Супер Протон-антипротоны синхротрон (или Sp р S , также известный как протон-антипротонный коллайдер ) был ускорителем частиц , который работал при ЦЕРНЕ с 1981 по 1991 году Для того, чтобы работать как протон - антипротон коллайдер протонный суперсинхротрон ( СПС ) выполнены существенные модификации, превратившие его из однолучевого синхротрона в двухлучевой коллайдер. Основными экспериментами на ускорителе были UA1 и UA2 , где в 1983 году были открыты W- и Z-бозоны . Карло Руббиаи Саймон ван дер Меер получил Нобелевскую премию по физике 1984 года за свой решающий вклад в проект Sp p S, который привел к открытию W- и Z-бозонов . [1] Другими экспериментами, проведенными на Sp p S, были UA4 , UA5 и UA8 .
Пересекающиеся кольца для хранения | ЦЕРН , 1971–1984 гг. |
---|---|
Протонно-антипротонный коллайдер ( SPS ) | ЦЕРН , 1981–1991 гг. |
ИЗАБЕЛЬ | BNL , отменен в 1983 г. |
Теватрон | Фермилаб , 1987–2011 гг. |
Сверхпроводящий суперколлайдер | Отменено в 1993 г. |
Релятивистский коллайдер тяжелых ионов | БНЛ , 2000 – настоящее время |
Большой адронный коллайдер | ЦЕРН , 2009 – настоящее время |
Круговой коллайдер будущего | Предложил |
Задний план
Около 1968 Шелдон Глэшоу , Стивен Вайнберг и А. Салам придумал теорию электрослабого , объединившая электромагнетизм и слабое взаимодействие , и для которых они разделили 1979 Нобелевскую премию по физике . [2] Теория постулировала существование W- и Z-бозонов . Это было экспериментально установлено в два этапа, первым из которых было открытие нейтральных токов в рассеянии нейтрино коллаборацией Гаргамелля в ЦЕРНе , процесс, который требовал существования нейтральной частицы для переноса слабого взаимодействия - Z-бозона. Результаты коллаборации Гаргамель сделали возможными вычисления массы W- и Z-бозонов. Было предсказано, что W-бозон имеет значение массы в диапазоне от 60 до 80 ГэВ / c 2 , а Z-бозон в диапазоне от 75 до 92 ГэВ / c 2 - энергии слишком велики, чтобы быть доступными для любого работающего ускорителя. в то время. [3] Вторым этапом создания теории электрослабого взаимодействия могло бы стать открытие W- и Z-бозонов, что потребовало разработки и строительства более мощного ускорителя.
В конце 70-х основным проектом ЦЕРНа было строительство Большого электронно-позитронного коллайдера (LEP). Такая машина была идеальной для создания и измерения свойств W- и Z-бозонов. [3] Однако из-за необходимости найти W- и Z-бозоны, сообщество ЦЕРН чувствовало, что не может дождаться строительства LEP - был необходим новый ускоритель, строительство которого не могло происходить за счет LEP. . [4] В 1976 году Карло Руббиа , Питер Макинтайр и Дэвид Клайн предложил изменить ускоритель протонов - в то время ускоритель протонов был уже запущен в Fermilab и один находится в стадии строительства в ЦЕРН (SPS) - в протон - антипротон коллайдер. [5] Такая машина требовала только одной вакуумной камеры, в отличие от протон-протонного коллайдера, который требует отдельных камер из-за противоположно направленных магнитных полей. Поскольку протоны и антипротоны имеют противоположный заряд, но имеют одинаковую энергию E , они могут циркулировать в одном и том же магнитном поле в противоположных направлениях, обеспечивая лобовые столкновения между протонами и антипротонами с общей энергией центра масс.. [3] Схема была предложена как в Фермилабе в Соединенных Штатах, так и в ЦЕРНе, и в конечном итоге была принята в ЦЕРН для суперпротонного синхротрона (SPS). [3]
W- и Z-бозоны образуются в основном в результате аннигиляции кварк-антикварк. В партонной модели импульс протона распределяется между составляющими протона: часть импульса протона переносится кварками , а остальная часть - глюонами . Недостаточно ускорить протоны до импульса, равного массе бозона, поскольку каждый кварк будет нести только часть импульса. Следовательно, для создания бозонов с расчетными интервалами от 60 до 80 ГэВ (W-бозон) и от 75 до 92 ГэВ (Z-бозон) потребуется протон-антипротонный коллайдер с энергией центра масс примерно в шесть раз превышающей массы бозона. , около 500-600 ГэВ. [3] Конструкция Sp p S определялась необходимостью обнаружения. Поскольку сечение образования Z при ~ 600 ГэВ составляет ~ 1,6 нбн, а доляраспад составляет ~ 3%, светимость L = 2,5 · 10 29 см −2 с −1 дает частоту событий ~ 1 в день. [3] Для достижения такой светимости потребуется источник антипротонов, способный производить ~ 3 · 10 10 антипротонов каждый день, распределенных в несколько сгустков с угловым и импульсным акцептированием SPS.
