Коллайдер — ускоритель заряженных частиц¶
Коллайдер — это разновидность ускорителя заряженных частиц, в которой два встречных пучка разгоняются по кольцевым или симметричным орбитам и сталкиваются в заданных точках. В отличие от обычных ускорителей, где пучок бьёт в неподвижную мишень, при схеме «пучок — пучок» почти вся кинетическая энергия идёт на рождение новых частиц, что делает коллайдеры основным инструментом физики высоких энергий.
¶Принцип работы
Заряженные частицы (протоны, электроны, ионы тяжёлых ядер) разгоняются в вакуумных трубках с помощью электрических полей, а удерживаются на кольцевой траектории магнитными полями. Ускорение происходит многократно: частицы проходят один и тот же ускоряющий структуры десятки тысяч раз, набирая энергию с каждым оборотом.
Встречные пучки сталкиваются в специальных точках, где установлены детекторы. При столкновении частиц на полную энергию центра масс рождаются новые, тяжёлые частицы, в том числе не встречающиеся в обычных условиях — например, бозоны Хиггса или топ-кварки. Регистрация продуктов распада позволяет восстановить кинематику события и подтвердить существование предсказанных теорией частиц объектов.
¶Основные параметры
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Типы пучков | протон-протон, электрон-позитронный, ион-ион |
| Энергия столкновения | от десятков ГэВ до 13,6 ТэВ (БАК) |
| Периметр кольца | от метров до 27 км (БАК) |
| Вакуум в трубке | ~10⁻¹⁰ мбар |
| Температура сверхпроводящих магнитов | 1,9 K (гелий) |
¶Классификация
По типу сталкиваемых частиц различают:
- Протонные коллайдеры — основной инструмент физики высоких энергий, позволяют достичь максимальных энергий.
- Электрон-позитронные коллайдеры — дают «чистые» условия столкновения, удобны для точных измерений.
- Ионные коллайдеры — сталкивают ядра тяжёлых элементов (свинец, золото), используются для изучения кварк-глюонной плазмы.
- Гибридные установки — например, ГЭП в Дубне, где электронный пучок встречается с протонным.
¶Крупнейшие коллайдеры в мире
¶Большой адронный коллайдер (БАК)
Расположен в ЦЕРН (Европейская организация по ядерным исследованиям) на границе Франции и Швейцарии под Женевой. Кольцо длиной 27 км, 100–175 м под землёй. Запущен 10 сентября 2008 года. Энергия столкновения протонов — до 13,6 ТэВ (рекорд после обновления 2022 года). На БАК работают четыре крупных детектора: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb. В 2012 году на БАК была открыта бозон Хиггса — последняя недостающая частица Стандартной модели.
¶Тэватрон
Коллайдер в Фермилабе (США), работал в 1983–2011 годах. Энергия столкновения протонов и антипротонов — до 1,96 ТэВ. В 1995 году на Тэватроне был открыт топ-кварк.
¶RHIC
Релятивистский тяжелоионный коллайдер в Брукхейвенской национальной лаборатории (США). Работает с 2000 года, сталкивает ядра золота и других тяжёлых элементов. На RHIC впервые получена и изучена кварк-глюонная плазма.
¶Другие установки
- VEPP-4M (Новосибирск, Россия) — электрон-позитронный коллайдер, введён в 1994 году.
- VEPP-2000 (Новосибирск) — электрон-пучковый коллайдер, работает с 2011 года.
- BEPC-II (Пекин, Китай) — электрон-позитронный коллайдер, введён в 2009 году.
- KEKB (Тсукуба, Япония) — работал в 1999–2010 годах, установка B-фабрика.
¶Развитие в России
Научная школа ускорительной физики в России ведёт начало от работ Игоря Тамма и Андрея Сахарова, а также от сибирского отделения АН СССР, где под руководством Будкера в 1960-е годы были созданы первые в мире установки с накопительными кольцами. Новосибирский Институт ядерной физики и сегодня эксплуатирует коллайдеры VEPP-2000 и VEPP-4M, на которых изучаются адронные сечения и свойства странных частиц.
В Дубне развивается проект ГЭП (Глубокоинверсионный электрон-протонный коллайдер), ориентированный на изучение внутренней структуры нуклонов. Россия также участвует в проектах ЦЕРН, включая работы по детектору CMS и участвие российских физиков в анализе данных БАК.
¶Значение
Коллайдеры позволили открыть почти все частицы Стандартной модели: кварки всех шести «вкусов», W- и Z-бозоны, бозон Хиггса. Технологии, разработанные для них — сверхпроводящие магниты, системы вакуума, триггеры и обработка данных — нашли применение в медицине (ПЭТ-сканеры), промышленности и компьютерных технологиях.
¶Источники
- «Ускорители и коллайдеры», под ред. А. Н. Скринского, М.: Наука.
- Сайт ЦЕРН, раздел про Большой адронный коллайдер.
- «Физика элементарных частиц», учебник В. Б. Берестецкого, И. М. Дробышева, В. А. Кузьмина.
- Материалы Института ядерной физки СО РАН (novosib.ru).