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HISTORIA DE LA TECNOLOGÍA, TECNOLOGÍA, OBJETOS ALREDEDOR DE NOSOTROS
Acelerador de partículas cargadas. Historia de la invención y la producción.
Directorio / La historia de la tecnología, la tecnología, los objetos que nos rodean. La física moderna tiene una forma probada de penetrar en los secretos del núcleo atómico: bombardearlo con partículas o irradiarlo y ver qué le sucede. Para los primeros estudios del átomo y su núcleo, la energía de las radiaciones que surgen de la descomposición natural de los elementos radiactivos fue suficiente. Pero pronto esta energía no fue suficiente, y para "mirar" aún más profundamente en el núcleo, los físicos tuvieron que pensar en cómo crear artificialmente una corriente de partículas de alta energía. Se sabe que, al caer entre electrodos con diferentes cargas, una partícula cargada, por ejemplo, un electrón o un protón, acelera el movimiento bajo la acción de fuerzas eléctricas. Este fenómeno dio lugar en la década de 1930 a la idea de crear el llamado acelerador lineal. Por diseño, un acelerador lineal es una cámara tubular larga y recta, dentro de la cual se mantiene el vacío. Se coloca una gran cantidad de tubos-electrodos de metal a lo largo de toda la cámara. Desde un generador especial de alta frecuencia, se aplica un voltaje eléctrico alterno a los electrodos, de modo que cuando el primer electrodo se carga, digamos positivamente, el segundo electrodo se cargará negativamente. Luego nuevamente el electrodo positivo, seguido del negativo.
Se dispara un haz de electrones desde el "cañón" de electrones hacia la cámara y, bajo la acción del potencial del primer electrodo positivo, comienza a acelerarse, deslizándose más a través de él. En el mismo momento, la fase de la tensión de alimentación cambia y el electrodo, recién cargado positivamente, se vuelve negativo. Ahora repele los electrones de sí mismo, como si los impulsara desde atrás. Y el segundo electrodo, habiéndose vuelto positivo durante este tiempo, atrae electrones hacia sí mismo, acelerándolos aún más. Luego, cuando los electrones vuelen a través de él, se volverá negativo nuevamente y los empujará hacia el tercer electrodo. Entonces, a medida que los electrones avanzan, se aceleran gradualmente, alcanzando una velocidad cercana a la de la luz al final de la cámara y adquiriendo una energía de cientos de millones de electronvoltios. A través de una ventana instalada al final del tubo, impenetrable al aire, una porción de electrones acelerados cae sobre los objetos estudiados del micromundo: los átomos y sus núcleos. Es fácil comprender que cuanta más energía queramos impartir a las partículas, más largo debe ser el tubo del acelerador lineal, decenas o incluso cientos de metros. Pero esto no siempre es posible. Ahora, si enrollas la tubería en una espiral compacta. Entonces, dicho acelerador podría colocarse libremente en el laboratorio. Otro fenómeno físico ayudó a dar vida a esta idea. Una partícula cargada, una vez en un campo magnético, comienza a moverse no en línea recta, sino que se "enrolla" alrededor de las líneas del campo magnético. Así, apareció otro tipo de acelerador: el ciclotrón. El primer ciclotrón fue construido en 1930 por E. Lawrence en los Estados Unidos.
La parte principal del ciclotrón es un potente electroimán, entre cuyos polos se coloca una cámara cilíndrica plana. Consta de dos cajas metálicas semicirculares separadas por un pequeño hueco. Estas cajas - dees - sirven como electrodos y están conectadas a los polos de un generador de voltaje alterno. En el centro de la cámara hay una fuente de partículas cargadas, algo así como una "pistola" electrónica.
