Большой адронный коллайдер - зачем он нужен? Ускоритель частиц Для чего разгоняют частицы.

Разгоняемые в БАК элементарные частицы имеют заряд. Если речь идет, например, о протонах, этот заряд будет положительным. На находящуюся в электрическом поле частицу действует сила, которая придает ей ускорение. Именно этот физический принцип лежит в основе работы ускорительных секций БАК. С точки зрения инженерного воплощения этого принципа все, конечно, несколько сложнее. В БАК частицы ускоряются в резонаторах — камерах сложной формы. В резонаторах возбуждается мощная стоячая электромагнитная волна (в чем-то ее можно уподобить колебанию струны), фазы колебаний которой согласованы с прохождением по камере сгустка заряженных частиц таким образом, чтобы волна (в микроволновом диапазоне) все время «подталкивала» его в заданном направлении. Если частицу в БАК ускоряет электрическое поле, то направление ей задает поле магнитное. Именно каскад из сверхпроводящих магнитов постоянно отклоняет путь частицы, чтобы она двигалась не по прямой, а описывала 27-километровые круги. Кроме того, магниты отвечают за фокусирование пучка.

Почему радуга иногда видна в виде полной дуги, а иногда лишь в виде фрагментов?

В идеальном случае радуга имеет форму дуги от горизонта до горизонта, с высоты можно даже наблюдать радугу, имеющую полную кольцевую форму. Хорошо известно, что это явление возникает из-за преломления солнечных лучей в капле воды, но, если воздух насыщен влагой лишь на отдельных участках, в дуге могут возникнуть разрывы.

Каким образом из воздуха извлекается азот?

Существует несколько промышленных методов извлечения азота из атмосферного воздуха. Один из них — фракционная дистилляция сжиженного воздуха. Дело в том, что температура кипения азота (-195°C) ниже, чем температура кипения кислорода (-183°C). Поэтому при постепенном нагревании жидкого воздуха сначала испарится азот, а кислород останется в жидкой фазе. Так эти газы можно разделить.

Почему человек чихает, когда ему холодно?

Главная причина чихания, то есть взрывного выдоха через нос, — потребность организма выбросить из носоглотки некие инородные раздражители ее слизистой оболочки, например пыль или соринки. Такая же реакция следует на воспаление слизистой. Однако нервные окончания, которые подают сигнал центру в продолговатом мозге, ответственному за чихание, реагируют и на другие раздражители. Например, резкую смену температуры окружающего воздуха или даже яркий свет.

Как спят киты?

Это один из интереснейших вопросов науки о морских животных. Дело в том, что в отличие от человека, дыхание которого может управляться неосознанно, киты делают вдох и выдох сознательным усилием. Иными словами, мы можем продолжать дышать, находясь без сознания, а кит не может. Исследования дельфинов показали, что эти представители китообразных умеют спать по очереди то одним полушарием, то другим. Но недавно ученые из шотландского университета Сент-Эндрю выяснили, что, например, кашалоты способны засыпать полностью, обоими полушариями. Эти животные временами «дрейфуют» под водой в вертикальном положении, причем практически не реагируют при этом на внешние раздражители. Оказалось, что кашалоты все же улучают небольшие промежутки времени для полноценного сна. Поспав 10−15 минут, они пробуждаются, выныривают к поверхности, делают вдох и вновь погружаются под воду для очередной порции дремы.

В отличие от своих коллег из области биологии (которые могут заказать себе грызунов, кольчатых червей или пиявок в Интернете), физикам нужно самостоятельно создавать себе подопытных

Когда физикам нужны частицы для ускорителей, они приходят на наш сайт и оставляют объявления в комментариях, предлагая работу вакантным частицам. Иногда им нужны частицы с позитивным настроем, иногда более нейтральные. Затем физики приглашают частицу на свидание, и если все идет хорошо, предлагают поучаствовать в процессе ускорения. Так и был сделан бозон Хиггса.

Если бы. В отличие от своих коллег из области биологии (которые могут заказать себе грызунов, кольчатых червей или пиявок в Интернете), физикам нужно самостоятельно создавать себе подопытных. Не так-то просто набрать нужное количество частиц для высокоскоростного столкновения на Большом адронном коллайдере.

Прежде чем мы засунем их в ускоритель частиц, давайте разберемся, зачем нам это делать. Что такое ускорители, и почему мы не можем ускорить что-нибудь более существенное, чем частицы?

Самый известный ускоритель частиц - это Большой адронный коллайдер, 27-километровый круговой монстр, зарытый под землю. Расположенный в Швейцарии, БАК работает под Европейской организацией ядерных исследований, она же ЦЕРН (акроним имеет смысл, если знать его французскую расшифровку). БАК стал весьма популярным в 2012 году, когда столкновения частиц пролили свет на следы бозона Хиггса, ради которого этот ускоритель, собственно, и строился. Открытие бозона Хиггса позволило физикам более уверенно говорить о поле Хиггса, а также о том, как материя во Вселенной приобретает массу.

Но если БАК - это суперзвезда в мире ускорителей, есть много и других менее известных студий, записывающих свои пластинки. В целом в мире насчитывается около 30 000 ускорителей, и, возможно, именно им стоит сказать спасибо за самые практичные изобретения. И это не просто слова. Ученые, которые хотели изучать сверхабсорбирующие полимеры, используемые в одноразовых подгузниках, столкнулись с проблемами при изучении их во влажном состоянии, поэтому - та-дам - обратились к рентгеновской микроскопии (которая использует ускорение частиц). Будучи в состоянии идентифицировать и изучить структуру молекулярных цепей, ученые смогли правильно составить нужную формулу, благодаря чему современные подгузники остаются сухими и говорят спасибо ускорителям частиц.

Кроме того, ускорители отлично применяются в медицинской среде, в частности - в исследовании способов лечения рака. Линейные ускорители (когда частицы сталкиваются с мишенью, пролетая по прямой линии), направляют электроны в металлическую цель, в результате чего получатся высокоточные и высокоэнергетические рентгеновские лучи, которые могут лечить опухоли. Ну и, конечно, без ускорителей в теоретической физике элементарных частиц никуда - любой теории нужна практика. Теперь, когда мы немного знаем о том, для чего используются ускорители, давайте поговорим о том, чем их кормить.

Как мы говорили выше, ученые ЦЕРН производят частицы сами для себя. Это можно сравнить с тем, что бухгалтер собирает сам себе калькулятор. Но для физики частиц это не проблема. Все, что нужно ученым, - это начать с водорода, выбить электроны с помощью дуоплазматрона и остаться наедине с протонами. Звучит просто, но на деле сложнее. Во всяком случае, не так просто для тех, кто не получает открытки на день рождения от Стивена Хокинга.

Водород - это газ, который поступает в первую ступень ускорителя частиц - дуоплазматрон. Дуоплазматрон - это весьма простое устройство. У атомов водорода есть один электрон и один протон. В дуоплазматроне атом водорода избавляют от электрона при помощи электрического поля. Остается плазма из протонов, электронов и молекулярных ионов, которые проходят через несколько фильтрующих сетей, в результате чего остаются одни протоны.

На БАК используют не только протоны для рутинных задач. Физики ЦЕРН также сталкивают ионы свинца для изучения кварк-глюонной плазмы, которая отдаленно напоминает нам о том, какой была Вселенная давным-давно. Сталкивая вместе ионы тяжелых металлов (работает и с золотом), ученые могут создать кварк-глюонную плазму на мгновение.

Вы уже достаточно просвещены, чтобы понимать, что ионы свинца не появляются волшебным образом в ускорителе частиц. Вот как это происходит: физик ЦЕРН начинает собирать ионы свинца с твердого свинца-208, особого изотопа элемента. Твердый свинец нагревается до пара - до 800 градусов по Цельсию. Затем его бьют электрическим током, который ионизирует образец для создания плазмы. Новосозданные ионы (атомы с электрическим зарядом, которые приобрели или потеряли электроны) сбиваются в линейном ускорителе, который придает им ускорения, что приводит к еще большей потере электронов. Затем они еще больше сбиваются и ускоряются - и ионы свинца готовы пройти путь протонов и разбиться в недрах Большого адронного коллайдера.

(или БАК) - на данный момент самый большой и мощный ускоритель частиц в мире. Эта махина была запущена в 2008 году, но долго работала на пониженных мощностях. Разберемся, что это такое и зачем нужен большой адронный коллайдер.

