Ускорители со встречными пучками

Существует два типа ускорительных установок: ускорители с неподвижной мишенью и ускорители со встречными пучками (или коллайдеры). В ускорителях первого типа частицы после ускорения выводят из ускорительной камеры и направляют на неподвижную мишень, например, металлическую пластину. Есть две основные схемы реализации коллайдеров (рис. 12.1). Если встречные пучки состоят из частиц, имеющих равные массы и противоположные по знаку заряды (т.е. античастицы, например, электрон-позитрон или протон-антипротон), то для обоих пучков используется одно кольцо магнитов (рис. 1 б). В некоторых точках этого кольца имеются участки взаимодействия ускоренных встречных пучков. Если же встречные частицы имеют одинаковые заряды или разные массы (например, протон-протон или электрон-антипротон), то необходимы два кольца магнитов и в некоторых местах создаются области столкновения (пересечения) пучков (рис. 12.1).

а -для частиц, имеющих одинаковые заряды или разные массы (например, протон-протон или электрон-протон;

б -  для частиц с противоположными по знаку зарядами и равными массами, т. е. частиц и античастиц (электрон-позитрон, протон-антипротон).

Рисунок 12.1 - Ускорители на встречных пучках

Во встречных пучках, двигающихся навстречу друг другу, накапливается максимально возможное число частиц (до 10¹⁵ в пучке). Однако накапливаемые плотности частиц малы и при каждом обороте реальные столкновения испытывают немногие частицы. Взаимодействие пучков почти не нарушает динамику их движения в ускорительном кольце и пучки многие часы и даже сутки могут циркулировать в ускорителе без пополнения.

Важной характеристикой коллайдеров является светимость, обозначаемая буквой L (от англ. Luminosity).

Рисунок 12.2 – Светимость ускорителя

Встречные пучки состоят из отдельных сгустков частиц, называемых банчами (от англ. bunch), двигающихся с определенным интервалом (частотой) друг за другом. Для двух цилиндрических банчей одинакового сечения, летящих навстречу друг другу и затем сталкивающихся светимость L

Большой адронный коллайдер, БАК, - ускоритель частиц, позволит исследовать взаимодействие двух пучков протонов с суммарной энергией 14 ТэВ на один протон. Эта энергия в миллионы раз больше, чем энергия выделяемая в единичном акте термоядерного синтеза. Ускоритель БАК окружностью 27 км будет работать при температуре на 300° ниже комнатной.

Схема ускорительного комплекса ЦЕРН (Женева) приведена на рис11.3.

Рисунок 12.3 – Ускорительный комплекс ЦЕРН

Самым крупным ускорителем этого комплекса является Большой Адронный Коллайдер LHC (L arge H adron C ollider), на котором будут сталкиваться пучки ускоренных до энергии 7 ТэВ протонов, а также ядра свинца. Этот ускоритель сооружен в подземном кольцевом туннеле (его периметр 26.7 км) на месте другого недавно действовавшего крупнейшего е⁺е^- - коллайдера. LEP - L arge E lectron P ositron (Collider), ускорявшего электроны и позитроны до энергии 101 ГэВ.
Для инжекции протонов и ионов в LHC используется ускоритель SPS (S uper P roton S ynchrotron), на выходе которого протоны имеют энергию около 450 ГэВ. Его периметр 6.9 км и он расположен под землей на глубине 50 м. В SPS тяжелые частицы поступают от протонного синхротрона PS (он также упомянут в таблице), в который в свою очередь протоны и ионы попадают из бустера (ускорителя-инжектора) “Изольда”.