Суперпротон-антипротонный синхротрон

Схема комплекса Sp p S

Суперпротон -антипротонный синхротрон (или Sp p S , также известный как протон-антипротонный коллайдер ) — ускоритель частиц , который работал в ЦЕРН с 1981 по 1991 год. Чтобы работать в качестве протон - антипротонного коллайдера , суперпротонный синхротрон (SPS) подвергся существенные модификации, превратившие его из однолучевого синхротрона в двухлучевой коллайдер. Основными экспериментами на ускорителе были UA1 и UA2 , где W- и Z-бозоны. в 1983 году были открыты Карло Руббиа и Симон ван дер Меер получили Нобелевскую премию по физике 1984 года за вклад в Sp p S-проект, который привел к открытие W- и Z-бозонов . Другими экспериментами, проведенными на Sp p S, были UA4 , UA5 и UA8 .

Фон

Примерно в 1968 году Шелдон Глэшоу , Стивен Вайнберг и Абдус Салам разработали электрослабую теорию , которая объединила электромагнетизм и слабые взаимодействия , и за которую они разделили Нобелевскую премию по физике 1979 года . Теория постулировала существование W- и Z-бозонов . Экспериментально это было установлено в два этапа: первым было открытие нейтральных токов при нейтрино рассеянии коллаборацией Гаргамель в ЦЕРН , процесс, который требовал существования нейтральной частицы, переносящей слабое взаимодействие — Z-бозона. Результаты коллаборации Гаргамель сделали возможным расчет массы W- и Z-бозонов. Было предсказано, что W-бозон имеет значение массы в диапазоне от 60 до 80 ГэВ/с. ² , а Z-бозон в диапазоне от 75 до 92 ГэВ/c ² – энергии слишком велики, чтобы их мог использовать любой ускоритель . работающий в это время Вторым этапом создания электрослабой теории станет открытие W- и Z-бозонов, что потребует разработки и строительства более мощного ускорителя.

В конце 70-х годов главным проектом ЦЕРН было строительство Большого электрон-позитронного коллайдера (LEP). Такая машина была идеальной для производства и измерения свойств W- и Z-бозонов. Однако из-за необходимости найти W- и Z-бозоны сообщество ЦЕРН почувствовало, что не может дождаться строительства LEP — нужен был новый ускоритель, строительство которого не могло осуществляться за счет LEP. В 1976 году Карло Руббиа , Питер Макинтайр и Дэвид Клайн предложили модифицировать ускоритель протонов — в то время ускоритель протонов уже работал в Фермилабе и строился в ЦЕРН (SPS) — в протон - антипротонный коллайдер. Для такой машины требовалась только одна вакуумная камера, в отличие от протон-протонного коллайдера, который требует отдельных камер из-за противоположно направленных магнитных полей. Поскольку протоны и антипротоны имеют противоположный заряд, но имеют одинаковую энергию E , они могут циркулировать в одном и том же магнитном поле в противоположных направлениях, обеспечивая лобовые столкновения между протонами и антипротонами при полной энергии центра масс. ${\sqrt {s}}=2E$. Схема была предложена как в Фермилабе в США, так и в ЦЕРН и в конечном итоге была принята в ЦЕРН для суперпротонного синхротрона (SPS).

W- и Z-бозоны рождаются в основном в результате кварк-антикварковой аннигиляции. В партонной модели импульс протона распределяется между составными частями протона: часть импульса протона переносится кварками , а остальная часть — глюонами . Недостаточно ускорить протоны до импульса, равного массе бозона, поскольку каждый кварк будет нести только часть импульса. Поэтому для образования бозонов в предполагаемых интервалах от 60 до 80 ГэВ (W-бозон) и от 75 до 92 ГэВ (Z-бозон) потребуется протон-антипротонный коллайдер с энергией центра масс, примерно в шесть раз превышающей массу бозона. , около 500-600 ГэВ. Конструкция Sp p S была обусловлена ​​необходимостью обнаружения $Z\rightarrow e^{+}e^{-}$. Поскольку сечение рождения Z при ~600 ГэВ составляет ~1,6 нб, то доля $Z\rightarrow e^{+}e^{-}$ затухание ~3%, светимость L=2,5 · 10 ²⁹ см ⁻² с ⁻¹ даст частоту событий ~ 1 в день. Для достижения такой светимости потребуется источник антипротонов, способный производить ~3·10 ¹⁰ антипротоны каждый день, распределенные в несколько сгустков с угловым и импульсным принятием СПС.

