В ЦЕРНе установили рекорд темпа разгона электронов в ускорителе
Физики ЦЕРНа смогли разогнать электроны до энергии в 2 гигаэлектронвольта в установке длиной всего 10 метров — это в два раза превосходит аналогичный показатель для ускорителей на радиочастотных сверхпроводящих резонаторах, таких как Большой адронный коллайдер или коллайдер ВЭПП-4 в Новосибирске. Новая техника разгона электронов, так называемое кильватерное ускорение, позволит создавать мощные и в то же время компактные ускорители электронов с энергиями около одной тысячи гигаэлектронвольт — на порядок больше существующих. Статья с результатами эксперимента опубликована в журнале Nature, кратко об этом сообщается в пресс-релизе ЦЕРНа.
Самый эффективный способ ускорения заряженных частиц — использование градиента электрического поля. Если частица пролетает через электрическое поле с разностью потенциалов между началом и концом ее траектории в несколько сотен вольт, она приобретает (или теряет, в зависимости от направления полета) соответствующую энергию. Чем больше напряженность поля — разность потенциалов на метровом отрезке траектории, тем быстрее частица будет набирать энергию. В современных ускорителях величины полей могут достигать от 30 до 100 мегавольт на метр.
Значит, на каждый метр траектории в таком поле частица получает несколько десятков мегаэлектронвольт энергии. Чтобы сообщить частице энергию в несколько миллионов мегаэлектронвольт, как в Большом адронном коллайдере, приходится использовать сложные системы с многоступенчатым повышением энергии. Это сильно осложняет сборку ускорителей со все большей энергией разгоняемых частиц. И именно в таких высокоэнергетических экспериментах нуждается сейчас физика элементарных частиц.
Сегодня для создания полей высокой напряженности используются сверхпроводящие радиочастотные резонаторы. Однако этот подход практически уже достиг своего предела — он не позволяет поднять напряженность выше, чем 100 мегавольт на метр. В рамках эксперимента AWAKE (Advanced WAKEfield Experiment) физики исследуют возможность создавать поля огромной напряженности в плазме — вплоть до тысяч мегавольт на метр. Для этого используется техника кильватерного ускорения, основанная на создании в плазме специальных волн при бомбардировке ее сгустками заряженных частиц.
Экспериментальная установка устроена следующим образом. В десятиметровой трубе находятся пары рубидия — щелочного металла, легко переходящего в ионизованное состояние при облучении и повышении температуры. На входе в трубу располагается источник электронов (предварительно ускоренных до 20 мегаэлектронвольт), мощный лазер для ионизации рубидия и превращения его паров в плазму и труба с пучком из протонного суперсинхротрона SPS — последнего из каскада ускорителей, разгоняющих протоны для Большого адронного коллайдера.
Когда сгусток протонов из суперсинхротрона попадает в плазму, в последней возникают волны колебаний, которые напоминают кильватерную струю за кормой корабля. Внутри этих волн возникает область, в которой наблюдается огромная напряженность электрического поля. Если пучок электронов попадает в эту область, то он начинает быстро набирать энергию.
26 мая 2018 года, после почти пяти лет, ушедших на создание экспериментальной установки, AWAKE впервые приступил к полноценной работе. В ускоритель запустили сравнительно медленные электроны с энергией 19 мегаэлектронвольт и 400-гигаэлектронвольтные протонные пучки. Оказалось, что даже в первых экспериментах электроны удалось ускорить в 100 раз — до энергий около 2 гигаэлектронвольт. Эта величина сама по себе невелика в сравнении с современными электронными ускорителями. К примеру, 366-метровый ВЭПП-4 разгоняет электроны до энергии в 6 гигаэлектронвольт. Но установка AWAKE обладает в два раза большими по напряженности ускоряющими полями. По словам авторов, в будущих экспериментах планируется увеличить темпы разгона частиц еще в пять раз.
В консорциуме AWAKE, помимо ученых ЦЕРНа, участвовали физики из многих стран, в том числе из России. В частности, ученые из новосибирского Института ядерной физики имени Будкера сделали теоретические расчеты, лежащие в основе ускорителя AWAKE. По словам руководителя проекта Эдды Гшвендтнер (Edda Gschwendtner), им предстоит выяснить, как много частиц может ускорить установка, какой длины должна быть плазменная ячейка и сколько их должно быть, а также каким должен быть зазор между ними.
В теории, метод кильватерного ускорения позволяет достичь ускорения на 100 гигаэлектронвольт на длине в один метр. На длине в 70 метров это эквивалентно ускорению до 7 тераэлектронвольт, реализуемому сейчас на 27-километровом Большом адронном коллайдере. Подобные высокоэнергетические частицы могут найти применение в промышленности для радиационной обработки материалов и стерилизации.
Среди электронных ускорителей рекорд энергии принадлежал Большому электрон-позитронному коллайдеру в ЦЕРНе (LEP) — устройство разгоняло электроны до энергий в 104 гигаэлектронвольта. Сейчас в его тоннелях располагаются магниты Большого адронного коллайдера. Второе место принадлежит первому линейному ускорителю частиц — трехкилометровому ускорителю в Стэнфорде, разгонявшему электроны до 46,6 гигаэлектронвольта. Если бы ускоритель, идентичный стэнфордскому, был построен на базе AWAKE с имеющимися темпами разгона, то его длина сократилась бы как минимум в 10 раз.
