Большой электрон-позитронный коллайдер
 | |
| Общие свойства | |
|---|---|
| Тип ускорителя | Синхротрон |
| Тип луча | Электроны , позитроны |
| Тип цели | Коллайдер |
| Свойства балки | |
| Максимальная энергия | 209 ГэВ |
| Максимальный ток | 6,2 мА |
| Максимальная яркость | 1 × 10 32 /(см 2 ⋅s) [1] |
| Физические свойства | |
| Окружность | 26 659 м |
| Расположение | Женева, Швейцария |
| Координаты | 46 ° 14'06 "N 06 ° 02'42" E / 46,23500 ° N 6,04500 ° E |
| учреждение | ЦЕРН |
| Даты работы | 1989–2000 |
| Преемник | Большой адронный коллайдер |
Большой электрон-позитронный коллайдер ( LEP ) был одним из крупнейших когда-либо построенных ускорителей частиц . Он был построен в ЦЕРН , многонациональном центре исследований в области физики ядра и элементарных частиц недалеко от Женевы , Швейцария .
LEP сталкивал электроны с позитронами при энергиях, достигавших 209 ГэВ. Это был круглый коллайдер окружностью 27 километров, построенный в туннеле на глубине примерно 100 м (300 футов) под землей и проходящем через Швейцарию и Францию . LEP использовался с 1989 по 2000 год. Примерно в 2001 году его демонтировали, чтобы освободить место для Большого адронного коллайдера , который повторно использовал туннель LEP. На сегодняшний день LEP является самым мощным из когда-либо созданных ускорителей лептонов .
Коллайдер фон
[ редактировать ]LEP представлял собой кольцевой лептонный коллайдер – самый мощный из когда-либо созданных. Для контекста современные коллайдеры можно в целом разделить на категории в зависимости от их формы (круговые или линейные) и от того, какие типы частиц они ускоряют и сталкиваются (лептоны или адроны). Лептоны представляют собой точечные частицы и относительно легкие. Поскольку они являются точечными частицами, их столкновения прозрачны и поддаются точным измерениям; однако, поскольку они легкие, столкновения не могут достичь той же энергии, которая может быть достигнута с более тяжелыми частицами. Адроны представляют собой сложные частицы (состоящие из кварков) и относительно тяжелые; протоны, например, имеют массу в 2000 раз большую, чем электроны. Из-за своей более высокой массы их можно ускорять до гораздо более высоких энергий, что является ключом к непосредственному наблюдению новых частиц или взаимодействий, которые не предсказываются принятыми в настоящее время теориями. Однако столкновения адронов очень запутаны (например, часто имеется много несвязанных треков, и энергию столкновений определить непросто), и поэтому их сложнее анализировать и они менее поддаются точным измерениям.
Форма коллайдера также важна. Коллайдеры физики высоких энергий собирают частицы в сгустки, а затем сталкивают их вместе. Однако на самом деле сталкивается лишь очень небольшая часть частиц в каждом сгустке. В круговых коллайдерах эти сгустки перемещаются по примерно круглой форме в противоположных направлениях и поэтому могут сталкиваться снова и снова. Это обеспечивает высокую частоту столкновений и облегчает сбор большого количества данных, что важно для точных измерений или для наблюдения очень редких распадов. Однако энергия сгустков ограничена из-за потерь на синхротронное излучение . В линейных коллайдерах частицы движутся прямолинейно и поэтому не страдают от синхротронного излучения, но сгустки нельзя использовать повторно, и поэтому собирать большие объемы данных сложнее.
В качестве кругового лептонного коллайдера LEP хорошо подходил для прецизионных измерений электрослабого взаимодействия при энергиях, которые ранее были недостижимы.