История

Первоначально SPS был спроектирован как синхротрон для протонов, предназначенный для ускорения одного пучка протонов до 450 ГэВ и вывода его из ускорителя для экспериментов с фиксированной мишенью . Однако еще до начала строительства СЭС возникла идея использовать ее в качестве ускорителя протон-антипротонов.

Первое предложение о протон-антипротонном коллайдере, по-видимому, было сделано Гершем Будкером и Александром Скринским в Орсе в 1966 году на основе новой идеи Будкера об электронном охлаждении . В 1972 году Саймон ван дер Меер опубликовал теорию стохастического охлаждения . за что позже получил Нобелевскую премию по физике 1984 года . Теория была подтверждена на проекте « Пересекающиеся накопительные кольца» в ЦЕРН в 1974 году. Хотя электронное охлаждение могло привести к идее протон-антипротонного коллайдера, в конечном итоге именно стохастическое охлаждение использовалось в предускорителях для подготовки антипротонов для Sp p S.

Между тем, открытие нейтральных токов в эксперименте Гаргамеля в ЦЕРН побудило Карло Руббиа и его коллег выдвинуть предложение о создании протон-антипротонного коллайдера. В 1978 году проект был одобрен Советом ЦЕРН, а первые столкновения произошли в июле 1981 года. Первый запуск продлился до 1986 года, а после существенной модернизации продолжил эксплуатацию с 1987 по 1991 год. Коллайдер был остановлен в конце 1991 года, так как он уже не мог конкурировать с протон-антипротонным коллайдером на энергию 1,5 ТэВ в Фермилабе, работавшим с 1987 года.

Операция

В период с 1981 по 1991 год SPS часть года работал в качестве синхротрона, ускоряя одиночный луч для экспериментов с фиксированной мишенью, а часть года — в качестве коллайдера — Sp p S.

Типичные параметры	Сп . ​
Импульс инъекции [ГэВ/c]	26
Максимальный импульс [ГэВ/c]	315
Интегральная светимость в 1990 г. [nb] −1 ]	6790
Интенсивность сгустка протонов	12·10 10
Интенсивность сгустка антипротонов	5·10 10
Количество пучков на балку	6
Количество точек столкновения	3

Модификации СПС для работы коллайдера

Требования к накопителю типа Sp p S, в котором пучки должны циркулировать в течение многих часов, гораздо более требовательны, чем требования к импульсному синхротрону типа SPS. После принятия решения о Sp p S в 1978 году в SPS были внесены следующие изменения:

• Для передачи антипротонов из ПС в ИПС была построена новая линия пучка, а также новая система инжекции для инжекции против часовой стрелки.
• Поскольку SPS был спроектирован для инжекции 14 ГэВ/c, а новая инжекция должна была составлять 26 ГэВ/c, систему инжекции пришлось модернизировать.
• Совершенствование пучковой вакуумной системы СПС. Расчетный вакуум 2·10 ⁻⁷ Торра было достаточно для СПС — в качестве синхротрона пучок можно было разогнать до 450 ГэВ и вывести за очень короткое время. Время хранения Sp p S должно было составлять от 15 до 20 часов, а вакуум пришлось улучшить почти на три порядка.
• Ускоряющую радиочастотную систему пришлось претерпеть доработки для одновременного ускорения протонов и антипротонов. Чтобы столкновения происходили в центре детекторов, сгустки протонов и антипротонов должны были быть точно синхронизированы.
• Лучевую диагностику пришлось адаптировать к низкой интенсивности луча. Были добавлены новые устройства, такие как направленные элементы связи для независимого наблюдения протонов и антипротонов.
• Строительство огромных экспериментальных площадок для экспериментов ( UA1 и UA2 ). Систему прерывания луча пришлось переместить, чтобы освободить место для экспериментов.

