Коллайдер

Коллайдер — это тип ускорителя частиц , который объединяет два противоположных пучка частиц, в результате чего частицы сталкиваются . ^[1] Коллайдеры могут быть кольцевыми или линейными ускорителями .

Коллайдеры используются в качестве исследовательского инструмента в физике элементарных частиц , ускоряя частицы до очень высокой кинетической энергии и позволяя им сталкиваться с другими частицами. Анализ побочных продуктов этих столкновений дает ученым убедительные доказательства структуры субатомного мира и законов природы, управляющих им. Они могут стать очевидными только при высоких энергиях и в течение чрезвычайно коротких периодов времени, и поэтому их может быть трудно или невозможно изучить другими способами.

Объяснение

В физике элементарных частиц получают знания об элементарных частицах путем ускорения частиц до очень высокой кинетической энергии и направления их для столкновения с другими частицами. При достаточно высокой энергии происходит реакция , превращающая частицы в другие частицы. Обнаружение этих продуктов дает представление о физике происходящего.

Для проведения таких экспериментов есть две возможные установки:

Установка фиксированной цели: пучок частиц ( снарядов ) ускоряется с помощью ускорителя частиц , и в качестве партнера по столкновению на пути луча помещается неподвижная мишень.
Коллайдер: два луча частиц ускоряются и лучи направляются друг против друга, так что частицы сталкиваются, летя в противоположных направлениях.

Коллайдер сложнее сконструировать, но он имеет то большое преимущество, что, согласно специальной теории относительности , энергия неупругого столкновения двух частиц, приближающихся друг к другу с заданной скоростью, не просто в 4 раза выше, чем в случае одной покоящейся частицы (так как это было бы в нерелятивистской физике); она может быть на порядки выше, если скорость столкновения близка к скорости света.

В случае коллайдера, где точка столкновения покоится в лабораторной системе отсчета (т.е. ${\vec {p}}_{1}=-{\vec {p}}_{2}$ ), центр массы энергии $E_{\mathrm {cm} }$ (энергия, доступная для образования новых частиц при столкновении) просто $E_{\mathrm {cm} }=E_{1}+E_{2}$ , где $E_{1}$ и $E_{2}$ — полная энергия частицы каждого луча.Для эксперимента с фиксированной мишенью, когда частица 2 покоится, $E_{\mathrm {cm} }^{2}=m_{1}^{2}+m_{2}^{2}+2m_{2}E_{1}$ . ^[2]

История

Первое серьезное предложение о коллайдере исходило от группы Исследовательской ассоциации университетов Среднего Запада (MURA). Эта группа предложила построить два касательных радиально-секторных ускорительных кольца FFAG . ^[3] Тихиро Окава , один из авторов первой статьи, разработал конструкцию ускорителя FFAG с радиальным сектором, который мог ускорять два пучка частиц, вращающихся в противоположных направлениях, внутри одного кольца магнитов. ^[4]^[5] Третьим прототипом FFAG, построенным группой MURA, была электронная машина на 50 МэВ, построенная в 1961 году для демонстрации осуществимости этой концепции.

Джерард К. О'Нил предложил использовать один ускоритель для ввода частиц в пару касательных накопительных колец . Как и в первоначальном предложении MURA, столкновения будут происходить на касательной секции. Преимущество накопительных колец заключается в том, что накопительное кольцо может аккумулировать поток дальнего света от инжекционного ускорителя, который обеспечивает гораздо меньший поток. ^[6]

Первые электрон - позитронные коллайдеры были построены в конце 1950-х — начале 1960-х годов в Италии, в Национальном институте ядерной физики во Фраскати недалеко от Рима австрийско-итальянским физиком Бруно Тушеком и в США стэнфордско-принстонской командой, в которую входили Уильям К. Барбер, Бернард Гиттельман, Джерри О'Нил и Бертон Рихтер . Примерно в это же время был самостоятельно разработан и построен электрон-электронный коллайдер ВЭП-1 под руководством Герша Будкера в Институте ядерной физики в Новосибирске , СССР , . О первых наблюдениях реакций частиц во встречных пучках три группы сообщили почти одновременно в середине 1964 — начале 1965 года. ^[7]

начались работы над пересекающимися накопительными кольцами В 1966 году в ЦЕРН , а в 1971 году этот коллайдер заработал. ^[8] ISR представлял собой пару накопительных колец, которые накапливали и сталкивали протоны, инжектированные протонным синхротроном ЦЕРН . Это был первый адронный коллайдер, поскольку все предыдущие попытки работали с электронами или с электронами и позитронами .

