Коллайдер это что: Как работает коллайдер? — все самое интересное на ПостНауке

Коллайдер | это… Что такое Коллайдер?

Колла́йдер (англ. collider от англ. collide — сталкиваться) — ускоритель на встречных пучках, предназначенный для изучения продуктов их соударений. Благодаря коллайдерам учёным удаётся придать элементарным частицам вещества высокую кинетическую энергию, направить их навстречу друг другу, чтобы произвести их столкновение. 

По виду коллайдеры подразделяются на кольцевые, например, Большой адронный коллайдер в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (фр. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, CERN) и линейные, как проектируемый ILC.

Содержание 1 История 2 Действующие коллайдеры 3 Исторические коллайдеры 4 См. также 5 Примечания 6 Ссылки

История

В 1956 году Дональд Керст предложил использовать сталкивающиеся пучки протонов для изучения физики элементарных частиц^[1], а Джерард О’Нил предложил использовать накопительные кольца (storage rings) для получения интенсивных пучков^[2]. Активные работы по созданию коллайдеров начались одновременно в конце 1950-х годов в лабораториях Фраскати (Италия), SLAC (США) и ИЯФ (СССР).

Первым заработал электрон-позитронный коллайдер AdA, построенный под руководством Бруно Тушека во Фраскати. Однако первые результаты были опубликованы (1966) на год позже, чем наблюдения упругого рассеяния электронов (1965) на ВЭП-1 (Встречные Электронные Пучки), машине, созданной под руководством Г. И. Будкера^[3]. Ещё чуть позже были получены пучки в американском ускорителе. Эти три первых коллайдера были тестовыми машинами, продемонстрировавшими возможность изучения физики элементарных частиц на коллайдерах.

Первым адронным коллайдером стал протонный синхротрон ISR, запущенный в 1971 году CERNе с энергией 32 ГэВ в пучке. Единственный в истории линейный коллайдер — SLC, работавший в 1988—1998 годах.

Действующие коллайдеры

Данные взяты с сайта Particle Data Group^[4] и из справочника «Handbook of accelerator physics and engineering»^[5]

.

Ускоритель	Центр, город, страна	Год запуска	Ускоряемые частицы	Максимальная энергия пучка, ГэВ	Светимость, 1030 см−2сек−1	Периметр (длина), км
ВЭПП-2000	ИЯФ, Новосибирск, Россия	с 2006	е+е−	1,0	100	0,024
ВЭПП-4М	ИЯФ, Новосибирск, Россия	с 1994	е+е−	6	20	0,366
ВЕРС-II	IHEP, Пекин, Китай	с 2007	е+ е−	1,89	2700	0,23753
DAFNE	Frascati, Италия	с 1999	е+е−	0,7	150	0,098
RHIC	BNL, США	с 2000	pp, Au-Au, Cu-Cu, d-Au	100/n	10, 0,0015, 0,02, 0,07	3,834
LHC	CERN	с 2008	pp, Pb-Pb	4000 (планируется 7000), 1380/n (планируется 2760/n)	10000 (достигнута 6000), 0,001 (планируется)	26,659

