Ускорители элементарных частиц (стр. 2 из 3)

Часть пучков используется для технических целей – проверки работы оборудования, а часть – для физических исследований.

Один из пучков (2) - это пучок отрицательных π – и κ - мезонов с энергией от 30 до 65 ГэВ и интенсивностью от 10⁴ до 10⁶ частиц/имп ускорителя. Его получают следующим образом.

Пучок ускоренных протонов направляется на твердую, обычно бериллиевую мишень, расположенную внутри вакуумной камеры. Родившиеся при соударении отрицательно заряженные частицы π – и κ - мезоны или антипротоны отклоняются магнитным полем и выводятся из ускорителя. Только небольшую часть из них удается с помощью электрических и магнитных полей сформировать в пучок. Поэтому для получения пучков вторичных частиц желательно иметь максимальную интенсивность ускоряемого основного пучка. Дальнейший этап – разделение мезонов и антипротонов по массе с помощью большого масс-спектрометра. В масс-спектрометре частицы разной массы движутся под действием магнитного поля по разным дорожкам и затем выводятся в отдельные пучки. Такое разделение быстрых частиц, имеющих скорости, близкие к скорости света, - сложная техническая задача, она требует создания сильных магнитов и спектрометров большого размера. Основную долю в пучке составляют пионы.

Важнейшая группа экспериментов, выполненных в 1971 г. на пучке 2, состояла в измерении полных сечений рассеяния отрицательно заряженных частиц на протоне. Часть опытов проведена совместно учеными ИФВЭ и ЦЕРНа. Измерения осуществляли с помощью счетчиков частиц. Аналогичные измерения затем были выполнены и для положительно заряженных пионов, каонов и протонов.

Результаты оказались совершенно неожиданными по сравнению с тем, что наблюдалось при меньших энергиях. Так, было известно, что полные сечения рассеяния в измеренном ранее интервале энергий от 1 до 30 ГэВ монотонно убывают, причем разница сечений рассеяния мезонов противоположных знаков убывает с ростом энергий частиц (сечение рассеяния отрицательно заряженных частиц больше сечения положительно заряженных частиц того же вида). Очевидная экстраполяция в область больших энергий требовала дальнейшего убывания сечений. Однако эксперименты в ИФВЭ показали, что при рассеянии пионов и антипротонов вместо дальнейшего быстрого падения сечений с ростом энергий обнаружилось замедление падения и установление некоторого постоянного значения; для κ⁺- рассеяния на протоне сечение, которое было постоянным, обнаружило заметный рост. Эффект изменения характера поведения сечений рассеяния частиц на протоне с ростом энергии получил название «серпуховского эффекта». Авторы открытия: Ю.Д. Прокошкин, С.П. Денисов, Ю.П. Горин, С.В. Денисов, В.И. Петрухин, Д.А. Стоянова, Р.С. Шувалов, Ю.Б. Бушнин, Ю.П. Дмитриевский, В.С. Селезнев.

Серпуховский эффект привлек большое внимание теоретиков и экспериментаторов и сделал измерение полных сечений одним из интересных и важнейших экспериментов на новых ускорителях с большими энергиями в Батавии (США) и на пересекающихся кольцах в ЦЕРНе (Женеве). А настоящее время имеются данные по протон - протонным сечениям в области энергий 300 – 2000 ГэВ, полученные в 1973 г. на накопительных кольцах ЦЕРНа, и по рассеянию нуклонов на протоне с энергией до 500 ГэВ, полученные в 1974 г. в Батавии (США). Эти данные не только подтвердили существование серпуховского эффекта, но и показали, что он может быть началом нового явления в физике высоких энергий – быстрого роста полных сечений процессов. Исходя из физического смысла сечения, можно сказать, что «поперечный размер» нуклона возрастает с ростом энергии. Этот результат заставляет теоретиков пересмотреть некоторые важные положения, лежащие в основе изучения динамики взаимодействия частиц высоких энергий.

На пучке 2 была сделана попытка обнаружить гипотетические фундаментальные частицы – кварки с электрическим зарядом равным 2/3 от заряда электрона. Для этого была собрана уникальная установка, способная выделять частицы указанного заряда и определять их массу. В опыте удалось полностью подавить фон, вызываемый другими частицами - мезонами. Среди миллиардов прошедших через установку частиц не оказалось ни одного с дробным зарядом.

Пучок 4 – пучок отрицательно заряженных частиц с энергией от 20 до 45 ГэВ и интенсивностью порядка 10⁶ частиц/имп.На этом пучке в конце 1969 г. были открыты ядра ³He. Опыт состоял в том, что отрицательно заряженные частицы, рождающиеся при столкновении ускоренных протонов с внутренней мишенью, отклонялись магнитным полем, формировались в пучок с определенным импульсом, а затем система черенковских и сцинтилляционных счетчиков анализировала заряд и скорость каждой частицы в пучке. Из 200 миллиардов пролетевших через счетчики вторичных частиц пять оказались ядрами антигелия.