История
SPS был первоначально разработан как синхротрон для протонов, чтобы ускорить один протонный пучок до 450 ГэВ и извлечь его из ускорителя для экспериментов с неподвижной мишенью . Однако еще до начала строительства СПС возникла идея использовать ее в качестве ускорителя протонов-антипротонов. [6]
Первое предложение о протон-антипротонном коллайдере, по-видимому, было сделано Гершем Будкером и Александром Скринским в Орсе в 1966 году на основе новой идеи Будкера об электронном охлаждении . [7] В 1972 году Симон ван дер Меер опубликовал теорию стохастического охлаждения , [8] , для которого он позже получил в 1984 году Нобелевскую премию по физике . [9] Теория была подтверждена в Пересекающихся накопительных кольцах в ЦЕРНе в 1974 году. Хотя электронное охлаждение могло привести к идее протон-антипротонного коллайдера, в конечном итоге именно стохастическое охлаждение использовалось в предварительных ускорителях для подготовки антипротонов для Sp п С.
Между тем, открытие нейтральных токов в эксперименте Гаргамель в ЦЕРН вызвало предложение Карло Руббиа и его сотрудников о протон-антипротонном коллайдере. В 1978 году проект был одобрен Советом ЦЕРН, и первые столкновения произошли в июле 1981 года. [6] Первый запуск длился до 1986 года, а после существенной модернизации он продолжал работать с 1987 по 1991 год. [6] Коллайдер был остановлен. в конце 1991 года, поскольку он больше не был конкурентоспособным с протон-антипротонным коллайдером на 1,5 ТэВ в Фермилабе, который работал с 1987 года.
Операция
В период с 1981 по 1991 год SPS работал часть года как синхротрон, ускоряя одиночный пучок для экспериментов с неподвижной мишенью, а часть года как коллайдер - Sp p S.
Типовые параметры | Sp p S |
---|---|
Импульс инжекции [ГэВ / c] | 26 год |
Максимальный импульс [ГэВ / c] | 315 |
Интегральная светимость в 1990 г. [нб −1 ] | 6790 |
Интенсивность протонного сгустка | 12 · 10 10 |
Интенсивность антипротонного сгустка | 5 · 10 10 |
Количество пучков на пучок | 6 |
Количество точек столкновения | 3 |
Модификации SPS для работы коллайдера
Требования к накопительному кольцу, такому как Sp p S, в котором лучи должны циркулировать в течение многих часов, намного более высокие, чем требования к импульсному синхротрону, как SPS. [10] После того, как в 1978 году было принято решение о Sp p S, в SPS были внесены следующие модификации: [6]
- Для передачи антипротонов от PS к SPS был построен новый пучок, а также новая система инжекции против часовой стрелки.
- Поскольку SPS была разработана для закачки 14 ГэВ / c, а новая закачка должна была составлять 26 ГэВ / c, систему впрыска пришлось модернизировать.
- Усовершенствование балочной вакуумной системы SPS. Расчетный вакуум 2 · 10 −7 Торр был достаточен для SPS - в качестве синхротрона пучок должен был ускоряться до 450 ГэВ и выводиться за очень короткое время. [10] Sp p S должен был храниться от 15 до 20 часов, а вакуум необходимо было улучшить почти на три порядка.
- Ускоряющая система радиочастотной должны была пройти модификации для одновременных ускорений протонов и антипротонов. Сгустки протонов и антипротонов должны быть точно синхронизированы, чтобы столкновения произошли в центре детекторов.
- Диагностика луча должна быть адаптирована к низкой интенсивности луча. Были добавлены новые устройства, такие как направленные ответвители для независимого наблюдения за протонами и антипротонами.