Исторические коллайдеры

Ускоритель	Центр, город, страна	Годы работы	Ускоряемые частицы	Максимальная энергия пучка, ГэВ	Светимость, 1030 см−2сек−1	Периметр (длина), км
AdA	Frascati, Италия; Орсэ, Франция	1962 – 1964	е+е−	0,25		0,003
CBX	Стэнфорд, США	1963 – 1965	е−е−	0,3		0,012
ВЭП-1	ИЯФ, Новосибирск, Россия	1963 – 1968	е−е−	0,16	0,005	0,0027
ВЭПП-2	ИЯФ, Новосибирск, Россия	1965 – 1974	е+е−	0,7		0,0115
ACO	Орсэ, Франция	1966 – ?	е+е−	1
ADONE	Frascati, Италия	1969 – 1993	е+е−	1,5	0. 3	0.105
CEA	Кембридж, США	1971 – 1973	е+е−	3,5	100
ISR	CERN	1971 – 1984	pp	31,5	140	0,948
SPEAR	SLAC, Стэнфорд, США	1972 – 1990	е+е−	3
ВЭПП-2М	ИЯФ, Новосибирск, Россия	1974 – 2000	е+е−	0,7	3	0,012
DORIS	DESY, Германия	1974 – 1993	е+е−	5
DCI	Орсэ, Франция	1976 – ?	е±е±	3,6
PETRA	DESY, Германия	1978 – 1986	е+е−	20
CESR	Cornell	1979 – 2002	е+е−	6	1280 на 5,3 ГэВ	0,768
PEP	SLAC, Стэнфорд, США	1980 – 1990	е+е−	30
SppS	CERN	1981 – 1984	pp	315		6,9
Tristan	KEK, Япония	1986 – ?	е+е−	60
Tevatron	Fermilab, США	1987 – 2011	pp	980	171	6,28
SLC	SLAC, Стэнфорд, США	1988 – 1998	е+е−	45
LEP	CERN	1989 – 2000	е+е −	104,6	24 на Z0; 100 при >90 ГэВ	26,659
ВЕРС	IHEP, Пекин, Китай	1989 – 2005	е+е−	2,2	5 на 1,55 ГэВ; 12,6 на 1,843 ГэВ	0,2404
HERA	DESY, Германия	1992 – 2007	е±р	е±: 30; p: 920	75	6,336
PEP-II	SLAC, Стэнфорд, США	1999 – 2008	е+е−	е−: 12; e+: 4	10025	2,2
KEKB	KEK, Япония	1999 – 2010	е+е−	е−: 8; е+: 3,5	16270	3,016
CESR-C	Cornell	2002 – 2008	е+е−	6	60 на 1,9 ГэВ	0,768

См.

также

• УНК (Ускорительно-Накопительный комплекс) — незавершённый проект по созданию протон-протонного коллайдера в Институте физики высоких энергий, Протвино.

Примечания

1. ↑ Attainment of Very High Energy by Means of Intersecting Beams of Particles, D.W. Kerst et al., Phys. Rev., v.102, p.590-591 (1956).
2. ↑ Storage Ring Synchrotron: Device for High Energy Physics Research, G.K. O’Neill, Physical Review, v.102, p.1418-1419 (1956).
3. ↑ AdA:The First Electron-Positron Collider, C. Bernardini, Phys. perspect. 6 (2004) 156—183.
4. ↑ High Energy Collider Parameters
5. ↑ Handbook of accelerator physics and engineering, edited by A. Chao, M. Tigner, 1999, p.11.

Ссылки

• Ускорители со встречными пучками частиц, Г.И. Будкер, УФН, т.89, вып.4, с.533, (1966).
• The Rise of Colliding Beams, B.Richter, Proc. 3rd International Symposium on the History of Particle Physics (1992).

Большой адронный коллайдер (БАК) – что это такое?

Большой адронный коллайдер (сокр. БАК, англ. LHC) – это самый большой и мощный ускоритель частиц в мире, расположенный на франко-швейцарской границе около города Женева. Он предназначен для ускорения и столкновения встречных пучков протонов и тяжелых ионов (ионов свинца). БАК создан при Европейском совете ядерных исследований ЦЕНР. В его строительстве и обслуживании, участвовало более 10 тыс инженеров и ученых из более чем 100 стран мира. Стоимость проекта оценивается в 10 млрд. долларов.

Коллайдер по сути является замкнутой туннельной системой, расположенной под земной поверхностью на глубине до 180 м. Название «коллайдер» уместно перевести на русский как «устройство для сталкивания». А сталкивает он адроны (класс составных частиц, подверженных сильному взаимодействию). Отсюда и название «адронный коллайдер». Приставку «большой» он получил за свои внушительные размеры, длина основного туннеля БАК составляет 26,7 км.

По большей части эксперименты проводятся с протонами. Протон – элементарная частица, составляющая часть атома, ее отличительное свойство – наличие положительного заряда. БАК разгоняет потоки протонов внутри подземного туннеля до более 99,9% скорости света, направляя их навстречу друг другу. При столкновении на такой скорости моделируются условия, сходные с состоянием нашей Вселенной на ранних стадиях ее существования.

Каково происхождение протонов для экспериментов в БАК?

Их получают методом ионизации атома водорода. Как известно, в его составе имеется 1 протон и 1 электрон. Ионизация помогает избавиться от электрона, и сохранить необходимый для научных опытов протон.