История, мифы и факты

Идея создания коллайдера была озвучена в 1984 году. А сам проект на строительство коллайдера был одобрен и принят аж в 1995 году. Разработка принадлежит Европейскому центру ядерных исследований (CERN). Вообще запуск коллайдера привлек к себе большое внимание не только ученых, но и простых людей со всего мира. Говорили о всевозможных страхах и ужасах, связанных с запуском коллайдера.

Впрочем, кто-то и сейчас, вполне возможно, ждет апокалипсиса, связанного с работой БАК и тресется от одной мысли о том, что будет, если ч взорвется большой адронный коллайдер. Хотя, в первую очередь все боялись черной дыры, которая, сначала будучи микроскопической, разрастется и благополучно поглотит сначала сам коллайдер, а за ним Швейцарию и весь остальной мир. Также большую панику вызывала аннигиляционная катастрофа. Группа ученых даже подала в суд, пытаясь остановить строительство. В заявлении говорилось, что сгустки антиматерии, которые могут быть получены в коллайдере, начнут аннигилировать с материей, начнется цепная реакция и вся Вселенная будет уничтожена. Как говорил известный персонаж из «Назад в Будущее»:

Вся Вселенная, конечно, в самом худшем случае. В лучшем – только наша галактика. Доктор Эмет Браун.

А теперь попытаемся понять, почему он адронный? Дело в том, что он работает с адронами, точнее разгоняет, ускоряет и сталкивает адроны.

Адроны – класс элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию. Адроны состоят из кварков.

Адроны делятся на барионы и мезоны. Чтобы было проще, скажем, что из барионов состоит почти все известное нам вещество. Упростим еще больше и скажем, что барионы - это нуклоны (протоны и нейтроны, составляющие атомное ядро).

Как работает большой адронный коллайдер

Масштаб очень впечатляет. Коллайдер представляет собой кольцевой туннель, залегающий под землей на глубине ста метров. Длина большого адронного коллайдера составялет 26 659 метров. Протоны, разогнанные до скоростей близких к скорости света, пролетают в подземном круге по территории Франции и Швейцарии. Если говорить точно, то глубина залегания туннеля лежит в пределах от 50 до 175 метров. Для фокусировки и удержания пучков летящих протонов используются сверхпроводящие магниты, их общая длина составляет около 22 километров, а работают они при температуре -271 градусов по Цельсию.

В составе коллайдера 4 гигантских детектора: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb. Помимо основных больших детекторов, есть еще и вспомогательные. Детекторы предназначены для фиксации результатов столкновений частиц. То есть после того, как на околосветовых скоростях сталкиваются два протона, никто не знает чего ожидать. Чтобы «увидеть», что получилось, куда отскочило и как далеко улетело, и существуют детекторы, напичканные всевозможными датчиками.

Результаты работы большого адронного коллайдера.

Зачем нужен коллайдер? Ну уж точно не для того, чтобы уничтожить Землю. Казалось бы, какой смысл сталкивать частицы? Дело в том, что вопросов без ответов в современной физике очень много, и изучение мира с помощью разогнанных частиц может в буквальном смысле открыть новый пласт реальности, понять устройство мира, а может быть даже ответить на главный вопрос «смысла жизни, Вселенной и вообще».

Какие открытия уже совершили на БАК? Самое знаменитое – это открытие бозона Хиггса (ему мы посвятим отдельную статью). Помимо того были открыты 5 новых частиц , получены первые данные столкновений на рекордных энергиях , показано отсутствие асимметрии протонов и антипротонов , обнаружены необычные корреляции протонов . Список можно продолжать долго. А вот микроскопических черных дыр, которые наводили страх на домохозяек, обнаружить не удалось.

И это при том, что коллайдер еще не разогнали до его максимальной мощности. Сейчас максимальная энергия большого адронного коллайдера – 13 ТэВ (тера электрон-Вольт). Однако, после соответствующей подготовки протоны планируют разогнать до 14 ТэВ . Для сравнения, в ускорителях- предшественниках БАК максимально полученные энергии не превышали 1 ТэВ . Так разгонять частицы мог американский ускоритель Тэватрон из штата Иллинойс. Энергия, достигнутая в коллайдере - далеко не самая Большая в мире. Так, энергия космических лучей, зафиксированных на Земле, превышает энергию частицы, разогнанной в коллайдере в миллиард раз! Так что, опасность большого адронного коллайдера минимальна. Вполне вероятно, что после того, как все ответы будут получены с помощью БАК, человечеству придется строить еще один коллайдер по-мощнее.

Друзья, любите науку, и она обязательно полюбит Вас! А помочь Вам полюбить науку легко смогут . Обращайтесь за помощью, и пусть учеба приносит радость!

1.1 . Физические основы коллайдеров

Коллайдеры (ускорители со встречными пучками) - это установки, в которых осуществляется столкновение встречных ускоренных пучков заряженных частиц.
В обычных ускорителях пучок частиц, ускоренных до высокой энергии, взаимодействует с частицами неподвижной мишени. При этом вследствие закона сохранения полного импульса большая часть энергии налетающих частиц расходуется на сохранение движения центра масс системы, т.е. на сообщение кинетической энергии частицам - продуктам распада. Лишь небольшая ее часть определяет полезную и эффективную энергию столкновения - энергию взаимодействия частиц в системе их центра масс (центре инерции), которая может расходоваться, например, на рождение новых частиц.
При неподвижной мишени частица мишени с массой покоя m 0 в лабораторной системе отсчета имеет в центре масс энергию покоя E 0 = m 0 c 2 , а другая, налетающая частица, обладающая той же массой покоя m 0, движется в этой системе с релятивистской скоростью и обладает несравнимо большей энергией, чем покоящаяся частица (Е >> E 0). Энергия в системе центра масс (центра инерции) определяется формулой . Чем больше Е, тем меньшая ее доля составляет эффективную энергию взаимодействия частиц.
Если же сталкиваются частицы, движущиеся с равными по величине, но противоположно направленными импульсами, то их суммарный импульс равен нулю. В этом случае лабораторная система отсчета совпадает с системой центра масс частиц и эффективная энергия столкновения равна сумме энергий сталкивающихся частиц. Для легких частиц с одинаковыми массами и энергией Е, Е цм = 2E эта кинетическая энергия может быть полностью использована на взаимодействие. .
В системе центра масс частицы движутся навстречу друг другу с одинаковыми импульсами и энергиями E, суммарный импульс продуктов реакции равен нулю. Вся начальная энергия расходуется на интересующее нас рождение частиц, на проникновение в мелкомасштабную структуру материи.
При столкновении частиц их энергия передается мельчайшим "капелькам" вещества, которые "взрываются", и мы наблюдаем разлет образовавшихся частиц. Исследователи узнают об устройстве вещества на мелкомасштабном уровне по специфическим распределениям этих частиц или по родившимся новым частицам (большинство из которых живут очень недолго) .
Преимущество процесса взаимодействия на встречных пучках особенно велико для легких частиц - электронов, позитронов (из-за их малой энергии покоя). Ускорители с неподвижной мишенью и ускорители на встречных пучках считаются эквивалентными, если при одних и тех же сталкивающихся частицах они имеют одинаковые полезные энергии, затрачиваемые непосредственно на реакцию взаимодействия в центре масс. Формула, связывающая кинетические энергии частиц в эквивалентных ускорителях с неподвижной мишенью Е н и на встречных пучках Е цм. в ультрарелятивистском случае имеет вид : Е н = Е 2 цм. /2Е 0 . Используя это соотношение, можно подсчитать энергию для ускорителя с неподвижной мишенью, эквивалентного коллайдеру.
Расчет показывает, что для получения кинетической энергии эквивалентной энергии БЭПК (LEP), равной Е цм = 0,209 ТэВ без использования встречных пучков энергия ускорителя должна была бы составлять E н = 4,274×10 4 ТэВ, а Е н.. / Е цм =2·10 5). Те же величины для адронного коллайдера LHC составляют E н = 1,044·10 5 ТэВ и Е н.. / Е цм =7500 (LEP и LHC - самые большие из построенных электрон-позитронных и адронных кольцевых коллайдеров) Из приведенных результатов расчета видно, что только используя схему встречных пучков, мы имеем возможность получать очень высокие эффективные энергии.
При использовании меньших энергий можно было бы обойтись и традиционными ускорителями, однако реализация принципа столкновения частиц позволяет сделать установку существенно более компактной.

