Космотрон

Космотрон — это ускоритель заряженных частиц протон-синхротронного типа, построенный в Брукхейвенской национальной лаборатории (США) и введённый в эксплуатацию в 1952 году. На момент запуска являлся крупнейшим и самым мощным ускорителем в мире, способным разгонять протоны до энергии 3,3 ГэВ. Космотрон стал первым ускорителем, позволившим получать искусственные мезоны и наблюдать некоторые процессы, характерные для космических лучей, что и дало ему название («космический трон»).

История создания

Предпосылки

В конце 1940-х годов физика элементарных частиц столкнулась с ограничением возможностей существующих ускорителей. Циклотроны и синхротроны предыдущего поколения не могли достичь энергий, необходимых для рождения новых частиц, таких как π-мезоны (пионы). Единственным источником частиц высоких энергий оставались космические лучи, однако их интенсивность была низкой, а состав — неконтролируемым. Возникла потребность в создании ускорителя, способного разгонять протоны до энергий в несколько миллиардов электронвольт (ГэВ).

Проектирование и строительство

Проект Космотрона был разработан группой физиков под руководством М. С. Ливингстона и Э. Д. Куранта в Брукхейвенской национальной лаборатории (Аптон, штат Нью-Йорк). В основу был положен принцип фазовой фокусировки, предложенный В. И. Векслером (СССР) и независимо Э. Макмилланом (США). Этот принцип позволял удерживать частицы в устойчивом движении при изменении магнитного поля и частоты ускоряющего напряжения, что делало возможным строительство синхротронов на сверхвысокие энергии.

Строительство началось в 1948 году. Основные элементы ускорителя — кольцевой электромагнит диаметром около 23 метров и вакуумная камера — были размещены в специально построенном здании. Магнитная система весила примерно 2000 тонн. Для питания магнитов требовалась импульсная мощность до 10 МВт, что обеспечивалось специальной системой электропитания с накопителями энергии.

Запуск и первые результаты

Космотрон был запущен 15 мая 1952 года. Первый пучок протонов достиг проектной энергии 3,3 ГэВ. Уже в 1953 году на ускорителе были получены первые искусственные π-мезоны, а также зарегистрированы события рождения Λ-гиперонов и K-мезонов — частиц, ранее наблюдавшихся только в космических лучах. Эти результаты подтвердили теоретические предсказания и открыли новую эру в физике высоких энергий.

Устройство и принцип работы

Основные компоненты

Космотрон представлял собой протонный синхротрон с жёсткой фокусировкой (слабая фокусировка, реализованная в виде азимутально-симметричного магнитного поля). Основные элементы:

• Кольцевой электромагнит — создавал постоянное во времени, но изменяющееся по величине магнитное поле, удерживающее протоны на круговой орбите.
• Вакуумная камера — тороидальная труба, в которой поддерживался высокий вакуум (около 10⁻⁶ мм рт. ст.) для предотвращения рассеяния частиц на молекулах газа.
• Ускоряющая система — высокочастотные резонаторы, подававшие на протоны ускоряющее напряжение с частотой, синхронизированной с частотой обращения частиц.
• Инжектор — источник протонов и предварительный ускоритель (линейный ускоритель или каскадный генератор), разгонявший частицы до энергии около 3 МэВ перед инжекцией в основное кольцо.
• Система управления и диагностики — датчики, измерители тока пучка, системы коррекции орбиты.

Принцип ускорения

Протоны, инжектированные в вакуумную камеру, захватывались магнитным полем и начинали двигаться по круговой орбите. При каждом обороте они проходили через ускоряющий промежуток резонатора, где получали приращение энергии. Частота ускоряющего напряжения и величина магнитного поля синхронно увеличивались, чтобы поддерживать частицы на стабильной орбите. Процесс ускорения длился около 1 секунды, за это время протоны совершали несколько миллионов оборотов, набирая энергию до 3,3 ГэВ.

