Большой андронный коллайдер. Что такое большой адронный коллайдер

В 100 метрах под землей, на границе Франции и Швейцарии, расположено устройство, которое способно приоткрыть тайны мироздания. Или, по мнению некоторых, уничтожить всю жизнь на Земле.

Так или иначе, это самая большая машина в мире, и она используется для исследования мельчайших частиц во Вселенной. Это Большой адронный (не андроидный) коллайдер (LHC).

Краткое описание

LHC является частью проекта, который возглавляет Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН). Коллайдер включен в комплекс ускорителей ЦЕРН за пределами Женевы в Швейцарии и используется для разгона пучков протонов и ионов до скорости, приближающейся к скорости света, столкновения частиц друг с другом и записи результирующих событий. Ученые надеются, что это поможет больше узнать о возникновении Вселенной и о ее составе.

Что такое коллайдер (LHC)? Это самый амбициозный и мощный ускоритель частиц, построенный на сегодняшний день. Тысячи ученых из сотен стран сотрудничают и конкурируют друг с другом в поиске новых открытий. Для сбора данных экспериментов предусмотрены 6 участков, расположенные вдоль окружности коллайдера.

Сделанные с его помощью открытия могут стать полезными в будущем, но это не причина его постройки. Цель Большого адронного коллайдера - расширить наши знания о Вселенной. Учитывая, что LHC стоит миллиарды долларов и требует сотрудничества многих стран, отсутствие практического применения может быть неожиданным.

Для чего нужен Адронный коллайдер?

В попытке понять нашу Вселенную, ее функционирование и фактическую структуру, ученые предложили теорию, называемую стандартной моделью. В ней предпринята попытка определить и объяснить фундаментальные частицы, которые делают мир таким, каким он есть. Модель объединяет элементы теории относительности Эйнштейна с квантовой теорией. В ней также учтены 3 из 4 основных сил Вселенной: сильные и слабые ядерные взаимодействия и электромагнетизм. Теория не касается 4-й фундаментальной силы - силы тяжести.

Стандартная модель дала несколько предсказаний о Вселенной, которые согласуются с различными экспериментами. Но есть и другие ее аспекты, которые требовали подтверждения. Один из них - теоретическая частица, называемая бозоном Хиггса.

Его открытие дает ответ на вопросы о массе. Почему материя ею обладает? Ученые идентифицировали частицы, у которых нет массы, например, нейтрино. Почему у одних она есть, а у других - нет? Физики предложили много объяснений.

Самое простое из них - механизм Хиггса. Эта теория гласит, что существует частица и соответствующая ей сила, которая объясняет наличие массы. Ранее она никогда не наблюдалась, поэтому события, создаваемые LHC, должны были либо доказать существование бозона Хиггса, либо дать новую информацию.

Еще один вопрос, которым задаются ученые, связан с зарождением Вселенной. Тогда материя и энергия были одним целым. После их разделения частицы вещества и антиматерии уничтожили друг друга. Если бы количество их было равным, то ничего бы не осталось.

Но, к счастью для нас, во Вселенной материи было больше. Ученые надеются наблюдать антивещество во время работы LHC. Это могло бы помочь понять причину разницы в количестве материи и антиматерии, когда началась Вселенная.

Темная материя

Современное понимание Вселенной предполагает, что пока можно наблюдать лишь около 4% материи, которая должна существовать. Движение галактик и других небесных тел говорит о том, что существует гораздо больше видимого вещества.

Ученые назвали эту неопределенную материю темной. Наблюдаемая и темная материя составляют около 25%. Другие 3/4 исходят от гипотетической темной энергии, которая способствует расширению Вселенной.

Ученые надеются, что их эксперименты либо предоставят дополнительные доказательства существования темной материи и темной энергии, либо подтвердят альтернативную теорию.

Но это лишь верхушка айсберга физики элементарных частиц. Есть еще более экзотические и противоречивые вещи, которые необходимо выявить, для чего и нужен коллайдер.

Большой взрыв в микромасштабах

Сталкивая протоны с достаточно большой скоростью, LHC разбивает их на более мелкие атомные субчастицы. Они очень нестабильны, и до распада или рекомбинации существуют только долю секунды.

Согласно теории Большого взрыва, первоначально из них состояла все материя. По мере расширения и охлаждения Вселенной они объединились в более крупные частицы, такие как протоны и нейтроны.

Необычные теории

Если теоретические частицы, антиматерия и темная энергия, не являются достаточно экзотичными, некоторые ученые считают, что LHC может предоставить доказательства существования других измерений. Принято считать, что мир является четырехмерным (трехмерное пространство и время). Но физики предполагают, что могут существовать и другие измерения, которые люди не могут воспринимать. Например, одна версия теории струн требует наличия не менее 11 измерений.

Адепты этой теории надеются, что LHC предоставит доказательства предлагаемой ими модели Вселенной. По их мнению, фундаментальными строительными кирпичиками являются не частицы, а струны. Они могут быть открытыми или закрытыми, и вибрировать подобно гитарным. Различие в колебаниях делает струны разными. Одни проявляют себя в виде электронов, а другие реализуются как нейтрино.

Что такое коллайдер в цифрах?

LHC представляет собой массивную и мощную конструкцию. Он состоит из 8 секторов, каждый из которых является дугой, ограниченной на каждом конце секцией, называемой «вставкой». Длина окружности коллайдера равна 27 км.

Трубки ускорителя и камеры столкновений находятся на глубине 100 метров под землей. Доступ к ним обеспечивает сервисный туннель с лифтами и лестницами, расположенными в нескольких точках вдоль окружности LHC. ЦЕРН также построил наземные здания, в которых исследователи могут собирать и анализировать данные, генерируемые детекторами коллайдера.

Для управления пучками протонов, движущихся со скоростью равной 99,99% скорости света, используются магниты. Они огромны, весят несколько тонн. В LHC имеется около 9 600 магнитов. Они охлаждаются до 1,9К (-271,25 °C). Это ниже температуры космического пространства.

Протоны внутри коллайдера проходят по трубам со сверхвысоким вакуумом. Это необходимо, чтобы не было частиц, с которыми они могли бы столкнуться до достижения цели. Единственная молекула газа может привести к неудаче эксперимента.

На окружности большого коллайдера есть 6 участков, где инженеры смогут проводить свои эксперименты. Их можно сравнить с микроскопами с цифровой камерой. Некоторые из этих детекторов огромны - ATLAS представляет собой устройство длиной 45 м, высотой 25 м и весом 7 т.

В LHC задействовано около 150 млн датчиков, которые собирают данные и отправляют их в вычислительную сеть. Согласно ЦЕРН объем информации, получаемой во время экспериментов, составляет около 700 МБ/с.

Очевидно, что такому коллайдеру требуется много энергии. Его годовая потребляемая мощность составляет около 800 ГВт∙ч. Она могла быть намного больше, но объект не работает в зимние месяцы. По данным ЦЕРН стоимость энергии составляет порядка 19 млн евро.

Столкновение протонов

Принцип, лежащий в основе физики коллайдера, довольно прост. Сперва производится запуск двух пучков: одного - по часовой стрелке, а второго - против. Оба потока ускоряются до скорости света. Затем их направляют навстречу друг к другу и наблюдают результат.

Оборудование, необходимое для достижения этой цели, намного сложнее. LHC является частью комплекса ЦЕРН. Прежде, чем какие-либо частицы войдут в LHC, они уже проходят ряд шагов.

Во-первых, для получения протонов ученые должны лишить атомы водорода электронов. Затем частицы направляются в установку LINAC 2, которая запускает их в ускоритель PS Booster. Эти машины для ускорения частиц используют переменное электрическое поле. Удерживать пучки помогают поля, создаваемые гигантскими магнитами.

Когда луч достигает нужного энергетического уровня, PS Booster направляет его в суперсинхротрон SPS. Поток ускоряется еще больше и делится на 2808 пучков по 1,1 x 1011 протонов. SPS вводит лучи в LHC по часовой и против часовой стрелки.

Внутри Большого адронного коллайдера протоны продолжают ускоряться в течение 20 минут. На максимальной скорости они совершают 11245 оборотов вокруг LHC каждую секунду. Лучи сходятся на одном из 6 детекторов. При этом происходит 600 млн столкновений в секунду.

Когда сталкиваются 2 протона, они расщепляются на более мелкие частицы, в том числе кварки и глюоны. Кварки очень неустойчивы и распадаются за долю секунды. Детекторы собирают информацию, отслеживая путь субатомных частиц, и направляют ее в вычислительную сеть.

Не все протоны сталкиваются. Остальные продолжают движение до секции сброса луча, где поглощаются графитом.

Детекторы

Вдоль окружности коллайдера расположены 6 секций, в которых производится сбор данных и проводятся эксперименты. Из них 4 детектора основные и 2 меньшего размера.

Самым крупным является ATLAS. Его размеры - 46 х 25 х 25 м. Трекер обнаруживает и анализирует импульс частиц, проходящих через ATLAS. Его окружает калориметр, измеряющий энергию частиц, поглощая их. Ученые могут наблюдать траекторию их движения и экстраполировать информацию о них.

Детектор ATLAS также имеет мюонный спектрометр. Мюоны - это отрицательно заряженные частицы в 200 раз тяжелее электронов. Они единственные способны проходить через калориметр без остановки. Спектрометр измеряет импульс каждого мюона датчиками заряженных частиц. Эти сенсоры могут обнаруживать флуктуации в магнитном поле ATLAS.

