Ускорители на встречных пучках
Ускорители на встречных пучках, ускорители со встречными пучками, установки, в которых осуществляется столкновение встречных пучков заряженных частиц (элементарных частиц и ионов), ускоренные электрическим полем до высоких энергий (см. Ускорители заряженных частиц). На таких установках исследуются взаимодействия частиц и рождение новых частиц при максимально доступных в лабораторных условиях эффективных энергиях столкновения. Наибольшее распространение получили ускорители со встречными электрон-электронными (е-е-), электрон-позитронными (е-е +) и протон-протонными (рр) пучками.
В обычных ускорителях взаимодействие частиц изучается в лабораторной системе отсчёта при столкновениях пучка ускоренных до высокой энергии частиц с частицами неподвижной мишени. При этом вследствие закона сохранения полного импульса соударяющихся частиц большая часть энергии налетающей частицы расходуется на сохранение движения центра масс системы частиц, т. е. на сообщение кинетической энергии частицам = продуктам реакции, и лишь небольшая её часть определяет "полезную", или эффективную, энергию столкновения, т. е. энергию взаимодействия частиц в системе их центра инерции, которая может идти, например, на рождение новых частиц. Из расчёта следует, что при столкновении двух частиц одинаковой массы (m0), одна из которых покоится в лабораторной системе отсчёта, а другая движется с релятивистской (близкой к скорости света с) скоростью, энергия в системе центра инерции , где E0 = m0c2 = энергия покоя частицы, а Е = энергия налетающей частицы в лабораторной системе отсчёта. Т. о., чем больше Е, тем меньшая её доля определяет энергию взаимодействия частиц. Если же сталкиваются частицы с равными по величине и противоположно направленными импульсами, т. е. их суммарный импульс равен нулю, то лабораторная система отсчёта совпадает с системой центра инерции частиц и эффективная энергия столкновения равна сумме энергий сталкивающихся частиц; для частиц с одинаковыми массами (и энергией Е) Еци = 2E, т. е. кинетическая энергия может быть полностью использована на взаимодействие.
Особенно велико преимущество изучения процессов взаимодействия на встречных пучках для лёгких частиц = электронов и позитронов, для которых E0 = 0,5 Мэв. Например, для соударяющихся во встречных пучках электронов с энергией в 1 Гэв Еци = 2 Гэв; такая же эффективная энергия столкновения при одном неподвижном электроне потребовала бы энергии налетающего электрона Е = Е2ци/2Е0(4000 Гэв. Для встречных пучков протонов (E0 " 1 Гэв), например с энергией Е =70 Гэв (энергия протонов Серпуховского ускорителя 76 Гэв), ?Еци = 140 Гэв, тогда как при столкновении с покоящимся протоном эффективная энергия столкновения 140 Гэв была бы достигнута лишь при энергии налетающего протона Е =10 000 Гэв!
У. на в. п. имеют важнейшее значение для изучения упругих и неупругих процессов взаимодействия стабильных частиц = протонов и электронов (и их античастиц); в области сверхвысоких энергий с ними не могут конкурировать обычные ускорители с неподвижной мишенью.
Недостаток У. на в. п. = малая плотность пучков частиц по сравнению с плотностью неподвижной мишени. Для увеличения плотности частиц до процесса соударения производится накапливание заряженных частиц в специальных накопительных кольцах (см. Накопители заряженных частиц), так чтобы токи циркулирующих частиц составляли не менее десятков а. Однако и при таких токах интенсивность пучков вторичных частиц высоких энергий (p- и К-мезонов, нейтрино и др.), образующихся при соударениях, на несколько порядков меньше, чем интенсивность пучков тех же частиц, получаемых на обычных ускорителях. Кроме того (т.к. энергия вторичной частицы не может превышать энергию сталкивающихся в У. на в. п. первичных частиц), получается проигрыш в энергии вторичных частиц по сравнению с традиционными ускорителями. Поэтому У. на в. п. не могут заменить, а лишь дополняют традиционные ускорители, и развитие тех и других должно идти параллельно.
