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 D? 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.

Фрагмент главного инжектора (фото: Fermilab).
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.

Схема эксперимента DUNE (изображение: fnal.gov).
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.



Андрей Васильков, Компьютерра

Коды для вставки в блог\форум



Вспомним другие новости из этого раздела?


Наука и техника

←+Ctrl+→

Интересные новости
В Млечном Пути скрывается черная дыра-убийцаВ Млечном Пути скрывается черная дыра-убийца
Рада приняла в первом чтении закон об открытии частного рынка космоса в Украине
Видео с чёрной дырой покажут в 2020 годуВидео с чёрной дырой покажут в 2020 году
В токийском кафе Pepper Parlor будут работать роботы Pepper и обычные официантыВ токийском кафе Pepper Parlor будут работать роботы Pepper и обычные официанты
Дрон AquaMAV может плавать и летатьДрон AquaMAV может плавать и летать
Блок рекламы


Похожие новости

Рекордно быстрая двойная звёздная система поможет изучить гравитационные волныРекордно быстрая двойная звёздная система поможет изучить гравитационные волны
Обнаружена рекордно маленькая экзопланетаОбнаружена рекордно маленькая экзопланета
Зонд OSIRIS-REx побил рекорд высоты орбиты вокруг астероидаЗонд OSIRIS-REx побил рекорд высоты орбиты вокруг астероида
Зонд Parker Solar Probe ставит новые рекорды сближения с СолнцемЗонд Parker Solar Probe ставит новые рекорды сближения с Солнцем
Idaho Power объявила о рекордно низкой цене на солнечную электроэнергиюIdaho Power объявила о рекордно низкой цене на солнечную электроэнергию
31 трлн знаков после запятой: новый рекорд точности числа Пи31 трлн знаков после запятой: новый рекорд точности числа Пи
Концентрация парниковых газов в атмосфере опять обновила рекордКонцентрация парниковых газов в атмосфере опять обновила рекорд
Зонд Parker Solar Probe установил рекорд сближения с СолнцемЗонд Parker Solar Probe установил рекорд сближения с Солнцем
Солнечный зонд NASA установил мировой рекордСолнечный зонд NASA установил мировой рекорд
Украинская антарктическая экспедиция получила рекордное количество заявок, - МинобразованияУкраинская антарктическая экспедиция получила рекордное количество заявок, - Минобразования
Последние новости

Подгружаем последние новости