Отличия от современных ускорителей

В отличие от более поздних синхротронов (например, AGS в Брукхейвене или SPS в ЦЕРНе), Космотрон использовал слабую фокусировку, что требовало очень большого поперечного сечения вакуумной камеры и, соответственно, огромных магнитов. Современные ускорители применяют сильную фокусировку (квадрупольные линзы), что позволяет делать камеру узкой, а магниты — компактными.

Научные достижения

Открытие новых частиц

Космотрон сыграл ключевую роль в развитии физики элементарных частиц. На нём были впервые получены:

• π-мезоны (пионы) — частицы, ответственные за сильное взаимодействие между нуклонами.
• Λ-гипероны и K-мезоны — частицы, содержащие странные кварки, что подтвердило концепцию странности.
• Σ-гипероны и Ξ-гипероны — более тяжёлые странные барионы.

Эти открытия позволили систематизировать адроны и заложили основы для создания кварковой модели.

Исследование ядерных взаимодействий

Пучки протонов и вторичных частиц (π-мезонов, нейтронов) использовались для изучения:

• Сечений ядерных реакций при высоких энергиях.
• Процессов множественного рождения частиц.
• Структуры атомных ядер.

Вклад в космическую физику

Название «Космотрон» отражало его способность моделировать процессы, происходящие в космических лучах. До его появления физики могли изучать только редкие события, регистрируемые в атмосфере. Космотрон позволил воспроизводить эти процессы в лабораторных условиях с контролируемыми параметрами.

Эксплуатация и модернизация

Период работы

Космотрон функционировал с 1952 по 1966 год. За это время на нём было выполнено несколько сотен экспериментов. В 1960 году энергия пучка была увеличена до 3,3 ГэВ (проектная), а затем до 3,5 ГэВ за счёт модернизации системы питания магнитов.

Закрытие и наследие

В 1966 году Космотрон был остановлен. Его функции перешли к более мощному ускорителю AGS (Alternating Gradient Synchrotron), который был запущен в Брукхейвене в 1960 году и достигал энергии 33 ГэВ. Здание Космотрона было переоборудовано под другие лабораторные нужды, а сам ускоритель демонтирован. Тем не менее, его конструкция и принципы работы легли в основу многих последующих проектов, включая протонный синхротрон в ЦЕРНе (PS) и ускоритель в Институте физики высоких энергий в Протвино (СССР).

Значение для науки и техники

Развитие ускорительной техники

Космотрон стал первым в мире протонным синхротроном, достигшим энергии в несколько ГэВ. Он продемонстрировал работоспособность принципа фазовой фокусировки в крупномасштабных установках. Опыт, полученный при его строительстве и эксплуатации, был использован при создании всех последующих синхротронов.

Влияние на физику элементарных частиц

Открытия, сделанные на Космотроне, заложили основы для понимания сильного взаимодействия и странности. Без них было бы невозможно создание Стандартной модели физики элементарных частиц. Космотрон также стимулировал развитие методов детектирования частиц (искровые камеры, пузырьковые камеры).

Культурное и историческое значение

Космотрон стал символом послевоенного научно-технического прогресса в США. Его название часто упоминается в научно-популярной литературе того времени как пример «покорения атома». В 1960-е годы он был включён в список Национальных исторических памятников США.

Источники

• M. S. Livingston, J. P. Blewett. Particle Accelerators. — McGraw-Hill, 1962.
• E. D. Courant, M. S. Livingston, H. S. Snyder. The Cosmotron — A 3.3-Bev Proton Synchrotron // Physical Review. — 1952. — Vol. 88, № 5.
• A. M. Thorndike. The Cosmotron — A Review of Its Performance and Achievements // Brookhaven National Laboratory Report. — 1966.
• W. K. H. Panofsky. The Evolution of Particle Accelerators // Scientific American. — 1968. — Vol. 219, № 4.
• V. I. Veksler. A New Method of Acceleration of Relativistic Particles // Doklady Akademii Nauk SSSR. — 1944. — Vol. 44, № 8.