В накопительные кольца, представляющие собой кольцевые вакуумные камеры, помещенные в магнитное поле, ускоренные заряженные частицы поступают из обычного ускорителя. Магнитное поле создаётся, как правило, секторными магнитами, разделёнными прямолинейными промежутками (без магнитного поля) для областей пересечения пучков (и для размещения ускорительного устройства). Установка со встречными пучками содержит один или два накопительных кольца в зависимости от того, различны (как у е- е +, р , где ?= антипротон) или соответственно одинаковы (как у е- е-, рр) знаки электрических зарядов сталкивающихся частиц. Предварительное ускорение пучков (до инжекции в накопительные кольца) производится в синхрофазотронах или синхротронах (с сильной или слабой фокусировкой), а также в линейных ускорителях. Возможно и дополнительное ускорение частиц в накопительных кольцах после инжекции. Однако независимо от того, производится ли дополнительное ускорение, каждый накопительный комплекс на встречных пучках обязательно включает ускоряющую систему для компенсации потерь энергии заряженных частиц на синхротронное излучение (для электрон-позитронных пучков) и ионизацию остаточного газа в камере. Второе назначение системы ускорения = фиксация азимутальных размеров пучка (число сгустков частиц равно кратности частоты ускоряющей системы по отношению к частоте обращения частиц). Типичные схемы электрон-позитронного и протон-протонного накопительного комплекса приведены на рис. 1 и 2.
Основная характеристика системы со встречными пучками = величина, которая определяет число (N) событий исследуемого типа в единицу времени и называется светимостью (1.) установки. Если изучается взаимодействие с сечением d, то N = L (. В наиболее простом случае, когда угол встречи пучков равен нулю, L = R (N1N2 /S)w/2p, где N1, N2 = полные числа частиц в каждом пучке, заполняющем кольца, S = площадь поперечного сечения, общая для обоих пучков, w = круговая частота обращения частиц по замкнутой орбите, R = коэффициент использования установки, равный отношению длины промежутков встречи пучков к периметру орбиты. В более общем случае R зависит от области перекрытия пучков, т. е. от углов пересечения и относительных размеров пучков. Для эффективного изучения процессов взаимодействия с сечением d = 10-26=10-32 см2, величина светимости должна составлять 1028=1032 см-2сек-1. Это достигается накоплением циркулирующего тока пучков заряженных частиц и уменьшением поперечного сечения пучков при помощи специальной магнитной фокусировки в прямолинейных промежутках, а также использованием методов электронного или стохастического охлаждения с целью уменьшения поперечной компоненты импульса сталкивающихся пучков. Метод электронного охлаждения был предложен в 1966 сов. физиком Г. И. Будкером для тяжёлых частиц (протонов и антипротонов), у которых из-за практического отсутствия синхротронного излучения не происходит автоматического затухания поперечных колебаний частиц в пучке. Метод основан на эффекте передачи тепловой энергии пучка тяжёлых частиц сопутствующему (пущенному параллельно) электронному пучку с более низкой температурой. Экспериментальное подтверждение этого эффекта было впервые получено в институте ядерной физики Сибирского отделения АН СССР (1974).
Для того чтобы обеспечить непрерывный физический эксперимент с мало меняющейся светимостью установки, необходимо большое время жизни накопленных пучков частиц. Время жизни пучка (время, в течение которого интенсивность пучка уменьшается в е (2,7 раз) зависит от ряда эффектов. Главные из них = однократное и многократное рассеяние ускоренных частиц на атомах остаточного газа в камере накопителя, а для электронов и позитронов = синхротронное излучение и квантовые флуктуации; существенную роль может также играть эффект взаимного рассеяния электронов (позитронов) пучка. Экспериментальный критерий времени жизни пучка = относительная величина потери интенсивности пучков в % за 1 ч; для лучших действующих установок она составляет десятые доли % в час [для протонной установки в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРНе) = 0,1%/ч при токе 22 а]. Такая большая величина времени жизни пучков достигается при помощи высокого вакуума в камерах накопителей пучков: 10-11 мм рт. ст. в объёме камеры и 10-12 мм рт. ст. в зонах встречи пучков.
Необходимым элементом ускорителя со встречными е- е + пучками является электрон-позитронный конвертер = металлическая мишень (с толщиной около 1 радиационной длины; на рис. 1 на прямом пучке), в которой электроны рождают тормозные гамма-кванты, а те, в свою очередь, = пары электрон-позитрон. Коэффициент конверсии = отношение числа позитронов, захваченных в накопитель, к числу электронов, выведенных из синхротрона = при энергии электронного пучка в сотни Мэв может достигать величины 10-4 для позитронного пучка с энергией, примерно вдвое меньшей энергии электронов.