Компактный мюонный соленоид (CMS) является детектором общего назначения, который обнаруживает и измеряет субчастицы, высвобождаемые во время столкновений. Прибор находится внутри гигантского соленоидного магнита, который может создать магнитное поле, почти в 100 тысяч раз превышающее магнитное поле Земли.

Детектор ALICE разработан для изучения столкновений ионов железа. Таким образом исследователи надеются воссоздать условия, подобные тем, которые произошли сразу после Большого взрыва. Они ожидают увидеть, как ионы превращаются в смесь кварков и глюонов. Основным компонентом ALICE является камера TPC, служащая для изучения и воссоздания траектории частиц.

LHC служит для поиска доказательств существования антивещества. Он делает это путем поиска частицы, называемой прелестным кварком. Ряд субдетекторов, окружающих точку столкновения, имеет 20 метров в длину. Они могут улавливать очень неустойчивые и быстро распадающиеся частицы прелестных кварков.

Эксперимент ТОТЕМ проводится на участке с одним из малых детекторов. Он измеряет размер протонов и яркость LHC, указывающей на точность создания столкновений.

Эксперимент LHC имитирует космические лучи в контролируемой среде. Его целью является помощь в разработке широкомасштабных исследований реальных космических лучей.

На каждом участке детектирования работает команда исследователей, насчитывающая от нескольких десятков до более тысячи ученых.

Обработка данных

Неудивительно, что такой коллайдер генерирует огромный поток данных. 15 000 000 ГБ, ежегодно получаемых детекторами LHC, ставят перед исследователями огромную задачу. Ее решением является вычислительная сеть, состоящая из компьютеров, каждый из которых способен самостоятельно анализировать фрагмент данных. Как только компьютер завершит анализ, он отправляет результаты на центральный компьютер и получает новую порцию.

Ученые из ЦЕРН решили сосредоточиться на использовании относительно недорогого оборудования для выполнения своих расчетов. Вместо приобретения передовых серверов и процессоров используется имеющееся оборудование, которое может хорошо работать в сети. При помощи специального ПО сеть компьютеров сможет хранить и анализировать данные каждого эксперимента.

Опасность для планеты?

Некоторые опасаются, что такой мощный коллайдер может представлять угрозу для жизни на Земле, в том числе участвовать в формировании черных дыр, «странной материи», магнитных монополий, радиации и т.д.

Ученые последовательно опровергают такие утверждения. Образование черной дыры невозможно, поскольку между протонами и звездами есть большая разница. «Странная материя» уже давно бы могла образоваться под действием космических лучей, и опасность этих гипотетических образований сильно преувеличена.

Коллайдер чрезвычайно безопасен: он отделен от поверхности 100-метровым слоем грунта, а персоналу запрещено находиться под землей во время проведения экспериментов.

(или БАК) - на данный момент самый большой и мощный ускоритель частиц в мире. Эта махина была запущена в 2008 году, но долго работала на пониженных мощностях. Разберемся, что это такое и зачем нужен большой адронный коллайдер.

История, мифы и факты

Идея создания коллайдера была озвучена в 1984 году. А сам проект на строительство коллайдера был одобрен и принят аж в 1995 году. Разработка принадлежит Европейскому центру ядерных исследований (CERN). Вообще запуск коллайдера привлек к себе большое внимание не только ученых, но и простых людей со всего мира. Говорили о всевозможных страхах и ужасах, связанных с запуском коллайдера.

Впрочем, кто-то и сейчас, вполне возможно, ждет апокалипсиса, связанного с работой БАК и тресется от одной мысли о том, что будет, если ч взорвется большой адронный коллайдер. Хотя, в первую очередь все боялись черной дыры, которая, сначала будучи микроскопической, разрастется и благополучно поглотит сначала сам коллайдер, а за ним Швейцарию и весь остальной мир. Также большую панику вызывала аннигиляционная катастрофа. Группа ученых даже подала в суд, пытаясь остановить строительство. В заявлении говорилось, что сгустки антиматерии, которые могут быть получены в коллайдере, начнут аннигилировать с материей, начнется цепная реакция и вся Вселенная будет уничтожена. Как говорил известный персонаж из «Назад в Будущее»:

Вся Вселенная, конечно, в самом худшем случае. В лучшем – только наша галактика. Доктор Эмет Браун.

А теперь попытаемся понять, почему он адронный? Дело в том, что он работает с адронами, точнее разгоняет, ускоряет и сталкивает адроны.

Адроны – класс элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию. Адроны состоят из кварков.

Адроны делятся на барионы и мезоны. Чтобы было проще, скажем, что из барионов состоит почти все известное нам вещество. Упростим еще больше и скажем, что барионы - это нуклоны (протоны и нейтроны, составляющие атомное ядро).

Как работает большой адронный коллайдер

Масштаб очень впечатляет. Коллайдер представляет собой кольцевой туннель, залегающий под землей на глубине ста метров. Длина большого адронного коллайдера составялет 26 659 метров. Протоны, разогнанные до скоростей близких к скорости света, пролетают в подземном круге по территории Франции и Швейцарии. Если говорить точно, то глубина залегания туннеля лежит в пределах от 50 до 175 метров. Для фокусировки и удержания пучков летящих протонов используются сверхпроводящие магниты, их общая длина составляет около 22 километров, а работают они при температуре -271 градусов по Цельсию.

В составе коллайдера 4 гигантских детектора: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb. Помимо основных больших детекторов, есть еще и вспомогательные. Детекторы предназначены для фиксации результатов столкновений частиц. То есть после того, как на околосветовых скоростях сталкиваются два протона, никто не знает чего ожидать. Чтобы «увидеть», что получилось, куда отскочило и как далеко улетело, и существуют детекторы, напичканные всевозможными датчиками.

Результаты работы большого адронного коллайдера.

Зачем нужен коллайдер? Ну уж точно не для того, чтобы уничтожить Землю. Казалось бы, какой смысл сталкивать частицы? Дело в том, что вопросов без ответов в современной физике очень много, и изучение мира с помощью разогнанных частиц может в буквальном смысле открыть новый пласт реальности, понять устройство мира, а может быть даже ответить на главный вопрос «смысла жизни, Вселенной и вообще».

Какие открытия уже совершили на БАК? Самое знаменитое – это открытие бозона Хиггса (ему мы посвятим отдельную статью). Помимо того были открыты 5 новых частиц , получены первые данные столкновений на рекордных энергиях , показано отсутствие асимметрии протонов и антипротонов , обнаружены необычные корреляции протонов . Список можно продолжать долго. А вот микроскопических черных дыр, которые наводили страх на домохозяек, обнаружить не удалось.

И это при том, что коллайдер еще не разогнали до его максимальной мощности. Сейчас максимальная энергия большого адронного коллайдера – 13 ТэВ (тера электрон-Вольт). Однако, после соответствующей подготовки протоны планируют разогнать до 14 ТэВ . Для сравнения, в ускорителях- предшественниках БАК максимально полученные энергии не превышали 1 ТэВ . Так разгонять частицы мог американский ускоритель Тэватрон из штата Иллинойс. Энергия, достигнутая в коллайдере - далеко не самая Большая в мире. Так, энергия космических лучей, зафиксированных на Земле, превышает энергию частицы, разогнанной в коллайдере в миллиард раз! Так что, опасность большого адронного коллайдера минимальна. Вполне вероятно, что после того, как все ответы будут получены с помощью БАК, человечеству придется строить еще один коллайдер по-мощнее.

Друзья, любите науку, и она обязательно полюбит Вас! А помочь Вам полюбить науку легко смогут . Обращайтесь за помощью, и пусть учеба приносит радость!

Большой адронный коллайдер (БАК) - это ускоритель заряженных частиц, с помощью которого физики смогут узнать о свойсвтах материи значительно больше, чем было известно раньше. Ускорители используются для получения заряженных элементарных частиц высоких энергий. В основе работы практически любого ускорителя лежит взаимодействие заряженных частиц с электрическим и магнитным полями. Электрическое поле напрямую совершает работу над частицей, то есть увеличивает её энергию, а магнитное поле, создавая силу Лоренца, только отклоняет частицу, не изменяя её энергии, и задаёт орбиту, по которой движутся частицы.

Коллайдер (англ. collide - "сталкиваться") - ускоритель на встречных пучках, предназначенный для изучения продуктов их соударений. Позволяет придать элементарным частицам вещества высокую кинетическую энергию, направить их навстречу друг другу, чтобы произвести их столкновение.

Почему "большой адронный"

Большим коллайдер назван, собственно, из-за своих размеров. Длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м; адронным - из-за того, что он ускоряет адроны, то есть тяжёлые частицы, состоящие из кварков.

Построен БАК в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (ЦЕРН), на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы. На сегодняшний день БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. Руководителем этого масштабного проекта является британский физик Лин Эванс, а в строительстве и исследованиях принимали и принимают участие более 10 тыс. учёных и инженеров из более чем 100 стран.

Небольшой экскурс в историю

В конце 60-х годов прошлого века физиками была разработана так называемая Стандартная модель. Она объединяет три из четырёх фундаментальных взаимодействий - сильное, слабое и электромагнитное. Гравитационное взаимодействие по-прежнему описывают в терминах общей теориии относительности. То есть, на сегодняшний день фундаментальные взаимодействия описываются двумя общепринятыми теориями: общей теорией относительности и стандартной моделью.

