Máy gia tốc BINP - phương pháp chùm tia va chạm

8

Máy gia tốc BINP - phương pháp chùm tia va chạm

Năm 1967, Viện sĩ G.I. Budekru và những cộng tác viên thân cận nhất của ông đã được trao Giải thưởng Lênin vì đã phát triển phương pháp chùm tia va chạm. Sự công nhận này đã tóm tắt giai đoạn đầu tiên của công việc, đánh dấu sự khởi đầu của việc sử dụng phương pháp rất hứa hẹn này trong vật lý năng lượng cao. Ưu điểm của phương pháp chùm tia va chạm, lịch sử hình thành của nó tại Viện Vật lý hạt nhân thuộc Chi nhánh Siberia của Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô, người sáng lập và giám đốc là nhà vật lý và tổ chức khoa học xuất sắc của Liên Xô, Viện sĩ G. I. Budekr, được mô tả trong bài viết này.

Tôi đã nói về lý do tại sao cần có máy gia tốc và về thiết kế của máy gia tốc nói chung «Kvant» (xem số 4, 1977). Cách chính để nghiên cứu thế giới vi mô hiện nay là sự xuất hiện của các hạt cơ bản. Chúng ta càng muốn thâm nhập sâu vào thế giới vi mô thì năng lượng va chạm càng phải lớn. Trong một thí nghiệm, một hạt cơ bản va chạm với một hạt cơ bản khác. Kết quả của vụ va chạm được ghi lại - tốc độ của các hạt bị lệch hoặc sinh ra trong quá trình va chạm, loại của chúng. Do đó, độ sâu mà chúng ta thâm nhập vào thế giới vi mô được xác định bởi năng lượng của các hạt được gia tốc. Nhưng trên con đường phát triển công nghệ máy gia tốc, có hai khó khăn đáng kể. Đầu tiên là để truyền năng lượng lớn hơn bao giờ hết cho các hạt được gia tốc, cần có những máy gia tốc khổng lồ và rất đắt tiền. Khó khăn thứ hai có tính chất cơ bản.

Để hiểu nó liên quan đến điều gì, chúng ta hãy chuyển sang quá trình va chạm của các quả bóng nổi tiếng.

Chúng ta hãy xem xét một vụ va chạm “trực diện” của hai quả bóng có khối lượng bằng nhau. Khi chúng va chạm, các quả bóng bắt đầu biến dạng và một phần động năng ban đầu của hệ chuyển thành thế năng biến dạng của các quả bóng. Hãy tưởng tượng rằng chúng ta đang học cách đọc quả bóng của mình, chúng ta quan tâm đến việc chúng bị vỡ trong những điều kiện nào. Rõ ràng là những điều kiện này được xác định chính xác bởi độ lớn của thế năng biến dạng của các quả bóng. Phần nào của thành phần

9

Năng lượng này có khác với động năng ban đầu của hệ không?

Đầu tiên chúng ta hãy xem xét trường hợp khi một trong những quả bóng ban đầu chết. Cho một quả bóng va chạm với một quả bóng đang đứng yên có động năng là $E = \frac{mv^2}{2}$. Ngay sau khi va chạm, các quả bóng bắt đầu biến dạng. Rõ ràng là độ biến dạng của các quả bóng tăng lên cho đến khi tốc độ tương đối của các quả bóng bằng 0. Tại thời điểm này, các quả bóng chuyển động như một đơn vị (một quả bóng có khối lượng $2m$) với tốc độ nhất định $\vec{u}$ và năng lượng biến dạng của các quả bóng là tối đa. Từ định luật bảo toàn động lượng $-m|\vec{v}| = 2m|\vec{u}|$ suy ra $|\vec{u}| = |\vec{v}|/2$. Theo định luật bảo toàn năng lượng $E = \frac{2mu^2}{2} + E_0$, trong đó $E_0$ là năng lượng biến dạng cực đại của quả bóng. Kể từ đây,

$$E_0 = E - \frac{2m(v/2)^2}{2} = \frac{1}{2} E.$$

Như vậy, năng lượng biến dạng cực đại của các quả bóng trong trường hợp một trong số chúng chết ban đầu bằng một nửa động năng ban đầu của hệ.

Đó là một vấn đề khác khi hai quả bóng di chuyển về phía nhau với tốc độ $|\vec{v}|$ có giá trị tuyệt đối bằng nhau. Trong trường hợp này, năng lượng biến dạng $E'_0$ trong quá trình bảo toàn là cực đại tại thời điểm vận tốc của các quả bóng bằng 0. Từ định luật bảo toàn năng lượng suy ra rằng

$$E'_0 = E'$$

trong đó $E' = 2\frac{mv^2}{2}$ là năng lượng ban đầu của hệ. Vì vậy, khi các quả bóng chuyển động hướng về phía nhau và va chạm, toàn bộ động năng ban đầu của hệ chuyển thành năng lượng biến dạng.

