Протонный суперсинхротрон

Протонный суперсинхротрон (англ. Super Proton Synchrotron, SPS) — это ускоритель заряженных частиц (протонов) кольцевого типа, расположенный в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) на границе Швейцарии и Франции. Он представляет собой циклический синхротрон, предназначенный для разгона протонов до энергии 450 ГэВ (гигаэлектронвольт) и является одним из ключевых элементов ускорительного комплекса ЦЕРН, служащим в качестве инжектора для Большого адронного коллайдера (БАК). SPS был введён в эксплуатацию в 1976 году и на протяжении нескольких десятилетий оставался крупнейшим ускорителем в мире до запуска БАК.

История создания

Предпосылки

В 1960-х годах ЦЕРН уже эксплуатировал Протонный синхротрон (PS) с энергией 28 ГэВ, однако для дальнейших исследований в области физики высоких энергий требовался ускоритель с существенно большей энергией. В 1964 году было принято решение о строительстве нового кольцевого ускорителя, который первоначально назывался «300-гигаэлектронвольтный ускоритель» (300 GeV machine). Проект был одобрен Советом ЦЕРН в 1971 году.

Строительство

Строительство туннеля для SPS началось в 1971 году и велось под землёй на глубине от 20 до 50 метров. Туннель имеет длину 6,9 километра и диаметр 3,8 метра. Для размещения магнитов и оборудования были пробиты два параллельных туннеля, соединённых поперечными проходами. Строительство обошлось в 1,1 миллиарда швейцарских франков (в ценах 1970-х годов). Первый пучок протонов был запущен 17 апреля 1976 года, а 11 мая того же года ускоритель достиг проектной энергии 400 ГэВ.

Модернизации

В 1980-х годах SPS был адаптирован для работы в режиме протон-антипротонного коллайдера (Spp̃S), что позволило в 1983 году открыть W- и Z-бозоны (переносчики слабого взаимодействия), за что Карло Руббиа и Симон ван дер Меер получили Нобелевскую премию по физике в 1984 году. В 1990-х годах ускоритель использовался для экспериментов с ионами свинца, а также для фиксированных мишеней. После начала работы БАК в 2008 году SPS стал его предварительным ускорителем (инжектором), разгоняя протоны до 450 ГэВ перед передачей в БАК.

Устройство и принцип работы

Основные компоненты

SPS представляет собой кольцевой ускоритель с магнитной системой, состоящей из 744 дипольных магнитов (для поворота пучка) и 216 квадрупольных магнитов (для фокусировки). Магниты выполнены на основе обычных (не сверхпроводящих) электромагнитов, работающих при комнатной температуре. Ускоритель использует радиочастотные (РЧ) резонаторы для ускорения частиц: четыре резонатора работают на частоте 200 МГц, создавая ускоряющее напряжение до 7,5 МВ.

Принцип ускорения

Протоны инжектируются в SPS из Протонного синхротрона (PS) с энергией 26 ГэВ. В кольце они проходят через РЧ-резонаторы, которые увеличивают их энергию на каждом обороте. Магнитное поле синхронно увеличивается с ростом энергии частиц, чтобы удерживать их на орбите постоянного радиуса. Цикл ускорения длится около 3,6 секунды, после чего пучок с энергией 450 ГэВ либо направляется на фиксированные мишени, либо передаётся в БАК.

Параметры

• Длина окружности: 6,9 км
• Энергия протонов: до 450 ГэВ (в инжекторном режиме)
• Энергия ионов свинца: до 177 ГэВ на нуклон
• Интенсивность пучка: до 4,5×10¹³ протонов за цикл
• Частота обращения: 43,4 кГц

Классификация и роль в ускорительном комплексе

Место в иерархии ускорителей

SPS является вторым по величине ускорителем в цепочке инжекции ЦЕРН после БАК. Последовательность ускорения протонов в ЦЕРН выглядит следующим образом:

1. Линейный ускоритель Linac 2 (50 МэВ)
2. Бустер (1,4 ГэВ)
3. Протонный синхротрон PS (26 ГэВ)
4. Протонный суперсинхротрон SPS (450 ГэВ)
5. Большой адронный коллайдер LHC (до 6,5 ТэВ на пучок)