Считается, что стандартная модель должна быть частью некоторой более глубокой теории строения микромира, той частью, которая видна в экспериментах на коллайдерах при энергиях ниже примерно 1 ТэВ(тераэлектронвольт). Главная задача Большого адронного коллайдера - получить хотя бы первые намеки на то, что это за более глубокая теория.

В число основных задач коллайдера входит также открытие и подтверждение Бозона Хиггса. Это открытие подтвердило бы Стандартную Модель возникновения элементарных атомных частиц и стандартной материи. Во время запуска коллайдера на полную мощность целостность Стандартной Модели будет разрушена. Элементарные частицы, свойства которых мы понимаем лишь частично, не будут в состоянии поддерживать свою структурную целостность. У Стандартной Модели есть верхняя граница энергии 1 ТэВ, при увеличении которой частица распадается. При энергии в 7 ТэВ могли бы быть созданы частицы с массами, в десять раз больше чем ныне известные.

Технические характеристики

Предполагается сталкивать в ускорителе протоны с суммарной энергией 14 ТэВ (то есть 14 тераэлектронвольт или 14·1012 электронвольт) в системе центра масс налетающих частиц, а также ядра свинца с энергией 5 ГэВ (5·109 электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов.

Светимость БАК во время первых недель работы пробега была не более 1029 частиц/см²·с, тем не менее она продолжает постоянно повышаться. Целью является достижение номинальной светимости в 1,7·1034 частиц/см²·с, что по порядку величины соответствует светимостям BaBar (SLAC, США) и Belle(KEK, Япония).

Ускоритель расположен в том же туннеле, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер, под землёй на территории Франции и Швейцарии. Глубина залегания туннеля - от 50 до 175 метров, причём кольцо туннеля наклонено примерно на 1,4 % относительно поверхности земли. Для удержания, коррекции и фокусировки протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км. Магниты работают при температуре 1,9 K (−271 °C), что немного ниже температуры перехода гелия в сверхтекучее состояние.

Детекторы БАК

На БАК работают 4 основных и 3 вспомогательных детектора:

• ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
• ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)
• CMS (Compact Muon Solenoid)
• LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment)
• TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement)
• LHCf (The Large Hadron Collider forward)
• MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC).

Первый из них настроен для исследования столкновений тяжёлых ионов. Температура и плотность энергии образованной при этом ядерной материи достаточной для рождения глюонной плазмы. Внутренняя система слежения (ITS) в ALICE состоит из шести цилиндрических слоев кремниевых датчиков, окружающих пункт столкновения и измеряющих свойства и точные положения появляющихся частиц. Таким образом могут быть легко обнаружены частицы, содержащие тяжелый кварк.

Второй предназначен для исследования столкновений между протонами. Длина ATLAS – 44 метра, 25 метров в диаметре и вес приблизительно 7000 тонн. В центре тоннеля сталкиваются лучи протонов, это самый большой и самый сложный из когда либо построенных датчиков такого типа. Датчик фиксирует все, что происходит во время и после столкновения протонов. Целью проекта является обнаружение частиц, до этого не зарегистрированных и не обнаруженных в нашей вселенной.

CMS - один из двух огромных универсальных детекторов элементарных частиц на БАК. Около 3600 ученых из 183 лабораторий и университетов 38 стран, поддерживают работу CMS (На рисунке - устройство CMS).

Самый внутренний слой - основанный на кремнии трекер. Трекер - самый большой в мире кремниевый датчик. У этого есть 205 m2 кремниевых датчиков (приблизительно область теннисного корта), включающих 76 миллионов каналов. Трекер позволяет измерять следы заряженных частиц в электромагнитном поле.

На втором уровне находиться Электромагнитный калориметр. Адронный Калориметр, находящийся на следующем уровне, измеряет энергию отдельных адронов, произведенных в каждом случае.

Следующий слой CMS Большого Адронного Коллайдера – огромный магнит. Большой Соленоидный Магнит составляет 13 метров в длину и имеет 6-метровый диаметр. Состоит он из охлаждаемых катушек, сделанных из ниобия и титана. Этот огромный соленоидный магнит работает на полную силу, чтоб максимизировать время существования частиц соленоидный магнит.

Пятый слой - мюонные детекторы и ярмо возврата. CMS предназначен для исследования различных типов физики, которые могли бы быть обнаружены в энергичных столкновениях LHC. Некоторые из этих исследований заключаются в подтверждении или улучшенных измерениях параметров Стандартной Модели, в то время как многие другие - в поисках новой физики.

О Большом адронном коллайдере можно рассказывать много и долго. Надеемся, что наша статья помогла разобраться в том, что же такое БАК и для чего он необходим учёным.

1.1 . Физические основы коллайдеров

Коллайдеры (ускорители со встречными пучками) - это установки, в которых осуществляется столкновение встречных ускоренных пучков заряженных частиц.
В обычных ускорителях пучок частиц, ускоренных до высокой энергии, взаимодействует с частицами неподвижной мишени. При этом вследствие закона сохранения полного импульса большая часть энергии налетающих частиц расходуется на сохранение движения центра масс системы, т.е. на сообщение кинетической энергии частицам - продуктам распада. Лишь небольшая ее часть определяет полезную и эффективную энергию столкновения - энергию взаимодействия частиц в системе их центра масс (центре инерции), которая может расходоваться, например, на рождение новых частиц.
При неподвижной мишени частица мишени с массой покоя m 0 в лабораторной системе отсчета имеет в центре масс энергию покоя E 0 = m 0 c 2 , а другая, налетающая частица, обладающая той же массой покоя m 0, движется в этой системе с релятивистской скоростью и обладает несравнимо большей энергией, чем покоящаяся частица (Е >> E 0). Энергия в системе центра масс (центра инерции) определяется формулой . Чем больше Е, тем меньшая ее доля составляет эффективную энергию взаимодействия частиц.
Если же сталкиваются частицы, движущиеся с равными по величине, но противоположно направленными импульсами, то их суммарный импульс равен нулю. В этом случае лабораторная система отсчета совпадает с системой центра масс частиц и эффективная энергия столкновения равна сумме энергий сталкивающихся частиц. Для легких частиц с одинаковыми массами и энергией Е, Е цм = 2E эта кинетическая энергия может быть полностью использована на взаимодействие. .
В системе центра масс частицы движутся навстречу друг другу с одинаковыми импульсами и энергиями E, суммарный импульс продуктов реакции равен нулю. Вся начальная энергия расходуется на интересующее нас рождение частиц, на проникновение в мелкомасштабную структуру материи.
При столкновении частиц их энергия передается мельчайшим "капелькам" вещества, которые "взрываются", и мы наблюдаем разлет образовавшихся частиц. Исследователи узнают об устройстве вещества на мелкомасштабном уровне по специфическим распределениям этих частиц или по родившимся новым частицам (большинство из которых живут очень недолго) .
Преимущество процесса взаимодействия на встречных пучках особенно велико для легких частиц - электронов, позитронов (из-за их малой энергии покоя). Ускорители с неподвижной мишенью и ускорители на встречных пучках считаются эквивалентными, если при одних и тех же сталкивающихся частицах они имеют одинаковые полезные энергии, затрачиваемые непосредственно на реакцию взаимодействия в центре масс. Формула, связывающая кинетические энергии частиц в эквивалентных ускорителях с неподвижной мишенью Е н и на встречных пучках Е цм. в ультрарелятивистском случае имеет вид : Е н = Е 2 цм. /2Е 0 . Используя это соотношение, можно подсчитать энергию для ускорителя с неподвижной мишенью, эквивалентного коллайдеру.
Расчет показывает, что для получения кинетической энергии эквивалентной энергии БЭПК (LEP), равной Е цм = 0,209 ТэВ без использования встречных пучков энергия ускорителя должна была бы составлять E н = 4,274×10 4 ТэВ, а Е н.. / Е цм =2·10 5). Те же величины для адронного коллайдера LHC составляют E н = 1,044·10 5 ТэВ и Е н.. / Е цм =7500 (LEP и LHC - самые большие из построенных электрон-позитронных и адронных кольцевых коллайдеров) Из приведенных результатов расчета видно, что только используя схему встречных пучков, мы имеем возможность получать очень высокие эффективные энергии.
При использовании меньших энергий можно было бы обойтись и традиционными ускорителями, однако реализация принципа столкновения частиц позволяет сделать установку существенно более компактной.