Предназначение

Большой адронный коллайдер помогает исследовать сами элементарные частицы и особенности процессов их взаимодействия. БАК уже принес науке немало бесценных сведений в области квантовой физики, и ученым не терпится получить больше информации о том, как устроены наше пространство и время. Процессы, уловленные детекторами БАК во время столкновения протонов, дают исследователям возможность прийти к лучшему пониманию того, что представляла собой Вселенная в продолжение первых мгновений после Большого взрыва.

Как известно, к началу 1970-х физики разработали так называемую Стандартную модель (СМ), в которой объединились 3 из 4 фундаментальных взаимодействий (кроме гравитационного):

— сильное;

— слабое;

— электромагнитное.

Однако СМ невозможно принять исчерпывающей теорией элементарных частиц. Предположительно, она – не более чем фрагмент более масштабной теоретической картины устройства микромира. Основополагающая цель создание Большого адронного коллайдера – приблизиться к пониманию сущности новой теории (поиск новой физики).

В наше время наука применяет различные способы объединения фундаментальных взаимодействий:

— теория струн;

— теории супергравитации;

— петлевая квантовая гравитация и пр.

Не все они являются совершенными, и ни одна из них не была подтверждена экспериментальным методом. Препятствие заключается в недостатке энергии, доступной ученым на современных устройствах для ускорения частиц.

БАК — самая большая экспериментальная установка

Большой адронный коллайдер дал науке возможность реализовать эксперименты с недоступной прежде энергией, и по-видимому, это позволит оценить корректность некоторых из вышеупомянутых теоретических подходов. В частности, имеется большое число теоретических систем, допускающих наличие такого явления, как суперсимметрия – в частности, теория струн (она же теория суперструн), которая в случае доказанного отсутствия суперсимметрии утратит свой логический смысл. Соответственно, если будет получено доказательство существования суперсимметрии, то это станет и косвенным аргументом в подтверждение правоты данных теорий.

Исследование топ-кварков

Эти частицы – наиболее тяжелые не только из кварков, но также из всех известных науке элементарных частиц. Их масса слишком велика для того, чтобы топ-кварки можно было изучать на большинстве ускорителей. Помимо прямого научного интереса, данные частицы используются как средство для исследований бозона Хиггса. Бозоны появляются на свет в БАК совместно с парой топ-кварк/антикварк. Поэтому следует лучше представлять свойства кварков, чтобы выделять из их среды бозоны.

Исследование электрослабой симметрии

Среди основных задач БАК, помимо подтверждения существования бозона Хиггса, следует отметить то, каким образом данная нестабильная частица оказывает влияние на симметрию электрослабого взаимодействия. Бозон, как известно, — квант такого физического явления, как поле Хиггса. Преодолевающее эту среду элементарные частицы сталкиваются с сопротивлением, что физика осознает как поправки к массе.

Исследование кварк-глюонной плазмы

Помимо прочих экспериментов, в БАК проводятся опыты со столкновением ядер атомов свинца. В процессе неупругого контакта пары таких ядер на ультрарелятивистских скоростях на короткий срок появляется и исчезает сгусток ядерного в-ва высокой плотности и температуры. Изучение характерных для этого процессов (преобразование в-ва в кварк-глюонную плазму) необходимо для выстраивания более корректной теоретической модели сильных ядерных взаимодействий, которая позволит добиться существенного прогресса как собственно в физической науке, так и в понимании астрономических процессов.

Исследование фотонных взаимодействий

ЭМ взаимодействие понимается как обмен фотонами. Проще говоря, фотоны считаются носителями ЭМ поля. Протоны же обладают электрическим зарядом и электростатическим полем, которое допустимо считать совокупностью виртуальных фотонов.

Когда протоны приходят в столкновение, окружающие их фотоны вступают во взаимодействие. Тем самым, изучая процесс столкновения протонов, физики занимаются исследованием поведения фотонов высокой энергии.

Помимо этого, имеет место особая разновидность реакций – прямое взаимодействие пары фотонов.

Как устроен БАК

Коллайдер состоит из 3 базовых структур;

— ускоритель элементарных частиц. Он позволяет разогнать и столкнуть адроны (тяжелые элементарные частицы из кварков), используя электрические магниты огромной мощности, которые распределены параллельно всей протяженности подземного туннеля;

— детекторы. Процесс, а также итоги взаимодействия ускоренных магнитами протонов невозможно наблюдать непосредственно в туннеле, по этой причине особые устройства-детекторы собирают максимально возможный объем информации с целью дальнейшей ее обработки;

— грид. Детекторы набирают петабайты экспериментальных данных. Для того, чтобы корректно обработать столь внушительный массив информации, применяют грид-систему – компьютерную сеть, расположенную в 36 государствах, она формирует своего рода единый супер-компьютер. Но даже он способен интерпретировать приблизительно 1% параметров реакции в БАК.

