Элементарные частицы: спринтеры и бомбардировщики ХХ века

Знаете ли вы, что примерно на 99 % человек состоит из атомов газа: водорода, кислорода, азота и углерода. Многим частицам, из которых сложено тело человека, уже миллионы тысячелетий.  Все эти элементы появились в момент Большого взрыва и с появлением первых звезд. В изучение микромира внесли вклад создатели первого ускорителя частиц Эрнест Уолтон и одной из моделей атомов Нильс Бор, родившиеся 6 и 7 октября.

Крючки, «булочка с изюмом» и планеты
Впервые о модели атома заговорили еще древнегреческие философы. Демокрит и его наставник Левкипп считали, что все состоит из невидимых и неделимых сфер материи, форма которых зависит от агрегатного состояния вещества. Например, строение твердого железа представляли в виде цепляющихся друг за друга «крючков».

Основные элементарные частицы в ядерной физике: протоны и электроны, имеющие положительный и отрицательный заряд соответственно, и незаряженные нейтроны. 

Английский физик Джозеф Томсон в 1897 году проводил эксперименты с отклонением катодных лучей, потоком отрицательных частиц, в электрическом и магнитном поле. Результатом исследования стало открытие электрона. На основании этого, ученый предложил новую модель атома, которую еще называют «булочка с изюмом». Согласно ней, в положительно заряженную сферу вкраплены обнаруженные им структурные единицы.

В начале ХХ века физик Эрнест Резерфорд провел опыты над ядрами атома гелия. Он предполагал, что они должны проходить сквозь лист фольги, лишь немного отклоняясь от первоначального направления, но в действительности происходило отталкивание. Ученый сделал вывод, что протоны и большая часть массы сосредоточены в центре, размеры которого в более чем тысячу раз меньше атома. На основании этого Эрнест Резерфорд и физик-теоретик Нильс Бор сформулировали планетарную модель: вокруг состоящего из протонов ядра словно по орбитам движутся электроны.

Циклотрон, синхрофазотрон и коллайдер
Эра ускорителей частиц началась в 1930-х года, когда англичанин Джон Кокрофт и ирландец Эрнест Уолтон в Кембридже сконструировали генератор постоянного напряжения. В эксперименте они направили пучок ускоренных протонов на мишень из лития, в результате чего ядро элемента развалилось на две альфа-частицы. 

Альфа–частица — ядро атома гелия, состоящее из двух протонов и нейтронов.  

В 1931 году Эрнест Лоуренс предложил схему циклического ускорителя — циклотрона. Частицы впускали в вакуумную камеру вблизи центра, после чего они двигались по спирали внутри полости двух чуть раздвинутых полуцилиндров, помещенных между полюсами сильного электромагнита. Ускорение протонов и ионов происходило в тот момент, когда они оказывались в зоне электрического поля. Сегодня циклотрон используют для исследования ядерных реакций и создания искусственных химических элементов.

Однако у циклотрона были недостатки: частицы разбегались по камере и попадали в зазоры, щель между полуцилиндрами. Решил эту проблему в 1944 году советский физик Владимиром Векслер. Он придумал принцип автофазировки, заключающийся в такой настройке электрического поля в щели, что отстающие частицы ускорялись, а убежавшие вперед — тормозили. Кроме того, протоны запускали уже не в диск, а в кольцевую трубку. Для удержания их на постоянной орбите синхронно с ростом энергии использовали магниты. Такие ускорители получили название синхрофазотроны.

Самый большой ускоритель из семейства синхроциклотрона находится в Гатчине в Ленинградской области и принадлежит «Институту ядерной физики им. Б.П. Константинова».

Следующий этап в истории ускорительной техники — создание коллайдеров в конце 1950-х годов в лабораториях Национального института ядерной физики INFN (Италия), Национальной ускорительной лаборатории SLAC (США) и Института ядерной физики (СССР). В этом устройстве водород сначала попадает в дуоплазмотрон, где от него остается только плазма — вещество, состоящее из положительно заряженных частиц. Далее под действием магнитов протоны сбиваются в пучок и попадают в ускоритель, где достигают 91 % от скорости света. Последний пункт назначения — главное кольцо коллайдера, где происходит столкновение, в результате которого появляются новые элементы.

Несколько фактов о Большом адронном коллайдере: 

Его считают одним из самых сложных устройств, созданных человеком. Кроме того, в 2010 году в ходе эксперимента внутренняя температура Большого адронного коллайдера превысила солнечную в несколько сотен тысяч раз.

Раковые клетки, Большой взрыв и машина времени
Благодаря коллайдерам, синхрофазотронам и циклотронам физики узнают все больше деталей о строении атома. Например, в составе протонов и нейтронов были обнаружены кварки. Кроме того, ускорители используют и для уничтожения раковых клеток и создания детального изображения тела изнутри, в производстве компьютерных чипов и электронных микросхем.

Европейская организация по ядерным исследованиям ожидает, что Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider) позволит воспроизвести состояние, возникшие сразу после Большого взрыва, породившего Вселенную. И поскольку ускоритель призван создать часть космоса на Земле, то благодаря ему вероятно удастся получить темную материю. С помощью нее, как считают некоторые ученые, можно путешествовать во времени.

иллюстрации: wikipedia.org, CERN, Электронный фотоархив ОИЯИ