1.2 . Сравнение кольцевых и линейных коллайдеров. Синхротронное излучение

Как видно из Табл. 1а, за исключением коллайдера SLAC (СЛК, SLC), все построенные коллайдеры были кольцевыми. Кольцевые коллайдеры практически всегда более компактны, чем линейные. Необходимо отметить, однако, что использование кольцевых траекторий для ускорения легких частиц ограничивается сильным синхротронным излучением, возникающим при их вращении.
Энергия синхротронного излучения U для релятивистской частицы зависит от её массы m 0 энергии Е, радиуса траектории ρ и определяется формулой :

(1.1)

Из-за большой разницы между массой покоя электронов и протонов при одинаковых энергиях и радиусах вращения мощность синхротронного излучения электронного пучка будет в 1013 раз больше чем протонного.
В коллайдере БЭПК (LEP), где вращающийся пучок характеризовался следующими параметрами:
Е ≈ 100 ГэВ, ρ = 4 км, В = 0,75 Тл, потери энергии на один оборот составляли 2 ГэВ. В случае протонных коллайдеров коэффициент 8,85×10 -5 в формуле (1.1) должен быть заменен на 7,8×10 -18 .
Из-за больших синхротронных потерь, электрон - позитронные кольцевые коллайдеры на энергию в центре масс боٰльшую 208 БэВ не создавались. Тем не менее в работе рассматривался проект электрон - позитронного коллайдера, расположенного в тоннеле того же диаметра, что и коллайдер БЭПК (длина кольца 22,8 км). При светимости 10 32 см -2 с -1 энергия каждого пучка должна была бы составить 400 ГэВ. Чтобы покрыть потери на синхротронное излучение пришлось бы затратить 100 ГВ ВЧ мощности.
В настоящее время при использовании электронов (позитронов) перспективными в ТэВ-м диапазоне в первую очередь считаются линейные коллайдеры. В тоже время разрабатываются кольцевые мюонные коллайдеры, где сталкиваются элементарные частицы с массой значительно превышающей массу электронов. Предполагается, что первые мюонные коллайдеры будут обладать энергией в центре масс 0,1 - 3 ТэВ и светимостью (1 - 5)×10 34 см -2 с -1 .

1.3 . Основные параметры коллайдеров

Первая основная характеристика коллайдера - энергия его пучков - выбирается исходя из задач физики элементарных частиц, которые предполагается решать при его создании. Обычно круг этих задач оказывается весьма широким. В Табл.2 -1 приведены данные о некоторых экспериментах, которые проводятся или будут проводиться в ряде коллайдеров высокой энергии. Краткие сведения о частицах, сталкиваемых в коллайдерах и о задачах, решаемых в физике элементарных частиц, будут рассмотрены в следующем разделе.
Светимость коллайдера является его второй важнейшей характеристикой. С увеличением светимости увеличивается число сталкивающихся частиц. Геометрическая светимость зависит от частоты (f) cтолкновений сгустков, числа частиц в сгустке каждого пучка (n 1 и n 2) и от поперечного сечения сгустка (S). Светимость (L) определяется формулой :

При столкновении частиц между ними может произойти взаимодействие, а может и не произойти. Имеется возможность определить только вероятность того или иного исхода столкновения. Вероятность взаимодействия определяется величиной поперечного эффективного сечения взаимодействия σ, которое имеет размерность площади (см 2) и определяется формулой:

где N - число частиц, которые испытали взаимодействие в единицу времени (неупругие столкновения). Величина σ обычно выражается в миллибарнах (1 мбарн = 10 -27 см 2). В работе и в ряде других работ приводится формула, определяющая величину светимости, где учитываются эмиттанс пучка, гауссово распределение электронов в сгустке, учитывается также величина полного угла столкновения сгустков.
Часто используют понятие интегральной светимости (или интеграл светимости), то есть светимость, умноженная на время работы ускорителя в течение «стандартного ускорительного года. Длительность одного стандартного года обычно принимают равным 10 6 - 10 7 секунд, что примерно равно четырем месяцам. Интегральную светимость обычно выражают в обратных пикобарнах (пбарн -1) или обратных фемтобарнах (фбарн -1).
Для того чтобы узнать, как часто будет происходить какой-то процесс на конкретном коллайдере, надо умножить сечение процесса на светимость коллайдера (N = σL). Из-за неидеальной эффективности детектора количество реально зарегистрированных событий будет, конечно, меньше.
Не всегда стремятся к получению максимально возможной светимости. Если в каждом сгустке адронного коллайдера будет очень много частиц, то при их столкновении одновременно будет происходить несколько независимых протон-протонных столкновений. Детектор будет фиксировать наложенные друг на друга следы сразу всех этих столкновений, что затруднит анализ процесса взаимодействия.
Поскольку сечение процессов убывает как квадрат энергии частиц, светимость коллайдеров на большую энергию должна быть исключительно высокой. Значения светимости некоторых построенных коллайдеров приведены выше в Табл.1-В и 2-В

Таблица № 2.1. Исследования, проводимые на некоторых коллайдерах

Проектное значение введенного в 2009 г в эксплуатацию Большого адронного коллайдера БАК (LHC) в ЦЕРН определено в L =10 34 см -2 с -1 . Если предположить что поперечное эффективное сечение взаимодействия в центре масс в коллайдере БАК составляет σ = 80 мб , то при работе БАК на энергии в центре масс 14 ГэВ величина N = 8×10 8 с - 1 .
Предполагается, что продолжительность работы коллайдера составит примерно 10 7 с в год, а его интегральная светимость за год составит около 10 41 см -2 . При σ = 80 мб в год может происходить 8×10 15 событий. В большинстве из этих событий будет рождаться несколько тысяч частиц. Никакие электронные и компьютерные системы не в состоянии обработать такой поток информации. Столь высокая светимость, однако, необходима при исследовании крайне редких событий с малым поперечным сечением, которые характерны для новой физики. При хорошей электронике, позволяющей осуществлять надежный отбор событий с заранее известными признаками, можно получать информацию примерно до ста событий в год в процессе с очень низким сечением σ = 1 фб. Именно для работы с такими событиями и нужна высокая светимость коллайдера .
К третьей основной характеристике коллайдера можно отнести тип сталкивающихся частиц. Из приведенных выше Табл.1-В и Табл.2-В видно, что построены и используются как электрон - позитронные, протон-антипротонные коллайдеры, так и электрон-протонные коллайдеры. Следует отметить, что применение античастиц не является обязательным, так как разница в знаке заряда мало влияет на результаты физических исследований. Отличие в знаке заряда больше влияет на конструкцию коллайдера В кольцевых коллайдерах использование частиц и античастиц позволяет осуществлять их движение по одному каналу (трубе), как это делается, например, в коллайдере Теватрон. В тоже время в коллайдере БАК сталкиваются только протоны или ионы свинца одного знака. Для этого, однако, потребовалась проводка сталкивающихся частиц по двум разным каналам.
Электрон-позитронные линейные коллайдеры имеют определенные преимущества перед адронными коллайдерами в части анализа результатов, получаемых в экспериментах. В тоже время, из-за отсутствия накопительных колец, в них труднее получать высокую светимость.
Сравнение характера столкновений в электрон-позитронных и адронных коллайдерах рассматриваются в следующих разделах.

1.4 . Краткие сведения о физике элементарных частиц

В настоящее время основу физики элементарных частиц представляет «Стандартная модель» - квантово-механическая теория локальных полей. В ней рассматриваются поля каждого типа элементарных частиц (кроме гравитационного поля). Колебания таких полей переносят энергию и импульс с одного места пространства в другое. Согласно квантовой механике волны собираются в пакеты, или кванты, которые наблюдаются в лаборатории в виде элементарных частиц.
В «Стандартной модели» (Табл.3.1) фермионы это - элементарные частицы, из которых складывается вещество Они представлены двумя видами полей: полями лептонов (лептон от греческого «leptos» - легкий) и полями кварков («quark» - фундаментальная частица в стандартной модели). Фермионы разбиты на три поколения. Каждый член следующего поколения имеет массу большую, чем соответствующая частица предыдущего. Все обычные атомы содержат частицы первого поколения. Второе и третье поколения заряженных частиц не присутствуют в обычной материи и наблюдаются только в условиях очень высоких энергий.