В 1974 г. ученые ОИЯИ и ИФВЭ открыли также ядра антитрития ³H, состоящего из одного антипротона и двух антинейтронов. Пропустив через детектирующую установку 400 миллиардов вторичных частиц, физики обнаружили, что четыре из них можно идентифицировать как ядра антитрития.

Открытие ядра антигелия и антитрития подтверждает теоретическую концепцию о существовании антивещества, что важно для понимания процессов, происходящих во Вселенной, и ее эволюции.

Помимо пучков отрицательных частиц, из ускорителя сделан вывод протонного пучка, с помощью которого получают чистые, или сепарированные, пучки мезонов и антипротонов с энергиями до 40 ГэВ. Создание таких пучков необходимо для исследования в пузырьковых камерах процессов, вызываемых этими частицами.

Пучок 7 протонов или мезонов направлен в жидководородную пузырьковую камеру «Мирабель».

Пучок 8 – нейтринный. Для получения нейтринного пучка требуется сперва получить мезонный пучок. Для этого протоны из ускорителя выводятся импульсным магнитом. Эти протоны в количестве до 10¹² в импульсе подводят к мишени по 170-метровой вакуумной трубе. Диаметр пучка на всем протяжении равен 2 мм. Потери частиц не превышают сотых долей процента. Протоны попадают в мишень. Система параболических магнитных линз, созданная в ИФВЭ, фокусирует родившиеся мезоны в тонкий пучок диаметром меньше 2 мм.

Сформированный мезонный пучок направляется в вакуумную трубку длиной 104 м. Здесь поддерживается глубокий вакуум. Труба выбрана достаточно длинной, чтобы значительная часть мезонов успела распасться, образуя мюоны и нейтрино. Мюоны доходят до закрытого слоем железа конца трубы толщиной 66 м. и поглощаются целиком. Нейтрино, летящие вдоль трубы, проходят эту толщу и на выходе образуют чистый нейтринный пучок. Он попадает в мишень, где вызывает ядерные реакции. Поскольку в распадный канал поступают пионы разных энергий, то и образующиеся нейтрино обладают широким спектром энергии в диапазоне несколько десятков гигаэлектронвольт.

Многоэтапность получения нейтринного пучка, возможность фокусировки лишь части пионного пучка и направления в мишень еще меньше доли нейтрино приводит к небольшой интенсивности нейтринного пучка в расчете на один импульс ускорителя.

Мишенями на нейтринном пучке служат искровая камера размером 25x25 м.² и общим весом железных пластин - электродов 100 mи пузырьковая камера «Скат». Обе установки созданы в ИФВЭ.

Интенсивность нейтринного пучка - 10¹⁰ нейтрино за импульс обеспечивает получение в искровой камере одного события за 5-7 циклов работы ускорителя. Фотографирование взаимодействий нейтрино с ядрами железа искровой камеры производится двумя фотокамерами с широкоугольными объективами. Только за первые недели работы нейтринного пучка удалось получить 40 тысяч фотографий.

Другая мишень, одновременно и детектор – пузырьковая камера «Скат», самая крупная в СССР (4,5 x 1,6 x1,5 м³), объемом 7,5 м³, сдана в эксплуатацию в 1974 г. Рабочим веществом камеры является бромистый фреон или его смесь с жидким пропаном. Жидкость находится под давлением 30 атм.Корпус камеры металлический, толщиной 20 см. Фотографирование камеры осуществляется через 2,6-метровый слой воды и плавающее оптическое стекло толщиной 14 см четырьмя камерами с широкоугольными объективами. Камера находится в магнитном поле мощного электромагнита с напряженностью поля 27 кгс при потребляемой мощности 10 МВт. Изготовление оптически однородного стекла гигантских размеров – свыше 4 м длиной, 1,3 м шириной и толщиной 14 см – потребовало необычайно высокой точности обработки его поверхности. Для отлива этого стекла была разработана специальная технология непрерывной варки и разливки стекла. В мировой практике не было еще случая отливки столь крупного оптического однородного стеклянного блока. Проектирование и постройка камеры выполнены учеными и инженерами ИФВЭ и НИИЭФА, инженерами и рабочими Ленинградского машиностроительного объединения «Электросила», Невского машиностроительного завода им. В.И. Ленина, Лыткаринского завода оптического стекла. Благодаря большим размерам камеры и выбору в качестве рабочего вещества тяжелой жидкости увеличивает количество вещества в мишени, а следовательно, и вероятность взаимодействия нейтрино. В среднем здесь получается одно событие на 30 импульсов ускорителя.

Обработав снимки с пузырьковой камеры, получим информацию о вероятности взаимодействия нейтрино, энергетическом и угловом распределении родившихся в реакциях с нейтрино вторичных частиц. Эта информация позволяет лучше понять природу слабого взаимодействия частиц.