Суперпротонный синхротрон

Суперпротонный синхротрон (SPS, Super Proton Synchrotron) — это кольцевой ускоритель заряженных частиц (протонов и ионов), расположенный в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) на границе Швейцарии и Франции. Он является вторым по величине ускорителем в комплексе ЦЕРН после Большого адронного коллайдера (БАК) и служит ключевым звеном в цепочке инжекции частиц для БАК, а также используется для проведения собственных экспериментов в области физики высоких энергий.

История создания

Предпосылки и проект

Идея создания ускорителя с энергией, значительно превышающей возможности существовавшего в 1960-х годах Протонного синхротрона (PS) в ЦЕРНе, возникла в начале 1960-х годов. В 1964 году был одобрен проект строительства кольца диаметром около 2,2 км, способного разгонять протоны до энергии 300 ГэВ. Решение о строительстве было принято на фоне конкуренции с американским ускорителем в Национальной ускорительной лаборатории (ныне Фермилаб), который в итоге достиг энергии 400 ГэВ.

Строительство и запуск

Строительство SPS началось в 1968 году и завершилось в 1976 году. Первый пучок протонов был успешно запущен 17 апреля 1976 года, а проектная энергия 300 ГэВ была достигнута 7 мая того же года. Ускоритель был построен в туннеле, проложенном в скальной породе на глубине от 40 до 60 метров. Первоначально он назывался 300-ГэВ протонным синхротроном, но вскоре получил современное название — Суперпротонный синхротрон.

Модернизации

В 1980-х годах SPS был адаптирован для работы в режиме коллайдера протонов и антипротонов, что позволило открыть W- и Z-бозоны. В 1990-х годах ускоритель использовался для экспериментов с тяжелыми ионами (свинец, сера) и в качестве источника нейтрино. В 2000-х годах, после начала строительства Большого адронного коллайдера, SPS был модернизирован для работы в качестве инжектора БАК: его энергия была увеличена до 450 ГэВ, а также была проведена полная замена систем управления и вакуумной системы.

Устройство и характеристики

Кольцевой ускоритель

SPS представляет собой синхротрон — кольцевой ускоритель, в котором частицы движутся по замкнутой траектории в вакуумной камере. Длина окружности кольца составляет 6,9 км. Магнитная система состоит из 1317 электромагнитов, включая 744 дипольных магнита для удержания частиц на круговой орбите и 216 квадрупольных магнитов для фокусировки пучка. Магниты изготовлены из железных сердечников с медными обмотками и охлаждаются водой.

Инжекция и ускорение

Частицы поступают в SPS из Протонного синхротрона (PS) с энергией 26 ГэВ. В SPS они ускоряются до 450 ГэВ с помощью 16 радиочастотных резонаторов, работающих на частоте 200 МГц. Ускорение происходит за счет электрического поля, создаваемого резонаторами, которое синхронизировано с движением частиц. Процесс ускорения занимает около 3,6 секунды.

Системы управления и безопасности

Управление SPS осуществляется из центрального пульта ЦЕРНа. Система включает в себя мониторинг положения пучка, температуры магнитов, вакуума и других параметров. В случае аварийных ситуаций (например, потери пучка) система автоматически сбрасывает пучок на специальные поглотители, расположенные в туннеле.

Применение

Инжектор для Большого адронного коллайдера

Основная функция SPS с 2008 года — подача протонных и ионных пучков в Большой адронный коллайдер. Пучки, разогнанные до 450 ГэВ, передаются по двум отдельным линиям передачи (TI2 и TI8) в кольцо БАК, где они затем ускоряются до 6,5 ТэВ (на момент 2023 года). SPS обеспечивает до 2808 сгустков протонов в каждом пучке БАК.

Собственные эксперименты

SPS используется для проведения экспериментов в области физики высоких энергий. Наиболее известные эксперименты:

• NA61/SHINE — изучение свойств сильно взаимодействующей материи при высоких плотностях, в том числе поиск критической точки фазового перехода кварк-глюонной плазмы.
• COMPASS — исследование структуры нуклонов и спектроскопии мезонов с помощью мюонных и адронных пучков.
• NA62 — изучение редких распадов каонов для проверки Стандартной модели.
• AWAKE — эксперимент по ускорению электронов с помощью плазменных волн, возбуждаемых протонным пучком SPS.

Нейтринный пучок

SPS является источником нейтринного пучка для экспериментов, расположенных в подземной лаборатории Гран-Сассо (Италия), на расстоянии 730 км от ЦЕРНа. Пучок нейтрино создается при столкновении протонов SPS с мишенью, в результате чего образуются пионы и каоны, которые затем распадаются на мюоны и нейтрино. Эксперименты OPERA, ICARUS и другие использовали этот пучок для изучения осцилляций нейтрино.

Научные достижения

Открытие W- и Z-бозонов

В 1983 году на SPS, работавшем в режиме коллайдера протонов и антипротонов (проект UA1 и UA2), были открыты W- и Z-бозоны — переносчики слабого взаимодействия. Это открытие подтвердило предсказания Стандартной модели и принесло Карло Руббиа и Симону ван дер Мееру Нобелевскую премию по физике 1984 года. Для этого эксперимента SPS был модернизирован: в него был добавлен накопитель антипротонов (AA) и система стохастического охлаждения пучков.

Другие значимые результаты

• В 1990-х годах на SPS были получены первые данные о существовании кварк-глюонной плазмы в экспериментах с тяжелыми ионами (NA44, NA49, NA50).
• В 1999 году эксперимент NA48 на SPS обнаружил прямое нарушение CP-инвариантности в распадах нейтральных каонов.
• В 2010-х годах эксперимент NA62 впервые зафиксировал редкий распад заряженного каона на пион и нейтрино-антинейтрино.

Критика и ограничения

SPS, как и многие крупные ускорители, подвергался критике со стороны части научного сообщества и общественности из-за высокой стоимости эксплуатации (около 100 млн швейцарских франков в год) и потенциальных рисков, связанных с возможным созданием микроскопических черных дыр. Однако все эксперименты по безопасности, проведенные ЦЕРНом, не выявили реальной угрозы. Кроме того, SPS является устаревшей машиной по сравнению с БАК: его энергия в 450 ГэВ значительно ниже, чем у коллайдера, и он не может конкурировать с ним в области поиска новых частиц. Тем не менее, SPS остается незаменимым инструментом для прецизионных измерений и подготовки пучков для БАК.

Интересные факты

• Туннель SPS был проложен с использованием буровзрывного метода, что потребовало удаления около 1,5 млн кубических метров породы.
• В 1990-х годах SPS использовался для ускорения не только протонов, но и ионов серы, свинца и индия.
• В 2011 году на SPS был проведен эксперимент по ускорению электронов с помощью плазменных волн (AWAKE), что стало первым шагом к созданию компактных ускорителей нового поколения.
• SPS является одним из немногих ускорителей, который может работать в режиме как протон-антипротонного коллайдера, так и фиксированной мишени.

Источники

• ЦЕРН. «The Super Proton Synchrotron (SPS)». Официальный сайт ЦЕРН.
• Г. А. Миллер. «Ускорители частиц: история и современность». М.: Наука, 1985.
• Р. Б. Палмер. «Строительство и эксплуатация SPS». Журнал «Физика элементарных частиц и атомного ядра», 1977.
• К. Руббиа. «Открытие W- и Z-бозонов». Нобелевская лекция, 1984.
• Эксперимент NA62. «Редкие распады каонов». Отчеты ЦЕРН, 2015.