Вид на CMS — один из детекторов БАК

Детекторы

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

ATLAS, ALICE, CMS, LHCb — это большие детекторы, расположенные вокруг точек столкновения пучков. Детекторы TOTEM и LHCf являются вспомогательными, находятся в нескольких десятках метров от точек столкновения и используются параллельно с основными.

ATLAS и CMS участвовали в поиске бозона Хиггса, а также тёмной материи. Детектор ALICE — изучает кварк-глюонную плазму при столкновении тяжёлых ионов свинца. LHCb — исследует физику b-кварков, для лучшего понимания различия между антиматерией и материей. TOTEM — изучает рассеивание частиц на малые углы (а также ведет анализ не столкнувшихся частиц). LHCf — исследует космические лучи, которые моделируются теми же не сталкивающимися частицами. MoEDAL — нацелен на поиск медленно движущихся тяжёлых частиц

Как работает БАК

Комплекс ускорителей в ЦЕРНе (CERN-GRAPHICS-2019-002-1)

В туннеле коллайдера частицы разгоняют почти до скорости света, при этом увеличивая их массу в несколько тысяч раз. Весь процесс можно разделить на 5 ключевых этапов:

1. Сначала атомы водорода поступают в начальную камеру линейного ускорителя (Linac 2), где от них отделяют электроны. Это нужно для того, чтобы у них был положительный заряд и их можно было ускорять с помощью электрического поля.
2. Проходя линейный ускоритель, пучок протонов достигает 1/3 скорости света и попадает в бустер (PS buster) с длинной пути 157 метров. Там он делится на четыре меньших пучка, каждый из которых разгоняется в отдельном кольце бустера (для максимального повышения плотности потока частиц). С помощью пульсирующего электрического поля происходит ускорение частиц, в то время как магнитное поле способствует их движению по кругу. Бустер разгоняет частицы до 91,6% скорости света и делает пучки протонов плотными.
3. На выходе из бустера частицы собираются воедино и поступают в кольцо протонного синхротрона (PS) с длинной 628 метров. Циркулируя по кругу в течение 1,2 секунды, они достигают более чем 99,9% скорости света. Стоит отметить, что на этом этапе достигается предел скорости, когда пульсирующее электрическое поле больше не может ускорять частицы. Однако вместо этого прикладываемая энергия увеличивает массу протонов. Таким образом, протонный синхротрон увеличивает кинетическую энергию частиц до 28 ГэВ (частицы становятся в 28 раз тяжелее, чем были).
4. Затем пучок поступает в протонный суперсинхротрон (SPS) — огромное 7-ми километровое кольцо — «разгон» в котором дает частицам энергию порядка 450 ГэВ. Это последняя подготовительная ступень разгона перед перемещением в основное кольцо Большого адронного коллайдера.
5. Основное кольцо БАК, длинна которого составляет 26659 метров, состоит из двух вакуумных трубок, в которых протонные пучки движутся в противоположных направлениях. Эти трубки пересекаются в четырех точках, где размещены детекторы. Там и происходит столкновение частиц и сбор данных. Однако перед встречным столкновением, основное кольцо БАК увеличивает их кинетическую энергию до 7 ТэВ (делая частицы в 7000 раз тяжелее, чем в состоянии покоя).

Интересные факты:
Всего за 1 секунду частицы пролетают всю протяженность основного туннеля более 11000 раз (т.е на 1 цикл уходит не более, чем 0,0001 с). За ту же секунду в БАК происходит около 1 миллиарда столкновений, каждое из которых генерирует 1,5 мегабайта данных.

Каковы научные достижения БАК

Поскольку БАК располагает большей энергией в сравнении с коллайдерами ранних версий, он дал ученым возможность исследовать неизведанную до того область энергий и обрести научные данные, которые помогают уточнить некоторые теоретические построения.