Таблица № 3.1. Стандартная модель

Квантами лептонных полей являются: электроны, более тяжелые частицы - мюоны, таоны, и электрически нейтральные частицы, известные как нейтрино.
Квантами полей кварков являются: верхний, нижний, очаровательный, странный, истинный и прелестный кварки. Некоторые из кварков связаны вместе внутри протонов и нейтронов, составляющих ядра обычных атомов. Составные части ядра: протоны и нейтроны тоже являются фермионами.
Силы взаимодействия между частицами, обусловлены процессами обмена фотонами, W + , W - и Z 0 частицами, а также восемью типами глюонов (gluon), Переносчики взаимодействий получили название калибровочных бозонов .
Электромагнитное взаимодействие имеет место между заряженными частицами. Под действием электромагнитных сил не происходит изменения частиц, они только притягиваются или отталкиваются. Переносчиком взаимодействия являются фотоны. Электромагнитное взаимодействие удерживает электроны в атомах и связывает атомы в молекулах и кристаллах.
Сильному взаимодействию подвержены кварки. Оно связывает их вместе, образуя протоны, нейтроны и другие комбинированные частицы. Сильное взаимодействие влияет на связь между протонами и нейтронами в атоме. Переносчиками этого возбуждения являются глюоны. Это самое сильное взаимодействие в природе. Оно является преобладающим видом взаимодействия в ядерной физике высоких энергий. Взаимодействие ограничивается весьма короткими расстояниями.
Слабое взаимодействие имеет место между кварками и лептонами. Наиболее известный эффект слабого взаимодействия - видоизменение кварков, которое в свою. очередь, заставляет нейтрон распадаться на протон, электрон и анти-нейтрино.
Переносчиками возбуждения являются W + , W - и Z 0 бозоны. Слабое взаимодействие, проявляется при бета-распаде радиоактивных ядер, имеет очень малую дальность.
Четвертой силой взаимодействия является сила гравитации. В квантовой теории предполагается, что переносчиком гравитационного взаимодействия является гравитон. Гравитон - частица, не имеющая массы. Она обладает спином, равным 2.
Гравитационное взаимодействие универсально. В нем участвуют все частицы. Это взаимодействие является самым слабым. Оно связывает части земного шара, объединяет Солнце и планеты в Солнечную систему, связывает звезды в галактиках, определяет крупномасштабные события Вселенной .
. Гравитационное поле описывалось Общей теорией относительности Эйнштейна. В первой половине ХХ века предпринимались многочисленные попытки создания единой теории фундаментальных взаимодействий, включающей гравитацию. Однако ни одной полностью удовлетворительной модели пока предложено не было. Это, в частности, связано с тем, что общая теория относительности и теории, описывающие другие взаимодействия различны по своей сути. Тяготение описывается искривлением пространства-времени, и в этом смысле гравитационное поле нематериально, в то время как другие поля являются материей . Их объединения пока не удалось достичь также из-за трудностей создания квантовой теории гравитации. В настоящее время для объединения фундаментальных взаимодействий используются различные подходы: теория струн , петлевая квантовая гравитация , а также М-теория .
Стандартная Модель предполагает существование еще одного поля, которое практически неотделимо от пустого пространства и не совпадает с гравитационным полем. Его принято называть полем Хиггса. Считается, что все пространство заполнено этим полем и что все фундаментальные частицы (лептоны, кварки и калибровочные бозоны) приобретают массу в результате взаимодействия с полем Хиггса.
Квантами этого поля являются бозоны Хиггса. Бозон Хиггса теоретически предсказан в 1964 году шотландским физиком П. Хиггсом .
Бозон Хиггса — последняя до сих пор не найденная частица «Стандартной модели».
Эта частица так важна, что нобелевский лауреат Леон Ледерман назвал её «частицей-бога» . Предполагается наличие четырех или даже пяти бозонов Хиггса, которые являются скалярными частицами, т.е. имеют нулевой спин. О пяти разновидностей бозона Хиггса с разными зарядами (три нейтральных, один положительный и один отрицательный) сообщается в работе .
Долгое время предполагалось, что верхняя граница массы бозона Хиггса менее 1 ТэВ.
Однако в 2004 г. на коллайдере Теватрон при обработке данных эксперимента, полученных по определению массы t - кварка, значение верхней границы массы бозона Хиггса было ограничено 251 ГэВ.
Исследования по обнаружению бозона Хиггса проводились и продолжаются на ряде других коллайдерах. Широкий цикл исследований по нахождению бозона Хиггса был осуществлен на коллайдере LEP c энергией в центре масс 208 ГэВ, но успехом не увенчался.
Ожидается, что экспериментальное подтверждение наличия бозонов Хиггса и уточнение их
характеристик будет выполнено на коллайдере БАК.
Как видно из Табл. 2.1 на нескольких коллайдерах ведутся исследования состояния материи, называемой кварк-глюонной плазмой, где цветные кварки и глюоны, как свободные частицы, образуют непрерывную среду, называемую хромоплазмой. Проводимость хромоплазмы аналогична электропроводимости, возникающей в электрон-ионной плазме . По современным представлениям кварк-глюонная плазма образуется при высоких температурах и/или больших плотностях адронной материи. Предполагают, что в естественных условиях эта плазма существовала в первые 10 -5 с после Большого взрыва. Эти условия могут присутствовать в центре нейтронных звезд. Переход в состояние кварк-глюконной плазмы может происходить при температуре, соответствующей кинетической энергии ~200 МэВ.
Первые экспериментальные результаты, касающиеся кварк-глюонной плазмы были получены в в 1990 г. в ЦЕРН на Супер протонном синхронтроне, СПС (SPS). Затем в 2000 г., также в ЦЕРН было объявлено об открытия этого «нового состояния материи». Дальнейшие исследования проводились на коллайдере RHIC. Считается, что для образования кварк-глюонной плазмы необходима энергия ~3,5 ТэВ. В 2010 г было сообщено, что по предварительным данным температура плазмы составила 3,5 -4 триллиона градусов Цельсия. Работы велись при столкновении в RHIC ионов свинца и золота. Коллайдер работал при энергии в центре масс ~ 33 ТэВ .
В ноябре 2010 г работа с ионами свинца и получением кварк-глюонной плазмы началиcь на Большом адроном коллайдере LHC. В течение первой недели была получена кварк-глюонная плазма с температурой в десятки триллионов градусов .
Одним из важных направлений физики элементарных частиц является изучение вопросов симметрии. Так на коллайдерах PEP II и KEK-B, которые, в частности являются фабриками В - мезонов исследуются вопросы нарушения СP cимметрии (С - зарядная симметрия, трансформация частицы в античастицу). P - пространственная симметрия, зеркальное отображение системы . Сначала физики полагали, что при проведении симметричного преобразования любого взаимодействия между частицами результат будет неизменен - симметрия сохранится. Однако экспериментальные исследования показали, что при слабых взаимодействиях происходит нарушение как Р-, так и С- симметрии . Изучение вопросов нарушения симметрии на коллайдерах PEP II и KEK-B эффективно благодаря их высокой светимости.
В ближайшее время изучение вопросов симметрии будет проводиться при очень высоких энергиях коллайдера БАК, что позволит измерить гораздо большее число распадов В-мезонов с нарушением СР симметрии, чем в предыдущих экспериментах. Стандартная модель пройдет еще одну доскональную проверку, и появится объяснение того, почему природа предпочла вещество антивеществу .
Основная цель повышения энергии ускоренных частиц состоит в том, что это дает возможность изучать взаимодействие частиц на все меньших расстояниях и за более короткие времена. Удается изучать внутреннюю структуру элементарных частиц, обладающих крайне малыми размерами
Не предвидится никаких оснований полагать, что квантовая теория поля не работает вплоть до масштабов, соизмеримых с длиной Планка где начинают проявляться квантовые эффекты гравитации и где структура материи соответствует расстояниям порядка 10 -33 см и массе планка m p ≈ ћc/G) 1/2 ≈ 1.2×10 19 ГэВ/c 2 , т. е энергии в центре масс ≈10 19 ГэВ (ћ - постоянная Дирака, с -скорость света, G- гравитационная постоянная)
Наименьший доступный масштаб изучаемых явлений при столкновении частиц с импульсами p (энергия E = (p 2 c 2 + m 2 c 4) 1/2 определяется длиной волны l = h/p = hc/E.
Для решения данной задачи и используются соударения элементарных частиц в коллайдерах.
Сотни экспериментов уже позволили проникнуть в структуру материи, которая характеризуется расстояниями 10 -18 см . Конечно, создание коллайдеров на энергию в центре масс ≈ 10 7 ТэВ для реализации расстояний в 10 -33 см не представляется возможным.

1.5 . Сравнение адронных и лептонных коллайдеров

Представляет интерес рассмотреть некоторые преимущества и недостатки адронных и электрон - позитронных коллайдеров.
Адроны: протоны и антипротоны являются составными частицами, состоящими из трех кварков (двух u-кварков с электрическим зарядом +2/3 и одного d-кварка с зарядом -1/3, которые скреплены вместе глюонным полем (смотри также Табл.3.1 и ) Однако, если протон летит со скоростью очень близкой к скорости света, он оказывается заполненным в основном глюонами, а кварков и антикварков в нём содержится заметно меньше. Протоны и антипротоны в таких условиях выглядят практически одинаково, и поэтому нет особой разницы, сталкиваются ли протоны с протонами или протоны с антипротонами. Глюонное поле в нём перестает быть просто связывающей силой и материализуется в виде потока частиц — глюонов, — которые летят рядом с кварками. Быстро летящий протон состоит из перемешанных друг в друге глюонных, кварковых и даже антикварковых «облаков» — партонных плотностей.
Когда два протона сталкиваются лоб в лоб, то один кварк из одного протона сталкивается с кварком из встречного протона, а остальные партоны просто пролетают мимо. При столкновении партоны получают сильный «удар», выбивающий их из родительских протонов. Однако глюонное поле обладает конфайнментом - явлении, состоящем в невозможности получения кварков в свободном состоянии. В экспериментах наблюдаются только агрегаты кварков, состоящие из двух мезонов или трёх кварков (барионы). Происходит адронизация — энергия удара тратится на рождение многочисленных адронов. В этом процессе партоны - «наблюдатели» уже принимают самое активное участие. Можно хорошо рассчитать процессы с отдельными кварками или глюонами, но точно описать адронизацию пока не удается. В связи с адронизацией протон-протонное столкновение сильно отличается от столкновения лептонов (например электрон-позитрон). Процесс анализа p - p + столкновений весьма сложен.
Связь между теорией и экспериментом при адронных столкновениях не столь непосредственна, как в электрон-позитронных столкновениях. В экспериментах на адронных коллайдерах более сложно определить свойства новых частиц.
В отличие от протона, электрон и позитрон - элементарные частицы, и энергия, выделяемая при их столкновениях, определяется с высокой точностью. Электрон- позитронные коллайдеры позволяют легче определять так же другие характеристики, открываемых частиц .
Построенные адронные коллайдеры обладают очень большой энергией в центре масс. Однако далеко не вся эта энергия может быть использована на рождение новых частиц. Так для БАК из полной энергии 14 ТэВ полезно используется только энергия в 2 ТэВ. В случае электрон-позитронных ускорителей практически вся энергия оказывается полезной . Таким образом, при одинаковой энергии в центре масс электрон-позитронные коллайдеры имеют 5 -10 кратное преимущество перед адронными коллайдерами .
Характеризуя электрон-позитронные линейные коллайдеры следует отметить, что частота повторения соударений встречных сгустков мала по сравнению с кольцевыми электрон- позитронными коллайдерами. Следует еще раз отметить, что основной недостаток линейных коллайдеров состоит в том, что каждый сгусток электронов и позитронов используется только один раз.
Вблизи плотного потока заряженных частиц электромагнитное поле, ими возбуждаемое очень велико. Излучение в этом поле приводит к большим потерям энергии сталкивающихся частиц и увеличивает уровень шума. Для его ослабления пучки растягивают в одном из поперечных направлений .
Благодаря малому эмиттансу пучков и очень сильной их фокусировке, в линейных коллайдерах надеются получить светимость в центре масс, равную ((2-6) ×10 34 см -2 с -1 , не уступающую светимости кольцевых коллайдеров.