Производство антипротонов

Саймон ван дер Меер в диспетчерской антипротонного аккумулятора , 1984 год.

Создание и хранение антипротонов в достаточном количестве было одной из самых больших задач при строительстве Sp p S. Производство антипротонов требовало использования существующей инфраструктуры ЦЕРН, такой как протонный синхротрон (ПС) и антипротонный аккумулятор (АА). . Антипротоны создавались путем направления интенсивного пучка протонов с импульсом 26 ГэВ/с из ПС на мишень для производства. Возникший всплеск антипротонов имел импульс 3,5 ГэВ/с, был магнитно отобран, направлен в АА и хранился в течение многих часов. Главным препятствием был большой разброс импульсов и углов вылета антипротонов из мишени. Метод уменьшения размеров пучка называется стохастическим охлаждением — метод, открытый Симоном ван дер Меером . Проще говоря, это система обратной связи, основанная на том факте, что все лучи состоят из частиц и, следовательно, на микроскопическом уровне плотность в данном объеме будет подвержена статистическим колебаниям. Цель открытия W- и Z-бозонов предъявляла определенные требования к светимости коллайдера, поэтому для эксперимента требовался источник антипротонов, способный доставлять 3·10 ¹⁰ антипротоны каждый день на несколько групп в пределах углового и импульсного принятия SPS. Накопление антипротонов в АА могло занять несколько дней. Модернизация 1986—1988 годов позволила в десять раз увеличить скорость укладки АА. второе кольцо, получившее название « Коллектор антипротонов» Вокруг АА было построено (АК).

Обзор антипротонного аккумулятора (АА) в ЦЕРНе

Наполнение

После того как антипротоны накапливались в АА, PS и Sp p S готовились к заполнению. Сначала три сгустка протонов, каждый из которых содержит ~10 ¹¹ протоны были ускорены в ПС до 26 ГэВ и инжектированы в Sp p S. Во-вторых, три сгустка антипротонов, каждый из которых содержит ~10 ¹⁰ антипротоны извлекались из АК и вводились в ПС. В PS сгустки антипротонов ускорялись до 26 ГэВ в направлении, противоположном направлению движения протонов, и инжектировались в Sp p S. Инжекции были рассчитаны по времени так, чтобы пересечение сгустков в ускорителе происходило в центре детекторов. , UA1 и UA2. Эффективность переноса от АК к Sp p S составила около 80%. В первом запуске, 1981–1986 гг., Sp p S ускорил три сгустка протонов и три сгустка антипротонов. После того, как в ходе модернизации была увеличена скорость упаковки антипротонов, количество инжектируемых в коллайдер как протонов, так и антипротонов было увеличено с трех до шести.

Ускорение

При инжекции в Sp p S оба пучка ускорялись до 315 ГэВ. Затем он помещался в хранилище на 15–20 часов для сбора физических данных, пока АА возобновлял накопление при подготовке к следующему заполнению. Поскольку три сгустка протонов и три сгустка антипротонов циркулировали в одной и той же вакуумной камере, они встретились бы в шести точках. UA1 и UA2 были размещены в двух из этих точек встречи. Электростатические сепараторы использовались для разделения в неиспользуемых точках пересечения вдали от экспериментов. До 1983 года энергия центра масс была ограничена величиной 546 ГэВ из-за резистивного нагрева магнитных катушек. Добавление дополнительного охлаждения позволило увеличить энергию машины до 630 ГэВ в 1984 году.

Получение столкновений при 900 ГэВ.

