Циклотроны — резонансные циклические ускорители нерелятивистских тяжелых заряженных частиц — были придуманы в начале прошлого века. До недавнего времени считалось, что эти «дедушки» современных ускорителей, давно отжившие свой век, пригодны разве что для получения изотопов в медицинских целях (что, конечно, неплохо, но с задачами того же Большого адронного коллайдера не сравнится).
Однако после того, как недавний финансовый кризис заставил «похудеть» научные бюджеты во всех Соединенных Штатах, физики решили по-новому взглянуть на устаревшую технологию. И оказалось, что циклотроны по-прежнему могут пригодиться: в частности, они подходят для исследования одной из актуальнейших проблем современной физики — нейтринных осцилляций. Дело дошло до того, что журнал Nature уже провозгласил наступление эпохи Возрождения для циклотронов.
Схема циклотрона из патента Эрнеста Лоуренса, 1934 год
Циклотрон состоит из двух полуцилиндров, называемых дуантами. Они помещены в постоянное магнитное поле. Частицы (например, ионы) вбрасываются в камеру рядом с центром циклотрона. При прохождении зазора между дуантами, на частицы действует переменное высокочастотное электрическое поле.
Циклотрон, 1937 год
Фото: Edai / Wikipedia
Частота поля совпадает с частотой обращения частиц в циклотроне. В свою очередь частота частиц не зависит от их энергии для нерелятивистских скоростей. При прохождении зазора на частицы воздействует электрическое поле, сообщая им энергию. Это приводит к увеличению радиуса траектории, по которой движутся частицы.
Каскадный генератор циклотрона, 1963 год
Фото: Всеволод Тарасевич / архив РИА Новости
Первый циклотрон был создан в 1932 году. Диаметр дуантов в нем составлял всего 4 дюйма (то есть чуть больше 10 сантиметров). Благодаря этому устройству его создатели, Эрнест Лоуренс и Милтон Стэнли Ливингстон, смогли продемонстрировать потенциальную работоспособность идеи циклотрона. Им удалось разогнать протоны до 80 килоэлектронвольт.
184-дюймовый циклотрон в Университете Беркли
К концу 40-х годов циклотроны выросли до внушительных размеров. Так, в лаборатории Университета Беркли в Калифорнии функционировал ускоритель, способный разгонять частицы до сотни мегаэлектронвольт. Этих энергий было достаточно для экспериментов по синтезу новых элементов — на этом ускорителе были получены нептуний и плутоний. Первый европейский циклотрон был запущен в Ленинграде в 1937 году.
В 1944 году под Москвой под руководством академика Курчатова был в срочном порядке сооружен циклотрон для изучения так называемого элемента 94, позже получившего название плутоний. Детали для этого циклотрона в 43 году вывезли из Ленинграда. Там они хранились в земле во дворе института Иоффе, куда их закопали перед его эвакуацией в Казань. 75-тонный магнит вывозили с завода «Электросила» (тоже Ленинград), который находился в 3 километрах от линии фронта.
Наглядная демонстрация принципов работы циклотрона
Фото: Marcin Białek / Wikipedia
Крупнейший в мире циклотрон называется TRIUMF и располагается в Университете Британской Колумбии в Канаде. Частицы в этом ускорителе разгоняются до энергий в 500 мегаэлектронвольт. Магнит этого циклотрона весит 4000 тонн.
Гарвардская лаборатория циклотронов
Фото: Rocky Acosta / Wikipedia
К 60-м годам прошлого века циклотроны были вытеснены другими типами ускорителей. В последние же годы циклотроны использовались преимущественно в медицинских целях. Например, для радиотерапии, а также получения изотопов — источников позитронов для позитрон-эмиссионной томографии.
Циклотрон лаборатории TRIUMF
Фото: triumf.ca
В 2010 году физики обратили внимание на циклотроны совсем по другому поводу. Оказалось, что на этих ускорителях, хоть они и не способны получать пучки сверхвысоких энергий (как говорилось ранее, формула, в которой частота обращения частицы не зависит от энергии, работает только для скоростей, далеких от скорости света), можно добиваться высокой светимости — то есть большого количества столкновений при направлении пучка на цель.
Строительство циклотрона «У-400» в Дубне
Фото: архив РИА Новости
Подобный подход оказался идеальным для исследования нейтрино — частиц, крайне неохотно взаимодействующих с обычной материей. Так на свет появился проект DAEδALUS. В рамках программы предлагается использовать 2 циклотрона, больший из которых будет иметь диаметр около 15 метров. Вылетая из циклотрона, протоны будут направляться в цель из меди и углерода.
Пульт управления циклотроном в Дубне
Фото: Борис Ушмайкин / РИА Новости
В результате столкновения будут возникать пионы — частицы, в результате распада которых образуются антинейтрино. Нейтрино и антинейтрино бывают трех сортов: электронные, мюонные и тау-нейтрино, — а изменения сорта частиц называют нейтринными осцилляциями. Основной целью эксперимента должно стать изучение этих осцилляций — в частности, каким образом эти изменения отличаются (если отличаются) для нейтрино и антинейтрино.
Циклотрон «У-300» в Дубне
Фото: Юрий Туманов / Фотохроника ТАСС
Для регистрации полученного пучка планируется использовать уже существующие детекторы в разных странах, например в Японии. Для нейтрино преодолеть тысячи километров сквозь земную породу не представляет особых трудностей. В конструкции циклотронов предлагается использовать сверхпроводящие магниты, что позволит сделать их относительно компактными.
Стенд испытаний компактных медицинских циклотронов в Санкт-Петербурге
Фото: Андрей Федоров / Trend / ИТАР-ТАСС
Главным же плюсом новой технологии является ее относительно невысокая стоимость. Это особенно актуально в свете того, что из-за мирового экономического кризиса в США были закрыты многие научные программы, связанные с элементарными частицами. Так, DAEδALUS обойдется в 130 миллионов долларов против 800 миллионов для ближайшего конкурента — программы Фермилаб.