Столкновители частиц: принципы работы и история развития

Введение

Тип ускорителя частиц, который осуществляет столкновения частиц – ускоритель частиц.

Коллайдер – это тип ускорителя частиц, который сводит вместе два встречных пучка частиц, чтобы они столкнулись. Коллайдеры могут быть кольцевыми или линейными ускорителями. Коллайдеры используются как исследовательский инструмент в физике частиц, разгоняя частицы до очень высокой кинетической энергии и позволяя им взаимодействовать с другими частицами. Анализ продуктов этих столкновений предоставляет ученым важные данные о структуре субатомного мира и законах природы, им управляющих. Эти явления могут проявляться только при высоких энергиях и в течение чрезвычайно коротких промежутков времени, поэтому их сложно или невозможно изучить иным способом.

История

Первое серьезное предложение о создании коллайдера поступило от группы исследователей из Ассоциации исследований университетов Среднего Запада (MURA). Эта группа предложила построить два кольца FFAG-ускорителя радиального сектора, расположенных тангенциально друг к другу. Тихиро Окава, один из авторов первой публикации, разработал конструкцию FFAG-ускорителя радиального сектора, способную ускорять два встречных пучка частиц в одном кольце магнитов. Третий прототип FFAG, созданный группой MURA, представлял собой 50-мегаэлектронвольтную электронную машину, построенную в 1961 году для демонстрации реализуемости этой концепции. Джерард К. О'Нилл предложил использовать один ускоритель для инжекции частиц в пару тангенциальных колец хранения. Как и в первоначальном предложении MURA, столкновения должны были происходить в тангенциальном участке. Преимущество колец хранения заключается в том, что они могут накапливать высокий поток частиц от инжекционного ускорителя, который сам по себе обеспечивает значительно меньший поток. Первые электрон-позитронные коллайдеры были построены в конце 1950-х – начале 1960-х годов в Италии, в Istituto Nazionale di Fisica Nucleare во Фраскати близ Рима, австрийским и итальянским физиком Бруно Тушеком, а также в США командой Стэнфордского-Принстонского университета, в которую входили Уильям С. Барбер, Бернард Гиттелман, Джерри О'Нилл и Бертон Рихтер. Примерно в то же время электро-электронный коллайдер ВЭП-1 был независимо разработан и построен под руководством Герша Будкера в Институте ядерной физики в Новосибирске, СССР. Первые наблюдения за реакциями частиц во встречных пучках были почти одновременно сообщены тремя группами в середине 1964 – начале 1965 года. В 1966 году в ЦЕРН началась работа над Пересекающимися кольцами хранения (ISR), а в 1971 году этот коллайдер был введен в эксплуатацию. ISR состояла из пары колец хранения, которые накапливали и сталкивали протоны, инжектируемые из Протонного синхротрона ЦЕРН. Это был первый адронный коллайдер, поскольку все предыдущие работы проводились с электронами или с электронами и позитронами. В 1968 году началось строительство комплекса протонов-ускорителей с самой высокой энергией в Фермилабе. Впоследствии он был модернизирован и превратился в коллайдер Теватрон, и в октябре 1985 года были зарегистрированы первые столкновения протонов и антипротонов с энергией в центре масс 1,6 ТэВ, что на тот момент сделало его самым высокоэнергетическим коллайдером в мире. Энергия впоследствии достигла 1,96 ТэВ, и к концу эксплуатации в 2011 году светимость коллайдера превысила первоначальную проектную цель в 430 раз. С 2009 года самым высокоэнергетическим коллайдером в мире является Большой адронный коллайдер (LHC) в ЦЕРНе. В настоящее время он работает при энергии в центре масс 13 ТэВ в столкновениях протонов-протонов. В настоящее время рассматривается более десятка проектов будущих коллайдеров частиц различных типов – круговых и линейных, сталкивающих адроны (протон-протон или ион-ион), лептоны (электрон-позитрон или мюон-мюон) или электроны и ионы/протоны – для детального изучения физики Хиггса/электрослабого взаимодействия и новых открытий на пост-LHC энергетическом фронтире.

The first serious proposal for a collider originated with a group at the Midwestern Universities Research Association (MURA). This group proposed building two tangent radial sector FFAG accelerator rings. Tihiro Ohkawa, one of the authors of the first paper, went on to develop a radial sector FFAG accelerator design that could accelerate two counterrotating particle beams within a single ring of magnets. The third FFAG prototype built by the MURA group was a 50 MeV electron machine built in 1961 to demonstrate the feasibility of this concept. Gerard K. O'Neill proposed using a single accelerator to inject particles into a pair of tangent storage rings. As in the original MURA proposal, collisions would occur in the tangent section. The benefit of storage rings is that the storage ring can accumulate a high beam flux from an injection accelerator that achieves a much lower flux. The first electron positron colliders were built in late 1950s early 1960s in Italy, at the Istituto Nazionale di Fisica Nucleare in Frascati near Rome, by the Austrian Italian physicist Bruno Touschek and in the US, by the Stanford Princeton team that included William C. Barber, Bernard Gittelman, Gerry O’Neill, and Burton Richter. Around the same time, the VEP 1 electron electron collider was independently developed and built under supervision of Gersh Budker in the Institute of Nuclear Physics in Novosibirsk, USSR. The first observations of particle reactions in the colliding beams were reported almost simultaneously by the three teams in mid 1964 early 1965. In 1966, work began on the Intersecting Storage Rings at CERN, and in 1971, this collider was operational. The ISR was a pair of storage rings that accumulated and collided protons injected by the CERN Proton Synchrotron. This was the first hadron collider, as all of the earlier efforts had worked with electrons or with electrons and positrons. In 1968 construction began on the highest energy proton accelerator complex at Fermilab. It was eventually upgraded to become the Tevatron collider and in October 1985 the first proton antiproton collisions were recorded at a center of mass energy of 1.6 TeV, making it the highest energy collider in the world, at the time. The energy had later reached 1.96 TeV and at the end of the operation in 2011 the collider luminosity exceeded 430 times its original design goal. Since 2009, the most high energetic collider in the world is the Large Hadron Collider (LHC) at CERN. It currently operates at 13 TeV center of mass energy in proton proton collisions. More than a dozen future particle collider projects of various types circular and linear, colliding hadrons (proton proton or ion ion), leptons (electron positron or muon muon), or electrons and ions/protons are currently under consideration for detail exploration of the Higgs/electroweak physics and discoveries at the post LHC energy frontier.