1.2 . Сравнение кольцевых и линейных коллайдеров. Синхротронное излучение

Как видно из Табл. 1а, за исключением коллайдера SLAC (СЛК, SLC), все построенные коллайдеры были кольцевыми. Кольцевые коллайдеры практически всегда более компактны, чем линейные. Необходимо отметить, однако, что использование кольцевых траекторий для ускорения легких частиц ограничивается сильным синхротронным излучением, возникающим при их вращении.
Энергия синхротронного излучения U для релятивистской частицы зависит от её массы m 0 энергии Е, радиуса траектории ρ и определяется формулой :

(1.1)

Из-за большой разницы между массой покоя электронов и протонов при одинаковых энергиях и радиусах вращения мощность синхротронного излучения электронного пучка будет в 1013 раз больше чем протонного.
В коллайдере БЭПК (LEP), где вращающийся пучок характеризовался следующими параметрами:
Е ≈ 100 ГэВ, ρ = 4 км, В = 0,75 Тл, потери энергии на один оборот составляли 2 ГэВ. В случае протонных коллайдеров коэффициент 8,85×10 -5 в формуле (1.1) должен быть заменен на 7,8×10 -18 .
Из-за больших синхротронных потерь, электрон - позитронные кольцевые коллайдеры на энергию в центре масс боٰльшую 208 БэВ не создавались. Тем не менее в работе рассматривался проект электрон - позитронного коллайдера, расположенного в тоннеле того же диаметра, что и коллайдер БЭПК (длина кольца 22,8 км). При светимости 10 32 см -2 с -1 энергия каждого пучка должна была бы составить 400 ГэВ. Чтобы покрыть потери на синхротронное излучение пришлось бы затратить 100 ГВ ВЧ мощности.
В настоящее время при использовании электронов (позитронов) перспективными в ТэВ-м диапазоне в первую очередь считаются линейные коллайдеры. В тоже время разрабатываются кольцевые мюонные коллайдеры, где сталкиваются элементарные частицы с массой значительно превышающей массу электронов. Предполагается, что первые мюонные коллайдеры будут обладать энергией в центре масс 0,1 - 3 ТэВ и светимостью (1 - 5)×10 34 см -2 с -1 .

1.3 . Основные параметры коллайдеров

Первая основная характеристика коллайдера - энергия его пучков - выбирается исходя из задач физики элементарных частиц, которые предполагается решать при его создании. Обычно круг этих задач оказывается весьма широким. В Табл.2 -1 приведены данные о некоторых экспериментах, которые проводятся или будут проводиться в ряде коллайдеров высокой энергии. Краткие сведения о частицах, сталкиваемых в коллайдерах и о задачах, решаемых в физике элементарных частиц, будут рассмотрены в следующем разделе.
Светимость коллайдера является его второй важнейшей характеристикой. С увеличением светимости увеличивается число сталкивающихся частиц. Геометрическая светимость зависит от частоты (f) cтолкновений сгустков, числа частиц в сгустке каждого пучка (n 1 и n 2) и от поперечного сечения сгустка (S). Светимость (L) определяется формулой :

При столкновении частиц между ними может произойти взаимодействие, а может и не произойти. Имеется возможность определить только вероятность того или иного исхода столкновения. Вероятность взаимодействия определяется величиной поперечного эффективного сечения взаимодействия σ, которое имеет размерность площади (см 2) и определяется формулой:

σ = N/L,

(2.1)

где N - число частиц, которые испытали взаимодействие в единицу времени (неупругие столкновения). Величина σ обычно выражается в миллибарнах (1 мбарн = 10 -27 см 2). В работе и в ряде других работ приводится формула, определяющая величину светимости, где учитываются эмиттанс пучка, гауссово распределение электронов в сгустке, учитывается также величина полного угла столкновения сгустков.
Часто используют понятие интегральной светимости (или интеграл светимости), то есть светимость, умноженная на время работы ускорителя в течение «стандартного ускорительного года. Длительность одного стандартного года обычно принимают равным 10 6 - 10 7 секунд, что примерно равно четырем месяцам. Интегральную светимость обычно выражают в обратных пикобарнах (пбарн -1) или обратных фемтобарнах (фбарн -1).
Для того чтобы узнать, как часто будет происходить какой-то процесс на конкретном коллайдере, надо умножить сечение процесса на светимость коллайдера (N = σL). Из-за неидеальной эффективности детектора количество реально зарегистрированных событий будет, конечно, меньше.
Не всегда стремятся к получению максимально возможной светимости. Если в каждом сгустке адронного коллайдера будет очень много частиц, то при их столкновении одновременно будет происходить несколько независимых протон-протонных столкновений. Детектор будет фиксировать наложенные друг на друга следы сразу всех этих столкновений, что затруднит анализ процесса взаимодействия.
Поскольку сечение процессов убывает как квадрат энергии частиц, светимость коллайдеров на большую энергию должна быть исключительно высокой. Значения светимости некоторых построенных коллайдеров приведены выше в Табл.1-В и 2-В

Таблица № 2.1. Исследования, проводимые на некоторых коллайдерах

Наименование коллайдера	Энергия пучков коллайдера, ГэВ	Светимость коллайдера 10 30 см -2 с -1	Некоторые исследования, проводимые на коллайдере
KEKB	е − : 8 е + :3,5	16270
PEP-II	е − : 7-12 е + : 2,5- 4	10025	Получение тяжелых кварков и тяжелых лептонов. В-фабрика - получение В мезонов, исследование нарушения симметрии
SLC	е + е − : 91	6	ИсследованиеZ 0 бозона
	е + е − : 100-104,6	24 на Z 0 100 при > 90 ГэВ	Исследование бозонов слабого взаимодействия Z 0 и W ±
		171	Поиск бозонов Хиггса
RHIC	pp, Au-Au, Cu-Cu, d-Au:100/n	10; 0,0015; 0,02; 0,07
Большой адронный коллайдер БАК (LHC)	pp: 3500 (план 7000) Pb-Pb: 1380/n (план 2760)	10000 (план)	Поиск бозонов Хиггса. Изучение кварк-глюонной плазмы
Международный линейный коллайдер, ILC
Компактный линейный коллайдер,CLIC			Исследование бозонов Хиггса

Проектное значение введенного в 2009 г в эксплуатацию Большого адронного коллайдера БАК (LHC) в ЦЕРН определено в L =10 34 см -2 с -1 . Если предположить что поперечное эффективное сечение взаимодействия в центре масс в коллайдере БАК составляет σ = 80 мб , то при работе БАК на энергии в центре масс 14 ГэВ величина N = 8×10 8 с - 1 .
Предполагается, что продолжительность работы коллайдера составит примерно 10 7 с в год, а его интегральная светимость за год составит около 10 41 см -2 . При σ = 80 мб в год может происходить 8×10 15 событий. В большинстве из этих событий будет рождаться несколько тысяч частиц. Никакие электронные и компьютерные системы не в состоянии обработать такой поток информации. Столь высокая светимость, однако, необходима при исследовании крайне редких событий с малым поперечным сечением, которые характерны для новой физики. При хорошей электронике, позволяющей осуществлять надежный отбор событий с заранее известными признаками, можно получать информацию примерно до ста событий в год в процессе с очень низким сечением σ = 1 фб. Именно для работы с такими событиями и нужна высокая светимость коллайдера .
К третьей основной характеристике коллайдера можно отнести тип сталкивающихся частиц. Из приведенных выше Табл.1-В и Табл.2-В видно, что построены и используются как электрон - позитронные, протон-антипротонные коллайдеры, так и электрон-протонные коллайдеры. Следует отметить, что применение античастиц не является обязательным, так как разница в знаке заряда мало влияет на результаты физических исследований. Отличие в знаке заряда больше влияет на конструкцию коллайдера В кольцевых коллайдерах использование частиц и античастиц позволяет осуществлять их движение по одному каналу (трубе), как это делается, например, в коллайдере Теватрон. В тоже время в коллайдере БАК сталкиваются только протоны или ионы свинца одного знака. Для этого, однако, потребовалась проводка сталкивающихся частиц по двум разным каналам.
Электрон-позитронные линейные коллайдеры имеют определенные преимущества перед адронными коллайдерами в части анализа результатов, получаемых в экспериментах. В тоже время, из-за отсутствия накопительных колец, в них труднее получать высокую светимость.
Сравнение характера столкновений в электрон-позитронных и адронных коллайдерах рассматриваются в следующих разделах.

