Fermilab установила мировой рекорд

На ускорителе элементарных частиц в Национальной лаборатории имени Энрико Ферми установлен новый рекорд мощности пучка: 521 кВт. От этой характеристики напрямую зависит информативность экспериментов по изучению нейтрино и статус Фермилаб как научно-технической базы.

До постройки Большого адронного коллайдера «Теватрон», созданный в Fermilab, был самым большим ускорителем элементарных частиц. Длина окружности его кольца составляла 6,3 км. В 1995 году на детекторах Теватрона CDF и DO были впервые зарегистрированы ранее предсказанные топ-кварки. В 2011 году начался процесс переоснащения лаборатории. Теватрон был частично демонтирован, а связанные с ним компоненты (в частности – главный инжектор протонов и антипротонов) усовершенствовали и начали использовать для решения других научных задач.

Fermilab установила мировой рекорд

Фрагмент главного инжектора (фото: Fermilab).

В последние годы мощности Фермилаб в основном используются для изучения нейтрино. На малых значениях энергии главным из них остаётся созданный для экспериментов MicroBooNE и MiniBooNE (Micro/Mini Booster Neutrino Experiment). Это сфера диаметром 12 м и массой 800 тонн, заполненная минеральным маслом и содержащая 1520 фотосенсоров.

Самая масштабная программа исследования нейтрино ведётся в MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search) и серии других экспериментов со сверхдлинной базой. В ней пучок нейтрино высокой плотности формируется инжектором в пригороде Чикаго, пролетает через мантию земли 732 км и попадает на детектор в штате Миннесота. Дальнейшим развитием программы станет эксперимент DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) в ходе которого планируют увеличить трек до 1287 км, используя детектор в Южной Дакоте.

Fermilab установила мировой рекорд

Схема эксперимента DUNE (изображение: fnal.gov).

Такая схема стала возможной потому, что нейтрино не имеют электрического заряда и обладают чрезвычайно малой массой ( 0,28 эВ или 3 ? 10-10 а.е.м.). Из-за этого они практически не взаимодействуют с привычной нам (барионной) материей. Нейтрино проходят насквозь даже планеты, а их очень редкие проявления описывает статистическая модель. По расчётам детекторам в лучшем случае удаётся зафиксировать одну частицу на триллион свободно проходящих сквозь них. Поэтому для эффективной регистрации требуется увеличить частоту столкновения – повысить плотность и мощность пучка. Иначе ждать результата придётся десятилетиями.

Достигнутое сегодня значение мощности пучка уже превышает возможности ЦЕРН в экспериментах по изучению нейтрино (521 против 400 кВт), и это только начало. В ближайшие годы Фермилаб собирается выйти на рубеж 700 кВт и достичь мегеваттной мощности менее чем через десять лет.

Сейчас в Фермилаб запланированы четыре крупных эксперимента, связанных с регистрацией нейтрино. Это продолжающиеся MicroBooNE и MINOS+, а также MINERvA и самый длительный – NOvA. В каждом из них требуется сформировать плотный пучок нейтрино и направить его на детектор. Обычно для этого используют соударение барионов на субсветовых скоростях. Чаще всего используются протоны, поскольку ими просто управлять из-за наличия заряда. В Фермилаб используется своя гибридная схема.

Изначально в камеру с цезием подаётся водород и формируются гидрид-ионы. Они поступают в линейный ускоритель, разгоняющий их примерно до 0,7 скорости света, и попадают в бустер – кольцо со сверхпроводящими магнитами. На входе в бустер установлен фильтр, проходя через который гидрид-ионы теряют электроны и становятся протонами. Далее протоны делают несколько тысяч витков в кольце бустера, разгоняясь свыше 0,8 скорости света, и попадают в инжектор, откуда с ещё большим ускорением выстреливаются по мишени или сталкиваются с антипротонами. В результате столкновений заряженных частиц на околосветовых скоростях происходит их распад с образованием множества других элементарных частиц, некоторые из которых относится к семейству нейтрино. Только они способны пройти сквозь сотни километров земной мантии и попасть на детектор в Эш Ривер.

В текущих и запланированных экспериментах участвует свыше тысячи физиков со всего мира. Помимо регистрации трёх видов нейтрино, их взаимных преобразований и поиска нейтрино четвёртого типа, они рассчитывают получить больше данных о мюонах, которые в природе наблюдать крайне неудобно. Они рождаются в верхних слоях атмосферы под действием космических лучей и существуют всего две микросекунды, распадаясь на мюонное нейтрино, электронное антинейтрино и электрон.

Изучение мюонов, нейтрино и их античастиц необходимо для заполнения пробелов Стандартной модели. В частности, они играют ключевую роль в понимании природы массы и объяснения космологического феномена тёмной материи.

Российская фигуристка Александра Трусова установила новый мировой рекорд — Россия 24


Понравилась статья? Поделиться с друзьями: