Ещё Древние греки предполагали, что вещество состоит из мельчайших частиц, из атомов. Само слово "атом" по-гречески означает - "неделимый". Однако на практике, многие тысячи лет, люди имели дело не с атомами, а молекулами. В 1860 году было введено официальное определение молекулы как наименьшей частицы химического вещества, обладающей всеми его химическими свойствами. Но уже в то время было ясно, что и атомы действительно существуют. Разного вида и количества, соединённые химическими связями, они складываются в молекулы. Но из чего состоят сами атомы?

В 1897 году Джозефом Джоном Томсоном был открыт электрон - частица обладающая минимальным отрицательным электрическим зарядом. На основе своего открытия Томсон высказал предположение о том, что атомы не являются неделимыми, а, в свою очередь, состоят из каких-то более мелких частиц. Было предложено несколько различных теорий объясняющих структуру атома, но подтвердилась лишь одна из них - планетарная модель атома Бора-Резерфорда, которая представляет атом как электроны вращающиеся по своим орбитам вокруг тяжёлого ядра. Сперва считали что это ядро состоит из протонов - тяжёлых частиц несущих положительный заряд, однако, в дальнейшем, обнаружились экспериментальные не стыковки в этой теории, что привело в 1932 году к открытию нейтрона - частицы входящей в состав атомного ядра, но не обладающей электрическим зарядом.

В том-же году была открыта и первая античастица - позитрон - "собрат" электрона, но несущая не отрицательный, а положительный заряд. При соединении электрона и позитрона происходит аннигиляция, в результате которой рождаются несколько гамма-квантов, то есть фотонов (частица-переносчик электромагнитного излучения) с высокой энергией.

В дальнейшем число новых частиц и античастиц росло с большой скоростью, стало ясно что ни протон, ни нейтрон не являются истинно элементарными частицами, а состоят из более мелких - из кварков. Были открыты нейтрино, антипротон и в настоящее время науке известно около 400 различных частиц, сформулированы теории их взаимодействий и теория связывающая различные взаимодействия вместе.





В 30е годы ХХ-го века новые частицы открывали, что называется, в природе - например в космическом излучении. Но начиная с середины ХХ-го века, основным способом их поиска и экспериментального исследования становятся ускорители. Первые ускорители представляли собой устройства, в которых частицы разгонялись, а затем попадали в неподвижную мишень. В момент столкновения частицы изменялись, превращались в другие и рождались новые, разлетающиеся в разные стороны. Эти частицы улавливались детекторами, которые могли определить их свойства, например заряд и массу. Чем больше была энергия у первоначального пучка, тем больше изменений при столкновении могло произойти. Следующее поколение ускорителей сталкивало частицы уже не с неподвижной мишенью, а другим пучком частиц (возможно другого вида). Эти виды ускорителей получили название - коллайдеры.

Поясню идею изучения элементарных частиц на простом примере. Представьте что у вас есть два автомобиля, внутреннее устройство которых вы не знаете. Вы разгоняете эти автомобили навстречу друг другу и сталкиваете! При малой скорости удар будет слабым и автомобили лишь слегка деформируются. При более сильном ударе от них отлетят различные лёгкие внешние детали, например куски фар, стекла, зеркала и бамперы. Вы поймаете эти детали, осмотрите и получите некоторые сведения о том, из чего состояли эти автомобили. С увеличением силы столкновения, от автомобилей будет отваливаться все более и более тяжёлые детали, а вы будете получать всё новые и новые знания об устройстве машины. Так и ускорители - о общем случае про увеличении "их мощности" они позволяют разогнать частицы до всё более и более высоких скоростей, которые приводят к росту энергий частиц, столкновение на которых может привести к получению новых, доселе невозможных, результатов.

В настоящее время в мире работает большое число коллайдеров, различных как по типу использующихся частиц, рабочих энергий, так и по максимальной энергии, до которой они могут разогнать эти частицы. Если вновь вернуться к автомобильной аналогии, то одни коллайдеры могут разгонять лишь небольшие легковые автомобили, а другие тяжёлые и громадные самосвалы.

В общем плане устройство коллайдера таково - два пучка частицы инжектируются внутрь замкнутой в кольцо длинной трубы из которой выкачан воздух, после чего по ней в противоположных направлениях начинают двигаться частицы, которые сталкиваются друг с другом внутри специального устройства - детектора. Цель детектора "уловить" родившиеся новые частицы и измерять их характеристики. Поскольку труба замкнута в кольцо, необходимо как-то управлять траекторией движения частиц в трубе, дабы они не столкнулись с его стенками. Здесь приходит на помощь магнетизм, а именно тот факт, что частицы имеющие заряд могут притягиваться или отталкиваться магнитами. Таким образом, на внешней стороне трубы установлены электромагниты и изменение магнитного поля приводит к отклонению летящих частиц так, чтобы они не касались стенок трубы.

Очевидно, что чем быстрее летит частица и чем она тяжелее, тем сложнее становится ей управлять (требуются более сильные магнитные поля) и поэтому, стремятся уменьшить кривизну трубы, что, в свою очередь приводит к увеличению радиуса окружности и размерам кольца. Именно поэтому, размер коллайдера в первую очередь зависит от того, до каких энергий и какие именно частицы он разгоняет.