Режимы работы

SPS может работать в нескольких режимах:

• Инжектор для БАК: разгон протонов до 450 ГэВ и передача в БАК.
• Эксперименты с фиксированной мишенью: пучок направляется на мишени, установленные в экспериментальных залах.
• Коллайдерный режим (исторический): в 1980-х годах SPS работал как протон-антипротонный коллайдер (Spp̃S) с энергией 540 ГэВ в системе центра масс.
• Ионные эксперименты: ускорение ионов свинца для экспериментов на БАК.

Применение и научные результаты

Открытие W- и Z-бозонов

В 1983 году на SPS в режиме протон-антипротонного коллайдера (Spp̃S) были открыты W⁺-, W⁻- и Z⁰-бозоны — частицы-переносчики слабого ядерного взаимодействия. Это открытие подтвердило теорию электрослабого взаимодействия и привело к Нобелевской премии 1984 года. Эксперименты UA1 и UA2, проводившиеся на SPS, зафиксировали распады этих бозонов на лептоны и нейтрино.

Эксперименты с фиксированной мишенью

На SPS проводились многочисленные эксперименты с фиксированными мишенями, включая изучение адронных взаимодействий, структуры нуклонов (эксперимент NA48 по изучению CP-нарушения в распадах каонов), а также поиск редких распадов и экзотических частиц. Эксперимент COMPASS (NA58) изучает спиновую структуру нуклонов и спектроскопию адронов.

Исследования кварк-глюонной плазмы

В 1990-х годах SPS использовался для ускорения ионов свинца, что позволило впервые получить кварк-глюонную плазму — состояние материи, существовавшее в ранней Вселенной. Эксперимент NA50 (изучение распадов J/ψ-мезонов) предоставил первые доказательства существования этого состояния.

Роль в подготовке БАК

SPS служит ключевым элементом инфраструктуры БАК, обеспечивая предварительное ускорение протонов и ионов. Без SPS невозможно было бы достичь энергии, необходимой для работы БАК. Кроме того, на SPS проводятся испытания новых технологий и детекторов, которые затем используются на БАК.

Интересные факты

• Туннель SPS был прорыт с использованием взрывных работ и буровых машин, при этом было извлечено около 1,2 миллиона кубометров породы.
• В 1980-х годах SPS был самым мощным ускорителем в мире, пока его не превзошёл Тэватрон в Фермилабе (США) с энергией 1 ТэВ.
• Для работы SPS требуется около 40 МВт электроэнергии, что сопоставимо с потреблением небольшого города.
• В 1999 году SPS был временно остановлен для модернизации, связанной с подготовкой к запуску БАК.
• Название «суперсинхротрон» было выбрано, чтобы подчеркнуть его превосходство над предшественником — Протонным синхротроном (PS).

Критика и ограничения

Основным ограничением SPS является его относительно низкая энергия (450 ГэВ) по сравнению с БАК (6,5 ТэВ). Это делает SPS непригодным для прямого поиска новых частиц высоких энергий, таких как бозон Хиггса (открыт на БАК в 2012 году). Кроме того, использование обычных магнитов (не сверхпроводящих) ограничивает максимальную энергию, которую можно достичь в кольце фиксированного радиуса. Некоторые критики указывают на высокую стоимость эксплуатации SPS (около 100 миллионов швейцарских франков в год), однако его роль как инжектора для БАК и платформы для экспериментов с фиксированной мишенью оправдывает эти затраты.

Источники

• ЦЕРН. Официальная документация по Протонному суперсинхротрону (CERN SPS).
• Adams, J. (1976). «The 400 GeV Proton Synchrotron». CERN Courier.
• Evans, L. (2009). «The Large Hadron Collider: A Marvel of Technology». EPFL Press.
• Руббиа, К. (1984). «Нобелевская лекция: Открытие W- и Z-бозонов».
• CERN. «The SPS: A Workhorse of Particle Physics». CERN Bulletin, 2016.