Крошечные частицы ускоряют почти до скорости света и заставляют их сталкиваться. Вспышки сверхяркого света позволяют учёным заглянуть в молекулярную структуру вещества. Процессы, происходящие в исследовательском центре DESY в Гамбурге‑Бахенфельде, трудно представить без специального образования. Основанная 18 декабря 1959 года, эта установка с ускорителями‑трубами сегодня является одной из важнейших в мире для изучения материи. На её базе учёные со всего мира ищут фундаментальные строительные блоки Вселенной, расшифровывают протеины и исследуют материалы с уникальными свойствами.
18 декабря 1959 года мэр Гамбурга Макс Брауэр и федеральный министр ядерной энергии Сигфрид Бальке подписали государственный договор о создании «Фонда немецкого электронного синхротронного ускорителя» (DESY). Тогда ускорители были доступны лишь в нескольких странах, в том числе в США. Плановый бюджет составлял 100 млн. демаров, из которых 90 % покрывало федеральное правительство, а 10 % — город Гамбург.
Поиск самых малых частиц
Зачем такие усилия? Учёные обнаружили, что элементарных частиц гораздо больше, чем предполагалось ранее – возник «зоопарк частиц». С конца 1950‑х годов в Германии начали поиски самых фундаментальных компонентов материи. Для этого выбрали площадку в Бахенфельде, ранее использовавшуюся как парадный плац и военный аэродром.
1964 г.: старт исследований в «зоопарке частиц»
Через более четырёх лет после начала строительства 25 февраля 1964 г. почти полночь в комнате управления нового ускорителя собрались первые физики. Они нажали решающий переключатель, и первый поток электронов начал вращаться около 8 000 раз по вакуумной трубе ускорителя. Электроны мчались почти со скоростью света, удерживаемые мощными электромагнитами. После набора достаточной энергии их сталкивали, вызывая появление кратковременных частиц‑строителей материи, которые фиксировались детекторами.
Последующие ускорители DESY
Самый первый ускоритель дал название всему комплексу, но за последующие десятилетия были построены новые установки: DORIS, PETRA и HERA, самая длинная кольцевая трасса достигает 3,6 км. Сегодня разработка, строительство и эксплуатация ускорителей – одна из трёх основных научных направлений DESY, наряду с физикой частиц и исследованиями фотонов.
Глюон – открытие DESY
В 1979 году на ускорителе PETRA учёные впервые обнаружили глюон – переносчик сильного ядерного взаимодействия, одной из четырёх фундаментальных сил природы (наряду с гравитацией, электромагнитной и слабой силой). Глюон «склеивает» кварки внутри протонов и нейтронов.
Исследование наномира световыми вспышками
Синхротронное излучение, испускаемое ускоренными электронами, позволяет «просвечивать» материалы. Так, в 2008 году с помощью излучения ускорителя DORIS была восстановлена скрытая под слоями краски картина Ван Гога. С 2009 года ускоритель PETRA III генерирует интенсивные коротковолновые рентгеновские лучи, которыми биологи изучают атомную структуру кристаллов белков.
FLASH – ультракороткие вспышки света
С 2005 года на территории DESY работает свободный электронный лазер FLASH, первый в мире генератор вспышек в диапазоне экстремального ультрафиолета и мягких рентгеновских лучей. В 300‑метровой линейной установке сверхпроводящие ускорители разгоняют электроны почти до скорости света, а «ундуляторы» из сотен пар магнитов заставляют их двигаться по зигзагообразной траектории, излучая ультракороткие, мощные световые импульсы. Их используют для наблюдения за сверхбыстрыми процессами, например, химическими реакциями. Спрос на время в экспериментальных залах FLASH и PETRA велик, поэтому с 2020 года планируется расширение до системы FLASH2020.
European XFEL: самый длинный в мире рентгеновский лазер
European XFEL, начавший научную работу в 2017 году, построен по тому же принципу, что и FLASH, но имеет линейный ускоритель длиной 3,4 км, проложенный под землёй от DESY до границы с Шлезвиг‑Гольштейн. Это крупнейший в мире рентгеновский лазер, финансируемый двенадцатью странами (главные доноры – Германия и Россия) с общей стоимостью около 1,2 млрд €, позволяющий детально изучать вирусы, клетки, химические реакции и создавать трёхмерные изображения нано‑мирa.
В поисках частицы Хиггса
Физика частиц остаётся приоритетом DESY. Институт участвует в исследованиях Большого адронного коллайдера (LHC) в ЦЕРН, где в 2012 году была обнаружена частица Хиггса. Также DESY вовлечён в разработку будущего линейного коллайдера ILC, предназначенного для более детального изучения Хиггса, хотя окончательное решение о его реализации пока не принято.
Призраки‑нейтрино в вечном льде
В рамках проекта IceCube более 5 000 детекторов погружены в антарктический лёд на глубину до 2 450 м, образуя гигантский телескоп для регистрации нейтрино – «призрачных» частиц, которые почти не взаимодействуют с обычной материей. В 2012 и 2013 годах учёные зафиксировали высокоэнергетические нейтрино, пришедшие из далёких космических источников, таких как чёрные дыры и сверхновые.
Глобальный исследовательский центр
Сегодня DESY – один из важнейших мировых центров изучения структуры и функций материи. На его ускорителях работают около 3 000 учёных из более чем 40 стран, исследуя наноматериалы, биологические процессы и разрабатывая новые лекарства и технологии.