Первый в мире коллайдер ВЭП-1 был построен в начале 60х годов в Новосибирске, в Институте Ядерной Физики под руководством академика Г.И. Будкера и имел размеры крупного обеденного стола (не считая систем инжекции, электропитания и источника самих частиц). Работал он на электронных парах, разгоняя их до 160 МэВ на пучок. Радиус кольца в ВЭП-1 составлял всего 43 сантиметра.


Самый же крупный из современных действующих коллайдеров находится в Европе и называется Большой Адронный Коллайдер. Обладая длиной кольца в почти 26 с половиной километров и радиусом кольца около 4200 метров, он сталкивает протоны и ионы на энергиях до 7 ТэВ на пучок. На сегодня это самая крупная действующая научная установка в мире.





В начале 90х годов в США начались работы по сооружению коллайдера с длиной кольца 93 километра, но были закрыты. Однако, сферы исследований на различных коллайдерах различны, поэтому нельзя говорить, что все более мелкие коллайдеры не приносят результатов. Более того адронные и электрон-позитронные коллайдеры различаются ещё на и более глубоком уровне.

Новосибирский Институт Ядерной Физики является одним из ведущих мировых лидеров по ускорительной тематике. Обладая не только высококлассными специалистами, но и совершенным собственным производством, он может не только проектировать элементы коллайдеров, но и изготавливать их. Все его собственные коллайдеры были изготовлены непосредственно в Новосибирске, а так-же институт принимает активное участие в международных проектах. В качестве примера можно привести уже упомянутый Большой Адронный Коллайдер, часть элементов которого была изготовлена силами института. Так, для инжекции протонов в коллайдер потребовалось создать две магнито-вакуумные системы длиной около пяти с половиной километров каждая. Для них были изготовлены собственно вакуумные системы, большое количество электромагнитов, каждый длиной 6 метров и весом несколько тонн, а также серия магнитных линз. Всё это оборудование было изготовлено в ИЯФ-е и отправлялось в Женеву в течение нескольких лет.

Если говорить о собственных коллайдерах, то сейчас в ИЯФе постоянно функционируют два ускорительных комплекса - ВЭПП-4М и ВЭПП-2000. Оба из них работают на встречных электрон-позитронных пучках.

Длина кольца ВЭПП-4М 366 метров, рабочие энергии до 6 ГэВ на пучок. В ВЭПП-4М присутствует всё, что есть у его более крупных родственников, а использование высокочувствительного детектора КЕДР, позволяет измерять массы частиц с точностью недоступной для других лабораторий мира. Помимо высокоточного измерения масс, ускорительный комплекс используется как источник синхротронного излучения для как теоретических, так и практических исследований.





Даже небольшой коллайдер это огромное сооружение. Ведь помимо кольца и детекторов в него входят вакуумная система для создания вакуума в трубе, криогенная система для охлаждения сверхпроводящих магнитов-отклонителей пучков, система электропитания для различных узлов, система инжекции пучков в кольцо, система получения самих пучков и система их предварительного разгона. Сами электрон-позитронные пучки получают как в старых ускорителях - путём столкновения электронов с неподвижной мишенью. Кроме того следует не забыть системы управления всем комплексом. На фото приведена лишь малая доля составляющих коллайдер элементов.







Комплекс ВЭПП-2000 рассчитан на энергию каждого пучка в 1 ГэВ и основная исследуемая на нём задача - изучение процесса рождения протон-антипротонных пар. Энергия покоя протона как раз чуть меньше ГэВ, поэтому если сталкивать частицы с суммарной энергией близкой к 2 ГэВ, то в ходе реакции будут рождаться протон-антипротонные пары. Вообще-то процессы рождения адронов происходят и при столкновении частиц на более высоких энергиях, однако там они быстро аннигилируют вновь, не оставляя следов. Внутреннее строение протонов и нейтронов до сих пор изучено не до конца. Известно из чего они состоят, но как это там распределено, известно очень плохо.








Какую же практическую пользу приносят исследования элементарных частиц и ускорительная техника? Даже если не брать во внимание философские аспекты вопроса об устройстве окружающего мира, применений обнаруживается достаточно много. Исторически, самым простым примером может служить создание атомной энергетики и атомного оружия в ещё "до коллайдерную" эпоху. В дальнейшем ускорительная техника нашла себе множество мирных применений. Например, дезинфицирование медицинских инструментов под воздействием пучка электронов. Такое воздействие на несёт эффекта остаточной радиации, но гарантированно и быстро убивает микробов. Другим примером могут служить ускорители для лечения различных болезней, например рака. В клетки опухоли вводят изотопы бора, а затем облучают пучком частиц, под действием которых изотопы нагреваются "выжигая" больные клетки. Так-же хорошим примером будет особое взаимодействие потока частиц с некоторыми другими веществами, например взрывчаткой, что позволяет её детектировать.



Высокая чувствительность детекторов созданных изначально для ускорителей, позволяет использовать куда более слабые дозы излучения при рентгенологическом обследовании. Такие установки, в частности изготавливает ИЯФ, и доза радиации при прохождении исследования в десять раз меньше, чем на обычных аппаратах. Поэтому ускорительная техника, несмотря на гигантские затраты на своё создание, в конце-концов приносит огромную пользу и выгоду.