Однажды физикам захочется усовершенствовать коллайдер и превратить его в нечто более мощное и дорогое. На самом деле, уже идет проектирование наследника – Международного Линейного Коллайдера. Неизвестно, правда, как к затее отнесутся рядовые граждане – налогоплательщики. Быть может, цена нового монстра в десяток раз превысит сумму, заплаченную за создание Большого коллайдера. В таком случае придется отыскивать какой-то окольный путь к разгадкам тайн природы. В условиях наступившего экономического кризиса все, похоже, клонится к пессимистичному варианту развития события.
Необычным ответом на поставленный вопрос может оказаться новое поколение ускорителей частиц, которое будет работать по революционному принципу. Не исключено, что такие ускорители окажутся в десятки раз меньше представителей предыдущего поколения. Самые смелые предположения рисуют перед нами образ ускорителя, который уменьшается на письменном столе. Что самое интригующее, между текущим и будущим поколениями ускорителей нет совершенно никакой преемственности с точки зрения технологии. Попробуем разобраться, что из себя будут представлять ускорители завтрашнего дня.
Почему сегодняшние ускорители такие огромные? Дело в том, что ученые заняты поиском в реальном мире частиц, существование которых пока что доказано лишь на бумаге; частицы эти не встречаются в свободном состоянии в природе, однако их можно «увидеть», столкнув на огромной скорости более распространенные и имеющиеся в «свободном распоряжении» частицы, однако требуется невероятная сила столкновения, чтобы на несколько миллионных долей секунды образовалась искомая частица (после чего она закончит самостоятельное существование). Поэтому разгонять «исходный материал» приходится до скоростей, едва-едва не дотягивающих до скорости света. Дорожка для такого разгона требуется внушительная – десятки километров. Потому и приходится прорывать многокилометровые туннели, по которым внутри «электромагнитных коридоров» бегут исходные частицы, набирая перед столкновением скорость.
Электромагнитное поле не только удерживает протоны, электроны и прочие заряженные частицы внутри невидимого «желобка», но и, собственно, придает им импульс, разгоняет их, заставляет двигаться. Чем сильнее напряженность поля, тем мощнее ускорение. Однако, каким бы сильным ни было поле, толка не будет до тех пор, пока перед частицами не окажется расчищен путь – иными словами, все должно происходить в вакууме. В противном случае поток частиц будет «запутываться» и «распыляться» даже в самой легкопроницаемой среде – например, воздухе.
Достаточно лишь небольшой концентрации атомов газа в пространстве на пути частиц, чтобы те начали от них «рикошетить» и менять траектории, при этом теряя ускорение. А слишком сильное электромагнитное поле попросту начнет вырывать электроны из атомов материала, из которого изготовлены стенки тоннеля, создавая ненужный и опасный эффект проводимости. Результат – короткое замыкание и остановка системы.
Именно поэтому приходится использовать относительно слабые электромагнитные поля для постепенного ускорения частиц. Мешает и иной фактор – далеко не самые совершенные (в теории) якорные магниты, сгибающие поток бегущих частиц буквально в бараний рог – ведь пучку протонов требуется пройти 450 миллионов километров, чтобы достигнуть необходимой энергии. Единственный выход из такой пикантной ситуации – превратить прямую «взлетную полосу» в «бублик», не имеющий начала и конца, обеспечив 450 миллионов километров пробега в рамках двадцатисемикилометрового тоннеля.
Для этого и возникает надобность в фокусах с магнитами, но они недостаточно мощны, чтобы обеспечить исправное функционирование «гоночной трассы» меньшего диаметра. В тоннеле Большого коллайдера протоны в начале пути имеют энергию 450 ГэВ, а перед столкновением – уже 7000 гЭв. Увы, для этого им приходится нарезать семнадцать миллионов (!) полных кругов. Если бы материалы тоннеля выдерживали бы поля высокой напряженности, то ускорители бы сильно убавили в размерах. Очень сильно.
Еще в 1979 некоторые ученые предлагали сыграть на нежелательном явлении – способности материала отдавать электроны, «сходящие с орбит» атомов под воздействием электромагнитно поля. Сегодня проблема стоит на пороге практической разработки. Материал предложен необычный – плазма. Что такое плазма? В сущности, плазма – это сильно ионизированный газ. Когда отрицательно заряженные электроны «убегают» от своих атомов, нейтральные атомы превращается в положительно заряженные ионы.
Прежде нейтрально заряженная среда превращается в экзотический коктейль «плюс-минус». Если внезапно ударить по плазме лучом лазера, электромагнитное излучение мгновенно разгонит легкие «бродячие» электроны по углам, почти никак не подействовав на тяжелые ионы. На какую-то долю времени создастся среда, в которой электронов не будет вообще.
Как только луч лазера погаснет, электроны скопом метнутся обратно, стремясь притянуться к положительно заряженным ионам. На мгновение они соберутся в кучу, оставив теперь уже окрестности этой области свободными от своего присутствия. Если поочередно воздействовать лазером на смежные участки такого «бублика» из плазмы, то внутри него возникнут волнообразные колебания среды, наполненной «мечущимися» электронами.
В роли тоннеля будет выступать ионная масса, - то есть плазма, - в которой электронов нет по определению, ведь они уже вырваны из родных атомов. Если правильно рассчитать интервалы и мощность лазерных лучей, удастся разгонять электроны до астрономических скоростей на трассе длиной всего в несколько сантиметров. Эксперименты, проводившиеся еще в девяностых годах, увенчались относительным успехом – на плазменном треке длиной всего в миллиметр удалось разогнать электроны до энергии в 100 МэВ.
Такого результата, пока что, недостаточно. Традиционные коллайдеры размером с небольшой город позволяют разгонять частицы до энергий в сотни раз больше. И, в отличие от привычных коллайдеров, плазменный миниатюрный коллайдер не позволяет разгонять все электроны до точно заданной скорости – какие-то получают большее ускорение, иные – меньшее.
Ситуация в корне изменилась в 2004 году, когда трем группам ученых из США, Великобритании и Франции удалось независимо друг от друга создать прототипы устройств, разгоняющих электроны в плазме до строго заданной скорости, используя сложную систему контроля за силой лазера и плотностью плазмы. В ходе испытаний аппарат динамически изменял эти параметры по заданной программе, получая на выходе пучок электронов, разогнанных до одной и той же скорости.
Портативный ускоритель частиц, умещающийся на письменном столе, быть может, появится уже в следующем году. Пусть ему не под силу будет тягаться с Большим коллайдером в Женеве, однако с самых первых дней своего существования он принесет очень много пользы человечеству, открыв новую ступеньку технологического прогресса. Однако и для амбициозных физиков затея не окажется пустой – хотя об этом говорят куда меньше, чем про Большой коллайдер, однако уже построен и запущен плазменный коллайдер диаметром в километр, побивший рубеж энергии частиц в 85 ГэВ. По сравнению 0.1 ГэВ, – мощностью первого плазменного коллайдера с «беговой дорожкой» длиной в миллиметр, – это невообразимый прорыв.