Habiendo salido volando de la fuente, la partícula (supongamos que ahora es un protón cargado positivamente) es inmediatamente atraída por el electrodo, que actualmente está cargado negativamente. No hay campo eléctrico dentro del electrodo, por lo que la partícula vuela por inercia. Bajo la influencia de un campo magnético, cuyas líneas de fuerza son perpendiculares al plano de la trayectoria, la partícula describe un semicírculo y vuela hasta el espacio entre los electrodos. Durante este tiempo, el primer electrodo se vuelve positivo y ahora empuja la partícula mientras el otro la atrae. Así, al pasar de un grado a otro, la partícula adquiere velocidad y describe una espiral que se desenrolla. Las partículas se eliminan de la cámara con la ayuda de imanes especiales en el objetivo de los experimentadores. Cuanto más se acerca la velocidad de las partículas en el ciclotrón a la velocidad de la luz, más pesadas se vuelven y comienzan a retrasarse gradualmente con respecto al signo cambiante del voltaje eléctrico en los dees. Ya no caen al compás de las fuerzas eléctricas y dejan de acelerar. La energía límite que se puede comunicar a las partículas en un ciclotrón es de 25 a 30 MeV. Para superar esta barrera, la frecuencia del voltaje eléctrico aplicado alternativamente a los dees se reduce gradualmente, ajustándola al ritmo de las partículas "más pesadas". Un acelerador de este tipo se llama sincrociclotrón. Uno de los sincrociclotrones más grandes del Instituto Conjunto para la Investigación Nuclear en Dubna (cerca de Moscú) produce protones con una energía de 680 MeV y deuterones (núcleos de hidrógeno pesado - deuterio) con una energía de 380 MeV. ¡Para hacer esto, fue necesario construir una cámara de vacío con un diámetro de 3 metros y un electroimán que pesara 7000 toneladas! A medida que los físicos penetraban más profundamente en la estructura del núcleo, se requerían partículas de energía cada vez más altas. Se hizo necesario construir aceleradores aún más potentes: sincrotrones y sincrofasotrones, en los que las partículas no se mueven en espiral, sino en un círculo cerrado en una cámara anular. En 1944, independientemente uno del otro, el físico soviético V.I. Veksler y el físico estadounidense E.M. Macmillan descubrió el principio de autophasing. La esencia del método es la siguiente: si los campos se seleccionan de cierta manera, las partículas caerán automáticamente en la fase con el voltaje de aceleración todo el tiempo. En 1952, los científicos estadounidenses E. Courant, M. Livingston y H. Snyder propusieron el llamado enfoque duro, que presiona las partículas hacia el eje de movimiento. Con la ayuda de estos descubrimientos, fue posible crear sincrofasotrones para energías arbitrariamente altas. Existe otro sistema de clasificación para aceleradores, según el tipo de campo eléctrico acelerador. Los aceleradores de alto voltaje funcionan debido a la gran diferencia de potencial entre los electrodos del espacio acelerador, que opera todo el tiempo mientras las partículas vuelan entre los electrodos. En los aceleradores de inducción, "funciona" un campo eléctrico de vórtice, que es inducido (excitado) en el lugar donde actualmente se encuentran las partículas. Y, finalmente, los aceleradores resonantes utilizan un campo acelerador eléctrico que varía en tiempo y magnitud, sincrónicamente con el cual, "en resonancia", se acelera todo el "conjunto" de partículas. Cuando la gente habla de los aceleradores de partículas modernos de alta energía, se refiere principalmente a los aceleradores de resonancia de anillo. En otro tipo más de acelerador, el protón, para energías muy altas, al final del período de aceleración, la velocidad de las partículas se aproxima a la velocidad de la luz. Circulan en una órbita circular a una frecuencia constante. Los aceleradores de protones de alta energía se denominan sincrotrones de protones. Los tres más grandes están ubicados en EE. UU., Suiza y Rusia. La energía de los aceleradores actualmente en funcionamiento alcanza decenas y centenas de gigaelectronvoltios (1 GeV = 1000 MeV). Uno de los más grandes del mundo es el sincrofasotrón de protones U-70 del Instituto de Física de Altas Energías de la ciudad de Protvino, cerca de Moscú, que se puso en funcionamiento en 1967. El diámetro del anillo de aceleración es de un kilómetro y medio, la masa total de 120 secciones magnéticas alcanza las 20000 toneladas. Cada dos segundos, el acelerador dispara a los objetivos con una descarga de 10 a la duodécima potencia de protones con una energía de 76 GeV (el cuarto indicador en el mundo). Para alcanzar esta energía, las partículas deben completar 400000 revoluciones, ¡recorriendo una distancia de 60000 kilómetros! Aquí también se construyó un túnel circular subterráneo de veintiún kilómetros de largo para el nuevo acelerador. Curiosamente, los lanzamientos de aceleradores en Dubna o Protvino en la época soviética se llevaron a cabo solo de noche, ya que recibían casi toda la electricidad no solo en Moscú, sino también en las regiones vecinas. En 1973, físicos estadounidenses pusieron en funcionamiento un acelerador en la ciudad de Batavia, en el que las partículas conseguían impartir una energía de 400 GeV, y luego la elevaban hasta 500 GeV. Hoy, el acelerador más poderoso se encuentra en los EE. UU. Se llama "Tevatron" porque en su anillo de más de seis kilómetros de largo, con la ayuda de imanes superconductores, los protones adquieren una energía de alrededor de 1 teraelectronvoltio (1 TeV equivale a 1000 GeV).