Литература к Введению и Главе 1

Properties of an intersecting beam accelerating system”// Kerst D. W./ CERN Symposium, v. I, Gen., 1956, p. 36 http://cdsweb.cern.ch/record/1241555/files/p36.pdf

«Ускорители и встречные пучки» // Г.И. Будкер / В кн.: Труды VII Международной конференции по ускорителям заряженных частиц высоких энергий, т. 1, Ер., 1970, с. 33; Встречные пучки. Шестое Всесоюзное совещание по ускорителям заряженных частиц (Дубна, 1978), Дубна, 1978, с. 13; X Международная конференция по ускорителям заряженных частиц высоких энергий (Протвино, 1977), т. 1, Серпухов, 1977,.

«Ускорители на встречных пучках» // В. П. Дмитриевский./ Большая советская энциклопедия http://slovari.yandex.ru/~книги/БСЭ/Ускорители%20на%20встречных%20пучках .

« Физика хиггсовского бозона на будущих фотонных коллайдерах»// И.П.Иванов/ http://hnature.web.ru/db/msg.html?mid=1181352

« Темная энергия вселенной» // В. Лукин, Е. Михеева /«Вокруг света» № 9 (2816). Сентябрь 2008.

«Поиски частиц темной энергии»// В.А.Рябов и др./»Успехи физических наук» Том 1788,№11 с.1129-1161

“CLIC 2008 PARAMETERS”// H. Braun et all / CLIC-Note-764

“Design Study of the CLIC Injector and Booster Linacs With the 2007 Beam Parameters”// A. Ferrari et al./ CLIC - Note -737

”A Very Large Lepton Collider in the WLHC tunnel”//T.Sen and J.Norem /www.capp. ill.edu/workshops//opem/References/sen.pdf.

“Эксперимент”// Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Э.И. Кэбин / Web-публикация на основе учебного пособия Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Э.И. Кэбин. "Частицы и ядра. Эксперимент", М.: Издательство МГУ, 2005. http://nuclphys.sirp.msu.ru /experiment/

“Коллайдер” // Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Э.И. Кэбин / http://nuclphys.sirp.msu.ru/experiment/accelerators/collider.htm .

“ LHC Machine”//L. Evans and P.Bryant (editirs)/ Published by Institute of Physics Publishing and SISSA, 2008 JINST 3 SO8001

“Физика на Большом адроном коллайдере”/ / ”Успехи Физических Наук”, Том179, №6. Июнь 2009 г., с.571-579 (устный выпуск журнала «Успехи физических наук»)

« Единая физика к 2050» // С. Вайнберг, перевод А. Крашеницы/ http://www.scientifisic.ru/journal/weinberg/weinberg,html .

« Эксперименты на адронных коллайдерах» http://elementy.ru/LHC/experiments

«Физика ядра и элементарных частиц. Элементарные частицы» //В. Каланов/ http://znaniya-sila.narod.ru/phisics/phisics_atom_02.htm

«Четыре основных вида сил в природе»// Ч.Киттель, У.Найт, М. Рудерман/ Берклеевский Курс Физики. Том 1. Механика, стр.456

«Основы физики элементарных частиц. Строение материи»// http://physics03.narod.ru/Interes/Doclad/bak3.htm

«Фундаментальные взаимодействия»// http://ru.wikipedia.org/wiki/Фундаментальные_взаимодействия

«За гранью БАК: будущие коллайдеры» // Д. Борн/ http://www.3dnews.ru/news/za_granu_bak_budushie_kollaideri/

«Грядущие революции в фундаментальной физике» //Дэвид Гросс/ http://elementy.ru/lib/430177

«Петлевая квантовая гравитация» http://ru.wikipedia.org/wiki

“Ученые увеличили число частиц бога до 5» // Lenta.ru. http://lenta.ru/news/2010/06/15/boson/

«Кварк-глюонная плазма» // http://сайт/enc/e036.htm

“ Hunting the Quark Gluon Plasma”// BNL-73847-2005 Final Report / www.bnl.gov/npp/docs/Hunting%20the%20QGP.pdf Физика

«Эксперимент LHCb»//НИЯФ МГУ,2004 / http://physics03.narod.ru/Interes/Doclad/antiv.htm

«Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях»// Л.А. Арцимович и С.Ю. Лукьянов /Книга. Издательство «Наука». Москва 1972, стр.171-177

«Коллайдер нового поколения» //Б. Бэриш, Н. Уоке http:// physics03.narod.ru/Interes/Doclad/bak13.htmр, Х. Ямамото. Перевод: А.А. Сорокин Специальный репортаж в журнале "В мире науки" № 5 за 2008 год Коллайдер нового поколения.

”Accelerator Physics and Technologies for Linear Collider. Lecture I”// S.D..Holmes/ Hep.uchicago.edu/~kwangie/LectureNotes_Holmes.pdf

«Фотонные коллайдеры и исследование фундаментальных взаимодействий»// И. Ф. Гинзбург/ http://www-fima-ru.narod.ru/

“Muon Collider Progress”// R.B. Palmer

/www.cern.ch/accelconf/e98/PAPERS/THZ04A.PDF THZ04A.PDF

“ MULTI-MODE SLED-II PULSE COMPRESSOR”// S.V. Kuzikov et all /Proceedings of LINAC 2004, THP28 pp. 660-662

“ A Multy-Moded RF Delay Linear Distribution System” //S.G. Tantawi et all / SLAC-PUB-9125

“RF Breakdown Studies in Room Temperature Electron Linac Structures / Gregory A. Loew and W. Wang // Slac-PUB-4647, May 1988.

“ Gradient Limitation For High-frequency Accelerators”/ Döbert // Proceedings of Linac 2004, Lübeck, Germany, WE 101

“ The Physics & Technology of a 0,5 to 1,0 TeV Linear colliders”.// Stuart Tovey - Wollongang - 2004./ Интернет, SNT- Wollongang, ppt.

“4 XFEL accelerator” //

“The European X-Ray Free-Electron Laser. Technical design report” // http://xfel.desy.de/localfs.Explorer_read?Current.Path =afs/desy.de/group/xfel/wof/EPT/TRD/XFEL-TRD-final.pdf.

ВВЕДЕНИЕ

Ускорители на встречных пучках, получили название коллайдеров (от английского слова to collide - сталкиваться). Они являются основными инструментами экспериментального изучения процессов физики элементарных частиц в области сверхвысоких энергий Величина энергии получаемая при столкновениях пучков не может быть достигнута в обычных ускорителях с неподвижной мишенью.
Разработка и сооружение установок со встречными пучками была начата в 1956 г. в лабораториях России (СССР) и за рубежом после опубликования предложения об использовании коллайдеров американского физика У. Керста .
В работе Г.И. Будкера содержится замечание, что впервые идею о применении встречных пучков высказал Я.Б. Зельдович (СССР), правда в пессимистическом тоне из-за малой плотности частиц в сталкивающихся пучках.
Первоначально создавались электрон-электронные и электрон-позитронные коллайдеры (1956-1966 гг.) Предложение об их разработке принадлежит Г.И. Будкеру (СССР) . Первые коллайдеры были созданы в Институте ядерной физики (СССР Россия), в Стэнфордском центре линейных ускорителей (США), в лаборатории линейных ускорителей во Фраскати (Италия), в лаборатории Орсэ (Франция). Несколько позже были запущены адронные коллайдеры (адрон - от греческого слова «adros», означающее «крупный, массивный»), в том числе коллайдеры с ионами. Коллайдеры с протон-протонными и протон-электронными пучками были созданы в ЦЕРН (Швейцария), Германии и Великобритании (смотри Табл.1а-В и Табл. 1b-В).
Проблема увеличения светимости сталкивающихся пучков в кольцевых коллайдерах была решена, благодаря аккумуляции ускоряемых частиц в накопительных кольцах. В линейных коллайдерах большая плотность взаимодействующих пучков обеспечивается ускорителями с сильноточными пучками, которые обладают малым эмиттансом и малым энергетическим разбросом, а также при использовании синхротронного излучения в демпфирующих кольцах и ионизационного охлаждения.
Первый электрон-позитронный коллайдер ВЭПП-2, изготовленный в ИЯФ им. Г.И. Будкера (Россия), был кольцевым. В качестве ускорителя использовался безжелезный синхротрон, пучок которого инжектировался в накопительное кольцо. Пока единственный линейный электрон-позитронный коллайдер создан на основе ускорителя SLAC. Повышение светимости в нем достигается благодаря использованию демпфирующих колец.
Появление ускорителей заряженных частиц и коллайдеров с высокой энергией позволило развивать новые теоретические модели физики элементарных частиц, осуществлять экспериментальную проверку «Стандартной модели».
Физические исследования в области элементарных частиц потребовали существенного увеличения энергии сталкивающихся лептонов и адронов в центре масс (до 1 ТеВ и более). На сооружении коллайдеров в ТэВ-ом диапазоне энергией с конца 80-х годов прошлого столетия сконцентрировано внимание мирового содружества ученых. В настоящее время эти работы стали интернациональными.
Физики надеются, что экстремально высокие энергии позволят ответить на ряд фундаментальных вопросов науки: как частицы приобретают массу? Что представляет собой структура пространство - время? Что создает темную энергию и темную материю космоса? . Предполагается в частности , что на коллайдерах станет возможным проведение точных измерений характеристик Хиггс бозона, ответственного за возникновения массы элементарных частиц и установление его поля. На них также окажется возможным исследование вопросов суперсимметрии.