Сегодня к наиболее заметным научным «прорывом», достигнутым при помощи коллайдера, относят открытие бозона Хиггса. Уже сейчас его многие называют одним из наиболее громких открытий XXI столетия, поскольку бозон Хиггса помогает объяснить наличие массы частиц в нашем пространстве. Следовательно, тем самым получено подтверждение Стандартной модели, на основе каковой в наше время физика моделирует поведение и реакции элементарных частиц. И как раз это их взаимодействие является фундаментом, на котором построено все наше мироздание.

Сущность действия бозона Хиггса заключается в том, что он участвует в формировании массы и обмене ею среди прочих элементарных частиц. Однако это крайне упрощенное изложение функций бозона, и всем заинтересовавшимся этой частицей рекомендуем изучить соответствующие научные публикации.

Прочие научные результаты БАК:

— проведены исследования базовых статистических параметров столкновений протонов, оценка числа рожденных адронов, корреляции мезонов;

— продемонстрировано, что не существует асимметрия протонов и антипротонов;

— наблюдались необычные корреляции протонов, летящих по весьма различным траекториям;

— уточнены параметры возможных контактных взаимодействий кварков;

— зафиксированы существенные признаки образования кварк-глюонной плазмы и т.д.

Способен ли БАК разрушить планету

С первых дней своей постройки адронный коллайдер вызывал всевозможные спекулятивные опасения и фантазии. В частности, в интернете прошел слух, что вследствие экспериментальной работы БАК способен создать черную дыру, и та проглотит Землю.

Те самые две трубки, по которым частицы движутся в противоположных направлениях

Разумеется, эти опасения имеют под собой определенную основу, однако:

— в случае, если теоретически БАК сформировал бы черную дыру, то ее размеры оказались бы микроскопическими. И есть предположение, что чем они миниатюрнее, тем быстрее такой объект аннигилируется, превращаясь в энергию, не успев нанести ни малейшего ущерба. Но здесь нельзя утверждать ничего наверняка, потому что все это основано на гипотезах и теориях.

С другой стороны, возможно, при столкновении в БАК недостаточно кинетической энергии, чтобы выполнилось условие R=2GM/c² (гравитационный радиус), необходимое для образования черной дыры.

Планы на будущее

По мере того, как Большой адронный коллайдер приступит к работе на полной мощности и светимости (2021 — 2023 гг. ), его разработчики планируют остановку на 2,5 года для модернизации детекторов и ускорителей (проект HL-LHC). Тем самым будет усилена светимость БАК и обеспечена возможность проведения опытов с еще большей энергией. Ученые также намерены организовать опыты путем столкновения протонов и электронов, что потребует дополнительного оборудования для разгона элементарных частиц.

Кроме того, в планах ЦЕРНа есть куда более амбициозный международный проект, создание коллайдера с 100 км. кольцом. Текущее название проекта Future Circular Collider (FCC, «Будущий циклический коллайдер»).

Дорогие друзья, мы все люди и можем ошибаться, а информация имеет тенденцию устаревать. Поэтому, если найдете неверную информацию или грубые смысловые и прочие ошибки, то, пожалуйста, дайте знать об этом в комментариях.

Читайте также:

NEID от НАСА — самые точные весы для экзопланет

НАСА представило новый инструмент, который сможет определять массу далеких миров в три раза точнее, чем существующие устройства.

21 января 2020 в 13:03

Почему существуют правши и левши?

В большинстве стран негативное отношение к леворукости сошло на нет, но ученые по-прежнему хотят разгадать загадку этого разделения: почему праворуких больше?

11 ноября 2019 в 10:27

Для чего вообще нужны коллайдеры?

Выше приведено очень известное фото с ATLAS, одного из шести различных детекторов частиц, расположенных вокруг кольца Большого адронного коллайдера (сокращенно LHC). Образуя 26-километровое кольцо, охватывающее часть южной Франции и Швейцарии, БАК является крупнейшим экспериментом в своем роде, стоимость одной только машины составляет около 4 миллиардов долларов.

Но что такое «его вид»? И зачем он должен быть таким огромным?

Эстетика, понятно.

Объяснить, что делает коллайдер частиц, такой как БАК, на самом деле довольно просто, если вы готовы к довольно экстремальным мысленным образам: используя невероятно сильные магнитные поля, БАК ускоряет протоны до тех пор, пока они не начнут двигаться со скоростью 99,9999991% от скорости свет, а затем позволяет им врезаться друг в друга посреди сложных детекторов, предназначенных для наблюдения и отслеживания всего, что происходит в результате столкновения.