1.4 . Краткие сведения о физике элементарных частиц

В настоящее время основу физики элементарных частиц представляет «Стандартная модель» - квантово-механическая теория локальных полей. В ней рассматриваются поля каждого типа элементарных частиц (кроме гравитационного поля). Колебания таких полей переносят энергию и импульс с одного места пространства в другое. Согласно квантовой механике волны собираются в пакеты, или кванты, которые наблюдаются в лаборатории в виде элементарных частиц.
В «Стандартной модели» (Табл.3.1) фермионы это - элементарные частицы, из которых складывается вещество Они представлены двумя видами полей: полями лептонов (лептон от греческого «leptos» - легкий) и полями кварков («quark» - фундаментальная частица в стандартной модели). Фермионы разбиты на три поколения. Каждый член следующего поколения имеет массу большую, чем соответствующая частица предыдущего. Все обычные атомы содержат частицы первого поколения. Второе и третье поколения заряженных частиц не присутствуют в обычной материи и наблюдаются только в условиях очень высоких энергий.

Таблица № 3.1. Стандартная модель

Квантами лептонных полей являются: электроны, более тяжелые частицы - мюоны, таоны, и электрически нейтральные частицы, известные как нейтрино.
Квантами полей кварков являются: верхний, нижний, очаровательный, странный, истинный и прелестный кварки. Некоторые из кварков связаны вместе внутри протонов и нейтронов, составляющих ядра обычных атомов. Составные части ядра: протоны и нейтроны тоже являются фермионами.
Силы взаимодействия между частицами, обусловлены процессами обмена фотонами, W + , W - и Z 0 частицами, а также восемью типами глюонов (gluon), Переносчики взаимодействий получили название калибровочных бозонов .
Электромагнитное взаимодействие имеет место между заряженными частицами. Под действием электромагнитных сил не происходит изменения частиц, они только притягиваются или отталкиваются. Переносчиком взаимодействия являются фотоны. Электромагнитное взаимодействие удерживает электроны в атомах и связывает атомы в молекулах и кристаллах.
Сильному взаимодействию подвержены кварки. Оно связывает их вместе, образуя протоны, нейтроны и другие комбинированные частицы. Сильное взаимодействие влияет на связь между протонами и нейтронами в атоме. Переносчиками этого возбуждения являются глюоны. Это самое сильное взаимодействие в природе. Оно является преобладающим видом взаимодействия в ядерной физике высоких энергий. Взаимодействие ограничивается весьма короткими расстояниями.
Слабое взаимодействие имеет место между кварками и лептонами. Наиболее известный эффект слабого взаимодействия - видоизменение кварков, которое в свою. очередь, заставляет нейтрон распадаться на протон, электрон и анти-нейтрино.
Переносчиками возбуждения являются W + , W - и Z 0 бозоны. Слабое взаимодействие, проявляется при бета-распаде радиоактивных ядер, имеет очень малую дальность.
Четвертой силой взаимодействия является сила гравитации. В квантовой теории предполагается, что переносчиком гравитационного взаимодействия является гравитон. Гравитон - частица, не имеющая массы. Она обладает спином, равным 2.
Гравитационное взаимодействие универсально. В нем участвуют все частицы. Это взаимодействие является самым слабым. Оно связывает части земного шара, объединяет Солнце и планеты в Солнечную систему, связывает звезды в галактиках, определяет крупномасштабные события Вселенной .
. Гравитационное поле описывалось Общей теорией относительности Эйнштейна. В первой половине ХХ века предпринимались многочисленные попытки создания единой теории фундаментальных взаимодействий, включающей гравитацию. Однако ни одной полностью удовлетворительной модели пока предложено не было. Это, в частности, связано с тем, что общая теория относительности и теории, описывающие другие взаимодействия различны по своей сути. Тяготение описывается искривлением пространства-времени, и в этом смысле гравитационное поле нематериально, в то время как другие поля являются материей . Их объединения пока не удалось достичь также из-за трудностей создания квантовой теории гравитации. В настоящее время для объединения фундаментальных взаимодействий используются различные подходы: теория струн , петлевая квантовая гравитация , а также М-теория .
Стандартная Модель предполагает существование еще одного поля, которое практически неотделимо от пустого пространства и не совпадает с гравитационным полем. Его принято называть полем Хиггса. Считается, что все пространство заполнено этим полем и что все фундаментальные частицы (лептоны, кварки и калибровочные бозоны) приобретают массу в результате взаимодействия с полем Хиггса.
Квантами этого поля являются бозоны Хиггса. Бозон Хиггса теоретически предсказан в 1964 году шотландским физиком П. Хиггсом .
Бозон Хиггса — последняя до сих пор не найденная частица «Стандартной модели».
Эта частица так важна, что нобелевский лауреат Леон Ледерман назвал её «частицей-бога» . Предполагается наличие четырех или даже пяти бозонов Хиггса, которые являются скалярными частицами, т.е. имеют нулевой спин. О пяти разновидностей бозона Хиггса с разными зарядами (три нейтральных, один положительный и один отрицательный) сообщается в работе .
Долгое время предполагалось, что верхняя граница массы бозона Хиггса менее 1 ТэВ.
Однако в 2004 г. на коллайдере Теватрон при обработке данных эксперимента, полученных по определению массы t - кварка, значение верхней границы массы бозона Хиггса было ограничено 251 ГэВ.
Исследования по обнаружению бозона Хиггса проводились и продолжаются на ряде других коллайдерах. Широкий цикл исследований по нахождению бозона Хиггса был осуществлен на коллайдере LEP c энергией в центре масс 208 ГэВ, но успехом не увенчался.
Ожидается, что экспериментальное подтверждение наличия бозонов Хиггса и уточнение их
характеристик будет выполнено на коллайдере БАК.
Как видно из Табл. 2.1 на нескольких коллайдерах ведутся исследования состояния материи, называемой кварк-глюонной плазмой, где цветные кварки и глюоны, как свободные частицы, образуют непрерывную среду, называемую хромоплазмой. Проводимость хромоплазмы аналогична электропроводимости, возникающей в электрон-ионной плазме . По современным представлениям кварк-глюонная плазма образуется при высоких температурах и/или больших плотностях адронной материи. Предполагают, что в естественных условиях эта плазма существовала в первые 10 -5 с после Большого взрыва. Эти условия могут присутствовать в центре нейтронных звезд. Переход в состояние кварк-глюконной плазмы может происходить при температуре, соответствующей кинетической энергии ~200 МэВ.
Первые экспериментальные результаты, касающиеся кварк-глюонной плазмы были получены в в 1990 г. в ЦЕРН на Супер протонном синхронтроне, СПС (SPS). Затем в 2000 г., также в ЦЕРН было объявлено об открытия этого «нового состояния материи». Дальнейшие исследования проводились на коллайдере RHIC. Считается, что для образования кварк-глюонной плазмы необходима энергия ~3,5 ТэВ. В 2010 г было сообщено, что по предварительным данным температура плазмы составила 3,5 -4 триллиона градусов Цельсия. Работы велись при столкновении в RHIC ионов свинца и золота. Коллайдер работал при энергии в центре масс ~ 33 ТэВ .
В ноябре 2010 г работа с ионами свинца и получением кварк-глюонной плазмы началиcь на Большом адроном коллайдере LHC. В течение первой недели была получена кварк-глюонная плазма с температурой в десятки триллионов градусов .
Одним из важных направлений физики элементарных частиц является изучение вопросов симметрии. Так на коллайдерах PEP II и KEK-B, которые, в частности являются фабриками В - мезонов исследуются вопросы нарушения СP cимметрии (С - зарядная симметрия, трансформация частицы в античастицу). P - пространственная симметрия, зеркальное отображение системы . Сначала физики полагали, что при проведении симметричного преобразования любого взаимодействия между частицами результат будет неизменен - симметрия сохранится. Однако экспериментальные исследования показали, что при слабых взаимодействиях происходит нарушение как Р-, так и С- симметрии . Изучение вопросов нарушения симметрии на коллайдерах PEP II и KEK-B эффективно благодаря их высокой светимости.
В ближайшее время изучение вопросов симметрии будет проводиться при очень высоких энергиях коллайдера БАК, что позволит измерить гораздо большее число распадов В-мезонов с нарушением СР симметрии, чем в предыдущих экспериментах. Стандартная модель пройдет еще одну доскональную проверку, и появится объяснение того, почему природа предпочла вещество антивеществу .
Основная цель повышения энергии ускоренных частиц состоит в том, что это дает возможность изучать взаимодействие частиц на все меньших расстояниях и за более короткие времена. Удается изучать внутреннюю структуру элементарных частиц, обладающих крайне малыми размерами
Не предвидится никаких оснований полагать, что квантовая теория поля не работает вплоть до масштабов, соизмеримых с длиной Планка где начинают проявляться квантовые эффекты гравитации и где структура материи соответствует расстояниям порядка 10 -33 см и массе планка m p ≈ ћc/G) 1/2 ≈ 1.2×10 19 ГэВ/c 2 , т. е энергии в центре масс ≈10 19 ГэВ (ћ - постоянная Дирака, с -скорость света, G- гравитационная постоянная)
Наименьший доступный масштаб изучаемых явлений при столкновении частиц с импульсами p (энергия E = (p 2 c 2 + m 2 c 4) 1/2 определяется длиной волны l = h/p = hc/E.
Для решения данной задачи и используются соударения элементарных частиц в коллайдерах.
Сотни экспериментов уже позволили проникнуть в структуру материи, которая характеризуется расстояниями 10 -18 см . Конечно, создание коллайдеров на энергию в центре масс ≈ 10 7 ТэВ для реализации расстояний в 10 -33 см не представляется возможным.