Таблица № 1а-В. Перечень основных построенных коллайдеров

Физики почти уверены, что революционные открытия с использованием коллайдеров будут сделаны в пределах следующие десять - пятнадцать лет.
Продолжение разработки новых электрон-позитронных линейных коллайдеров, в том числе фотонных и мюонных, происходит во время, когда начал работать Большой кольцевой адронный коллайдер (БАК, LHC). На этом коллайдере в первую очередь будут решаться упомянутые выше задачи физике элементарных частиц и вопросы мироздания.

Таблица № 1b -В. Перечень некоторых разрабатываемых линейных коллайдеров

В коллайдерах в качестве ускорителей нашли применение синхротроны и линейные резонансные ускорители (ЛРУ). Даже в кольцевых колайдерах, основанных на синхротронах, в качестве инжекторов синхротронов обязательно используются ЛРУ. Ускорение частиц в синхротронах происходит в резонаторных системах, являющихся фрагментами ВЧ систем линейных ускорителей. ЛРУ являются основой линейных лептонных коллайдеров. Новые перспективные методы ускорения частиц в коллайдерах, такие как кильватерное ускорение в плазме, также требуют использования ЛРУ, как возбудителей плазмы.
Разработка новых линейных высокоэнергетичных электрон-позитронных коллайдеров заставила провести широкие теоретические и экспериментальные исследования в части выбора диапазона рабочих частот, используемых в линейных резонансных ускорителях. электронов (ЛУЭ) и протонов (ЛУП). Стремление сократить длину ускорителей потребовало разработки новых ускоряющих структур, работающих в С -,Х -, K u - и К диапазонах длин волн.
При создании новых коллайдеров.ТеВ - диапазона энергий были решены многие вопросы технологии линейных резонансных ускорителей. Созданы ВЧ ускоряющие структуры, перечисленных выше диапазонов, работающие при существенно более высоких частотах, чем использовавшиеся ранее. Обеспечивается надежная работа «теплых» структур с ускоряющим градиентом в 100 МВ/м на частотах до 12 ГГц.(K u - диапазон).
Разработаны высокомощные ВЧ источники - однолучевые клистроны Х диапазона.
Усовершенствованы также другие элементы трактов ВЧ питания, например, устройства компрессии ВЧ импульса или задержанного распределения . Эта техника позволяет использовать один клистрон для питания нескольких ускоряющих секций.
Разработаны многолучевые клистроны L диапазона на импульсную мощность 10 МВт и длительность ВЧ импульса 1,6 мс.
В тоже время необходимо отметить, что первоначально намеченные цели создания коллайдеров Т - диапазона энергий, используя линейные ускорители K диапазона (частота 30 ГГц), реализовать не удалось. Идея использования сверхвысоких частот основывалась на том, что электрическая прочность структуры почти линейно повышается с увеличением частоты . Широкие теоретические и экспериментальные исследования Нового Линейного Коллайдера (NLC) в США, Глобального линейного коллайдера (GLC) в Японии, Японского линейного коллайдера (JLC) и компактного линейного коллайдера (КЛК, CLIC) в Швейцарии показали однако, что, по крайней мере при существующей технологии, отсутствует заметное увеличение предельного градиента электрического поля на частотах колебаний свыше 12 ГГц. С этим и был связан переход от частоты 30 ГГц на частоту 12 ГГц в коллайдере CLIC.
Желание увеличить надежность работы и некоторые другие причины привели к тому, что разработка Международного (глобального) линейного электрон-позитронного коллайдера (Internation Linear Collider, ILC) стала основываться на использовании в нем L- диапазона частот и сверхпроводящих ускоряющих структур.
Другой проблемой, которую пришлось решать, была связана с поперечными диодными модами высокого порядка, наводимыми электронными или позитронными сгустками частиц в ускоряющих структурах и электронопроводах. Появление этих полей особенно нежелательно при больших длинах электронных трактов. Высшие моды поперечных дипольных полей приводят к увеличению поперечных размеров пучка (вплоть до его развала), увеличению эмиттанса и энергетического разброса. Моды, вызывающие нестабильность пучков, особенно неприятны при высоких частотах, но должны обязательно подавляться также и в L - диапазоне.
Особое место занимают вопросы, связанные с проектом Компактного Линейного Коллайдера, КЛК (Compact Linear Collider, CLIC). В отличие от обычных схем в CLIC используется принцип двух-лучевого ускорения . Питание основных многосекционных ускоряющих структур ЛУ электронов и позитронов осуществляется не клистронами, а ВЧ энергией, которая генерируется в де-ускорителях при торможении релятивистского пучка ускорителей-возбудителей.
Как указывалось выше, создание ЛУЭ для коллайдеров стимулировало разработку новых клистронов большой мощности, в том числе, многолучевых в разных частотных диапазонах..
Следует отметить, что разработки ЛУЭ для коллайдеров нашли применение в лазерах на свободных электронах, при создания установок неразрушающего контроля, для терапии и диагностики злокачественных образований. ВЧ техника, разработанная для Международного линейного коллайдера, и связанная с ЛУЭ, используется при проектировании Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах, сооружаемого в ДЭЗИ .
Основные вопросы, относящиеся к ЛРУ, решались при сооружении и разработке линейных коллайдеров электронов и позитронов. В основном они освещены в Главе 3 «Линейные электрон-позитронные и фотонные коллайдеры высокой энергии». Более кратко, вопросы, относящиеся к ЛРУ - инжекторам и системам ускорения частиц в синхротронах изложены в Главе 2 «КОЛЬЦЕВЫЕ КОЛЛАЙДЕРЫ ВЫСОКОЙ ЭНЕРГИИ», где описываются Большой электрон-позитронный коллайдер (БЭПК) и большой адронноый коллайдер (БАК).
Материал, связанный с кильватерным методом ускорения, приведен в Главе 4 «КИЛЬВАТЕРНЫЙ МЕТОД УСКОРЕНИЯ».
Некоторые сведения о ЛРУ и фрагментах ВЧ систем ЛРУ, которые используются в фотонных и мюонных ускорителях даны в разделе 2.3 «МЮОННЫЕ КОЛЛАЙДЕРЫ». и в разделе 3.4 «ФОТОННЫЕ КОЛЛАЙДЕРЫ». Следует отметить, однако, что в опубликованной литературе пока отсутствуют детали ЛРУ, проектируемые для мюонных коллайдеров.
Предполагается, что читатель знаком с теорией и техникой резонансных линейных ускорителей.
Для удобства пользования книгой в Главе 1 кратко рассматриваются некоторые вопросы теории коллайдеров, что даст возможность работать с книгой, меньше прибегая к другим источникам информации, содержащейся в многочисленных монографиях, статьях и докладах, ссылки на которые приведены в конце этой Главы.

Еще несколько лет назад я понятия не имел что такое адронные коллайдеры, Бозон Хиггса и для чего тысячи ученых всего мира трудятся в огромном физическом кампусе на границе Швейцарии и Франции, закапывая в землю миллиарды долларов.
Затем для меня, как и многих других жителей планеты, стали привычными выражение Большой Адронный Коллайдер, знание о сталкивающихся в нем на скорости света элементарных частицах и об одном из величайших открытий последнего времени — Бозоне Хиггса.

И вот, в середине июня мне представилась возможность своими глазами увидеть то, о чем столько говорят и о чем бродит столько противоречивых слухов.
Это была не просто короткая экскурсия, а полноценный день, проведенный в крупнейшей в мире лаборатории ядерной физики — Церне. Здесь нам удалось и пообщаться с самими учеными-физиками, и увидеть массу интересного в этом научном кампусе, спуститься в святая-святых — Большой Адронный Коллайдер (а ведь когда он запущен и в нем проводятся испытания, какой-либо доступ извне к нему невозможен), побывать на заводе по производству гигантских магнитов для коллайдера, в центре Atlas, где ученые проводят анализ данных, полученных в коллайдере, тайком побывать в новейшем строящемся линейном коллайдере и даже, почти как в квесте, практически пройти по тернистому пути элементарной частицы, от конца к началу. И увидеть, откуда же все начинается…
Но обо всем этом в отдельных постах. Сегодня просто Большой Адронный Коллайдер.
Если это можно назвать просто мой мозг отказывается понять, КАК такое можно было сначала придумать, а затем построить.

