу», сжимая электронное облако почти в 200 раз.

В жаркий полдень над городом нависает душное марево, а на горизонте ни облачка. Обычно в такую погоду остаётся только ждать, когда природа смилостивится и пошлёт прохладу. А что, если бы тень и дождь можно было включать по расписанию, как свет в комнате? Группа исследователей предлагает необычный инструмент для такой «погодной кнопки» — воздушный ускоритель протонов.

Заводской лазер, который на производстве режет и сваривает металл, впервые заставили работать ускорителем частиц. Физики взяли стандартный иттербиевый лазер — его сердцевина из кристалла размером с ладонь — и превратили его вспышки в инструмент для разгона электронов почти до скорости света.

Протонный сгусток влетает в облако плазмы — и за ним остаётся невидимый след: электрическая волна. Эта волна может подхватить другие частицы и разогнать их до огромных энергий. Но управлять ею трудно: слишком много деталей в поведении плазмы. Карл Шварцшильд когда-то искал простые решения сложных уравнений — здесь нужен похожий подход.

Лазерный луч можно представить как стремительный вихрь, который на мгновение захватывает пролетающий электрон. Пока частица движется сквозь импульс, её спин — собственное вращение, подобное вращению крошечного волчка, — испытывает слабый толчок. После выхода из луча волчок уже не смотрит в прежнюю сторону: он чуть-чуть довернулся.

В кольцевом ускорителе пучок электронов мчится по замкнутой траектории миллионы раз. Если электроны закручены, как нити в верёвке, их вихревое движение — орбитальный угловой момент — должно сохраняться. Но на пути пучка встречаются случайные толчки от несовершенных магнитов, которые могут разрушить эту структуру.

Стрелок целится в мишень, нажимает на спуск — и слышит два выстрела: один громкий, другой тихий. Так работает новая установка, только вместо пуль — электронный сгусток, а вместо выстрелов — две вспышки света. Одна вспышка рентгеновская, другая — терагерцовая. Они летят в одну точку с идеальным интервалом.

Три дня подряд лазер бил в струю газа, и каждую секунду рождался пучок электронов с энергией, как у маленькой молнии. Раньше такие пучки получали только в огромных залах, где ускоритель занимает целое здание. Теперь вся установка уместилась в комнате и проработала без сбоев 72 часа.

В тёмной комнате луч солнца проходит сквозь булавочный прокол в картоне — и на стене появляется перевёрнутое изображение улицы. Пинхол-камера не нуждается в линзах: крошечное отверстие само отбирает лучи, идущие от каждой точки сцены. Учёные из ESRF применили этот принцип не к свету, а к рентгеновскому излучению, и заставили камеру видеть не форму, а химический состав.

Лазерный импульс врезается в облако газа и выбивает из него электроны, оставляя за собой пузырь — полость, где почти нет частиц. Этот пузырь летит сквозь плазму почти со скоростью света, а его стенки тянут за собой попавшие внутрь электроны, как быстроходный катер тянет за собой водного лыжника.