Коллайдер

КОЛЛАЙДЕР (от латинского collido - сталкивать), ускоритель заряженных частиц, в котором два пучка частиц направляют навстречу друг другу. В результате взаимодействия пучков удаётся использовать в изучаемой реакции всю кинетическую энергию частиц (смотри Встречные пучки).

В зависимости от формы траектории частиц различают линейные коллайдеры и кольцевые коллайдеры. Последние, как правило, состоят из двух синхротронов протяжённостью несколько километров, размещённых в одном тоннеле (рис.). Инжекция частиц одинакового заряда производится в противоположных направлениях в синхротроны с противоположной полярностью магнитного поля. Для ускорения разноимённо заряженных частиц (например, электронов и позитронов) используется один общий синхротрон. После ускорения частиц орбиты пучков изменяют и частицы под минимальными углами сводятся в точке встречи (одной или нескольких), где располагается установка, регистрирующая продукты реакции. Линейные коллайдеры работают на основе встречных пучков, созданных линейными ускорителями. Встречные пучки имеют невысокую (по сравнению с неподвижной мишенью) плотность, поэтому характеристики коллайдера должны обеспечивать максимальную вероятность столкновения частиц в точках пересечения их траекторий.

Реклама

Коллайдер

Схема кольцевого коллайдера: 1,2- каналы инжекции пучка; 3,5- кольца коллайдера; 4,7- экспериментальные установки в точках столкновения пучков; 6 - ускоряющая станция; 8 - тоннель.

Важнейшей характеристикой экспериментов на коллайдере является скорость n регистрации редких процессов (число регистраций за единицу времени). Она пропорциональна поперечному эффективному сечению σ процесса (площади круга, внутри которого должны столкнуться частицы, чтобы произошла изучаемая реакция). К началу 21 века сечение исследуемых процессов составляет 10-28-10-32 м2. Величины n и σ связаны между собой через параметр L, называемый светимостью и определяемый характеристиками коллайдера: n = σL. Для кольцевого коллайдера L =  N1N2f/s, где N1 и N2- число частиц в первом и втором пучках соответственно, f - частота их обращения в кольцах коллайдера, s - поперечная площадь столкновения пучков (её характерная величина порядка 10-10 м2). Достигнутые значения L составляют для протон-антипротонных установок около 1036 м-2·с-1, для электронпозитронных - около 1038 м-2·с-1.

Величина n мала; для её увеличения требуется повышение интенсивности пучков и уменьшение s. Первое требование реализуется путём предварительного накопления частиц, второе - за счёт охлаждения пучков. Время жизни пучков ограничивается главным образом внутрипучковым кулоновским взаимодействием, рассеянием на остаточном газе (для уменьшения которого давление в камере понижают до 10-8 Па) и составляет часы и сутки.

Крупнейшие коллайдеры расположены в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН, Швейцария), в Национальной лаборатории имени Э. Ферми и Брукхейвенской национальной лаборатории (США), Исследовательском центре ускорителей высоких энергий (Япония). На Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе планируется достичь энергии частиц 14 ТэВ. Смотри также Адронный коллайдер.

Лит.: Лебедев А. Н., Шальнов А. В. Основы физики и техники ускорителей. М., 1991; Yao W. - М. а. о. The review of particle physics //Journal of Physics: G33. 2006. № 1.

И. Б. Иссинский.