- Строительство огромных экспериментальных площадок для экспериментов ( UA1 и UA2 ). Систему прерывания пучка пришлось переместить, чтобы освободить место для экспериментов. [10]
Производство антипротонов
Создание и хранение антипротонов в достаточном количестве было одной из самых больших проблем при создании Sp p S. Производство антипротонов требовало использования существующей инфраструктуры ЦЕРН, такой как протонный синхротрон ( PS ) и аккумулятор антипротонов ( AA ). . Антипротоны были получены путем направления интенсивного пучка протонов с импульсом 26 ГэВ / c от PS на мишень для производства. Возникающая вспышка антипротонов имела импульс 3,5 ГэВ / c, была магнитно отобрана и направлена в АА и сохранялась в течение многих часов. Основным препятствием был большой разброс импульсов и углов выхода антипротонов из мишени. [11] Метод уменьшения размеров балки называется стохастическим охлаждением , метод, открытый Саймоном ван дер Меером . Проще говоря, это система обратной связи, основанная на том факте, что все лучи состоят из твердых частиц и, следовательно, на микроскопическом уровне плотность в заданном объеме будет подвержена статистическим колебаниям. [10] Цель открытия W- и Z-бозонов предъявляла определенные требования к светимости коллайдера, и поэтому для эксперимента требовался источник антипротонов, способный доставлять 3 · 10 10 антипротонов каждый день в несколько сгустков в пределах углового и импульсного допуска СПС. [6] Накопление антипротонов в АК может занять несколько дней. Модернизация 1986—1988 гг. Позволила в 10 раз увеличить скорость штабелирования зенитных орудий. [10] Второе кольцо, названное Сборщиком антипротонов (АК), было построено вокруг АА.
Заполнение
После того, как антипротоны были собраны в АА, PS и Sp p S готовились к заполнению. Во-первых, три протонных сгустка, каждый из которых содержит ~ 10 11 протонов, были ускорены до 26 ГэВ в ПС и инжектированы в Sp p S. [3] Во-вторых, три сгустка антипротонов, каждый из которых содержит ~ 10 10 антипротонов, были извлечены из AA и введен в PS. [3] В PS сгустки антипротонов были ускорены до 26 ГэВ в направлении, противоположном направлению протонов, и инжектировались в Sp p S. Инжекции были рассчитаны таким образом, чтобы гарантировать, что пересечения сгустков в ускорителе будут происходить в центре. детекторов UA1 и UA2. Эффективность передачи от AA к Sp p S составляла около 80%. [12] В первом запуске, 1981–1986, Sp p S ускорял три сгустка протонов и три сгустка антипротонов. После увеличения скорости накопления антипротонов в обновлении количество протонов и антипротонов, вводимых в коллайдер, было увеличено с трех до шести. [6]
Ускорение
При инжекции в Sp p S оба луча ускорялись до 315 ГэВ. Затем он будет передаваться в хранилище на 15-20 часов сбора физических данных, в то время как AA возобновляет накопление для подготовки к следующему заполнению. Поскольку три пучка протонов и три пучка антипротонов циркулируют в одной и той же вакуумной камере, они встречаются в шести точках. UA1 и UA2 были размещены в двух из этих точек встречи. Электростатические сепараторы использовались для достижения разделения в неиспользуемых точках пересечения вдали от экспериментов [6]. До 1983 года энергия центра масс была ограничена до 546 ГэВ из-за резистивного нагрева магнитных катушек. Добавление дополнительного охлаждения позволило довести энергию машины до 630 ГэВ в 1984 г. [6]
Получение столкновений при 900 ГэВ
При работе в качестве ускорителя для экспериментов с неподвижной мишенью SPS может ускорить пучок до 450 ГэВ, прежде чем пучок будет выведен за секунды (или небольшую долю секунды при использовании для ускорения сгустков для инжекции в LHC ). Однако при работе в качестве коллайдера луч должен храниться в канале пучка в течение нескольких часов, а дипольные магниты ускорителя должны сохранять постоянное магнитное поле в течение более длительного времени. Чтобы предотвратить перегрев магнитов, Sp p S будет ускорять лучи только до энергии центра масс 315 ГэВ. Однако этот предел может быть преодолен путем изменения магнитов между 100 ГэВ и максимальной мощностью 450 ГэВ. [13] Sp p S будет ускорять лучи до 450 ГэВ, удерживая их на этой энергии в течение времени, ограниченного нагревом магнитов, а затем замедляет лучи до 100 ГэВ. Импульсный режим работал таким образом, чтобы средний разброс мощности в магнитах не превышал рабочего уровня при 315 ГэВ. Sp p S иногда работал в импульсном режиме после 1985 года, получая столкновения при энергии центра масс 900 ГэВ. [13]
Находки и открытия
Sp p S начал свою работу в июле 1981 года, а к январю 1983 года было объявлено об открытии W- и Z-бозонов в экспериментах UA1 и UA2 . Карло Руббиа , представитель эксперимента UA1 , и Саймон ван дер Меер получили Нобелевскую премию по физике 1984 года за, как указано в пресс-релизе Нобелевского комитета , за «(...) их решающий вклад в большой проект, который привел к к открытию частиц поля W и Z (...) ». [1] Премия была присуждена Карло Руббиа за его «(...) идею превратить существующий большой ускоритель в накопитель для протонов и антипротонов», то есть за концепцию Sp p S, и Саймону ван дер Мееру. за его «(...) гениальный метод плотной упаковки и хранения протона, теперь применяемый для антипротонов», то есть за разработку технологии, позволяющей использовать накопитель антипротонов - стохастическое охлаждение. [1] Концепция, конструкция и эксплуатация Sp p S сами по себе считались большим техническим достижением.
