Элементарные частицы. Ускорители

Исторически термин элементарные частицы был введен для тех частиц, которые считались неделимыми и бесструктурными, и из которых построена вся материя.

В современной физике этот термин употребляется менее строго - для обозначения большой группы "мельчайших частичек материи", не являющихся атомами и атомными ядрами (единственным исключением является протон.)

В группу элементарных частиц помимо протона входят нейтрон, электрон, фотон, а также пи-мезоны, мюоны, тяжелые лептоны , нейтрино трех типов (электронное, мюонное и - нейтрино), странные частицы (K - мезоны, гипероны ), огромное количество разнообразных резонансов, мезоны со скрытым очарованием (J/, ) и др. "очарованные" частицы, ипсилон-частицы (), "красивые" частицы, промежуточные векторные бозоны (W, Z0) - число таких частиц продолжает расти - (открыто 1000) и, скорее всего, неограниченно велико.

Большинство перечисленных частиц, строго говоря, не удовлетворяют критерию элементарности, т.к. являются составными объектами. В соответствии со сложившейся практикой термин "элементарные частицы" употребляется для обозначения всех субъядерных частиц. При обсуждении частиц, претендующих на роль первичных элементов материи, используют термин истинно элементарные или фундаментальные частицы. При этом, наряду с уже известными частицами, такими как электрон, фотон и нейтрино, теоретики вынуждены вводить новые частицы, которые еще только предстоит обнаружить. Часть же требуемых частиц (например, кварки) оказалось необходимым наделить такими свойствами, что они никогда не будут обнаружены в свободном состоянии (вне составных элементарных частиц).

Изучение элементарных частиц и их взаимодействий представляет прямой (возможно единственный) путь к пониманию фундаментальных законов природы.

Информация об элементарных частицах получается либо в результате экспериментов с космическими лучами, либо с помощью построенных ускорителей.

В зависимости от типа ускоряемых частиц различают протонные и электронные ускорители. Кроме того, ускорители бывают кольцевые и линейные.

В кольцевых ускорителях, вдоль всего кольца, в котором, движутся разгоняемые заряженные частицы и из которых откачан воздух, стоят электромагниты. Чем сильнее магнитное поле, тем более энергичные частицы могут быть удержаны внутри кольца (камеры). Разгоняются частицы при помощи электрического поля в ускоряющих промежутках, которые расположены вдоль кольца. В кольцевом ускорителе, где частица может многократно пролететь вдоль кольца. пока не наберет нужную энергию, электрическое поле может быть не очень сильным. В линейном ускорителе (принципиальная схема которого приведена на Рис. 7), напротив, ускоряющие электрические потенциалы должны быть предельно высокими, потому что частица должна набрать всю свою энергию за один пролет. (Линейные ускорители используются также и для получения высокоэнергичных пучков ионов и ядер.)

Один из самых больших действующих линейных ускорителей (SLAC) расположен в Станфорде (вблизи Сан-Франциско, США). На Рис. 8 показан один из рабочих моментов в туннеле этого ускорителя в подготовительной стадии эксперимента.

Рис. 7

Эффективность на единицу длины у протонных кольцевых ускорителей больше, чем для электронных. Это связано с тем, что электроны, будучи более легкими, более интенсивно излучают так называемое синхротронное излучение. Чтобы уменьшить потери энергии на синхротронное излучение, нужно уменьшать центростремительное ускорение разгоняемой частицы, а для этого необходимо увеличивать радиусы ускорителей.

После того, как частицы разогнались до необходимой энергии, их пучок направляют на мишень, в которой, сталкиваясь с ядрами вещества, частицы пучка рождают новые частицы. С помощью специальных магнитов (заряженные) частицы, вылетевшие из мишени, формируются во вторичные пучки, которые направляются в установки, детектирующие эти частицы и их взаимодействия.

В последние годы все большее значение приобретают такие ускорители, в которых разогнанные частицы сталкиваются не с неподвижной мищенью, а с пучком частиц, ускоренных в противоположном направлении. Преимуществом таких ускорителей (коллайдеров) является то, что они дают большой выигрыш полезной энергии, которую можно использовать для рождения новых частиц.

Трудности современного этапа в изучении фундаментальных взаимодействий связаны с двумя главными факторами.

Во-первых, строительство новых ускорителей чрезвычайно "дорогое удовольствие" - они обходятся в десятки миллиардов долларов.

Во-вторых (и это самая главная трудность), что в земных услових самый мощный ускоритель, который человечество в принципе могло бы построить, позволит достичь лишь энергий 107 ГэВ. (1 Гэв = 109 эВ). Тогда как для проверки выводов, скажем, теории суперструн необходима энергия 1019 ГэВ. (Оценки показывают, что для разгона частиц до гораздо "более скромных" энергий 1015 ГэВ при самой смелой экстраполяции современных технологических возможностей необходимо иметь ускоритель с линейными размерами в несколько световых лет!)

Поэтому становится все более очевидным, что Вселенная, это единственный ускоритель, который когда-либо мог производить частицы с энергиями, достаточными для проверки выводов т.н. единых калибровочных теорий и которым мы можем пользоватся практически бесплатно! Людям нужно лишь научиться правильно обрабатывать результаты уже "поставленного эксперимента."

С этой точки зрения гораздо большие усилия в обозримом будущем следует тратить не на построение новых суперускорителей (хотя они, конечно, также нужны), а на исследования в т.н. нейтринной астрономии, направленной на регистрацию реликтовых нейтрино, т.е. нейтрино, рожденных в самые первые минуты жизни Вселенной.