Все это прекрасно, но почему протоны должны двигаться так быстро? Их действительно очень трудно взломать или что-то в этом роде?

Это приводит к распространенному непониманию физики элементарных частиц, которое я хотел бы здесь исправить.

Когда большинство людей представляет себе, что делает коллайдер частиц, они представляют, как он сталкивает частицы друг с другом, как полые оболочки, обнажая более мелкие частицы, запертые внутри. Возможно, вы даже слышали, что коллайдеры частиц называют «крушителями атомов», и если вы привыкли слышать об ученых, «расщепляющих атом», все это имеет смысл: обладая большой энергией, атомы можно разбить на протоны и нейтроны. , из чего они сделаны. Протоны состоят из кварков, а кварки были обнаружены с помощью коллайдеров частиц, так что, похоже, история подтвердилась, верно?

Дело в том, что с помощью коллайдеров частиц было обнаружено много вещей, которые определенно не являются частью протонов и нейтронов. Родственники электрона, такие как мюоны и тау-частицы, новые разновидности нейтрино, более тяжелые кварки… практически единственные частицы, которые составляют часть протонов или нейтронов, — это три легчайших кварка (и это если оставить в стороне тот факт, что то, что является или не является «часть» протона — сложный вопрос сам по себе).

Так откуда берутся лишние частицы? Как столкнуть два протона вместе и получить что-то, чего не было ни в одном из них?

Ты… подкинул им Эйнштейна?

E равно m c в квадрате. Это уравнение, известное до клише, часто неверно истолковывается. Один полезный способ думать об этом состоит в том, что он описывает массу как тип энергии и разъясняет, как преобразовывать единицы массы в единицы энергии. Тогда Е в уравнении — это просто вклад в энергию частицы от ее массы, а полная энергия включает еще и кинетическую энергию, энергию движения.

Энергия сохраняется, то есть не может быть создана или уничтожена. С другой стороны, масса, будучи просто одним из видов энергии, не обязательно сохраняется. Причина, по которой кажется, что масса сохраняется в повседневной жизни, заключается в том, что требуется огромное количество энергии, чтобы создать какую-либо ощутимую массу: в конце концов, c в m c в квадрате — это скорость света. Вот почему если у вас есть радиоактивный атом, он распадется на более легкие элементы, а не на более тяжелые.

Однако это меняется при наличии достаточной кинетической энергии. Если вы получите что-то вроде протона, ускоренного почти до скорости света, его кинетическая энергия будет сравнима (или даже намного выше) с его массой. При таком количестве «запасной» энергии энергия может переходить из одной формы в другую: из кинетической энергии в массу!

Конечно, не все так просто. Сохраняется не только энергия: сохраняется и заряд, и не только электрический, но и другие виды заряда, например цвета кварков. В целом, виды частиц, которые разрешено создавать, определяются способами взаимодействия частиц. Таким образом, вам нужна не одна высокоэнергетическая частица, а две взаимодействующие высокоэнергетические частицы, чтобы открывать новые частицы.

В этом, по сути, и состоит суть коллайдера частиц. Отправляя две частицы навстречу друг другу почти со скоростью света, вы позволяете двум высокоэнергетическим частицам взаимодействовать. Чем больше машина, тем быстрее могут двигаться эти частицы, и, следовательно, тем больше кинетической энергии может трансформироваться в массу. Таким образом, чем мощнее вы сделаете свой коллайдер частиц, тем больше вероятность того, что вы увидите редкие, очень массивные частицы, которые, если их оставить в природе, превратятся невидимыми в менее массивные частицы, чтобы высвободить свою обильную энергию. Создавая эти массивные частицы внутри коллайдера частиц, мы можем быть уверены, что они созданы внутри сложных детекторов частиц, что позволяет нам с точностью наблюдать, во что они превращаются, и экстраполировать то, чем были исходные частицы. Вот как мы нашли бозон Хиггса, и именно так мы пытаемся найти суперпартнеров. Это один из немногих способов ответить на вопросы о фундаментальных правилах, управляющих Вселенной.

Нравится:

Нравится Загрузка…

БАК как фотонный коллайдер

Да, верно: фотонный коллайдер.

