Ферми. Ядерная энергия - Antonio Hernandez-Fernandez

Если беватрон был назван так потому, что в нем можно было получить энергию в миллиарды электронвольт (эВ), то в тэватроне Фермилаба достигаются тераэлектронвольты (ТэВ), то есть 1012 эВ. Благодаря этой невероятной мощи ускорителей сегодня мы можем обнаружить пучки таких маленьких частиц, как нейтрино, с ничтожной массой, примерно в 5 эВ, и разглядеть квантовую структуру материи.

УСКОРИТЕЛЬ ФЕРМИЛАБА

Первым ускорителем Фермилаба был генератор Кокрофта — Уолтона, который трансформировал переменную электрическую энергию в постоянную, вырабатывая ионы водорода Н-. На их основе с помощью магнетрона создается плазма, или ионизированный газ с низким давлением. Затем посредством электрического поля в 750 КэВ ионы ускоряются до линейного ускорителя (LINAC, Linear Accelerator), который увеличивает энергию частиц до 400 МэВ, после чего они попадают в угольный фильтр, трансформирующий ионы Н- в протоны Н+ и в промежуточное кольцо (бустер) диаметром в 468 м. В нем протоны вращаются со скоростью примерно 20 тысяч раз за 33 миллисекунды и благодаря эффекту циклотрона приобретают на каждом круге энергию, пока не достигнут 8 ГэВ. Следующий этап — главный инжектор, который ускоряет протоны, разделяет протоны для получения антипротонов и затем ускоряет антипротоны. Таким образом, в главном инжекторе находятся два отдельных пучка: протоны и антипротоны, которые двигаются в противоположном направлении и попадают в последний ускоритель, мощный Тэватрон. В нем скорость частиц почти равна скорости света. Они сталкиваются в центре детекторов DZER0 и CDF с энергиями почти 2 ТэВ, что позволяет получить пучки разных элементарных частиц. Сегодня в Фермилабе проводятся эксперименты по обнаружению бозона Хиггса, которые должны подтвердить эксперименты ЦЕРН и изменить наше представление о квантовой вселенной.

Не так давно в ускорителях были проведены два эксперимента, которые имели огромное значение для теоретической физики и потрясли научное сообщество: связаны они были с возможным открытием нейтрино, чья скорость превышает скорость света, и обнаружением бозона Хиггса. Эти предполагаемые нейтрино движутся со скоростью, превышающей скорость света. Если это так, то теория относительности Эйнштейна нуждается в переработке: ведь нейтрино обладают массой, пусть и очень маленькой, и согласно этому открытию, скорость света больше не является предельной для материальных частиц. Нейтрино — это фермионы, окружающие нас, хотя мы не можем воспринимать их органами чувств. Наше тело производит примерно 4000 нейтрино в секунду, миллионы миллиардов нейтрино попадают на Землю из космоса и проходят через нас, при этом не взаимодействуя с нами. Они не относятся ни к одному атому или ядру, мы словно погружены в бульон из частиц. Существуют электронные, мюонные и таонные нейтрино — результат распада электрона, мюона или таона. Нейтрино — единственные лептоны, которые не подвержены сильному взаимодействию и не имеют заряда.

Итак, в эксперименте OPERA от ускорителя ЦЕРН в Женеве под землей (чтобы минимизировать интерференцию) был пущен пучок нейтрино до итальянской лаборатории в Гран Сассо, на расстояние 732 км. Сначала казалось, что нейтрино двигаются со скоростью, превышающей скорость света, но в феврале 2012 года в измерениях были обнаружены две ошибки, из-за которых результаты эксперимента были признаны недействительными. Стоит упомянуть, что в таких случаях требуется точность до миллионной доли секунды и используются системы типа GPS. Пока идет опыт, Земля вращается, хоть и совсем немного, поэтому чрезвычайно важно идеально синхронизировать системы измерений в лабораториях. Тем не менее вероятность того, что скорость нейтрино может превышать скорость света, изучается.

После еще одного эксперимента, взволновавшего научный мир и общественное мнение, 4 июля 2012 года ЦЕРН обнародовала официальный доклад, в котором говорилось, что в ходе экспериментов CMS и ATLAS с высокой долей вероятности была найдена частица, похожая на бозон Хиггса стандартной модели, массой примерно 125 гэВ.

Бозон Хиггса — это частица, существование которой в 1964 году предположил британский физик Питер Хиггс (р. 1929) и названная в его честь. Считается, что она поможет нам объяснить, почему материя обладает массой. Эта частица связана с полем Хиггса, в которое — теоретически — погружена вся наша Вселенная. Таким образом, частицы, не обладающие массой, как фотоны, не взаимодействуют с ним, а частицы с массой — взаимодействуют, и чем сильнее их взаимодействие с полем Хиггса, тем больше их масса. Но есть и другие версии этого механизма, объясняющие обладание массой, в которых говорится о целых семьях частиц, а не только об одном бозоне Хиггса, поэтому для окончательного ответа ученые должны получить больше данных. На данный момент с помощью статистических методов они приблизились к промежутку, в котором точно (с вероятностью 95 %) нет бозона Хиггса или какой-либо другой частицы, связанной с полем Хиггса (считается, что надо отбросить промежуток энергий между 110-112,5 гэВ и 127- 600 гэВ). Это отбрасывание возможных результатов задачи так привлекало Ферми: если бозон Хиггса существует, то он окружен, если существует другая похожая на него частица — она тоже окружена. Бозон Хиггса стал своего рода легендой, особенно после того, как в 1993 году американский физик Леон Ледерман (р. 1922) выпустил научно-популярную книгу, в которой назвал его «частицей Бога». Если существование бозона будет подтверждено, то список элементарных частиц стандартной модели будет полным — именно об этом мечтал Ферми, когда начинал составлять карту нашей квантовой вселенной.

НАСЛЕДИЕ ФЕРМИ

Без сомнения, Ферми сделал огромный вклад в развитие ядерной инженерии и ядерного оружия, поэтому после его смерти АЕС учредило премию Ферми, которая вручается ученым, внесшим «особенно ценный вклад в развитие, использование или контроль ядерной энергии». Международное сообщество следит за расширением и развитием ядерного арсенала в странах, у которых пока нет атомной бомбы.

Второго декабря 1952 года в Чикагском университете отпраздновали десятую годовщину атомной эпохи. На фото: Энрико Ферми (первый слева)кладет руку на модель первого ядерного реактора.

Вид сверху на Фермилаб, примерно в 50 км от Чикаго. Кольцо на первом плане — главный инжектор, за ним — Тэватрон.

Существуют также технологии, связанные с мирным применением ядерной энергии. Сегодня никто не сомневается в важности ядерной физики и радиоактивности в медицине: их возможные риски строго контролируются, а польза чрезвычайно высока. Тем не менее со времен Чернобыльской катастрофы (Украина) в 1986 году и особенно после аварии на Фукусиме (Япония) в 2011 году современные атомные электростанции вызывают опасение в обществе. Возможно, урок Фукусимы заключается в том, что какие бы меры предосторожности мы ни принимали, природа, в данном случае Цунами, может разрушить любую систему безопасности. Ферми догадывался об этом риске и мечтал о мире, в котором были бы решены все проблемы, связанные с ядерной энергией и радиоактивными отходами. В своих последних выступлениях Ферми надеялся, что человечество осознает: наступление атомной эры требует объединения усилий всех стран, все нации должны нести одинаковую ответственность. Ученый предлагал серьезно подумать об этой технологии, от которой уже нельзя отказаться.