1.5 . Сравнение адронных и лептонных коллайдеров

Представляет интерес рассмотреть некоторые преимущества и недостатки адронных и электрон - позитронных коллайдеров.
Адроны: протоны и антипротоны являются составными частицами, состоящими из трех кварков (двух u-кварков с электрическим зарядом +2/3 и одного d-кварка с зарядом -1/3, которые скреплены вместе глюонным полем (смотри также Табл.3.1 и ) Однако, если протон летит со скоростью очень близкой к скорости света, он оказывается заполненным в основном глюонами, а кварков и антикварков в нём содержится заметно меньше. Протоны и антипротоны в таких условиях выглядят практически одинаково, и поэтому нет особой разницы, сталкиваются ли протоны с протонами или протоны с антипротонами. Глюонное поле в нём перестает быть просто связывающей силой и материализуется в виде потока частиц — глюонов, — которые летят рядом с кварками. Быстро летящий протон состоит из перемешанных друг в друге глюонных, кварковых и даже антикварковых «облаков» — партонных плотностей.
Когда два протона сталкиваются лоб в лоб, то один кварк из одного протона сталкивается с кварком из встречного протона, а остальные партоны просто пролетают мимо. При столкновении партоны получают сильный «удар», выбивающий их из родительских протонов. Однако глюонное поле обладает конфайнментом - явлении, состоящем в невозможности получения кварков в свободном состоянии. В экспериментах наблюдаются только агрегаты кварков, состоящие из двух мезонов или трёх кварков (барионы). Происходит адронизация — энергия удара тратится на рождение многочисленных адронов. В этом процессе партоны - «наблюдатели» уже принимают самое активное участие. Можно хорошо рассчитать процессы с отдельными кварками или глюонами, но точно описать адронизацию пока не удается. В связи с адронизацией протон-протонное столкновение сильно отличается от столкновения лептонов (например электрон-позитрон). Процесс анализа p - p + столкновений весьма сложен.
Связь между теорией и экспериментом при адронных столкновениях не столь непосредственна, как в электрон-позитронных столкновениях. В экспериментах на адронных коллайдерах более сложно определить свойства новых частиц.
В отличие от протона, электрон и позитрон - элементарные частицы, и энергия, выделяемая при их столкновениях, определяется с высокой точностью. Электрон- позитронные коллайдеры позволяют легче определять так же другие характеристики, открываемых частиц .
Построенные адронные коллайдеры обладают очень большой энергией в центре масс. Однако далеко не вся эта энергия может быть использована на рождение новых частиц. Так для БАК из полной энергии 14 ТэВ полезно используется только энергия в 2 ТэВ. В случае электрон-позитронных ускорителей практически вся энергия оказывается полезной . Таким образом, при одинаковой энергии в центре масс электрон-позитронные коллайдеры имеют 5 -10 кратное преимущество перед адронными коллайдерами .
Характеризуя электрон-позитронные линейные коллайдеры следует отметить, что частота повторения соударений встречных сгустков мала по сравнению с кольцевыми электрон- позитронными коллайдерами. Следует еще раз отметить, что основной недостаток линейных коллайдеров состоит в том, что каждый сгусток электронов и позитронов используется только один раз.
Вблизи плотного потока заряженных частиц электромагнитное поле, ими возбуждаемое очень велико. Излучение в этом поле приводит к большим потерям энергии сталкивающихся частиц и увеличивает уровень шума. Для его ослабления пучки растягивают в одном из поперечных направлений .
Благодаря малому эмиттансу пучков и очень сильной их фокусировке, в линейных коллайдерах надеются получить светимость в центре масс, равную ((2-6) ×10 34 см -2 с -1 , не уступающую светимости кольцевых коллайдеров.

Литература к Введению и Главе 1

Properties of an intersecting beam accelerating system”// Kerst D. W./ CERN Symposium, v. I, Gen., 1956, p. 36 http://cdsweb.cern.ch/record/1241555/files/p36.pdf

«Ускорители и встречные пучки» // Г.И. Будкер / В кн.: Труды VII Международной конференции по ускорителям заряженных частиц высоких энергий, т. 1, Ер., 1970, с. 33; Встречные пучки. Шестое Всесоюзное совещание по ускорителям заряженных частиц (Дубна, 1978), Дубна, 1978, с. 13; X Международная конференция по ускорителям заряженных частиц высоких энергий (Протвино, 1977), т. 1, Серпухов, 1977,.

«Ускорители на встречных пучках» // В. П. Дмитриевский./ Большая советская энциклопедия http://slovari.yandex.ru/~книги/БСЭ/Ускорители%20на%20встречных%20пучках .

« Физика хиггсовского бозона на будущих фотонных коллайдерах»// И.П.Иванов/ http://hnature.web.ru/db/msg.html?mid=1181352

« Темная энергия вселенной» // В. Лукин, Е. Михеева /«Вокруг света» № 9 (2816). Сентябрь 2008.

«Поиски частиц темной энергии»// В.А.Рябов и др./»Успехи физических наук» Том 1788,№11 с.1129-1161

“CLIC 2008 PARAMETERS”// H. Braun et all / CLIC-Note-764

“Design Study of the CLIC Injector and Booster Linacs With the 2007 Beam Parameters”// A. Ferrari et al./ CLIC - Note -737

”A Very Large Lepton Collider in the WLHC tunnel”//T.Sen and J.Norem /www.capp. ill.edu/workshops//opem/References/sen.pdf.

“Эксперимент”// Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Э.И. Кэбин / Web-публикация на основе учебного пособия Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Э.И. Кэбин. "Частицы и ядра. Эксперимент", М.: Издательство МГУ, 2005. http://nuclphys.sirp.msu.ru /experiment/

“Коллайдер” // Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Э.И. Кэбин / http://nuclphys.sirp.msu.ru/experiment/accelerators/collider.htm .

“ LHC Machine”//L. Evans and P.Bryant (editirs)/ Published by Institute of Physics Publishing and SISSA, 2008 JINST 3 SO8001

“Физика на Большом адроном коллайдере”/ / ”Успехи Физических Наук”, Том179, №6. Июнь 2009 г., с.571-579 (устный выпуск журнала «Успехи физических наук»)

« Единая физика к 2050» // С. Вайнберг, перевод А. Крашеницы/ http://www.scientifisic.ru/journal/weinberg/weinberg,html .