Para lograr una energía de interacción aún mayor entre el haz de partículas aceleradas y el material del objeto físico estudiado, es necesario dispersar el "objetivo" hacia el "proyectil". Para hacer esto, organice la colisión de haces de partículas que vuelan uno hacia el otro en aceleradores especiales: colisionadores. Por supuesto, la densidad de partículas en los rayos que chocan no es tan alta como en el material de un "objetivo" estacionario, por lo que se utilizan los llamados acumuladores para aumentarla. Estas son cámaras de vacío anulares en las que se arrojan partículas "en porciones" desde el acelerador. Los acumuladores están equipados con sistemas de aceleración que compensan la pérdida de energía de las partículas. Es con los colisionadores que los científicos asocian el mayor desarrollo de los aceleradores. Hasta ahora, solo se han construido unos pocos y están ubicados en los países más desarrollados del mundo: en los EE. UU., Japón, Alemania, así como en el Centro Europeo de Investigación Nuclear, con sede en Suiza. Un acelerador moderno es una "fábrica" para la producción de intensos haces de partículas: electrones o protones 2000 veces más pesados. El haz de partículas del acelerador se dirige a un "objetivo" seleccionado sobre la base de las tareas del experimento. Al chocar con él, se producen una variedad de partículas secundarias. El nacimiento de nuevas partículas es el propósito de los experimentos. Con la ayuda de dispositivos especiales, detectores, se registran estas partículas o sus rastros, se restablece la trayectoria del movimiento, se determina la masa de las partículas, la carga eléctrica, la velocidad y otras características. Luego, mediante un complejo procesamiento matemático de la información recibida de los detectores, toda la "historia" de la interacción se restaura en las computadoras y, al comparar los resultados de la medición con el modelo teórico, se extraen conclusiones sobre si los procesos reales coinciden o no con el modelo construido. . Es así como se obtienen nuevos conocimientos sobre las propiedades de las partículas intranucleares. Cuanto mayor sea la energía adquirida por la partícula en el acelerador, más fuerte afectará al átomo "objetivo" oa la contrapartícula en el colisionador, más pequeños serán los "fragmentos". Con la ayuda de un colisionador en Estados Unidos, por ejemplo, se están realizando experimentos con el objetivo de recrear en condiciones de laboratorio el Big Bang, del que se supone que comenzó nuestro universo. Físicos de veinte países participaron en este audaz experimento, entre los que se encontraban representantes de Rusia. El grupo ruso en el verano de 2000 participó directamente en el experimento, estuvo de servicio en el acelerador y tomó datos. Esto es lo que dice uno de los científicos rusos - participantes en este experimento - Candidato a Ciencias Físicas y Matemáticas, Profesor Asociado de MEPhI Valery Mikhailovich Emelyanov: "60 millas de Nueva York, en Long Island, el acelerador RHIC - Colisionador Relativista de Iones Pesados - fue construido sobre iones relativistas pesados. "Pesado" - ya que este año comenzó a trabajar con haces de núcleos de átomos de oro. "Relativista" - también comprensible, estamos hablando de velocidades a las que los efectos de la relatividad especial se manifiestan en todos sus gloria Y el "colisionador" (de chocar - colisionar) se llama porque en su anillo hay una colisión de haces de núcleos que chocan. Por cierto, en nuestro país no hay aceleradores de este tipo. La energía que cae sobre un nucleón es 100 GeV. Esto es mucho, casi el doble de lo que se logró antes. La primera colisión física se registró el 25 de junio de 2000". La tarea de los científicos era intentar registrar un nuevo estado de la materia nuclear: el plasma de quarks y gluones. "La tarea es muy complicada", continúa Emelyanov, "y matemáticamente es generalmente incorrecta: la misma distribución fija de partículas secundarias en términos de momentos y velocidades puede tener causas completamente diferentes. Y solo en un experimento detallado que involucra una gran cantidad de detectores , calorímetros, sensores de multiplicidad de partículas cargadas, contadores que registran la radiación de transición, etc., existe la esperanza de registrar las diferencias más sutiles inherentes al plasma de quarks y gluones. El mecanismo de interacción de los núcleos a energías tan altas es interesante en sí mismo, pero lo más importante es que explorar por primera vez en el laboratorio el origen de nuestro universo". Autor: Musskiy S.A.
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