История
[ редактировать ]Строительство ЛЭП было важным мероприятием. В период 1983–1988 годов это был крупнейший проект гражданского строительства в Европе. [2]
Когда коллайдер LEP начал работу в августе 1989 года, он ускорил электроны и позитроны до общей энергии 45 ГэВ каждый, что позволило создать Z-бозон , имеющий массу 91 ГэВ. [2] Позже ускоритель был модернизирован для создания пары W-бозонов, каждый из которых имеет массу 80 ГэВ. В конце 2000 года энергия коллайдера LEP в конечном итоге достигла 209 ГэВ. При коэффициенте Лоренца (= энергия частицы/масса покоя = [104,5 ГэВ/0,511 МэВ]) более 200 000, LEP по-прежнему удерживает рекорд скорости ускорителя частиц, чрезвычайно близкий к предельная скорость света. В конце 2000 года ЛЭП был остановлен, а затем демонтирован, чтобы освободить место в туннеле для строительства Большого адронного коллайдера (БАК).
Операция
[ редактировать ]
LEP питался электронами и позитронами, доставленными ускорительным комплексом ЦЕРН. Частицы были созданы и первоначально ускорены с помощью предварительного инжектора LEP , а затем ускорены почти до скорости света с помощью протонного синхротрона и суперпротонного синхротрона . Оттуда их ввели в кольцо LEP.
Как и во всех кольцевых коллайдерах , кольцо LEP состояло из множества магнитов , которые заставляли заряженные частицы двигаться по круговой траектории (так что они оставались внутри кольца), радиочастотных ускорителей , которые ускоряли частицы с помощью радиочастотных волн , и квадруполей , которые фокусировали пучок частиц. (т.е. держать частицы вместе). Функция ускорителей заключалась в увеличении энергии частиц, чтобы при столкновении частиц могли создаваться тяжелые частицы. Когда частицы ускорялись до максимальной энергии (и фокусировались в так называемые сгустки), электрон и сгусток позитронов вынуждены были столкнуться друг с другом в одной из точек столкновения детектора. Когда электрон и позитрон сталкиваются, они аннигилируют , образуя виртуальную частицу — фотон или Z-бозон . Виртуальная частица почти сразу же распадается на другие элементарные частицы, которые затем обнаруживаются огромными детекторами частиц .
Детекторы
[ редактировать ]Большой электрон-позитронный коллайдер имел четыре детектора, построенных вокруг четырех точек столкновения в подземных залах. Каждый из них был размером с небольшой дом и был способен регистрировать частицы по их энергии , импульсу и заряду, что позволяло физикам сделать вывод о произошедшей реакции частиц и о задействованных элементарных частицах . Выполняя статистический анализ этих данных, знания о физике элементарных частиц можно получить . Четыре детектора LEP назывались Aleph, Delphi, Opal и L3. Они были построены по-другому, чтобы обеспечить возможность проведения дополнительных экспериментов .
АЛЕФ
[ редактировать ]ALEPH означает « Аппарат для LEP измерения pH » в ЦЕРНе . Детектор определил массу W-бозона и Z-бозона с точностью до одной тысячной. Число семейств частиц с легкими нейтрино было определено как 2,982 ± 0,013 , что согласуется со значением Стандартной модели, равным 3. Ход квантовой хромодинамики (КХД) константы связи был измерен при различных энергиях и оказался в соответствии с с пертурбативными вычислениями в КХД. [3]
ДЕЛЬФИ
[ редактировать ]означает DE с лептона , фотона и адрона I. идентификацией DELPHI - тектор
ОПАЛ
[ редактировать ]OPAL означает универсальное устройство , — а универсальное LEP устройство . Название эксперимента было игрой слов, поскольку некоторые из основателей научного сообщества, которое первым предложило этот проект, ранее работали над детектором JADE в DESY в Гамбурге . [4] OPAL представлял собой детектор общего назначения, предназначенный для сбора широкого спектра данных. Его данные были использованы для высокоточных измерений формы линии Z-бозона , детальных испытаний Стандартной модели и установления ограничений на новую физику. Детектор был демонтирован в 2000 году, чтобы освободить место для оборудования БАКа . Блоки свинцового стекла с корпусом OPAL из электромагнитного калориметра в настоящее время повторно используются в широкоугольных фотонных вето-детекторах в эксперименте NA62 в ЦЕРН.