« Эксперименты на адронных коллайдерах» http://elementy.ru/LHC/experiments

«Физика ядра и элементарных частиц. Элементарные частицы» //В. Каланов/ http://znaniya-sila.narod.ru/phisics/phisics_atom_02.htm

«Четыре основных вида сил в природе»// Ч.Киттель, У.Найт, М. Рудерман/ Берклеевский Курс Физики. Том 1. Механика, стр.456

«Основы физики элементарных частиц. Строение материи»// http://physics03.narod.ru/Interes/Doclad/bak3.htm

«Фундаментальные взаимодействия»// http://ru.wikipedia.org/wiki/Фундаментальные_взаимодействия

«За гранью БАК: будущие коллайдеры» // Д. Борн/ http://www.3dnews.ru/news/za_granu_bak_budushie_kollaideri/

«Грядущие революции в фундаментальной физике» //Дэвид Гросс/ http://elementy.ru/lib/430177

«Петлевая квантовая гравитация» http://ru.wikipedia.org/wiki

“Ученые увеличили число частиц бога до 5» // Lenta.ru. http://lenta.ru/news/2010/06/15/boson/

«Кварк-глюонная плазма» // http://сайт/enc/e036.htm

“ Hunting the Quark Gluon Plasma”// BNL-73847-2005 Final Report / www.bnl.gov/npp/docs/Hunting%20the%20QGP.pdf Физика

«Эксперимент LHCb»//НИЯФ МГУ,2004 / http://physics03.narod.ru/Interes/Doclad/antiv.htm

«Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях»// Л.А. Арцимович и С.Ю. Лукьянов /Книга. Издательство «Наука». Москва 1972, стр.171-177

«Коллайдер нового поколения» //Б. Бэриш, Н. Уоке http:// physics03.narod.ru/Interes/Doclad/bak13.htmр, Х. Ямамото. Перевод: А.А. Сорокин Специальный репортаж в журнале "В мире науки" № 5 за 2008 год Коллайдер нового поколения.

”Accelerator Physics and Technologies for Linear Collider. Lecture I”// S.D..Holmes/ Hep.uchicago.edu/~kwangie/LectureNotes_Holmes.pdf

«Фотонные коллайдеры и исследование фундаментальных взаимодействий»// И. Ф. Гинзбург/ http://www-fima-ru.narod.ru/

“Muon Collider Progress”// R.B. Palmer

/www.cern.ch/accelconf/e98/PAPERS/THZ04A.PDF THZ04A.PDF

“ MULTI-MODE SLED-II PULSE COMPRESSOR”// S.V. Kuzikov et all /Proceedings of LINAC 2004, THP28 pp. 660-662

“ A Multy-Moded RF Delay Linear Distribution System” //S.G. Tantawi et all / SLAC-PUB-9125

“RF Breakdown Studies in Room Temperature Electron Linac Structures / Gregory A. Loew and W. Wang // Slac-PUB-4647, May 1988.

“ Gradient Limitation For High-frequency Accelerators”/ Döbert // Proceedings of Linac 2004, Lübeck, Germany, WE 101

“ The Physics & Technology of a 0,5 to 1,0 TeV Linear colliders”.// Stuart Tovey - Wollongang - 2004./ Интернет, SNT- Wollongang, ppt.

“4 XFEL accelerator” //

“The European X-Ray Free-Electron Laser. Technical design report” // http://xfel.desy.de/localfs.Explorer_read?Current.Path =afs/desy.de/group/xfel/wof/EPT/TRD/XFEL-TRD-final.pdf.

ВВЕДЕНИЕ

Ускорители на встречных пучках, получили название коллайдеров (от английского слова to collide - сталкиваться). Они являются основными инструментами экспериментального изучения процессов физики элементарных частиц в области сверхвысоких энергий Величина энергии получаемая при столкновениях пучков не может быть достигнута в обычных ускорителях с неподвижной мишенью.
Разработка и сооружение установок со встречными пучками была начата в 1956 г. в лабораториях России (СССР) и за рубежом после опубликования предложения об использовании коллайдеров американского физика У. Керста .
В работе Г.И. Будкера содержится замечание, что впервые идею о применении встречных пучков высказал Я.Б. Зельдович (СССР), правда в пессимистическом тоне из-за малой плотности частиц в сталкивающихся пучках.
Первоначально создавались электрон-электронные и электрон-позитронные коллайдеры (1956-1966 гг.) Предложение об их разработке принадлежит Г.И. Будкеру (СССР) . Первые коллайдеры были созданы в Институте ядерной физики (СССР Россия), в Стэнфордском центре линейных ускорителей (США), в лаборатории линейных ускорителей во Фраскати (Италия), в лаборатории Орсэ (Франция). Несколько позже были запущены адронные коллайдеры (адрон - от греческого слова «adros», означающее «крупный, массивный»), в том числе коллайдеры с ионами. Коллайдеры с протон-протонными и протон-электронными пучками были созданы в ЦЕРН (Швейцария), Германии и Великобритании (смотри Табл.1а-В и Табл. 1b-В).
Проблема увеличения светимости сталкивающихся пучков в кольцевых коллайдерах была решена, благодаря аккумуляции ускоряемых частиц в накопительных кольцах. В линейных коллайдерах большая плотность взаимодействующих пучков обеспечивается ускорителями с сильноточными пучками, которые обладают малым эмиттансом и малым энергетическим разбросом, а также при использовании синхротронного излучения в демпфирующих кольцах и ионизационного охлаждения.
Первый электрон-позитронный коллайдер ВЭПП-2, изготовленный в ИЯФ им. Г.И. Будкера (Россия), был кольцевым. В качестве ускорителя использовался безжелезный синхротрон, пучок которого инжектировался в накопительное кольцо. Пока единственный линейный электрон-позитронный коллайдер создан на основе ускорителя SLAC. Повышение светимости в нем достигается благодаря использованию демпфирующих колец.
Появление ускорителей заряженных частиц и коллайдеров с высокой энергией позволило развивать новые теоретические модели физики элементарных частиц, осуществлять экспериментальную проверку «Стандартной модели».
Физические исследования в области элементарных частиц потребовали существенного увеличения энергии сталкивающихся лептонов и адронов в центре масс (до 1 ТеВ и более). На сооружении коллайдеров в ТэВ-ом диапазоне энергией с конца 80-х годов прошлого столетия сконцентрировано внимание мирового содружества ученых. В настоящее время эти работы стали интернациональными.
Физики надеются, что экстремально высокие энергии позволят ответить на ряд фундаментальных вопросов науки: как частицы приобретают массу? Что представляет собой структура пространство - время? Что создает темную энергию и темную материю космоса? . Предполагается в частности , что на коллайдерах станет возможным проведение точных измерений характеристик Хиггс бозона, ответственного за возникновения массы элементарных частиц и установление его поля. На них также окажется возможным исследование вопросов суперсимметрии.

Таблица № 1а-В. Перечень основных построенных коллайдеров

Наименование коллайдера	ХАРАКТЕРИСТИКИ УСКОРИТЕЛЕЙ
	Центр, город, страна	Годы работы	Тип частиц	Максим. энергия пучка, ГэВ	Светимость 10 30 см -2 с -1	Периметр (длина), км
ВЭПП-2000	ИЯФ, Россия	2006	е + е −	1	100	0,024
ВЭПП-4М	ИЯФ, Россия	1994	е + е −	6	20	0,366
ВЕРС	Китай	1989-2005	е + е −	2,2	5 на 1,55 ГэВ 12,6 на 1,843 ГэВ	0,2404
ВЕРС-II	Китай	c 2007	е + е −	1,89	1000	0,23753
DAFNE	Frascati, Италия	1999-2008	е + е −	0,7	150	0,098
CESR	Cornell	1979- 2002	е + е −	6	1280 на 5,3 ГэВ	0,768
CESR-C	Cornell	с 2002	е + е −	6	60 на 1,9 ГэВ	0,768
	KEK, Япония		е + е −	е − : 8 е + :3,5
	SLAC,		е + е −	е − : 7-12 е + : 2,5- 4
СЛК	SLAC,		е + е −		6	Линейный 3
HERA	DESY, Германия	c 1992		e 30 p 920	75	6,336
Tevatron	Fermilab, США	c 1987	p + p −	980	171	6,28
RHIC	Brookhaven, США		pp, Au-Au, Cu-Cu, d-Au		10; 0,0015; 0,02; 0,07	3,834
Большой э/п коллайдер БЭПК (LEP)	CERN		е + е −		24 на Z o 100 при > 90 ГэВ
Большой адронный коллайдер БАК (LHC)	CERN		pp,	3500 (план 7000)	10000 (В 2011 году достигнуто 0,001)	26,659
			Pb-Pb	1380/n (план 2760)

Физики почти уверены, что революционные открытия с использованием коллайдеров будут сделаны в пределах следующие десять - пятнадцать лет.
Продолжение разработки новых электрон-позитронных линейных коллайдеров, в том числе фотонных и мюонных, происходит во время, когда начал работать Большой кольцевой адронный коллайдер (БАК, LHC). На этом коллайдере в первую очередь будут решаться упомянутые выше задачи физике элементарных частиц и вопросы мироздания.