Владимир Королев
Пока эти результаты вызывают сомнения
Физики из Южной Кореи обнаружили у апатита свинца, в котором часть атомов свинца замещена медью, сверхпроводящие свойства при комнатной температуре. Ученые утверждают, что полученный методом твердотельного синтеза материал — первый сверхпроводник при комнатной температуре и атмосферном давлении. Температура перехода разрушения сверхпроводящего состояния достигает в нем 127 градусов Цельсия, пишут исследователи в препринтах (1, 2) на arXiv.org. Впрочем, некоторые физики уже выразили сомнения в обоснованности опубликованных результатов. Сверхпроводимость — эффект, при котором у некоторых материалов электрическое сопротивление становится нулевым, — обычно наблюдается при экстремально низких температурах. Лишь в конце XX века удалось получить материалы, обладающие высокотемпературной сверхпроводимостью. Первым материалом с критической температурой (Тс) выше точки кипения азота (-195,8 градуса Цельсия) был оксид итрия-бария-меди. Только в 2010-х годах были открыты новые типы сверхпроводников, способных сохранять свои свойства при температурах, более близких к комнатной. При сверхвысоких давлениях (более миллиона атмосфер) сверхпроводящие свойства возникают и у гидридов многих элементов, например, у сероводорода. Недавно физики подтвердили наличие сверхпроводимости гидрида лантана LaH10 при −23 градусах Цельсия. Уже в этом году американские ученые получили сверхпроводимость гидрида лютеция, легированного азотом, при комнатной температуре и умеренно экстремальном давлении. Впрочем, другие группы воспроизвести их результаты пока не смогли. Группа корейских физиков под руководством Ли Сукбэ (Sukbae Lee) из Центра исследований квантовой энергии обнаружила, что в материале на основе апатита свинца Pb10-xCux(PO4)6O (доля x составляет от 0,9 до 1,1) сверхпроводящие свойства наблюдаются при комнатной температуре и атмосферном давлении, то есть без необходимости сжимать образец до сотен миллионов атмосфер. Материал LK-99 получен с помощью твердотельного синтеза в герметичной трубке, вакуумированной до 1,3 × 10-6 атмосфер. Анализ полученного порошка LK-99 при помощи рентгеновской дифракции показал, что величина постоянной его кристаллической решетки на 0,48 процентов меньше, чем у апатита свинца. Ученые связали это изменение с частичным замещением атомов свинца на более компактные по размеру атомы меди. Авторы исследования полагают, что это привело к возникновению внутренних механических напряжений в кристалле, которые в конечном итоге и стали причиной сверхпроводимости. Наличие сверхпроводимости в материале ученые подтвердили, наблюдая левитацию образца в магнитном поле за счет эффекта Мейснера, а также исследуя зависимость удельного сопротивления вещества от температуры. Физики определили, что критическая температура (Тс), при которой образец LK-99 терял сверхпроводящие свойства, составляет от 104 до 127 градусов Цельсия. Ниже этой температуры ученые выделили несколько характерных участков. В диапазоне до примерно 60 градусов Цельсия удельное сопротивление практически равнялось нулю с незначительными шумовыми сигналами. При более высоких температурах наблюдался плавный рост удельного сопротивления. Авторы интерпретировали этот рост как локальные нарушения сверхпроводимости в отдельных областях поликристаллического образца. Если результаты корейских физиков подтвердятся, LK-99 может стать первым веществом со сверхпроводимостью при комнатной температуре и атмосферном давлении. Впрочем, исследования сверхпроводимости при комнатной температуре часто вызывают вопросы у научного сообщества, даже если добираются до публикации в рецензируемых журналах. Например, после проверок в 2022 году из Nature отозвали статью американских исследователей, которые нашли сверхпроводимость при 17 градусах Цельсия в смеси сероводорода, метана и водорода. Технические вопросы, из-за которых отозвали статью о сверхпроводимости углеродистого сероводорода, возникли и к этой работе. Так, сомнения в обоснованности выводов корейских ученых высказал профессор химического факультета МГУ Евгений Антипов, который вместе с Сергеем Путилиным открыл в 1993 году новое семейство ртутьсодержащих сверхпроводящих купратов. Один из них — HgBa2Ca2Cu3O8+x — на настоящий момент имеет рекордную подтвержденную на данный момент критическую температуру, −138 градусов Цельсия. В разговоре с N + 1 химик прокомментировал открытие коллег: «Я не думаю, что эта статья выйдет в каком-либо серьезном журнале, потому что она не отвечает принятым стандартам. У меня вызывает большие сомнения возможность реализации сверхпроводимости в соединении с такой формулой. Это оксофосфат двухвалентного свинца, а двухвалентный свинец отличается тем, что у него свободные электроны локализованы, они не могут переходить в зону проводимости — а значит они будут локализованы на катионах свинца». Вопросы у Антипова вызвала и возможность замещения двухвалентного свинца на двухвалентную медь в том синтезе, который проводили корейские ученые: «Представленные данные не убеждают в возможности такого замещения, так как в образце присутствует примесь сульфида меди Cu2S. С точки зрения кристаллохимии это выглядит не очень обоснованно, а с точки зрения эксперимента — они получили образец с примесями, при этом примеси там много. Поэтому говорить, что медь находится в позиции свинца, когда она присутствует в виде примесей — не обосновано». Физики продолжают изучать различные вещества и способы достичь высокотемпературной сверхпроводимости. Например, ранее мы писали, как сверхпроводимость ищут даже в радиоактивных веществах. О том как механическое напряжение помогает получить состояние сверхпроводимости в графене читайте в нашем материале «Тонко закручено».