Пятница16 ноября
Образование

Ускоритель протонов: история создания, этапы развития, новые технологии, запуск коллайдера, открытия и прогнозы на будущее

12 июля 2018

Еще несколько лет назад предрекали, что, как только в действие будет пущен адронный коллайдер, наступит конец света. Этот огромный ускоритель протонов и ионов, построенный в швейцарском ЦЕРНе, по праву признается самым большим экспериментальным сооружением в мире. Он был построен десятками тысяч ученых из многих стран мира. Его поистине можно назвать международным институтом. Однако все начиналось на совершенно ином уровне, первым делом для того, чтобы можно было в ускорителе определить скорость движения протона. Именно об истории создания и этапах развития подобных ускорителей и будет рассказано ниже.

История становления

Размеры ускорителя частиц

После того как было обнаружено наличие альфа-частиц и непосредственно начали изучаться атомные ядра, люди начали пытаться проводить над ними эксперименты. Поначалу ни о каких ускорителях протонов здесь речь даже и не шла, поскольку уровень технологий был относительно невысок. Истинная эра создания ускорительной техники началась только в 30-е годы прошлого века, когда ученые начали целенаправленно разрабатывать схемы ускорения частиц. Двое ученых из Великобритании первыми в 1932 году сконструировали особый генератор постоянного напряжения, позволивший остальным начать эпоху ядерной физики, которую стало возможным применять на практике.

Появление циклотрона

Циклотрон, а именно так назывался первый ускоритель протонов, в качестве задумки появился у ученого Эрнеста Лоуренса еще в 1929 году, однако сконструировать его он смог только в 1931 году. Удивительно, но первый образец был достаточно маленьким, всего около десятка сантиметров в диаметре, а потому мог разгонять протоны всего немного. Вся концепция его ускорителя заключалась в использовании не электрического, а магнитного поля. Ускоритель протонов в подобном состоянии был направлен не на непосредственный разгон положительно заряженных частиц, а на искривление их траектории до того состояния, чтобы они летали по окружности в замкнутом состоянии.

Именно это и позволило создать циклотрон, состоящий из двух полых половинчатых дисков, внутри которых и вращались протоны. Все остальные циклотроны строились на данной теории, однако для того, чтобы получить намного большую мощность, они становились все более громоздкими. К 40-м годам стандартный размер такого ускорителя протонов стал равняться зданиям.

Именно за изобретение циклотрона в 1939 году Лоуренсу была присуждена Нобелевская премия по физике.

Синхрофазотроны

Однако по мере того, как ученые пытались сделать ускоритель протонов более мощным, начались проблемы. Часто они были чисто техническими, поскольку требования к образуемой среде были невероятно высоки, однако частично они были и в том, что частицы попросту не ускорялись, как требовалось от них. Новый прорыв в 1944 году сделал Владимир Векслер, который придумал принцип автофазировки. Что удивительно, то же сделал годом позже и американский ученый Эдвин Макмиллан. Они предлагали настроить электрическое поле так, чтобы оно влияло на сами частицы, при необходимости подгоняя их или, наоборот, замедляя. Это позволило сохранить движение частиц в виде одного сгустка, а не расплывчатой массы. Такие ускорители получили название синхрофазотрон.

Коллайдер

Часть ускорителя

Для того чтобы ускоритель разгонял протоны до кинетической энергии, стали требоваться еще более мощные сооружения. Так на свет и появились коллайдеры, которые работали с помощью применения двух пучков частиц, которые раскручивались бы в противоположные стороны. А поскольку располагали их навстречу друг другу, то происходило бы сталкивание частиц. Впервые на свет идея появилась еще в 1943 году у физика Рольфа Видероэ, однако развить ее смогли только в 60-х годах, когда появились новые технологии, которые могли бы осуществить данный процесс. Это позволило увеличить число новых частиц, которые бы появлялись в результате сталкивания.

Все наработки за последующие годы непосредственно привели к постройке огромного сооружения - Большого адронного коллайдера в 2008 году, который по своей структуре представляет кольцо длиной в 27 километров. Считается, что именно проведенные в нем эксперименты помогут понять то, как был образован наш мир, и его глубинное устройство.

Запуск Большого адронного коллайдера

Вид сверху

Первая попытка отправить в эксплуатацию этот коллайдер была предпринята в сентябре 2008 года. 10 сентября считается днем его официального запуска. Однако после серии успешных испытаний случилась авария - уже через 9 дней он вышел из строя, а потому его были вынуждены закрыть на ремонт.

Новые испытания начались только в 2009 году, однако вплоть до 2014 года сооружение работало на крайне пониженной энергии, чтобы не допустить новых поломок. Именно в это время и был открыт бозон Хиггса, который вызвал всплеск в научной среде.

На данный момент практически все исследования проводятся в области тяжелых ионов и легких ядер, после чего БАК вновь будет закрыт на модернизацию вплоть до 2021 года. Считается, что работать он сможет приблизительно до 2034 года, после чего для дальнейших исследований потребуется создать новые ускорители.