При работе в качестве ускорителя для экспериментов с фиксированной мишенью SPS может ускорять луч до 450 ГэВ, прежде чем луч будет извлечен в течение нескольких секунд (или небольшой доли секунды, когда он используется для ускорения сгустков для инжекции в LHC ). Однако при работе в качестве коллайдера пучок приходится хранить в лучевой линии в течение нескольких часов, а дипольные магниты ускорителя должны сохранять постоянное магнитное поле в течение более длительного времени. Чтобы предотвратить перегрев магнитов, Sp p S ускорял пучки только до 315 ГэВ. Однако этот предел можно преодолеть, увеличив напряжение магнитов от 100 ГэВ до максимальной мощности машины в 450 ГэВ. Sp p S ускорял бы пучки до 450 ГэВ, сохраняя их эту энергию в течение времени, ограниченного нагревом магнитов, а затем замедлял бы пучки до 100 ГэВ. Импульсирование осуществлялось таким образом, чтобы средняя дисперсия мощности в магнитах не превышала рабочего уровня при 315 ГэВ. После 1985 года Sp p S иногда работал в импульсном режиме, получая столкновения при энергии центра масс 900 ГэВ.

Выводы и открытия

Пресс-конференция 25 января 1983 года, когда было объявлено об открытии W-бозона в ЦЕРНе . Справа налево: Карло Руббиа , представитель эксперимента UA1 ; Саймон ван дер Меер , ответственный за разработку метода стохастического охлаждения ; Хервиг Шоппер , генеральный директор ЦЕРН; Эрвин Габатулер , директор по исследованиям ЦЕРН, и Пьер Дарриула , представитель эксперимента UA2.

Sp p S начал свою работу в июле 1981 года, а к январю 1983 года было объявлено об открытии W- и Z-бозонов в экспериментах UA1 и UA2 . Карло Руббиа , представитель эксперимента UA1 , и Саймон ван дер Меер получили Нобелевскую премию по физике 1984 года , как сказано в пресс-релизе Нобелевского комитета , за «(...) их решающий вклад в большой проект, который привел к к открытию частиц поля W и Z(...)". Премия была вручена Карло Руббиа за «(...) идею превратить существующий большой ускоритель в накопительное кольцо для протонов и антипротонов», то есть за концепцию Sp p S, а также Симону ван дер Мееру за его « (...) гениальный метод плотной упаковки и хранения протона, ныне применяемый для антипротонов», т.е. разработка технологии, позволяющей создать аккумулятор антипротонов — стохастическое охлаждение. Концепция, строительство и эксплуатация Sp p S сами по себе считались большим техническим достижением.

Перед вводом в эксплуатацию Sp p S обсуждались вопросы, будет ли машина работать вообще, или же пучковое воздействие на сгруппированные лучи будет препятствовать работе с высокой светимостью. Sp p S доказал, что эффект пучка на сгруппированных пучках можно контролировать и что адронные коллайдеры являются отличным инструментом для экспериментов по физике элементарных частиц. В связи с этим он заложил основу работы LHC , адронного коллайдера следующего поколения в ЦЕРНе .

См. также

• Суперпротонный синхротрон
• Список экспериментов на суперпротонном синхротроне
• эксперимент UA1
• эксперимент UA2
• Стохастическое охлаждение
• W и Z-бозоны

Внешние ссылки

• СМИ, связанные с суперпротонно-антипротонным синхротроном, на Викискладе?
• «Частицы W и Z: личные воспоминания» представителя UA2 Пьера Дарриула.
• Ди Лелла, Луиджи; Руббиа, Карло (2015) «Открытие частиц W и Z» за 60 лет экспериментов и открытий ЦЕРН . Сервер документов ЦЕРН: World Scientific
• Шмидт, Рюдигер (2017) «Протон-антипротонный коллайдер CERN SPS» в книге « Вызовы и цели ускорителей в XXI веке» . Всемирный научный