Trường hợp chúng ta xem xét về sự va chạm của hai quả bóng, một trong số đó ban đầu bị phá hủy, là mô hình của một tình huống xảy ra trong một máy gia tốc thông thường - một tần số gia tốc chạm vào một mục tiêu đang chuyển động trên đó. Năng lượng biến dạng của các quả bóng tương tự như năng lượng mà khi các hạt được gia tốc va chạm với các nguyên tử mục tiêu sẽ quyết định các quá trình xảy ra trong nguyên tử, khả năng hình thành các hạt mới và năng lượng của chúng. Chính năng lượng “hữu ích” này khiến nhà nghiên cứu quan tâm.

Bây giờ chúng ta đã thấy rõ khó khăn cơ bản nảy sinh trước người tạo ra máy gia tốc. Khi một hạt được gia tốc va chạm với các nguyên tử của mục tiêu đứng yên, một phần năng lượng của nó sẽ được dùng để truyền tốc độ của hệ “hạt + nguyên tử” (hay đúng hơn là “hạt + hạt sinh ra trong vụ va chạm”) nói chung. Và phần năng lượng “lãng phí” mà không có người sử dụng này được quan tâm đến năng lượng của các hạt sinh ra trong quá trình va chạm, và năng lượng chuyển động của toàn bộ hệ thống là một loại “chi phí năng lượng” trong quá trình này. Trong trường hợp tốc độ hạt nhỏ so với tốc độ ánh sáng, những “chi phí” này lên tới một nửa năng lượng ban đầu của các hạt được gia tốc. Kết quả là phần năng lượng “hữu ích” giảm đi rất nhiều khi năng lượng hạt tăng lên. Vì vậy, với năng lượng của các hạt được gia tốc cỡ 10 GeV (1 GeV = 10^9 EV), tỷ lệ này nhỏ hơn một phần trăm - khoảng 100 MeV (1 MeV = 10^6 EV). Để thu được năng lượng “hữu ích” là 2 GeV trong quá trình va chạm, cần phải tăng tốc các electron lên năng lượng 4 TeV (1 TeV = 10^12 EV). Một máy gia tốc electron ở mức năng lượng như vậy sẽ có chiều dài tương đương với chu vi của Trái đất ở xích đạo!

Điều gì sẽ xảy ra nếu cùng với một mục tiêu đứng yên, chúng ta sử dụng một chùm hạt gia tốc ngược lại? Mô hình của các quá trình xảy ra trong máy gia tốc như vậy là trường hợp chúng ta xét đến sự va chạm của hai quả bóng chuyển động hướng về nhau. Và khi đó, năng lượng “hữu ích” 2 GeV, gần như không thể tiếp cận được với máy gia tốc electron thông thường, có thể thu được bằng cách va chạm các chùm hạt được gia tốc tới năng lượng 1 GeV mỗi hạt.

Hình 1 hiển thị một biểu đồ cho phép bạn tìm ước tính

11

Để ngăn chùm tia bị phân tán bởi các hạt khí trong buồng lưu trữ trong nhiều giờ quay theo quỹ đạo tròn, cần có độ chân không cao - không quá 10^7 hạt khí trên 1 cm³. Điều cần thiết là việc tiếp nhận từng phần hạt mới không làm “làm hỏng” chùm tia đã tích lũy. Cần phải thiết lập (“triệt tiêu”) tính không ổn định của chùm tia—khi một bộ phận lệch khỏi hướng chuyển động của chùm tia, sẽ xuất hiện lực đẩy các hạt lên thành vòng. Những vấn đề này và nhiều vấn đề khác đòi hỏi những nhà thiết kế phức tạp và sự phát triển kỹ thuật.

Năm 1958, theo đề nghị của I.V. Kurchatov, phòng thí nghiệm các phương pháp gia tốc mới đã chuyển đến Siberia. Tại đây, gần Novosibirsk, Academgorodok thuộc Chi nhánh Siberia của Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô đã đặt mục tiêu. Phòng thí nghiệm trở thành Viện Vật lý Hạt nhân (INP) thuộc Chi nhánh Siberia của Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô. G.I. Budker trở thành giám đốc của viện.

