Коллайдер — это тип ускорителя частиц , который сводит вместе два встречных пучка частиц, так что частицы сталкиваются . [1] По сравнению с другими ускорителями частиц, в которых движущиеся частицы сталкиваются с неподвижной материальной мишенью, коллайдеры могут достигать более высоких энергий столкновения. Коллайдеры могут быть либо кольцевыми ускорителями , либо линейными ускорителями .
Коллайдеры используются как исследовательский инструмент в физике элементарных частиц , разгоняя частицы до очень высокой кинетической энергии и позволяя им сталкиваться с другими частицами. Анализ побочных продуктов этих столкновений дает ученым хорошие доказательства структуры субатомного мира и законов природы, управляющих им. Они могут проявляться только при высоких энергиях и в течение чрезвычайно коротких промежутков времени, и поэтому их может быть трудно или невозможно изучать другими способами.
В физике элементарных частиц знания об элементарных частицах получаются путем ускорения частиц до очень высокой кинетической энергии и направления их к столкновению с другими частицами. При достаточно высокой энергии происходит реакция , которая преобразует частицы в другие частицы. Обнаружение этих продуктов дает представление о задействованной физике .
Для проведения таких экспериментов возможны две установки:
Коллайдерную установку построить сложнее, но у нее есть большое преимущество: 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 (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 находится в состоянии покоя в лабораторной системе отсчета (т.е. ), энергия центра масс (энергия, доступная для создания новых частиц при столкновении) просто равна , где и — полная энергия частицы из каждого пучка. Для эксперимента с фиксированной мишенью, где частица 2 находится в состоянии покоя, . [2]
Первое серьезное предложение о коллайдере было выдвинуто группой из Исследовательской ассоциации университетов Среднего Запада (MURA). Эта группа предложила построить два кольца ускорителя FFAG с радиальным сектором. [3] Тихиро Окава , один из авторов первой статьи, продолжил разработку конструкции ускорителя FFAG с радиальным сектором, который мог ускорять два пучка частиц, вращающихся в противоположных направлениях, в одном кольце магнитов. [4] [5] Третий прототип FFAG, созданный группой MURA, представлял собой электронную машину на 50 МэВ, построенную в 1961 году для демонстрации осуществимости этой концепции.
Джерард К. О'Нил предложил использовать один ускоритель для инжекции частиц в пару касательных накопительных колец . Как и в первоначальном предложении MURA, столкновения будут происходить в касательной секции. Преимущество накопительных колец заключается в том, что накопительное кольцо может аккумулировать высокий поток пучка из инжекционного ускорителя, который достигает гораздо более низкого потока. [6]
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, австрийско-итальянским физиком Бруно Тушеком и в США, командой Стэнфорда-Принстона, в которую входили Уильям К. Барбер, Бернард Гиттельман, Джерри О'Нил и Бертон Рихтер . Примерно в то же время электрон-электронный коллайдер VEP-1 был независимо разработан и построен под руководством Герша Будкера в Институте ядерной физики в Новосибирске , СССР . Первые наблюдения реакций частиц во встречных пучках были сообщены почти одновременно тремя командами в середине 1964 - начале 1965 года. [7]
В 1966 году началась работа над перекрещивающимися накопительными кольцами в ЦЕРНе , а в 1971 году этот коллайдер был введен в эксплуатацию. [8] ISR представлял собой пару накопительных колец, которые накапливали и сталкивали протоны, инжектируемые протонным синхротроном ЦЕРНа . Это был первый адронный коллайдер, поскольку все предыдущие попытки работали с электронами или с электронами и позитронами .
В 1968 году началось строительство комплекса ускорителей протонов с самой высокой энергией в Фермилабе . В конечном итоге он был модернизирован, чтобы стать коллайдером Теватрон , и в октябре 1985 года были зарегистрированы первые столкновения протонов и антипротонов при энергии центра масс 1,6 ТэВ, что сделало его коллайдером с самой высокой энергией в мире на тот момент. Позднее энергия достигла 1,96 ТэВ, а к концу эксплуатации 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 столкновениях протонов с протонами. 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 — в настоящее время рассматриваются для детального изучения физики Хиггса/электрослабых частиц и открытий на энергетическом рубеже после БАК. [10]
Источники: Информация взята с сайта Particle Data Group . [11]