Перед тем, как Sp p S был введен в эксплуатацию, обсуждался вопрос о том, будет ли машина вообще работать, или воздействие пучка на сгруппированные пучки будет препятствовать работе с высокой яркостью. [6] Sp p S доказал, что эффект пучка-пучка на сгруппированных пучках может быть преодолен, и что адронные коллайдеры были отличным инструментом для экспериментов по физике элементарных частиц. В этом отношении он положил начало работе LHC , адронного коллайдера следующего поколения в ЦЕРНе . [3]
Смотрите также
- Супер протонный синхротрон
- Список экспериментов суперпротонного синхротрона
- UA1 эксперимент
- UA2 эксперимент
- Стохастическое охлаждение
- W- и Z-бозоны
Рекомендации
- ^ a b c "Пресс-релиз: Нобелевская премия по физике 1984 года" . www.nobelprize.org . Проверено 12 июля 2017 .
- ^ «Нобелевская премия по физике 1979 года» . Nobelprize.org . 15 октября 1979 . Проверено 28 июля 2017 года .
- ^ Б с д е е г ч I Ди Лелла, Луиджи; Руббия, Карло (2015). «Открытие W- и Z-бозонов» . 60 лет экспериментов и открытий ЦЕРН . Продвинутая серия по направлениям физики высоких энергий. 23 . World Scientific. С. 137–163. DOI : 10.1142 / 9789814644150_0006 . ISBN 978-981-4644-14-3.
- ^ Дарриулат, Пьер (1 апреля 2004 г.). «Частицы W и Z: личное воспоминание» . ЦЕРН Курьер . Проверено 21 июня 2017 года .
- ^ Rubbia, C .; McIntyre, P .; Клайн, Д. (8 июня 1976 г.). Получение массивных нейтральных промежуточных векторных бозонов с помощью существующих ускорителей . Международная конференция по нейтрино, 1976. Аахен, Германия.
- ^ Б с д е е г ч I Шмидт, Рудигер (2017). «Протон-антипротонный коллайдер CERN SPS». В Брюнибнге, Оливер; Майерс, Стив (ред.). Вызовы и цели ускорителей в XXI веке . World Scientific. С. 153–167. DOI : 10.1142 / 9789814436403_0010 . ISBN 9789814436403.
- ^ Эванс, Линдон (25 ноября 1987 г.). Протонно-антипротонный коллайдер . Третья лекция памяти Джона Адамса. Женева, ЦЕРН: ЦЕРН.
- ^ ван дер Меер, С. (август 1972 г.). "Стохастическое охлаждение бетатронных колебаний в ISR" (PDF) . Проверено 19 июля 2017 года . Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь )CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка ) - ^ «Пресс-релиз: Нобелевская премия по физике 1984 года» . Nobelprize.org . 17 октября 1984 . Проверено 24 июля 2017 года .
- ^ а б в г д Эванс, Линдон; Джонс, Эйфионид; Козиол, Хериберт (1989). "Коллайдер ppbar CERN". В Altarelli, G .; Ди Лелла, Луиджи (ред.). Физика протон-антипротонного коллайдера . Продвинутая серия по направлениям физики высоких энергий. 4 . Мировое научное издательство.
- ^ Якобс, Карл (1994). «Физические результаты эксперимента UA2 на p p коллайдере ЦЕРНа » . Международный журнал современной физики А . 09 (17): 2903–2977. Bibcode : 1994IJMPA ... 9.2903J . DOI : 10.1142 / S0217751X94001163 .
- ^ Гарейте, Жак (11 октября 1983 г.). Протон-антипротонный коллайдер SPS . Школа ускорителей ЦЕРН: Антипротоны для установок на встречных пучках. Женева, ЦЕРН: ЦЕРН. DOI : 10,5170 / CERN-1984-015.291 .
- ^ а б Лаукнер, Р. (октябрь 1985 г.). Импульсная работа коллайдера CERN SPS . 11-я конференция по ускорителям частиц IEEE, часть 1. Ванкувер, Канада.
Внешние ссылки
- СМИ, связанные с суперпротонно-антипротонным синхротроном на Викискладе?
- «Частицы W и Z: личные воспоминания», пресс-секретарь UA2 Пьер Дарриулат.
- Ди Лелла, Луиджи; Руббиа, Карло (2015) «Открытие частиц W и Z» за 60 лет экспериментов и открытий ЦЕРН . Сервер документов ЦЕРН: World Scientific
- Шмидт, Рудигер (2017) «Протон-антипротонный коллайдер CERN SPS» в книге « Проблемы и цели для ускорителей в XXI веке» . Всемирный научный