Блог

Apr 12, 2023

Национальная ускорительная лаборатория SLAC

Это одно из наименее эстетичных зданий, которые только можно себе представить. Нарисовал

Это одно из наименее эстетичных зданий, которые только можно себе представить. Выкрашенный в скучный бежевый цвет, он тянется все дальше и дальше, бесконечно напоминая длинный и навязчиво прямой складской сарай. Этот упадок буколического ландшафта полуострова, возможно, и не источает романтики Висячих садов Вавилона или Колосса Родосского, но линейный ускоритель в Стэнфорде — одно из чудес света, памятник непрестанным поискам человечества по пониманию Вселенной.

Ускоритель частиц является основой Национальной ускорительной лаборатории SLAC, комплекса площадью 426 акров на территории Стэнфорда недалеко от Сэнд-Хилл-роуд, недалеко от главного университетского кампуса. Семена того, что впоследствии стало SLAC, были посажены 10 апреля 1956 года, когда Стэнфордский университетВольфганг"Пиф"Панофски принял у себя дома группу коллег-физиков, чтобы предложить смелый проект: самый большой и дорогой в мире инструмент для физических исследований — линейный ускоритель электронов длиной 2 мили стоимостью 114 миллионов долларов. Официально называвшийся Стэнфордским центром линейных ускорителей (SLAC), но в то время его любовно называли Стэнфордские ученые «Монстром», это был бы крупнейший гражданский научный проект, финансируемый правительством США.

Линейные ускорители — это, по сути, огромные винтовки, которые стреляют электронными пулями — скорость которых доводится до 99,999 процента скорости света с помощью мощных микроволновых устройств, называемых клистронами, — по длинному прямому стволу по субатомным мишеням, таким как протоны. Когда электроны сталкиваются с мишенью, спектрометры с использованием массивных магнитов измеряют образующиеся обломки частиц. Это позволяет ученым изучать самые элементарные существующие объекты и силы, которые удерживают их вместе и разделяют.

В 1962 году началось строительство двух сооружений длиной 2 мили каждое: одно надземное, вмещающее 245 клистронов, и другое, расположенное на глубине 25 футов под землей, в котором размещается ускоритель. При их конструкции требовалась точность с учетом кривизны Земли (20-дюймовая вертикальная поправка на расстояние 2 миль).

В мае 1966 года первый электронный луч сбил ускоритель и врезался в целевой протон. Два года спустя Монстр был использован для уничтожения теоретического дракона, который долгое время раздражал физиков. Серия экспериментов по рассеянию протонов доказала, что частицы внутри протонов были не просто математическим удобством, как считалось ранее, а действительно существовали. Их назвали кварками, по словуДжеймс Джойс «Поминки по Финнегану». физик СЛАКРичард Э. Тейлори его сотрудники из Массачусетского технологического института получили Нобелевскую премию за это исследование кварков.

Опираясь на успех линейного ускорителя, ученые затем начали сталкивать частицы непосредственно друг с другом, используя круглую структуру, называемую Стэнфордским кольцом для ускорения позитронов электронов, или КОПЬЕМ. Когда электроны и антиэлектроны (они же позитроны) столкнулись в кольце, были обнаружены новые частицы: очарованный кварк и тау-лептон. Эти открытия произвели революцию в физике высоких энергий и привели к еще двум Нобелевским премиям для ученых SLAC.

Линейный ускоритель в Стэнфорде — памятник непрестанному стремлению человечества познать Вселенную.

Исследователи SLAC также творчески использовали свои машины для создания новых передовых инструментов. Побочный эффект SPEAR стимулировал первый. Ученые знали, что электроны, вращающиеся вокруг кольца, испускают мощные рентгеновские лучи, известные как синхротронное излучение, которое большинство считало расточительным и опасным неудобством. Но несколько дальновидных ученых поняли, что рентгеновские лучи можно использовать для проведения исследований, которые не могут выполнить другие машины. Так родился Стэнфордский проект по синхротронному излучению, позже названный Стэнфордским источником синхротронного излучения или SSRL. Самый мощный в мире рентгеновский аппарат позволяет ученым изучать мир на атомном и молекулярном уровне.

Второе перепрофилирование было еще более драматичным. К 2008 году, когда оригинальный линейный ускоритель SLAC устарел, произошел поворот к новой, до сих пор непроверенной технологии: рентгеновским лазерам. Ученые предложили использовать последнюю треть ускорителя для производства электронного луча, как и раньше, и добавить революционную инновацию: используя мощные магниты, они будут раскачивать электроны, производя рентгеновские лучи, которые затем формируются в лазерные импульсы. Это даст рентгеновские лучи в 10 миллиардов раз ярче, чем у SSRL, что позволит исследователям записывать изображения чрезвычайно маленьких объектов и процессов в реальном времени. По сути, это позволило бы ученым снимать фильмы о химии и биологии в действии.