Коллайдер представляет собой тип ускорителя частиц , который приносит два противоположных пучки частиц вместе таким образом, что частицы сталкиваются. [1] Коллайдеры могут быть кольцевыми или линейными ускорителями .
Коллайдеры используются как исследовательский инструмент в физике элементарных частиц , ускоряя частицы до очень высокой кинетической энергии и позволяя им сталкиваться с другими частицами. Анализ побочных продуктов этих столкновений дает ученым хорошее доказательство структуры субатомного мира и законов природы, управляющих им. Они могут проявляться только при высоких энергиях и в течение крошечных периодов времени, и поэтому их трудно или невозможно изучить другими способами.
Объяснение [ править ]
В физике элементарных частиц можно получить знания об элементарных частицах , ускоряя частицы до очень высокой кинетической энергии и позволяя им воздействовать на другие частицы. При достаточно высокой энергии происходит реакция, которая превращает частицы в другие частицы. Обнаружение этих продуктов дает представление о задействованной физике .
Для проведения таких экспериментов есть две возможные установки:
- Установка фиксированной цели : пучок частиц ( снаряды ) ускоряется с помощью ускорителя частиц , и в качестве партнера по столкновению один помещает неподвижную цель на путь луча.
- Коллайдер : два луча частиц ускоряются, и лучи направляются друг против друга, так что частицы сталкиваются, летя в противоположных направлениях. Этот процесс можно использовать для создания странных и антиматериальных.
Коллайдер сложнее сконструировать, но имеет большое преимущество в том, что согласно специальной теории относительности энергия неупругого столкновения двух частиц, приближающихся друг к другу с заданной скоростью, не просто в 4 раза выше, чем в случае покоя одной частицы (как это было бы в нерелятивистской физике); она может быть на несколько порядков выше, если скорость столкновения близка к скорости света.
В случае коллайдера, где точка столкновения покоится в лабораторной системе отсчета (т.е. ), энергия центра масс (энергия, доступная для производства новых частиц при столкновении) просто равна , где и - полная энергия частицы от каждого луча. При фиксированном целевом эксперименте , где частица 2 находится в состоянии покоя, . [2]
История [ править ]
Первое серьезное предложение о коллайдере было сделано группой Исследовательской ассоциации университетов Среднего Запада (MURA). Эта группа предложила построить два касательных кольца ускорителя FFAG с радиальным сектором . [3] Тихиро Окава , один из авторов первой статьи, продолжил разработку конструкции ускорителя FFAG с радиальным сектором, который мог ускорять два встречно вращающихся пучка частиц в одном кольце магнитов. [4] [5] Третьим прототипом FFAG, построенным группой MURA, была электронная машина на 50 МэВ, построенная в 1961 году, чтобы продемонстрировать осуществимость этой концепции.
Джерард К. О'Нил предложил использовать один ускоритель для инжекции частиц в пару касательных накопительных колец . Как и в исходном предложении MURA, столкновения будут происходить в касательной секции. Преимущество накопительных колец состоит в том, что накопительное кольцо может накапливать высокий поток пучка от ускорителя впрыска, который обеспечивает гораздо более низкий поток. [6]
В первой Electron - позитронных коллайдеров были построены в конце 1950 - х-начале 1960 - х годов в Италии, в Национальный институт ядерной физики в Фраскати недалеко от Рима, на австрийско-итальянский физик Бруно Тушека и в США, команда Стэнфорд-Princeton , который включал Уильям Барбер, Бернард Гиттельман, Джерри О'Нил и Бертон Рихтер. Примерно в то же время, в начале 1960-х годов, электрон-электронный коллайдер ВЭП-1 был независимо разработан и построен под руководством Герша Будкера в Советском институте ядерной физики . [7]
В 1966 году в ЦЕРН начались работы по созданию пересекающихся накопительных колец , а в 1971 году этот коллайдер заработал. [8] ISR представлял собой пару накопительных колец, в которых накапливались частицы, введенные протонным синхротроном ЦЕРН . Это был первый адронный коллайдер, поскольку все предыдущие попытки работали с электронами или с электронами и позитронами .
В 1968 году началось строительство ускорительного комплекса Теватрона в Фермилабе . В 1986 году были зарегистрированы первые столкновения протонов и антипротонов в центре масс с энергией 1,8 ТэВ, что сделало его коллайдером с самой высокой энергией в мире на то время.