Viện nổi lên với tốc độ bùng nổ. Giám đốc của nó là một người trẻ, một cộng tác viên giỏi - những cựu sinh viên và nghiên cứu sinh. Budker đề xuất một nhịp điệu làm việc có định hướng và nhóm đã chấp nhận nhịp điệu này. “Trình độ trung bình trong khoa học không ổn định. Nếu không tiến tới giới hạn khả năng của mình, chúng ta sẽ tụt lại phía sau và trượt xuống mức thấp”, Budker nói. “Nếu chúng ta không làm mọi thứ để đứng đầu, chúng ta sẽ trở thành một thể chế phẳng”. Nhiệm vụ bài toán được đặt trước viện nhất thiết phải khó khăn. Quá trình lắp ráp máy gia tốc và bánh xe lưu trữ của lần lắp đặt đầu tiên trên chùm electron truyền ngược - VEP-1 - bắt đầu. Các phần tử của máy gia tốc mới phải hoạt động ở các chế độ phức tạp hơn nhiều so với các phần tử của máy gia tốc lớn. Mỗi nút là một vấn đề mới. Nhiều người trong số G.I. Những khám phá của Budker trong vật lý đã được biết đến, nhưng khi họ nói về “phương pháp Budker” thì đây là nói về công việc của viện. Phương pháp Budker là một phương pháp mới của Nhật Bản, tiên tiến hơn lời giải được giao bài toán. Và những người Nhật có thể tìm thấy lời giải như vậy. “Mỗi người tài đều phải làm việc sáng tạo và độc lập”, vị giám đốc khẳng định và giao phó cho các học trò của mình những lĩnh vực công việc ngày càng phức tạp. Nhiều bộ phận của hệ thống lắp đặt VEP-1 về cơ bản đã được mở thành máy gia tốc kỹ thuật sử dụng các chùm tia va chạm.

Năm 1963, các chùm electron va chạm vào vòng lưu trữ VEP-1. Có e⁻ e⁻-va chạm trên các chùm va chạm! Ngoài việc xác nhận khả năng triển khai máy gia tốc sử dụng các chùm tia va chạm, thí nghiệm tại VEP-1 còn cung cấp thông tin vật lý mới - tính đúng đắn của định luật Coulomb đã được chứng minh ở khoảng cách cỡ 10⁻¹⁴ cm. (Hãy nhớ lại rằng bán kính electron “cổ điển” là 2,7 × 10⁻¹³ cm.)

Song song với các thí nghiệm, một hệ thống lắp đặt cho các chùm electron và positron va chạm, VEPP-2, đã được lắp đặt tại VEP-1. Năm 1965, tại cơ sở này, lần đầu tiên trên thế giới, một thí nghiệm về sự va chạm của chùm electron và chùm positron đã được thực hiện.

Những thí nghiệm đầu tiên với các chùm tia va chạm đã mang lại những kết quả rất thú vị, mang đến cho các nhà vật lý lý thuyết vô số tài liệu thực tế. Nhưng G.I. Budker nhận thấy giá trị chính của những thí nghiệm này ở chỗ

12

Viện sĩ G. I. Budker nói chuyện với một sinh viên vật lý và toán học tại trường nội trú thuộc Đại học bang Novosibirsk.

rằng “kết quả của những nghiên cứu này là bầu khí quyển bị tiêu tan, ẩn giấu và thậm chí thường xuyên bị nghi ngờ và hoài nghi một cách công khai đối với phương pháp va chạm các chùm tia, việc sử dụng phương pháp này mở ra một vùng năng lượng mới trong vật lý của các hạt cơ bản… Ngày nay, các nhà vật lý, cả nhà lý thuyết và người thực nghiệm, phải chuẩn bị cho việc giải phóng lĩnh vực mới này.”

Trong 10 năm qua, phương pháp phản chùm tia đã được công nhận trên toàn thế giới. Khoảng 10 hố lưu trữ đã được xây dựng ở các quốc gia khác nhau và những hố lưu trữ mới đang được xây dựng. Năng lượng và dòng điện trong chùm tia tăng lên. Các thí nghiệm về các chùm va chạm dẫn đến một loạt khám phá mới trong lĩnh vực vật lý năng lượng cao và vật lý hạt cơ bản.

Lịch sử hình thành và phát triển phương pháp này ở nước ta gắn bó chặt chẽ với Viện Vật lý hạt nhân thuộc Chi nhánh Siberia của Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô, với tên gọi của giám đốc đầu tiên, Viện sĩ G.I. Budker. Bản thân viện nghiên cứu và chuyến đi bộ đường dài là một máy gia tốc được xây dựng theo phương pháp Budker. BINP cũng là một loại thử nghiệm. Bây giờ thí nghiệm này đang được tiếp tục bởi các sinh viên của Budker. Chuyển tiếp - những vấn đề khó khăn nhất, những vấn đề mới, kết quả mới. Công việc vẫn tiếp tục.