Л3
[ редактировать ]L3 был еще одним экспериментом LEP. [5] Его огромное восьмиугольное возвратное ярмо магнита осталось на месте в пещере и стало частью детектора ALICE для БАКа.
Результаты
[ редактировать ]Результаты экспериментов LEP позволили точные значения многих величин Стандартной модели , в первую очередь массы Z-бозона и W-бозона (которые были открыты в 1983 году на более раннем коллайдере ЦЕРН , Протон-антипротонном коллайдере получить ). — и таким образом подтвердить Модель и положить ее на прочную основу эмпирических данных.
Бозон Хиггса
[ редактировать ]Ближе к концу запланированного времени данные дали дразнящие, но неубедительные намеки на то, что частица Хиггса могла наблюдаться с массой около 115 ГэВ, своего рода Святой Грааль современной физики высоких энергий . Срок действия был продлен на несколько месяцев, но безрезультатно. Сила сигнала оставалась на уровне 1,7 стандартных отклонений , что соответствует уровню достоверности 91% , что намного меньше, чем уверенность, ожидаемая физиками элементарных частиц, чтобы заявить об открытии, и находилась на крайнем верхнем крае диапазона обнаружения экспериментов с собранными данными. Данные ЛЭП. Было предложение продлить работу LEP еще на год, чтобы получить подтверждение, что задержало бы запуск БАКа . Однако было принято решение закрыть LEP и продолжить работу над БАК, как и планировалось.
В течение многих лет это наблюдение было единственным намеком на существование бозона Хиггса; последующие эксперименты на Тэватроне до 2010 года не были достаточно чувствительными, чтобы подтвердить или опровергнуть эти намеки. [6] Однако, начиная с июля 2012 года, эксперименты ATLAS и CMS на БАК представили доказательства существования частицы Хиггса с энергией около 125 ГэВ. [7] и категорически исключил область 115 ГэВ.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Майерс, Стив (11 сентября 2019 г.). «Величайший лептонный коллайдер» . ЦЕРН Курьер . Проверено 22 апреля 2022 г.
- ^ Jump up to: а б Майерс, С.; Пикассо, Э. (2006). «Проектирование, строительство и ввод в эксплуатацию большого электрон-позитронного коллайдера ЦЕРН» . Современная физика . 31 (6): 387–403. дои : 10.1080/00107519008213789 . ISSN 0010-7514 .
- ^ «Добро пожаловать в АЛЕФ» . Проверено 14 сентября 2011 г.
- ^ «Эксперимент OPAL на LEP 1989–2000» . Проверено 14 сентября 2011 г.
- ^ «Домашняя страница L3» . Проверено 14 сентября 2011 г.
- ^ Сотрудничество CDF , Сотрудничество D0 , Новая физика Тэватрона , Рабочая группа Хиггса (26 июня 2010 г.). «Объединенные верхние пределы CDF и D0 для производства бозона Хиггса стандартной модели с энергией до 6,7 фб». −1 данных». arXiv : 1007.4587 [ hep-ex ].
{{cite arXiv}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) - ^ «Новые результаты указывают на то, что новая частица — это бозон Хиггса — ЦЕРН» . home.web.cern.ch. Архивировано из оригинала 20 октября 2015 года . Проверено 24 апреля 2018 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]
СМИ, связанные с Большим электрон-позитронным коллайдером, на Викискладе? - Рабочие группы LEP
- Коллайдер LEP от проектирования до утверждения и ввода в эксплуатацию отрывки из мемориальной лекции Джона Адамса , прочитанной в ЦЕРНе 26 ноября 1990 г.
- Краткий, но хороший (хотя и немного устаревший) обзор (с красивыми фотографиями) о LEP и связанных с ним предметах можно найти в этом онлайн-буклете Британского исследовательского совета по физике элементарных частиц и астрономии .
- Запись эксперимента для LEP на INSPIRE-HEP
