Синхрофазотрон

Синхрофазотрон — это тип циклического ускорителя заряженных частиц, в котором для достижения высоких энергий одновременно используется принцип фазовой фокусировки (синхротрон) и изменение магнитного поля во времени (фазотрон). Относится к классу резонансных циклических ускорителей, способных разгонять протоны и другие тяжёлые частицы до энергий в несколько миллиардов электронвольт (ГэВ). Синхрофазотроны были ключевыми инструментами физики высоких энергий в середине XX века, позволившими открыть новые элементарные частицы и изучить свойства атомных ядер.

История создания

Предпосылки и теоретические основы

В 1930-х годах основными ускорителями заряженных частиц были циклотроны, которые могли разгонять частицы лишь до нескольких десятков мегаэлектронвольт (МэВ) из-за релятивистского увеличения массы. Для преодоления этого ограничения в 1944–1945 годах советский физик Владимир Векслер и независимо от него американский физик Эдвин Макмиллан предложили принцип автофазировки (фазовой фокусировки). Этот принцип позволял частицам, движущимся с разными скоростями, оставаться в синхронизме с ускоряющим электрическим полем, что открывало путь к созданию ускорителей на энергии порядка гигаэлектронвольт.

Первые проекты

В 1947 году в СССР под руководством В. И. Векслера началось проектирование первого в мире синхрофазотрона. Работы велись в Лаборатории ядерных проблем (ныне — Лаборатория физики высоких энергий Объединённого института ядерных исследований, ОИЯИ) в Дубне. Строительство ускорителя было завершено в 1957 году. Установка получила обозначение Синхрофазотрон ОИЯИ (также известен как «дубненский синхрофазотрон»). Его запуск состоялся 15 марта 1957 года, когда был получен пучок протонов с энергией 10 ГэВ — на тот момент это был самый мощный ускоритель в мире.

Развитие в мире

В 1959 году в ЦЕРНе (Европейская организация по ядерным исследованиям) был запущен Протонный синхротрон (PS) с энергией 28 ГэВ, который также можно отнести к классу синхрофазотронов. В 1960 году в Брукхейвенской национальной лаборатории (США) начал работу Альтернативный градиентный синхротрон (AGS) с энергией 33 ГэВ. Однако именно дубненский синхрофазотрон стал первым в мире ускорителем, преодолевшим порог в 10 ГэВ, и долгое время оставался рекордным по энергии.

Устройство и принцип работы

Основные элементы

Синхрофазотрон представляет собой кольцевой вакуумный канал (камеру), окружённый мощными электромагнитами. Основные компоненты:

• Магнитная система: создаёт статическое или медленно изменяющееся магнитное поле, удерживающее частицы на круговой траектории. В синхрофазотроне магнитное поле нарастает во времени, чтобы компенсировать увеличение импульса частиц.
• Ускоряющая система: высокочастотные резонаторы, создающие переменное электрическое поле, которое ускоряет частицы на каждом обороте. Частота поля синхронизируется с частотой обращения частиц (отсюда название «синхро»).
• Вакуумная система: обеспечивает давление порядка 10⁻⁶–10⁻⁷ мм рт. ст., чтобы минимизировать столкновения частиц с молекулами газа.
• Инжектор: источник частиц (например, протонов) и предварительный ускоритель (линейный или малый циклический), который разгоняет частицы до начальной энергии (обычно несколько десятков МэВ) перед подачей в основное кольцо.

Принцип автофазировки

В отличие от классического циклотрона, где частота ускоряющего поля постоянна, в синхрофазотроне частота изменяется в соответствии с ростом энергии частиц. Это достигается за счёт того, что частицы, движущиеся с разными фазами относительно ускоряющего поля, испытывают разное приращение энергии. Частицы, отстающие по фазе, получают большее ускорение и догоняют «синхронную» частицу, а опережающие — меньшее и замедляются. Таким образом, пучок остаётся сфокусированным по фазе и энергии, что позволяет накапливать частицы в течение многих оборотов.