Для схемы протон-протонных столкновений (рис. 2), реализуемой на базе двух магнитных структур с сильной фокусировкой, характерно наличие многих точек встречи пучков, что позволяет одновременно проводить несколько физических экспериментов.
Типичные параметры наиболее крупных У. на в. п. приведены в таблице. Крупнейшие ускорители на встречных пучках и их параметры Установка Тип встречных пучков Энергия, Мэв Средний радиус орбиты, м Светимость, см-2 ×сек-1 Год запуска
ВЭПП-2 (СССР, Новосибирск)
е+е-
2 ´700
1,9
~ 1029
1966
ВЭПП-4 (СССР, Новосибирск)
е+е-
2 ´3500
12,0
~ 1030
заканчивается сооружение
SPEAR (США, Станфорд)
е+е-
2 ´4500
37,2
6×1030
1972
АСО (Франция, Орсе)
е+е-
2 ´540
3,5
1029
1966
ADONE (Италия, Фраскати)
е+е-
2 ´1500
16,4
6 ×1029
1969
ISR (ЦЕРН, Швейцария, Женева)
рр
2 ´31400
150
6,7 ×1030
1971
ISABELLE (США, Брук-хейвен)
2 ´200 ×103
428
проектируется
РЕР (США, Станфорд)
е+е-
2 ´15 ×103
350
1032
проектируется
SUPER ADONE (Италия, Фраскати)
е+е-
2 ´12 ×103
136
1032
проектируется
? Краткая история развития У. на в. п. Разработка и сооружение экспериментальных установок для исследований на встречных пучках частиц были начаты в 1956 во многих лабораториях в СССР и за рубежом после опубликованного предложения амер. физика Д. У. Керста. В течение 1956=66 преимущество в реализации встречных пучков было отдано лёгким стабильным частицам = электронам и позитронам (предложение о реализации ускорителей со встречными электрон-позитронными пучками принадлежит Будкеру), для которых ультрарелятивистские скорости достигаются при энергиях в сотни Мэв. Первые установки на встречных е- е- и е- е + пучках были созданы в институте ядерной физики Сибирского отделения АН СССР (Будкер, А. А. Наумов с сотрудниками), в Станфордском центре линейных ускорителей (амер. физик В. К. Панофский и др., США), в Лаборатории линейных ускорителей во Фраскати (С. Тазарри и др., Италия), в Лаборатории ускорителей в Орсе (П. Марин и др., Франция).
В связи с запуском в 1959=60 высокоэнергичных ускорителей протонов в ЦЕРНе (Швейцария) на 28 Гэв и в США на 33 Гэв открылись реальные возможности для создания накопительных колец на встречных рр пучках. В 1971 в ЦЕРНе были запущены два накопительных кольца для встречных рр пучков с энергией 31,4 Гэв (К. Йонсен с сотрудниками). Успешная эксплуатация этой установки при циркулирующих токах протонов 22=25 а и светимости 6,7-1030 см-2 сек-1 стимулировала дальнейшее развитие проектных работ по рр, р и pe- накопительным установкам высоких энергий. Идёт разработка ещё 6 проектов (кроме указанных в табл.) в СССР, США и Великобритании, реализация которых предполагается в 1980=90.
Лит.: Kerst D. W., Properties of an intersectingbeam accelerating system, CERN Symposium, v. I, Gen., 1956, p. 36; Будкер Г. И., Наумов А. А. и др., Работы по встречным электрон-электронным, позитрон-электронным и протон-протонным пучкам в Институте ядерной физики СО АН СССР, в кн.: Труды Международной конференции по ускорителям. Дубна. 1963, М., 1964, с. 274=87; Jonsen К. [а. о.], Some problems connected with the use of intersecting proton storage rings, там же, с. 312=25; Будкер Г. И., Ускорители и встречные пучки, в кн.: Труды VII Международной конференции по ускорителям заряженных частиц высоких энергий, т. 1, Ер., 1970, с. 33; Труды IV Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Москва. 1974, М., 1975, т. 2, с. 300=318.
? В. П. Дмитриевский.