Сегодняшняя картина

Адронный коллайдер

На данный момент конструкционный предел ускорителей достиг своего пика, поэтому единственным вариантом становится создание линейного ускорителя протонов наподобие тех, что сейчас используют в медицине, но гораздо более мощных. ЦЕРН пытался воссоздать миниатюрную версию устройства, однако заметного продвижения в этой области так и не появилось. Данную модель линейного коллайдера планируют непосредственно подключить к БАК, чтобы спровоцировать плотность и интенсивность протонов, которые далее будут направлены непосредственно в сам коллайдер.

Заключение

Движение частиц

С появлением ядерной физики началась эпоха развития ускорителей частиц. Они пережили многочисленные этапы, каждый из которых принес многочисленные открытия. Сейчас невозможно найти человека, который никогда бы в жизни не слышал о Большом адронном коллайдере. Его упоминают в книгах, фильмах - предрекая то, что он поможет раскрыть все тайны мира или попросту закончит его. Доподлинно неизвестно, к чему приведут все эксперименты ЦЕРНа, однако с использованием ускорителей ученые смогли ответить на многие вопросы.

Источник: fb.ru
Похожие материалы
Паровозы России: история создания, этапы развития паровозостроения, исторические факты и события Образование
Паровозы России: история создания, этапы развития паровозостроения, исторические факты и события

История паровозов России интересна и уникальна. Ведь именно они стали основой железнодорожного транспорта, соединяющего сегодня самые отдаленные уголки страны. Многие признают, что это одна из самых удивительных вещей...

Дизайн. История дизайна. Этапы развития дизайна Домашний уют
Дизайн. История дизайна. Этапы развития дизайна

Стремление к эстетике было замечено в глубокой древности. Некоторые люди задают себе вопрос о том, как развивалось творчество мастеров. Настоящий обзор посвящен такому искусству, как дизайн. История дизайна, появление...

Шумерские города-государства: история образования, этапы развития Образование
Шумерские города-государства: история образования, этапы развития

Древняя Месопотамия стала областью, где впервые была опробована исторически одна из наиболее древних моделей организации власти в рамках отдельно взятого города, а шумерские государства можно считать древнейшим пример...

История Востока: этапы развития, интересные факты Образование
История Востока: этапы развития, интересные факты

В России история Востока и Запада пересекается в первую очередь по географическим причинам, так как страна расположена одновременно и в Азии, и в Европе. Соприкасаясь на протяжении тысячелетия с различными культурами,...

Будет ли продолжение Искусство и развлечения
Будет ли продолжение "Властелина колец"? История создания кинотрилогии, экранизация, хронология событий, место действия, надежды и ожидания

Многих зрителей и кинокритиков во всем мире интересует, будет ли продолжение "Властелина колец"? Все-таки три фильма, вышедших в 2001-2003 годах, не только хорошо окупились и заработали 17 "Оскаров", но и приобрели це...

Японский лук: история создания, форма, материал для тетивы, особенности отношения, методы и нюансы ухода за юми Спорт и Фитнес
Японский лук: история создания, форма, материал для тетивы, особенности отношения, методы и нюансы ухода за юми

Тяжелые юми обычно использовали в морских сражениях. Огромные стрелы поражали вражеские лодки. Этот лук имеет двухтысячелетнюю историю. В настоящее время он используется для занятий кюдо и различных обрядов. О...

Бизнес
"Рено": производитель, история и дата создания, руководство, страна, техническая направленность, этапы развития, внедрение современных технологий и качество автомобилей

Концерн «Рено» - производитель автомобилей во Франции, один из мировых гигантов отрасли. История компании насчитывает 120 лет постоянного развития. Сегодня с конвейеров завода Renault ежегодно сходит более...

Витаминный завод в Уфе: история и дата создания, руководство, адреса, техническая направленность, этапы развития, внедрение современных технологий и качество продукции Бизнес
Витаминный завод в Уфе: история и дата создания, руководство, адреса, техническая направленность, этапы развития, внедрение современных технологий и качество продукции

Жизнь современного человека проходит в довольно неблагоприятной экологической обстановке, в сопровождении интеллектуальных и эмоциональных перегрузок. Без приема витаминов и минералов не обойтись даже в летнее время. ...

Иркутский завод тяжелого машиностроения: история и дата создания, адрес, руководство, техническая направленность, этапы развития, внедрение современных технологий и качество Бизнес
Иркутский завод тяжелого машиностроения: история и дата создания, адрес, руководство, техническая направленность, этапы развития, внедрение современных технологий и качество

Иркутский завод тяжелого машиностроения специализируется на выпуске уникальной техники для золотодобывающей, алмазодобывающей, металлургической промышленности. Оборудование, выпущенное на ИЗТМ, востребовано в более че...

История настольных игр: виды, характеристики, огромный выбор, интересные факты и теории, создание, развитие и создание новых игр Образование
История настольных игр: виды, характеристики, огромный выбор, интересные факты и теории, создание, развитие и создание новых игр

История настольных игр насчитывает уже не менее пяти с половиной тысяч лет. В большинстве современных исследований высказывается мнение, что эта история была общей. То есть даже самые современные настольные игры имеют...