Таблица № 1b -В. Перечень некоторых разрабатываемых линейных коллайдеров

В коллайдерах в качестве ускорителей нашли применение синхротроны и линейные резонансные ускорители (ЛРУ). Даже в кольцевых колайдерах, основанных на синхротронах, в качестве инжекторов синхротронов обязательно используются ЛРУ. Ускорение частиц в синхротронах происходит в резонаторных системах, являющихся фрагментами ВЧ систем линейных ускорителей. ЛРУ являются основой линейных лептонных коллайдеров. Новые перспективные методы ускорения частиц в коллайдерах, такие как кильватерное ускорение в плазме, также требуют использования ЛРУ, как возбудителей плазмы.
Разработка новых линейных высокоэнергетичных электрон-позитронных коллайдеров заставила провести широкие теоретические и экспериментальные исследования в части выбора диапазона рабочих частот, используемых в линейных резонансных ускорителях. электронов (ЛУЭ) и протонов (ЛУП). Стремление сократить длину ускорителей потребовало разработки новых ускоряющих структур, работающих в С -,Х -, K u - и К диапазонах длин волн.
При создании новых коллайдеров.ТеВ - диапазона энергий были решены многие вопросы технологии линейных резонансных ускорителей. Созданы ВЧ ускоряющие структуры, перечисленных выше диапазонов, работающие при существенно более высоких частотах, чем использовавшиеся ранее. Обеспечивается надежная работа «теплых» структур с ускоряющим градиентом в 100 МВ/м на частотах до 12 ГГц.(K u - диапазон).
Разработаны высокомощные ВЧ источники - однолучевые клистроны Х диапазона.
Усовершенствованы также другие элементы трактов ВЧ питания, например, устройства компрессии ВЧ импульса или задержанного распределения . Эта техника позволяет использовать один клистрон для питания нескольких ускоряющих секций.
Разработаны многолучевые клистроны L диапазона на импульсную мощность 10 МВт и длительность ВЧ импульса 1,6 мс.
В тоже время необходимо отметить, что первоначально намеченные цели создания коллайдеров Т - диапазона энергий, используя линейные ускорители K диапазона (частота 30 ГГц), реализовать не удалось. Идея использования сверхвысоких частот основывалась на том, что электрическая прочность структуры почти линейно повышается с увеличением частоты . Широкие теоретические и экспериментальные исследования Нового Линейного Коллайдера (NLC) в США, Глобального линейного коллайдера (GLC) в Японии, Японского линейного коллайдера (JLC) и компактного линейного коллайдера (КЛК, CLIC) в Швейцарии показали однако, что, по крайней мере при существующей технологии, отсутствует заметное увеличение предельного градиента электрического поля на частотах колебаний свыше 12 ГГц. С этим и был связан переход от частоты 30 ГГц на частоту 12 ГГц в коллайдере CLIC.
Желание увеличить надежность работы и некоторые другие причины привели к тому, что разработка Международного (глобального) линейного электрон-позитронного коллайдера (Internation Linear Collider, ILC) стала основываться на использовании в нем L- диапазона частот и сверхпроводящих ускоряющих структур.
Другой проблемой, которую пришлось решать, была связана с поперечными диодными модами высокого порядка, наводимыми электронными или позитронными сгустками частиц в ускоряющих структурах и электронопроводах. Появление этих полей особенно нежелательно при больших длинах электронных трактов. Высшие моды поперечных дипольных полей приводят к увеличению поперечных размеров пучка (вплоть до его развала), увеличению эмиттанса и энергетического разброса. Моды, вызывающие нестабильность пучков, особенно неприятны при высоких частотах, но должны обязательно подавляться также и в L - диапазоне.
Особое место занимают вопросы, связанные с проектом Компактного Линейного Коллайдера, КЛК (Compact Linear Collider, CLIC). В отличие от обычных схем в CLIC используется принцип двух-лучевого ускорения . Питание основных многосекционных ускоряющих структур ЛУ электронов и позитронов осуществляется не клистронами, а ВЧ энергией, которая генерируется в де-ускорителях при торможении релятивистского пучка ускорителей-возбудителей.
Как указывалось выше, создание ЛУЭ для коллайдеров стимулировало разработку новых клистронов большой мощности, в том числе, многолучевых в разных частотных диапазонах..
Следует отметить, что разработки ЛУЭ для коллайдеров нашли применение в лазерах на свободных электронах, при создания установок неразрушающего контроля, для терапии и диагностики злокачественных образований. ВЧ техника, разработанная для Международного линейного коллайдера, и связанная с ЛУЭ, используется при проектировании Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах, сооружаемого в ДЭЗИ .
Основные вопросы, относящиеся к ЛРУ, решались при сооружении и разработке линейных коллайдеров электронов и позитронов. В основном они освещены в Главе 3 «Линейные электрон-позитронные и фотонные коллайдеры высокой энергии». Более кратко, вопросы, относящиеся к ЛРУ - инжекторам и системам ускорения частиц в синхротронах изложены в Главе 2 «КОЛЬЦЕВЫЕ КОЛЛАЙДЕРЫ ВЫСОКОЙ ЭНЕРГИИ», где описываются Большой электрон-позитронный коллайдер (БЭПК) и большой адронноый коллайдер (БАК).
Материал, связанный с кильватерным методом ускорения, приведен в Главе 4 «КИЛЬВАТЕРНЫЙ МЕТОД УСКОРЕНИЯ».
Некоторые сведения о ЛРУ и фрагментах ВЧ систем ЛРУ, которые используются в фотонных и мюонных ускорителях даны в разделе 2.3 «МЮОННЫЕ КОЛЛАЙДЕРЫ». и в разделе 3.4 «ФОТОННЫЕ КОЛЛАЙДЕРЫ». Следует отметить, однако, что в опубликованной литературе пока отсутствуют детали ЛРУ, проектируемые для мюонных коллайдеров.
Предполагается, что читатель знаком с теорией и техникой резонансных линейных ускорителей.
Для удобства пользования книгой в Главе 1 кратко рассматриваются некоторые вопросы теории коллайдеров, что даст возможность работать с книгой, меньше прибегая к другим источникам информации, содержащейся в многочисленных монографиях, статьях и докладах, ссылки на которые приведены в конце этой Главы.

Большой адронный коллайдер самый мощный в мире ускоритель элементарных частиц – , испытания которого идут в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН), еще до своего пуска стал предметом судебного иска. Кто и почему судился с учеными?

Не судите большой адронный коллайдер… Жители штата Гавайи Уолтер Вагнер и Луис Санчо обратились в федеральный окружной суд Гонолулу с иском против ЦЕРНа, а также американских участников проекта – Министерства энергетики, Национального научного фонда и Национальной лаборатории ускорителей имени Э. Ферми вот по какой причине.

⦳⦳⦳⦳⦳

Американские обыватели опасались, что столкновения имеющих огромную энергию субатомных частиц, которые будут проводиться в ускорителе, чтобы имитировать события, происходившие во Вселенной в первые мгновения после Большого Взрыва, могут создать объекты, угрожающие существованию Земли .

Большой адронный коллайдер в Церне. В рамке – моделирование процесса рождения бозона Хиггса в детекторе CMS

Опасность, по мнению истцов, представляют в первую очередь так называемые черные дыры – физические объекты, которые могут поглотить часть объектов на нашей планете – например, какой-нибудь крупный город.

Несмотря на то что иск поступил в суд в начале апреля 2008 года, специалисты вовсе не отнеслись к нему как к первоапрельской шутке.

А устроили 6 апреля в Центре ядерных исследований день открытых дверей, пригласив на экскурсию по ускорителю представителей общественности, журналистов, студентов и школьников, чтобы те не только смогли своими глазами увидеть уникальный научный инструмент, но и получить исчерпывающие ответы на все интересующие их вопросы.

Прежде всего, конечно, организаторы проекта постарались убедить посетителей в том, что БАК никак не может стать виновником «конца света».

Да, находящийся в кольцевом туннеле с длиной окружности в 27 км коллайдер (от англ. collide – «сталкиваться») способен разгонять протонные пучки и сталкивать их с энергией до 14 тераэлектронвольт 40 млн раз в секунду.

Физики полагают, что при этом можно будет воссоздать условия, которые возникли спустя одну триллионную долю секунды после Большого Взрыва, и таким образом получить ценную информацию о самом начале существования Вселенной.