Самый высокоэнергетический коллайдер в мире (по состоянию на 2016 год) - Большой адронный коллайдер (LHC) в ЦЕРНе. В настоящее время рассматривается несколько проектов коллайдеров частиц. [9] [10]
Действующие коллайдеры [ править ]
Источники: Информация взята с веб-сайта Particle Data Group [11] и Справочника по физике и технике ускорителей . [12]
| Ускоритель | Центр, город, страна | Первая операция | ускоренные частицы | максимальная энергия на пучок, ГэВ | Светимость , 10 30 см −2 с −1 | Периметр (длина), км |
|---|---|---|---|---|---|---|
| ВЭПП-2000 | ИЯФ , Новосибирск , Россия | 2006 г. | е + е - | 1.0 | 100 | 0,024 |
| ВЭПП-4М | ИЯФ , Новосибирск , Россия | 1994 г. | е + е - | 6 | 20 | 0,366 |
| BEPC II | ИФВЭ , Пекин , Китай | 2008 г. | е + е - | 3,7 | 700 | 0,240 |
| DAFNE | Фраскати , Италия | 1999 г. | е + е - | 0,7 | 436 [13] | 0,098 |
| KEKB / SuperKEKB | КЕК , Цукуба , Япония | 1999 г. | е + е - | 8.5 (е-), 4 (е +) | 21100 | 3,016 |
| RHIC | BNL , США | 2000 г. | ПП , Au-Au, Cu-Cu, d -Au | 100 / н | 10, 0,005, 0,02, 0,07 | 3,834 |
| LHC | ЦЕРН | 2008 г. | ПП , Pb -Pb, p-Pb, Xe-Xe | 6500 (планируется 7000), 2560 / н (планируется 2760 / н ) | 20000, [14] 0,003, 0,9, ≈0,0002 | 26,659 |
См. Также [ править ]
- Список коллайдеров
- Большой электрон-позитронный коллайдер
- Большой адронный коллайдер
- Очень большой адронный коллайдер
- Релятивистский коллайдер тяжелых ионов
- Международный линейный коллайдер
- Кольцо для хранения
- Теватрон
- Международная конференция по фотонным, электронным и атомным столкновениям
- Круговой коллайдер будущего
Ссылки [ править ]
- ^ https://news.fnal.gov/2013/08/fixed-target-vs-collider/
- ^ Герр, Вернер; Муратори, Бруно (2003). «Понятие светимости» . CERN Accelerator School : 361–378 . Проверено 2 ноября +2016 .
- ^ Керст, DW ; Коул, FT; Кран, HR; Джонс, LW; и другие. (1956). «Достижение очень высокой энергии за счет пересекающихся пучков частиц». Физический обзор . 102 (2): 590–591. Bibcode : 1956PhRv..102..590K . DOI : 10.1103 / PhysRev.102.590 .
- ^ Патент США 2890348 , Tihiro Ohkawa, " Particle Accelerator ", выданный 1959-06-09
- ↑ Science: Physics & Fantasy, Time , понедельник, 11 февраля 1957 г.
- ^ О'Нил, Г. (1956). "Синхротрон с накопительным кольцом: прибор для исследования физики высоких энергий" (PDF) . Физический обзор . 102 (5): 1418–1419. Bibcode : 1956PhRv..102.1418O . DOI : 10.1103 / PhysRev.102.1418 . Архивировано из оригинального (PDF) 06 марта 2012 года.
- ^ Шильцев, В. (2013). «Первые коллайдеры: Ада, ВЭП-1 и Принстон-Стэнфорд». arXiv : 1307.3116 [ Physics.hist -ph ].
- ^ Кьелл Йонсен, Такса во время Jentschke, CERN Courier , 1 июня 2003 года.
- ^ Шильцев, В. (2012). «Коллайдеры частиц высоких энергий: последние 20 лет, следующие 20 лет и далее». Успехи физики . 55 (10): 965–976. arXiv : 1205.3087 . Bibcode : 2012PhyU ... 55..965S . DOI : 10.3367 / UFNe.0182.201210d.1033 . S2CID 118476638 .
- ^ Шильцев, В. (2015). "Хрустальный шар: о будущих коллайдерах высоких энергий". Материалы конференции Европейского физического общества по физике высоких энергий (EPS-HEP2015). 22–29 июля 2015 г. Вена : 515. arXiv : 1511.01934 . Bibcode : 2015ehep.confE.515S .
- ^ "Параметры коллайдера высоких энергий" (PDF) .
- ^ Справочник по физике и технике ускорителей , под редакцией А. Чао, М. Тигнера, 1999, с. 11.
- ^ Маццителли, Джованни. «Достижения DAFNE» . www.lnf.infn.it .
- ^ "Рекордная яркость: хорошо сделанный LHC" . 15 ноя 2017 . Дата обращения 2 декабря 2017 .
Внешние ссылки [ править ]
 | В Wikiquote есть цитаты, связанные с: Collider |
- LHC - Большой адронный коллайдер в сети
- Коллайдер релятивистских тяжелых ионов (RHIC)
