Встречные пучки

ВСТРЕЧНЫЕ ПУЧКИ (метод встречных пучков), экспериментальный метод исследования элементарных частиц, в котором два пучка ускоренных заряженных частиц (электронов, протонов, позитронов, антипротонов и т.п.) движутся навстречу друг другу, пересекаясь и взаимодействуя на определённых участках (смотри Ускорители заряженных частиц). Разработка и сооружение экспериментальных установок для исследований на встречные пучки частиц были начаты в 1956 году в СССР и за рубежом по предложению американского физика Д. У. Керста. Первые эксперименты на встречные пучки по аннигиляции частиц и античастиц (электронов и позитронов) проведены в 1967 году в Институте ядерной физики (ИЯФ) СО Академии Наук СССР под руководством Г. И. Будкера.

Ускорительная установка с встречными пучками называется коллайдером (смотри Адронный коллайдер). В таких установках взаимодействия частиц исследуются при максимально доступной в лабораторных условиях эффективной энергии столкновения (энергии взаимодействия в системе центра инерции). В обычных ускорителях взаимодействие частиц изучается при столкновениях пучка ускоренных частиц с частицами неподвижной мишени. При этом вследствие закона сохранения полного импульса соударяющихся частиц большая часть энергии налетающей частицы расходуется на кинетическую энергию продуктов реакции, и лишь её небольшая часть «включается» в энергию взаимодействия частиц, которая может идти, например, на рождение новых частиц. Относительная доля этой эффективной энергии реакции резко уменьшается по мере нарастания энергии ускоренной частицы. Например, при столкновении двух частиц одинаковой массы m₀, одна из которых покоится, а другая движется с релятивистской (близкой к скорости света с) скоростью, эффективная энергия Е_эфф = = √2Е₀Е, где Е₀ ⁼ m₀с² - энергия покоя частицы, Е - энергия налетающей частицы. Если же сталкиваются частицы с равными по величине и противоположно направленными импульсами, их суммарный импульс равен нулю, и эффективная энергия столкновения равна сумме энергий сталкивающихся частиц.

Для частиц с энергиями Е₁ эффективная энергия Е_эфф ⁼ 2Е₁. Так, для встречных пучков электронов с энергией 1 ГэВ эффективная энергия Е_эфф = 2 ГэВ; такая же эффективная энергия столкновения при одном неподвижном электроне потребовала бы энергии налетающего электрона около 4000 ГэВ. Поэтому в области сверхвысоких энергий обычные ускорители с неподвижной мишенью не могут конкурировать с ускорителями на встречных пучках.

В то же время интенсивность встречных пучков мала по сравнению с плотностью частиц в случае неподвижной мишени. Для увеличения интенсивности перед процессом соударения производится накапливание заряженных частиц в специальных накопительных кольцах, которые, как правило, одновременно используются и как главный ускоритель для повышения энергии накопленных пучков до конечной энергии столкновения (смотри Накопители заряженных частиц).

Основными характеристиками установок с встречными пучками являются светимость, время накопления частиц для достижения заданной светимости, время жизни пучков. Светимость определяется как число событий исследуемого типа в единицу времени при столкновении двух пучков при единичном сечении взаимодействия. Для эффективного изучения процессов взаимодействия в физике высоких энергий (сечение взаимодействия 10^-26-10^-32 см²) величина светимости должна составлять 10²⁸-10³⁴ см^-2с^-1, что соответствует электрическим токам циркулирующих частиц от долей до десятков ампер. Требуемая светимость достигается как за счёт накопления частиц в циркулирующих пучках, так и за счёт уменьшения поперечного сечения пучков при помощи так называемого электронного и стохастического охлаждения (смотри Охлаждение пучков). Благодаря применению развитых методик время жизни накопленных пучков в действующих установках достигает десятка часов, что позволяет обеспечить непрерывный физический эксперимент со стабильным уровнем светимости.

В современных исследованиях используются встречные пучки лёгких (электроны и позитроны), тяжёлых (протоны и антипротоны) и особо тяжёлых (ядра тяжёлых атомов, например ядра атомов золота) частиц. Наиболее распространённые установки с встречными пучками представляют собой многоступенчатую систему, включающую: инжектор, один или два ускорителя до промежуточных энергий, генератор и промежуточный накопитель античастиц, одно, чаще два накопительных кольца с участками пересечения частиц и ряд дополнительных систем управления и контроля. На участках пересечения пучков располагаются сложные измерительные комплексы для детектирования и обработки продуктов реакций столкновения; здесь число частиц, участвующих во всех событиях - «полезных» и фоновых, - достигает миллиона в секунду.

Проведённые на встречных пучках физические исследования ознаменовались рядом выдающихся результатов (открытие W- и Z-бозонов, измерение массы t-кварка и др.). Исследования с применением встречных пучков тяжёлых и особо тяжёлых частиц используются для изучения свойств материи во Вселенной, в том числе на ранних этапах её существования (поиски частиц Хиггса, создание кварк-глюонной плазмы и др.).

Лит.: Коломенский А. А. Физические основы методов ускорения заряженных частиц. М., 1980; Лебедев А. Н., Шальнов А. В. Основы физики и техники ускорителей. 2-е изд. М., 1991.