Сегодня - 09.07.2020

СКИФ — это наш Большой адронный коллайдер?

Отвечает: 
старший научный сотрудник Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН кандидат физико-математических наук Вячеслав Викторович Каминский
 

Что у этих ускорителей общего и чем они отличаются друг от друга?

 

Ускорители заряженных частиц служат для получения энергичных протонов, антипротонов, легких или тяжелых ионов, электронов или позитронов. В современных реалиях «энергичные» частицы — это такие, скорость которых приближается или даже практически равна скорости света в вакууме, то есть около 300 000 километров в секунду. И во всяком случае, их энергии (и скорости) существенно больше, чем те, которые можно получить на Земле из естественных источников, например из радиоактивных ядер. 
 
Используются эти частицы для широкого спектра применений: тут можно упомянуть и легирование полупроводников, и терапию онкозаболеваний на ускорителях протонов или легких ионов низких энергий, и обеззараживание медицинских изделий, и упрочнение полимеров на электронных промышленных ускорителях. Но всё же основной мотив использования ускорителей — получение фундаментальных и прикладных знаний. 
 
Началась история ускорителей с искусственных ядерных реакций, продолжилась открытием внутренней структуры протонов и нейтронов на ускорителях с неподвижной мишенью.
 
Сейчас основным инструментом в изучении свойств элементарных частиц являются коллайдеры. Это ускорители, где группы частиц, называемые пучками (в пучке миллиарды частиц!), движутся друг навстречу другу с практически световой скоростью и сталкиваются. При столкновениях получаются новые нестабильные частицы, которых изначально не было в исходных.
 
Такие частицы очень быстро распадаются, но продукты распада регистрируются детекторами, и физики по этим следам распутывают картину произошедшего, совсем как криминалисты. Таким образом ученые исследуют, как устроена и как себя ведет материя на масштабах порядка 10-19 метра.
 
Большой адронный коллайдер, или LHC, является самым знаменитым коллайдером. Он сталкивает протоны с протонами на скоростях, которые отличаются от скорости света всего на несколько десятков метров в секунду. LHC — это кольцевой коллайдер периметром 27 километров, расположенный под землей на глубине около 100 метров на территории Франции и Швейцарии. Все 27 километров — это вакуумная труба и сверхпроводящие магниты, которые удерживают протоны на нужной траектории. 
 
Кроме LHC в мире есть еще шесть коллайдеров: один ионный (RHIC, США), а остальные сталкивают электроны и позитроны (DAFNE в Италии, BEPC-II в Китае и SuperKEKB в Японии), в том числе два новосибирских коллайдера (ВЭПП-4М и ВЭПП-2000).
 
Каждый коллайдер занимает свою нишу по энергии и экспериментальным возможностям, так что результаты их работы дополняют друг друга. Если сравнить коллайдеры с инструментами, то протон-протонный — это топор: получается очень много частиц разных типов. А электрон-позитронный — это скальпель: можно получать частицы небольшого числа типов, зато очень точно измерять их параметры.
 
Современные коллайдеры являются жесткофокусирующими синхротронами — это тип кольцевого ускорителя, где применяются электромагниты с магнитным полем, изменяющимся синхронно с энергией. Однородное магнитное поле используется для поворота частиц, а неоднородное — для их фокусировки.
 
Но у слова «синхротрон» есть еще одно, более узкое значение — специализированный источник синхротронного излучения, то есть электронный синхротрон, спроектированный специально для генерации синхротронного излучения большой интенсивности.
 
Синхротронное излучение (СИ) образуется, когда сильно релятивистские (то есть с почти световой скоростью) электроны движутся в магнитном поле. СИ обладает несколькими ценными свойствами —  высокой направленностью, широким спектром излучения от радиоволн до жесткого рентгеновского и высокой мощностью. Всё это позволяет применять СИ для широчайшего круга задач прикладной науки: изучение химического состава и структуры вещества, томография, исследование быстрых процессов, обработка материалов и многое другое. В отличие от коллайдеров, в мире несколько десятков специализированных источников СИ.
 
Синхротрон СКИФ — это специализированный источник СИ поколения 4+ с энергией пучка электронов 3 ГэВ (электрон в 6 тысяч раз тяжелее, чем в состоянии покоя), периметром около 500 метров. Это значит, что на нем можно получать как мягкое, так и жесткое рентгеновское излучение с рекордной плотностью излучения.
 
Уникальные характеристики этого ускорителя позволят ученым проводить все необходимые эксперименты с СИ, не выезжая за рубеж. Неудивительно, что синхротрон СКИФ будет находиться в Новосибирске, ведь именно здесь сосредоточены основные потребители СИ — институты СО РАН разных профилей, а также Институт ядерной физики СО РАН — организация, которая уже больше 50 лет строит ускорители разных типов по всему миру.
 
Таким образом, Большой адронный коллайдер — инструмент для физики элементарных частиц, то есть для чисто фундаментальных исследований, работающий с циркулирующими в двух направлениях пучками протонов. А СКИФ — инструмент для широкого спектра прикладных исследований, работающий с пучками электронов, циркулирующих в одном направлении.
 
Между СКИФом и LHC общего лишь то, что они оба являются синхротронами, и аналогия здесь только в принципе действия, но различаются и тип частиц, и их энергия, и размеры установки, и технические решения, и назначение. Более близкими российскими аналогами LHC являются новосибирские электрон-позитронные коллайдеры: ВЭПП-4М и ВЭПП-2000. И действительно, между учеными, работающими на этих установках, существует обмен знаниями и технологиями.
 
Фото из открытых источников (анонс)
 
Поделись с друзьями: 

Система Orphus