В 1968 году началось строительство ускорительного комплекса протонов самой высокой энергии в Фермилабе . В конечном итоге он был модернизирован и стал коллайдером Тэватрон , и в октябре 1985 года были зарегистрированы первые протон - антипротонные столкновения при энергии центра масс 1,6 ТэВ, что сделало его коллайдером с самой высокой энергией в мире на то время. Позже энергия достигла 1,96 ТэВ, а к концу работы в 2011 году светимость коллайдера превысила первоначальную проектную цель в 430 раз. ^[9]

С 2009 года самым высокоэнергетическим коллайдером в мире является Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРНе. В настоящее время он работает при энергии центра масс 13 ТэВ в протон-протонных столкновениях. В настоящее время рассматриваются более дюжины будущих проектов коллайдеров частиц различных типов — круговых и линейных, сталкивающихся адронов (протон-протон или ион-ион), лептонов (электрон-позитрон или мюон-мюон) или электронов и ионов/протонов. за детальное исследование бозона Хиггса/электрослабой физики и открытий на энергетическом рубеже после БАК. ^[10]

Действующие коллайдеры

Источники: Информация взята с сайта Particle Data Group . ^[11]

Ускоритель	Центр, город, страна	Первая операция	Ускоренные частицы	Максимальная энергия на пучок, ГэВ	Светимость , 10 ³⁰ см ⁻²с ⁻¹	Периметр (длина), км
ВЭПП-2000	ИЯФ , Новосибирск , Россия	2006	и ⁺ и ⁻	1.0	100	0.024
ВЭПП-4М	ИЯФ, Новосибирск, Россия	1994	и ⁺ и ⁻	6	20	0.366
BEPC II	ИФВЭ , Пекин , Китай	2008	и ⁺ и ⁻	2.45 ^[12]	1000	0.240
ДАФНА	ЛНФ , Фраскати , Италия	1999	и ⁺ и ⁻	0.510	453 ^[13]	0.098
СуперКЭКБ	КЕК , Цукуба , Япония	2018	и ⁺ и ⁻	7 ( и ⁻ ), 4 ( и ⁺ )	24000 ^[14]	3.016
РИК	БНЛ , Нью-Йорк , США	2000	п п , Au-Au, Cu-Cu, d -Au	255, 100/ н	245, 0.0155, 0.17, 0.85	3.834
БАК	ЦЕРН , Женева , Швейцария / Франция	2008	пп, Pb -Pb, p-Pb, Xe-Xe	6500 (планируется 7000), 2560/ н (планируется 2760/ н )	21000, ^[15] 0.0061, 0.9, 0.0004	26.659

См. также

Ссылки

^ «Фиксированная цель против коллайдера» . 2 августа 2013 г. Архивировано из оригинала 21 января 2022 г. . Проверено 17 декабря 2019 г.
^ Герр, Вернер; Муратори, Бруно (2003). «Понятие светимости» . Школа ускорителей ЦЕРН : 361–378 . Проверено 2 ноября 2016 г. .
^ Керст, DW ; Коул, FT; Крейн, HR; Джонс, ЛВ; и др. (1956). «Достижение очень высокой энергии посредством пересекающихся пучков частиц». Физический обзор . 102 (2): 590–591. Бибкод : 1956PhRv..102..590K . дои : 10.1103/PhysRev.102.590 .
^ Патент США 2890348 , Тихиро Окава, « Ускоритель частиц », выдан 9 июня 1959 г.
↑ Наука: физика и фэнтези, Time , понедельник, 11 февраля 1957 г.
^ О'Нил, Г. (1956). «Синхротрон с накопительным кольцом: устройство для исследований в области физики высоких энергий» (PDF) . Физический обзор . 102 (5): 1418–1419. Бибкод : 1956PhRv..102.1418O . дои : 10.1103/PhysRev.102.1418 . Архивировано из оригинала (PDF) 6 марта 2012 г.
^ Шильцев, В. (2013). «Первые коллайдеры: AdA, VEP-1 и Принстон-Стэнфорд». arXiv : 1307.3116 [ physical.hist-ph ].
^ Кьелл Джонсен, ISR во времена Йенчке, CERN Courier , 1 июня 2003 г.
^ Холмс, Стивен Д.; Шильцев, Владимир Дмитриевич (2013). «Наследие Тэватрона в области ускорительной науки». Ежегодный обзор ядерной науки и науки о элементарных частицах . 63 : 435–465. arXiv : 1302.2587 . Бибкод : 2013ARNPS..63..435H . doi : 10.1146/annurev-nucl-102212-170615 . S2CID 118385635 .
^ Шильцев Владимир; Циммерманн, Франк (2021). «Современные и будущие коллайдеры». Обзоры современной физики . 93 (1): 015006. arXiv : 2003.09084 . Бибкод : 2021РвМП...93а5006С . дои : 10.1103/RevModPhys.93.015006 . S2CID 214605600 .
^ «Параметры коллайдера высоких энергий» (PDF) . Проверено 3 июня 2021 г.
^ Да, Минган; Юань, Чанчжэн (2020). 30 лет Беса Физика: материалы симпозиума . Всемирная научная . п. 319. ИСБН 978-981-121-772-2 .
^ Зобов, М. (2010). «Испытание на столкновение краба с талией на заводе DAΦNE Φ» . Письма о физических отзывах . 104 (17): 174801. Бибкод : 2010PhRvL.104q4801Z . doi : 10.1103/PhysRevLett.104.174801 . ПМИД 20482112 .
^ «Коллайдер SuperKEKB достигает самой высокой в мире светимости» . 26 июня 2020 г. Проверено 26 июня 2020 г.
^ Коллаборация АТЛАС (2020). «Работа электронных и фотонных триггеров в ATLAS во время второго запуска LHC» . Европейский физический журнал C . 80 (1): 47. arXiv : 1909.00761 . Бибкод : 2020EPJC...80...47A . doi : 10.1140/epjc/s10052-019-7500-2 . S2CID 202538006 .