Отличия от синхротрона и фазотрона

• Фазотрон (синхроциклотрон) использует изменение частоты ускоряющего поля при постоянном магнитном поле, но не имеет фокусировки по фазе в полном объёме.
• Синхротрон использует постоянную частоту ускоряющего поля и изменяющееся магнитное поле, но обычно применяется для электронов, которые быстро достигают релятивистских скоростей.
• Синхрофазотрон объединяет оба принципа: и магнитное поле, и частота ускоряющего поля изменяются синхронно, что позволяет разгонять протоны до энергий в десятки ГэВ.

Дубненский синхрофазотрон

Технические характеристики

• Энергия протонов: 10 ГэВ (первоначально), позже модернизирован до 12 ГэВ.
• Диаметр кольца: около 72 метров.
• Масса магнита: около 36 000 тонн.
• Вакуумная камера: кольцевая, сечением 1,5 × 0,5 м.
• Частота обращения частиц: от 0,3 до 1,5 МГц (в зависимости от энергии).

Научные достижения

На дубненском синхрофазотроне в 1957–1960-х годах были выполнены пионерские эксперименты по физике элементарных частиц. В частности:

• Открытие анти-сигма-минус-гиперона (1960) — одной из античастиц, предсказанных теорией.
• Изучение множественного рождения частиц при высоких энергиях.
• Исследование взаимодействия протонов с ядрами при энергиях выше 10 ГэВ.
• Разработка методов регистрации частиц (пузырьковые камеры, искровые камеры).

Ускоритель работал до 2002 года, после чего был остановлен и частично демонтирован. В настоящее время на его месте в ОИЯИ расположен новый ускорительный комплекс — Нуклотрон (на базе сверхпроводящих магнитов) и коллайдер NICA.

Применение и значение

Фундаментальная физика

Синхрофазотроны использовались в основном для:

• Поиска и изучения новых элементарных частиц (гиперонов, мезонов, резонансов).
• Исследования структуры протонов и нейтронов.
• Проверки предсказаний квантовой хромодинамики и теории сильных взаимодействий.
• Получения вторичных пучков (пионов, каонов, нейтрино) для экспериментов.

Прикладные задачи

Хотя синхрофазотроны не нашли прямого промышленного применения, их разработка стимулировала прогресс в:

• Вакуумной технике.
• Мощных электромагнитах и системах электропитания.
• Высокочастотной электронике.
• Методах автоматического управления и мониторинга пучков.

Современное состояние

К концу XX века синхрофазотроны как класс ускорителей уступили место более эффективным установкам — протонным синхротронам с сильной фокусировкой (например, Тэватрон, LHC) и коллайдерам. Однако принцип синхрофазотрона (изменение частоты и магнитного поля) лежит в основе работы многих современных ускорителей, включая Большой адронный коллайдер (LHC) в ЦЕРНе. В России в настоящее время крупнейшими протонными ускорителями являются У-70 в Протвино (энергия 70 ГэВ, работает с 1967 года) и Нуклотрон в ОИЯИ (энергия до 6 ГэВ/нуклон для тяжёлых ионов).

Интересные факты

• Название «синхрофазотрон» было предложено В. И. Векслером и отражает объединение двух принципов: синхротрона и фазотрона.
• Дубненский синхрофазотрон был самым мощным ускорителем в мире в течение двух лет (1957–1959), пока не был запущен PS в ЦЕРНе.
• Для электропитания магнита синхрофазотрона требовалась мощность около 100 МВт, что сопоставимо с потреблением небольшого города.
• В 1960-х годах на синхрофазотроне в Дубне работал будущий нобелевский лауреат по физике Жорес Алфёров.

Источники

• Векслер В. И. «Новый метод ускорения релятивистских частиц» // Доклады АН СССР, 1944.
• Комар А. А. «Синхрофазотрон ОИЯИ» // Успехи физических наук, 1958.
• «Объединённый институт ядерных исследований: история и современность» / Под ред. В. А. Матвеева. — Дубна, 2006.
• Wilson E. J. N. «An Introduction to Particle Accelerators». — Oxford University Press, 2001.