Беватрон: Открытие Антипротона в Беркли

Введение

Ускоритель частиц в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли.

Беватрон был ускорителем частиц — в частности, слабофокусирующим протонным синхротроном — в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, США, который начал работу в 1954 году. Там, в 1955 году, был открыт антипротон, что привело к присуждению Эмилио Сегре и Оуэну Чемберлену Нобелевской премии по физике в 1959 году. Он ускорял протоны, направляя их на неподвижную мишень, и получил своё название благодаря способности придавать частицам энергии в миллиарды электронвольт ("синхротрон на миллиарды электронвольт").

Антипротоны

В то время, когда проектировался Беватрон, существовало сильное подозрение, но не было доказано, что у каждой частицы есть соответствующая античастица с противоположным зарядом, идентичная во всех остальных отношениях – свойство, известное как симметрия заряда. Антиэлектрон, или позитрон, был впервые обнаружен в начале 1930-х годов и одновременно теоретически обоснован как следствие уравнения Дирака. После Второй мировой войны положительные и отрицательные мюоны и пионы были зарегистрированы во взаимодействиях космических лучей, наблюдаемых в облачных камерах и ядерных фотоэмульсионных стопках. Беватрон был построен, чтобы иметь достаточную энергию для создания антипротонов и, таким образом, проверить гипотезу о том, что у каждой частицы есть соответствующая античастица. В 1955 году антипротон был обнаружен с использованием Беватрона. Антинейтрон был обнаружен вскоре после этого командой Брюса Корка, Глена Ламбертсона, Ореста Пикчиони и Уильяма Венцеля в 1956 году, также на Беватроне. Подтверждение гипотезы симметрии заряда в 1955 году привело к присуждению Нобелевской премии по физике Эмилио Сегре и Оуэну Чемберлену в 1959 году. Для обеспечения необходимой апертуры пучка и энергии потребовался огромный железный магнит весом 10 000 тонн и очень большая вакуумная система. Большая система мотор-генератора использовалась для наращивания магнитного поля в каждом цикле ускорения. В конце каждого цикла, после использования или извлечения пучка, энергия магнитного поля возвращалась на раскрутку двигателя, который затем использовался как генератор для питания следующего цикла, обеспечивая экономию энергии; весь процесс занимал около пяти секунд. Характерный нарастающий и спадающий, заунывный звук системы мотор-генератора был слышен по всему комплексу во время работы установки. В годы, последовавшие за открытием антипротона, здесь была проведена значительная пионерская работа с использованием пучков протонов, извлеченных непосредственно из ускорителя, для бомбардировки мишеней и создания вторичных пучков элементарных частиц, включая не только протоны, но и нейтроны, пионы, "странные частицы" и многие другие.

At the time the Bevatron was designed, it was strongly suspected, but not known, that each particle had a corresponding anti particle of opposite charge, identical in all other respects, a property known as charge symmetry. The anti electron, or positron, had been first observed in the early 1930s and theoretically understood as a consequence of the Dirac equation at about the same time. Following World War II, positive and negative muons and pions were observed in cosmic ray interactions seen in cloud chambers and stacks of nuclear photographic emulsions. The Bevatron was built to be energetic enough to create antiprotons, and thus test the hypothesis that every particle has a corresponding anti particle. In 1955, the antiproton was discovered using the Bevatron. The antineutron was discovered soon thereafter by the team of Bruce Cork, Glen Lambertson, Oreste Piccioni, and William Wenzel in 1956, also at the Bevatron. Confirmation of the charge symmetry conjecture in 1955 led to the Nobel Prize for physics being awarded to Emilio Segrè and Owen Chamberlain in 1959. The combination of beam aperture and energy required a huge, 10,000 ton iron magnet, and a very large vacuum system. A large motor generator system was used to ramp up the magnetic field for each cycle of acceleration. At the end of each cycle, after the beam was used or extracted, the large magnetic field energy was returned to spin up the motor, which was then used as a generator to power the next cycle, conserving energy; the entire process required about five seconds. The characteristic rising and falling, wailing, sound of the motor generator system could be heard in the entire complex when the machine was in operation. In the years following the antiproton discovery, much pioneering work was done here using beams of protons extracted from the accelerator proper, to hit targets and generate secondary beams of elementary particles, not only protons but also neutrons, pions, "strange particles", and many others.

Камера пузырьков жидкого водорода

Извлеченные пучки частиц, как первичные протоны, так и вторичные, могли быть направлены для дальнейшего изучения через различные мишени и специализированные детекторы, в особенности пузырьковую камеру, заполненную жидким водородом. Десятки тысяч взаимодействий частиц, или "событий", были сфотографированы, измерены и детально проанализированы с помощью автоматизированной системы крупных измерительных машин (известных как "Франкенштейны" по имени их изобретателя, Джека Франка). Эта система позволяла операторам (как правило, женам аспирантов) отмечать точки на траекториях частиц и вносить их координаты на перфокарты IBM, используя ножную педаль. Затем колоды перфокарт анализировались компьютерами первого поколения, которые реконструировали трехмерные траектории частиц в магнитном поле и вычисляли их импульсы и энергии. Компьютерные программы, чрезвычайно сложные для своего времени, сопоставляли данные траекторий, относящиеся к конкретному событию, для оценки энергий, масс и идентификации образовавшихся частиц. Этот период, когда было внезапно открыто множество новых частиц и возбужденных состояний, ознаменовал начало новой эры в физике элементарных частиц. Луис Альварес вдохновлял и руководил большей частью этой работы, за которую он был удостоен Нобелевской премии по физике в 1968 году.

Бевалак

В 1971 году Беватрон получил вторую жизнь, когда к нему был присоединен линейный ускоритель SuperHILAC в качестве инжектора тяжелых ионов. Эта комбинация была разработана Альбертом Гиорсо, который назвал ее Bevalac. Bevalac мог ускорять широкий спектр стабильных ядер до релятивистских энергий. Он был окончательно выведен из эксплуатации в 1993 году.

Конец жизни

Следующее поколение ускорителей использовало "сильную фокусировку" и требовало гораздо меньших апертур, а следовательно, и значительно более дешевых магнитов. CERN PS (Протонный синхротрон, 1959) и Brookhaven National Laboratory AGS (Синхротрон с переменным градиентом, 1960) были первыми машинами нового поколения, с апертурой примерно на порядок меньше в обоих поперечных направлениях и достигающей энергии протонов 30 ГэВ, но с менее массивным магнитным кольцом. Для сравнения, циркулирующие пучки в Большом адронном коллайдере, с примерно в 11 000 раз большей энергией и значительно большей интенсивностью, чем у Беватрона, ограничены пространством порядка 1 мм в поперечном сечении и сфокусированы до 16 микрометров в точках столкновения, в то время как напряженность магнитного поля изгибающих магнитов лишь примерно в пять раз выше. Демонтаж Беватрона начался в 2009 году и был завершен в начале 2012 года.