Супер-протонный синхротрон

Су́пер-прото́нный синхротро́н (СПС, англ. Super Proton Synchrotron, SPS) — циклический ускоритель заряженных частиц (синхротрон) на энергию до 450 ГэВ, расположенный в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) на границе Швейцарии и Франции. Является вторым по мощности в цепочке ускорителей ЦЕРН после Большого адронного коллайдера (БАК) и одним из крупнейших ускорителей в мире. Строительство началось в 1968 году, запуск состоялся в 1976-м. Изначально СПС использовался как протонный ускоритель для физики высоких энергий, а с 1980-х годов — как инжектор (подаватель пучков) для коллайдера.

История создания

Предпосылки

После успеха Протонного синхротрона (PS) на 28 ГэВ в ЦЕРН (запущен в 1959 году) стало очевидно, что для исследования субатомных частиц требуется ускоритель с энергией на порядок выше. В 1960-е годы конкуренция с советскими ускорителями (в частности, с У-70 в Протвино на 70 ГэВ) подталкивала ЦЕРН к поиску прорывного проекта. Первоначально рассматривался проект синхротрона на 300 ГэВ, но позже было решено строить машину на 400 ГэВ, которая в итоге вышла на 450 ГэВ.

Строительство

Разработка началась под руководством физика Йона Блейда (John Blewett). В 1968 году ЦЕРН одобрил проект, и в 1971 году началось строительство подземного кольца длиной почти 7 км. Тоннель диаметром около 5 метров проходит через франко-швейцарскую границу на глубине от 20 до 50 метров под землёй (в основном — под французской территорией рядом с Женевой). Сложность заключалась в необходимости проходки в скальных породах Юры и мягких отложениях Женевского озера. В 1976 году ускоритель был введён в эксплуатацию.

Первые эксперименты и открытия

Сразу после запуска СПС позволил совершить ряд ключевых открытий:

• 1976 год: в экспериментах на СПС был обнаружен J/ψ-мезон (частица, подтвердившая существование «очарованного» кварка, хотя его открыли ранее независимо в США).
• 1983 год: на СПС в экспериментах UA1 (рук. Карло Руббиа) и UA2 (рук. Альфред Тейлор) были открыты W- и Z-бозоны — переносчики слабого ядерного взаимодействия. За это открытие Руббиа и симон Ван дер Меер получили Нобелевскую премию по физике за 1984 год. Для этого СПС был переоборудован в протон-антипротонный коллайдер (антипротоны производились на отдельной установке — накопителе антипротонов LEAR).

Устройство и принцип работы

Магнитная система

СПС представляет собой циклический ускоритель с жёсткой фокусировкой. Магнитная система состоит из 744 дипольных магнитов (поворотных), 216 квадрупольных магнитов (фокусирующих) и дополнительных корректирующих магнитов. Магниты — электромагниты с железным сердечником, охлаждаемые водой. Во время работы они создают магнитное поле до 1,8 Тл для поворота протонов на энергии 450 ГэВ.

Ускорение

Протоны, инжектированные из ускорителя PS (энергия около 26 ГэВ), проходят через пучки в 8 ускоряющих секций, каждая с радиочастотными резонаторами на частоте 200 МГц. Ускорение происходит за счёт электрического поля, меняющегося в синхронизации с движением частиц. За 2,3 секунды протоны набирают энергию от 26 до 450 ГэВ, совершив около 200 000 оборотов по кольцу.

Инжекция и вывод пучка

• Инжекция: пучки из PS вводятся через специальные инжекционные магниты в течение примерно 1 секунды.
• Вывод: после ускорения пучок может быть выведен в одну из двух основных линий: либо в сторону БАК (через тракт T12), либо в экспериментальные зоны (например, NORTH AREA) для фиксированных мишеней.