Большой адронный коллайдер и черная дыра

Но вот относительно того, что при этом возникнет черная дыра или вообще неизвестно что, представитель ЦЕРНа Джеймс Джилльс высказал большие сомнения. И не только потому, что оценка безопасности коллайдера постоянно проводится теоретиками, но и исходя просто из практики.

«Важным аргументом в пользу того, что эксперименты ЦЕРНа безопасны, является уже само существование Земли, – сказал он.

– Наша планета постоянно подвергается воздействию потоков космического излучения, энергия которых не уступает, а зачастую и превосходит церновские, – и до сих пор не уничтожена ни черной дырой, ни иными причинами.

Между тем, как мы подсчитали, за время существования Вселенной природой выполнено по меньшей мере 1031 программ, подобных той, что мы только собираемся осуществить»…

Не видит он особой опасности и в возможности возникновения неконтролируемой реакции аннигиляции с участием античастиц, которые возникнут в результате экспериментов.

«Антивещество в ЦЕРНе действительно производят, – подтвердил ученый в интервью журналу New Scientist.

– Однако тех его крох, что можно искусственно создать на Земле, не хватило бы даже на самую маленькую бомбу.

Хранить же и накапливать антивещество исключительно трудно (а некоторые его виды – вообще невозможно)»…

Большой адронный коллайдер и бозон

Поиски бозона. Кстати, тот же журнал писал, что российские специалисты – профессор Ирина Арефьева и доктор физико-математических наук Игорь Волович из Математического института имени Стеклова в Москве – полагают, что масштабный эксперимент в ЦЕРНе может привести и к появлению первой… машины времени в мире.

Я попросил прокомментировать это сообщение профессора Ирину Ярославовну Арефьеву. И вот что она рассказала:

«Мы все еще довольно мало знаем об устройстве окружающего нас мира. Помните, древние греки полагали, что все объекты состоят из атомов, что в переводе с греческого означает “неделимый”.

Однако со временем выяснилось, что и сами атомы имеют довольно сложное устройство, состоят из электронов, протонов и нейтронов. В первой половине XX века вдруг оказалось, что те же электроны с протонами и нейтронами в свою очередь могут делиться на ряд частиц.

Поначалу их опрометчиво назвали элементарными. Однако к настоящему времени выясняется, что и многие из этих так называемых элементарных частиц могут в свою очередь делиться…

В общем, когда теоретики попытались свести все полученные знания в рамках так называемой Стандартной модели, то оказалось, что центральным ее звеном, по некоторым данным, являются хиггс-бозоны».

Загадочная частица получила свое название по имени профессора Питера Хиггса из Эдинбургского университета. В отличие от профессора Хиггинса из известного мьюзикла, он занимался не обучением правильному произношению симпатичных девушек, а познанием законов микромира.

И еще в 60-х годах прошлого столетия сделал такое предположение: «Вселенная вовсе не пуста, как нам кажется.

Все ее пространство заполнено некоей тягучей субстанцией, через которую осуществляется, например, гравитационное взаимодействие между небесными телами, начиная от частиц, атомов и молекул и кончая планетами, звездами и галактиками».

Говоря совсем уж попросту, П. Хиггс предложил вернуться к идее «всемирного эфира», которая однажды была уж отвергнута. Но поскольку физики, как и прочие люди, не любят сознаваться в своих ошибках, то новую-старую субстанцию теперь называют «полем Хиггса».

И ныне считается, что именно оно, это силовое поле, придает ядерным частицам массу. А их взаимное притяжение обеспечивается носителем гравитации, который вначале было назвали гравитоном, а теперь – хиггс-бозоном.

В 2000 году физикам показалось, что они, наконец, «поймали» бозон Хиггса. Однако серия экспериментов, предпринятых для проверки первого эксперимента, показала, что бозон снова ускользнул. Тем не менее многие ученые уверены, что частица все-таки существует.

И чтобы поймать ее, надо просто построить более надежные ловушки, создать еще более мощные ускорители. Один из самых грандиозных приборов человечества всеобщими усилиями был построен в ЦЕРНе близ Женевы.

Впрочем, ловят бозон Хиггса не только для того, чтобы убедиться в справедливости предвидения ученых, найти еще одного кандидата на роль «первокирпичика Вселенной».

«Есть, в частности, и экзотические предположения по поводу устройства Вселенной,

– продолжала свой рассказ профессор И.Я. Арефьева.

– Традиционная теория говорит о том, что мы живем в четырехмерном мире

– три пространственные координаты плюс время.

Большой адронный коллайдер теория измерений

Но есть гипотезы предполагающие, что на самом деле измерений больше – шесть или десять, а то и больше. В этих измерениях сила гравитации может быть существенно выше, чем привычное нам g.

А гравитация, согласно уравнениям Эйнштейна, может влиять на течение времени. Отсюда и возникла гипотеза о “машине времени”. Но она даже если и существует, то в течение очень короткого времени и в очень малом объеме»…

Столь же экзотична, по мнению Ирины Ярославовны, и гипотеза об образовании при столкновении встречных пучков миниатюрных черных дыр. Даже если они и образуются, то время жизни их будет столь ничтожно, что их будет чрезвычайно трудно просто обнаружить.

Разве что по косвенным признакам, например рентгеновскому излучению Хокинга, да и то уже после того, как сама дыра исчезнет.

Словом, реакции, по некоторым расчетам, будут происходить в объеме всего лишь 10–20 куб. см и настолько быстро, что экспериментаторам придется немало поломать голову, чтобы поставить нужные датчики в соответствующих местах, получить данные и затем соответствующим образом их интерпретировать.

Продолжение следует… С той поры, когда профессором Арефьевой были сказаны вышеприведенные слова, до момента написания данных строк прошло почти пять лет.

За это время состоялся не только первый пробный пуск БАКа и еще несколько последующих. Как вы теперь сами знаете, все остались живы, и ничего страшного не произошло. Работы продолжаются…

Ученые только жалуются, что им очень трудно следить за исправностью всего оборудования этой уникальной научной установки. Тем не менее они уже мечтают о строительстве гигантского ускорителя частиц следующего поколения – Международного линейного коллайдера (International Linear Collider, ILC).

ЦЕРН, Швейцария. Июнь 2013.

Во всяком случае, вот что пишут по этому поводу Барри Бэриш, заслуженный профессор Калифорнийского технологического института, который руководит работами по проектированию Международного линейного коллайдера, его коллеги

– Николас Уокер Уокер, специалист в области физики ускорителей из Гамбурга, и Хитоши Ямамото, профессор физики в университете Тохоку в Японии.

Большой адронный коллайдер будущего

«Конструкторы ILC уже определили основные параметры будущего коллайдера, – сообщают ученые.

– Его длина – около 31 км; основную часть займут два сверхпроводящих линейных ускорителя, которые обеспечат электрон-позитронные столкновения с энергией 500 ГэВ.

Пять раз в секунду ILC будет генерировать, ускорять и сталкивать почти 3000 электронных и позитронных сгустков в импульсе длительностью 1 мс, что соответствует мощности 10 МВт для каждого пучка.

КПД установки составит около 20 %, следовательно, полная мощность, которая понадобится ILC для ускорения частиц, составит почти 100 МВт».

Для создания пучка электронов мишень из арсенида галлия будет облучаться лазером; при этом в каждом импульсе из нее будут выбиваться миллиарды электронов.

Эти электроны сразу будут ускорены до 5 ГэВ в коротком линейном сверхпроводящем ускорителе, а затем инжектированы в 6,7-километровое накопительное кольцо, расположенное в центре комплекса.

Двигаясь в кольце, электроны будут генерировать синхротронное излучение, и сгустки сожмутся, что увеличит плотность заряда и интенсивность пучка.

На середине пути при энергии 150 Мэв электронные сгустки будут слегка отклонены и направлены в специальный магнит, так называемый ондулятор, где некоторая часть их энергии преобразуется в гамма-излучение.

Гамма-фотоны попадут на мишень из титанового сплава, вращающуюся со скоростью около 1000 оборотов в минуту.

При этом образуется множество электрон-позитронных пар. Позитроны будут захвачены, ускорены до 5 ГэВ, после чего попадут в другое сжимающее кольцо и, наконец, во второй главный линейный сверхпроводящий ускоритель на противоположном конце ЛС.

Когда энергия электронов и позитронов достигнет конечной величины в 250 ГэВ, они устремятся к точке столкновения. После столкновения продукты реакции будут направляться в ловушки, где и зафиксируются.

Большой адронный коллайдер видео