Большой адронный коллайдер известен тем, что сталкивает протоны. Энергия этих столкновений преобразуется в материю, производя новые частицы, которые позволяют нам исследовать природу нашей Вселенной. Протоны не стреляют друг в друга по отдельности; вместо этого они циркулируют внутри БАК группами, каждая из которых содержит около 100 миллиардов (100 000 000 000) частиц. Когда два сгустка пересекаются в центре CMS, несколько протонов — около 25 или около того — сталкиваются друг с другом. Остальные протоны продолжают беспрепятственно лететь через БАК до следующего пересечения двух сгустков.

Иногда случается что-то совсем другое. Пролетая через БАК, ускоряющиеся протоны излучают фотоны, кванты света. Если два протона, движущиеся в противоположных направлениях, летят очень близко друг к другу в пределах CMS, фотоны, излучаемые каждым из них, могут столкнуться друг с другом и произвести новые частицы, как и при столкновении протонов. Два родительских протона остаются полностью неповрежденными, но отскакивают в результате этого фотон-фотонного взаимодействия: они немного отклоняются от своих первоначальных путей, но продолжают циркулировать в БАК. Мы можем определить, имели ли место взаимодействия фотонов, идентифицируя эти отклоненные протоны, таким образом эффективно рассматривая БАК как фотонный коллайдер и добавляя новый зонд в наш набор инструментов для изучения фундаментальной физики.

Такого рода мечение протонов пока невозможно на БАК. Но новый проект под названием CMS-TOTEM Precision Proton Spectrometer (CTPPS) вскоре позволит нам изучать эти редкие столкновения. Проект объединяет коллаборации CMS и TOTEM, которые ранее работали вместе во время столкновений протонов со свинцом в 2013 году. CTPPS будет расположен по обе стороны от CMS, в 200 метрах от точки взаимодействия в центре детектора.

Физический пример для изучения фотонных столкновений

Физика столкновений фотонов вызывала определенный интерес на протяжении многих десятилетий. Действительно, на специальном совещании в 1978 году обсуждались перспективы таких столкновений на LEP, предшественнике БАК, где с 1989 по 2000 год сталкивались электроны с позитронами. не составные, как протоны», — отмечает Жоао Варела, бывший заместитель пресс-секретаря CMS, возглавляющий проект CTPPS. «Впервые было предложено провести этот тип физики на LHC с помощью CMS много лет назад, но тогда проект не был реализован».

Одной из целей проекта CTPPS является предоставление CMS возможности для изучения муфт четвертого калибра. Это взаимодействия, при которых два фотона аннигилируют при столкновении с образованием двух W-бозонов: один получает четыре калибровочных бозона в одной вершине (см. диаграмму Фейнмана выше). «С помощью CTPPS CMS может изучить, совместимы ли распределения и производительность этих взаимодействий со Стандартной моделью или нет, с на два порядка большей чувствительностью, чем раньше», — говорит Варела.

Разместив CTPPS на расстоянии 200 метров от точки столкновения, можно изучить область масс выше 200 ГэВ. Если появятся новые частицы с такими большими массами, CTPPS также улучшит потенциал открытия CMS. Варела добавляет: «Недавно в CMS было два предложения и одно в TOTEM по созданию такого спектрометра, и мы объединили их в единый проект».

Конструкция и работа спектрометра

CTPPS опирается на объекты под названием «Римские горшки», которые являются специализацией TOTEM. Это цилиндры, которые позволяют перемещать маленькие детекторы в вакуум БАК таким образом, чтобы детекторы находились внутри пучковой трубы всего в 2 мм от луча. Детекторы слежения CTPPS довольно малы, с площадью поверхности 2 см ² . По обе стороны от точки столкновения будут две станции, расположенные на расстоянии 10 метров друг от друга. Шесть плоскостей кремниевых пикселей на каждой станции будут обнаруживать следы летящих протонов, чтобы дать информацию о направлении. Магнитное поле квадруполей LHC будет служить полем для CTPPS.

После того, как CTPPS пометит отклонившиеся протоны, участвующие в фотонных взаимодействиях, детектор CMS соберет данные о самих столкновениях с информацией о помеченных протонах, включенной в тот же набор данных.

Римские горшки TOTEM предназначены для работы в условиях специальных запусков LHC с небольшим числом столкновений в секунду. Физические цели CTPPS потребуют, чтобы римские горшки работали во время обычного сбора данных CMS, а LHC обеспечивал еще большее количество столкновений в секунду с 2015 года.