Эксперименты и применение

Работа с фиксированной мишенью

Изначально СПС проектировался для экспериментов с фиксированной мишенью. Пучки протонов с энергией 400–450 ГэВ направлялись на неподвижную мишень (например, из бериллия или углерода), что создавало вторичные пучки частиц — пионов, каонов, нейтрино и т.д. Это позволило провести сотни экспериментов в области:

• физики адронов (рассеяние, спектроскопия мезонов);
• нейтринной физики (эксперименты CHORUS, NOMAD, MINOS и др., направленные на изучение осцилляций нейтрино);
• прецизионных измерений (например, поиск т.н. «странных» частиц — гиперонов).

Протон-антипротонный коллайдер (1981–1991)

В 1981 году ЦЕРН переоборудовал СПС в коллайдер, где протоны сталкивались с антипротонами при энергии 270 ГэВ на пучок (суммарная энергия столкновения 540 ГэВ). Именно в этой конфигурации были открыты W- и Z-бозоны. После 1991 года коллайдерный режим был прекращён из-за ограниченной светимости.

Инжектор для Большого адронного коллайдера

С 2008 года основная функция СПС — подача протонов и ионов свинца в Большой адронный коллайдер. Перед инжекцией в БАК протоны ускоряются в СПС до 450 ГэВ, затем разбиваются на 300–400 пучков (как «батоны») и направляются в БАК.

Современные эксперименты

В настоящее время на СПС продолжаются эксперименты с фиксированной мишенью:

• NA62: изучение распадов каонов, поиск редких распадов (например, \(K^+ \to \pi^+ \nu \bar{\nu}\)).
• COMPASS: исследование структуры нуклонов с помощью мюонных и адронных пучков.
• SHiP (Search for Hidden Particles): планируемый эксперимент по поиску гипотетических слабовзаимодействующих частиц (тёмной материи, нейтрино стерильного типа).
• DIRAC: измерение времени жизни пионных атомов (пиония).

Технические характеристики

Роль в физике высоких энергий

СПС сыграл ключевую роль в развитии Стандартной модели: открытие W- и Z-бозонов было прямым предсказанием электрослабого взаимодействия. В 1980-е годы на нём также проводились эксперименты по поиску суперсимметрии и других экзотических частиц. С переходом к БАК функция СПС изменилась — теперь он в первую очередь служит источником высокоэнергетичных протонов для главного коллайдера ЦЕРН. Однако его возможности для фиксированной мишени остаются уникальными, позволяя изучать редкие распады и процессы, недоступные в столкновениях БАК.

Критика и ограничения

Как и всякая крупная научная установка, СПС сталкивается с критикой с точки зрения затрат. Его строительство обошлось в сотни миллионов швейцарских франков, а эксплуатация требует больших ресурсов (электроэнергия, охлаждение, обслуживание). В начале 2000-х обсуждалось закрытие СПС в связи с вводом БАК, однако ЦЕРН решил его сохранить в качестве инжектора. Другим ограничением является невозможность достижения энергии выше 450 ГэВ без кардинальной модернизации магнитной системы.

Будущее

В 2020-е годы рассматриваются варианты модернизации СПС, в том числе:

• Увеличение интенсивности пучков для планируемого эксперимента SHiP.
• Создание ускорителя частиц «СПС+» с магнитным полем до 2,0 Тл для повышения энергии до 500 ГэВ.
• Участие в проекте по изучению редких процессов (например, распады \(K_L^0 \to \mu^+ \mu^-\)).

В долгосрочной перспективе СПС может быть заменён новым ускорителем — Бустером БАК (BRI), который будет работать на энергии до 800 ГэВ.

Источники

1. CERN Courier. «40 years of the SPS». 2016.
2. Fabjan, C. W., Rubbia, C. «The Super Proton Synchrotron: Accelerator and Experiments». Annual Reviews of Nuclear and Particle Science, 1984.
3. Bland, K. et al. «The Super Proton Synchrotron at CERN: A Guide to its Operation and Experiments». CERN Publishing, 2021.
4. CERN official documentation: «SPS User’s Guide» (CERN-ACC-2021-001).
5. Дубовик, В. М. «Ускорители частиц в физике высоких энергий». М., Наука, 1989.
6. Статьи на сайте CERN: «SPS — the Super Proton Synchrotron» (cern.ch).