2. Много лет назад эта картинка стала всемирно известной. Многие считают, что это и есть Большой Адронный в разрезе. На самом деле, это разрез одного из самых больших детекторов — CMS. Его диаметр составляет около 15 метров. Это не самый большой детектор. Диаметр Atlas-а около 22 метров.

3. Чтобы примерно понимать, что это вообще такое и насколько коллайдер большой, посмотрим на спутниковую карту.
Это предместье Женевы, совсем недалеко от Женевского озера. Именно здесь базируется огромный кампус ЦЕРНа, о котором я отдельно расскажу чуть позже, и под землей на различных глубинах располагается куча коллайдеров. Да-да. Он не один. Их десяток. Большой Адронный просто венчает эту структуру, образно говоря, завершая цепочку коллайдеров, по которым разгоняются элементарные частицы. Об этом тоже я расскажу отдельно, пройдя вместе с частицей от Большого (LHC) до самого первого, линейного Linac.
Диаметр кольца LHC составляет почти 27 километров и он залегает на глубине чуть более 100 метров (на рисунке самое большое кольцо).
В LHC есть четыре детектора — Alice, Atlas, LHCb и CMS. Мы спускались к детектору CMS.

4. Помимо этих четырех детекторов, все остальное пространство под землей представляет из себя тоннель, в котором располагается беспрерывная кишка из вот таких синих сегментов. Это магниты. Гигантские магниты, в которых создается сумасшедшее магнитное поле, в котором и двигаются со скоростью света элементарные частицы.
Всего их 1734.

5. Внутри магнит представляет из себя вот такую сложную структуру. Здесь масса всего, но самое основное — это две полые трубки внутри, в которых летают протонные пучки.
В четырех местах (в тех самых детекторах) эти трубки пересекаются и протонные пучки сталкиваются. В тех местах, где они сталкиваются, протоны разлетаются на различные частицы, что и фиксируют детекторы.
Это если вкратце говорить о том, что это за ерунда и как она работает.

6. Итак, 14 июня, утро, ЦЕРН. Мы приезжаем к малозаметному заборчику с воротами и небольшим зданием на территории.
Это вход в один из четырех детекторов Большого Адронного Коллайдера — CMS.
Здесь я хочу немного остановиться, чтобы рассказать о том, как нам вообще удалось сюда попасть и благодаря кому.
А всему «виной» Андрей, наш человек, который работает в ЦЕРНе, и благодаря которому наше посещение было не какой-то короткой скучной экскурсией, а невероятно интересным и наполненным огромным количеством информации.
Андрей (он в зеленой футболке) никогда не против гостей и всегда рад способствовать посещению этой Мекки ядерной физики.
Знаете, что интересно? Это пропускной режим в Коллайдере и в ЦЕРНе вообще.
Да, все по магнитной карте, но… сотрудник по своему пропуску имеет доступ на 95% территории и объектов.
И только те, где повышенный уровень радиационной опасности, нужен специальный доступ — это внутрь самого коллайдера.
А так — без проблем сотрудники передвигаются по территории.
На минуточку — здесь вложены миллиарды долларов и масса самого невероятного оборудования.
И тут же я вспоминаю какие-нибудь заброшенные объекты в Крыму, где все давно нафиг вырезано, но, тем не менее, все мегасекретно, снимать ни в коем случае нельзя, и объект невесть какой стратегический.
Просто здесь люди адекватно думают головой.

7. Так выглядит территория CMS. Никаких тебе понтов во внешней отделке и супер-тачек на парковке. А ведь могут себе позволить. Просто незачем.

8. ЦЕРН, как ведущий мировой научный центр в области физики, использует несколько различных направлений в части пиара. Один из них — так называемое «Tree».
В его рамках приглашаются школьные учителя по физике из разных стран и городов. Им здесь показывают и рассказывают. Затем учителя возвращаются в свои школы и рассказывают об увиденном ученикам. Какое-то количество учеников, вдохновившись рассказом, начинают с большим интересом заниматься физикой, затем идут в ВУЗы на физические специальности и в будущем, возможно, даже попадут сюда работать.
Но пока дети еще учатся в школе, у них тоже есть возможность побывать в ЦЕРНе и, конечно же, спуститься в Большой Адронный Коллайдер.
Несколько раз в месяц здесь проводятся специальные «дни открытых дверей» для одаренных детей из разных стран, влюбленных в физику.
Их отбирают те самые учителя, которые были в основе этого дерева и подают предложения в офис ЦЕРНа в Швейцарии.
Так совпало, что в день, когда мы приехали увидеть Большой Адронный Коллайдер, сюда приехала одна из таких групп из Украины — дети, воспитанники Малой Академии Наук, прошедшие сложный конкурс. Вместе с ними мы спустились на 100-метровую глубину, в самое сердце Коллайдера.

9. Слава с нашими бейджами-пропусками.
Обязательные элементы работающих здесь физиков — шлем с фонарем и ботинки с металлической пластиной на носке (чтобы при падении груза уберечь пальцы ног)

10. Одаренные дети, увлеченные физикой. Через несколько минут сбудется их места — они спустятся в Большой Адронный Коллайдер

11. Рабочие играют в домино отдыхают перед очередной сменой под землей

12. Контрольно-управляющий центр CMS. Сюда стекаются первичные данные от основных датчиков, характеризующих функционирование системы.
Во время работы коллайдера, здесь круглосуточно работает команда из 8 человек.

13. Нужно сказать, что в настоящий момент Большой Адронный остановлен на два года для выполнения программы ремонта и модернизации коллайдера.
Дело в том, что 4 года назад на нем произошла авария, после которой коллайдер так и не работал на полную мощность (об аварии я расскажу в следующем посте).
После модернизации, которая закончится в 2014 году, он должен работать на еще большей мощности.
Если бы коллайдер сейчас работал, побывать в нем нам бы точно не удалось

14. На специальном техническом лифте мы спускаемся на глубину более 100 метров, где расположен Коллайдер.
Лифт является единственным средством спасения персонала в случае чрезвычайной ситуации, т.к. лестниц здесь нет. То есть это самое безопасное место в CMS.
По инструкции, в случае тревоги, весь персонал должен немедленно направляться к лифту.
Здесь создается избыточной давление, чтобы в случае задымления дым не попал внутрь и люди не получили отравление.

15. Борис переживает, чтобы не было задымления

16. На глубине. Здесь все пронизано коммуникациями

17. Бесконечные километры проводов и кабелей для передачи данных

18. Здесь огромное количество труб. Так называемая криогеника. Дело в том, что внутри магнитов для охлаждения используется гелий. Также необходимо охлаждение других систем, а также гидравлика.

19. В залах обработки данных, расположенных в детекторе расположен находится огромное число серверов.
Они объединены в так называемые триггеры невероятной производительности.
Например, первый триггер за 3 миллисекунды из 40 000 000 событий должен отобрать около 400 и передать их на второй триггер — высшего уровня.

20. Оптоволоконное безумие.
Компьютерные залы расположены выше детектора, т.к. здесь совсем небольшое магнитное поле, не препятствующие работе электроники.
В самом детекторе сбор данных осуществлять бы не удалось.

21. Глобальный триггер. Он состоит из 200 компьютеров

22. Какой там Apple? Dell !!!

23. Серверные шкафы надежно заперты

24. Забавный рисунок на одном из рабочих мест операторов.

25. В конце 2012 года в Большом Адронном Коллайдере в результате эксперимента таки был открыт Бозон Хиггса, и это событие широко отмечалось работниками ЦЕРНа.
Бутылки от шампанского после празднования не выбросили специально, считая, что это только начало великих дел

26. На подходе к самому детектору везде таблички, предупреждающие о радиационной опасности

26. У всех сотрудников Коллайдера есть персональные дозиметры, которые они обязаны поднести к считывающему устройству и зафиксировать свое нахождение.
Дозиметр накапливает уровень радиации и в случае приближения к граничной дозе, информирует сотрудника, а также он-лайн передает данные на пост управления, предупреждая о том, что около коллайдера находится человек, который в опасности

27. Перед самым детектором система доступа высшего уровня.
Войти можно, приложим персональную карту, дозиметр и пройдя сканирование сетчатки глаза

28. Что я и делаю

29. И вот он — детектор. Небольшое жало внутри — это что-то похожее на патрон для дрели, в котором расположены те огромные магниты, которые сейчас казались бы совсем маленькими. В настоящий момент магниты отсутствуют, т.к. проходит модернизация

30. В рабочем состоянии детектор соединен и выглядит единым целым

31. Вес детектора — 15 тысяч тонн. Здесь создается невероятное по силе магнитное поле.

32. Сравните размеры детектора с людьми и техникой, работающими внизу

33. Кабеля синего цвета — питание, красные — данные

34. Интересно, что во время работы Большой Адронный потребляет в час 180 мегаватт электроэнергии.

35. Текущие работы по обслуживанию датчиков

36. Многочисленные датчики

37. И питание к ним… обратно возвращается оптоволокно

38. Взгляд невероятно умного человека.

39. Полтора часа под землей пролетает, как пять минут… Поднявшись обратно на бренную землю, невольно задумываешься… КАК это можно сделать.
И ЗАЧЕМ они это делают….