Внешние ссылки

[1] «Фиксированная цель против коллайдера» . 2 августа 2013 г. Архивировано из оригинала 21 января 2022 г. . Проверено 17 декабря 2019 г.

[2] Герр, Вернер; Муратори, Бруно (2003). «Понятие светимости» . Школа ускорителей ЦЕРН : 361–378 . Проверено 2 ноября 2016 г. .

[3] Керст, DW ; Коул, FT; Крейн, HR; Джонс, ЛВ; и др. (1956). «Достижение очень высокой энергии посредством пересекающихся пучков частиц». Физический обзор . 102 (2): 590–591. Бибкод : 1956PhRv..102..590K . дои : 10.1103/PhysRev.102.590 .

[4] Патент США 2890348 , Тихиро Окава, « Ускоритель частиц », выдан 9 июня 1959 г.

[5] Наука: физика и фэнтези, Time , понедельник, 11 февраля 1957 г.

[6] О'Нил, Г. (1956). «Синхротрон с накопительным кольцом: устройство для исследований в области физики высоких энергий» (PDF) . Физический обзор . 102 (5): 1418–1419. Бибкод : 1956PhRv..102.1418O . дои : 10.1103/PhysRev.102.1418 . Архивировано из оригинала (PDF) 6 марта 2012 г.

[7] Шильцев, В. (2013). «Первые коллайдеры: AdA, VEP-1 и Принстон-Стэнфорд». arXiv : 1307.3116 [ physical.hist-ph ].

[8] Кьелл Джонсен, ISR во времена Йенчке, CERN Courier , 1 июня 2003 г.

[9] Холмс, Стивен Д.; Шильцев, Владимир Дмитриевич (2013). «Наследие Тэватрона в области ускорительной науки». Ежегодный обзор ядерной науки и науки о элементарных частицах . 63 : 435–465. arXiv : 1302.2587 . Бибкод : 2013ARNPS..63..435H . doi : 10.1146/annurev-nucl-102212-170615 . S2CID 118385635 .

[10] Шильцев Владимир; Циммерманн, Франк (2021). «Современные и будущие коллайдеры». Обзоры современной физики . 93 (1): 015006. arXiv : 2003.09084 . Бибкод : 2021РвМП...93а5006С . дои : 10.1103/RevModPhys.93.015006 . S2CID 214605600 .

[11] «Параметры коллайдера высоких энергий» (PDF) . Проверено 3 июня 2021 г.

[12] Да, Минган; Юань, Чанчжэн (2020). 30 лет Беса Физика: материалы симпозиума . Всемирная научная . п. 319. ИСБН 978-981-121-772-2 .

[13] Зобов, М. (2010). «Испытание на столкновение краба с талией на заводе DAΦNE Φ» . Письма о физических отзывах . 104 (17): 174801. Бибкод : 2010PhRvL.104q4801Z . doi : 10.1103/PhysRevLett.104.174801 . ПМИД 20482112 .

[14] «Коллайдер SuperKEKB достигает самой высокой в мире светимости» . 26 июня 2020 г. Проверено 26 июня 2020 г.

[15] Коллаборация АТЛАС (2020). «Работа электронных и фотонных триггеров в ATLAS во время второго запуска LHC» . Европейский физический журнал C . 80 (1): 47. arXiv : 1909.00761 . Бибкод : 2020EPJC...80...47A . doi : 10.1140/epjc/s10052-019-7500-2 . S2CID 202538006 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]