Линейный коллайдер
Лине́йный колла́йдер, установка, в которой сталкиваются встречные пучки электронов и позитронов, предварительно ускоренных в двух линейных ускорителях. Идея линейного коллайдера предложена в конце 1960-х гг. для преодоления ограничения по энергии, существующего в циклических коллайдерах и связанного с потерями на синхротронное излучение. Поскольку в линейном коллайдере частицы двигаются по прямолинейной траектории, синхротронное излучение отсутствует. В циклических электрон-позитронных коллайдерах достигнута энергия частиц около 100 ГэВ и её дальнейшее увеличение экономически невыгодно. В адронных коллайдерах потери энергии на синхротронное излучение несущественны, т. к. его мощность обратно пропорциональна четвёртой степени массы частицы. Однако при столкновениях адронов существует неопределённость в энергии составляющих их кварков. Поэтому адронные пучки рассматриваются в основном как инструмент для открытия новых частиц, а электрон-позитронные коллайдеры используются для прецизионного измерения параметров уже открытых частиц.
Линейный коллайдер рассматривается как установка следующего поколения после Большого адронного коллайдера (БАК). В линейном коллайдере для осуществления тех же реакций, что и в протон-протонных столкновениях, достаточно примерно в 6 раз меньшей энергии электронов и позитронов. Соответственно, чтобы перекрыть диапазон энергии протонов в БАК (энергия каждого пучка 7 ТэВ), требуется линейный коллайдер с энергией около 1 ТэВ на пучок.
Первый проект линейного коллайдера предложен советскими физиками Г. И. Будкером, А. Н. Скринским и В. Е. Балакиным (Институт ядерной физики СО РАН) в 1978 г. В установке ВЛЭПП (встречные линейные электрон-позитронные пучки) предполагалось достичь энергии 0,5 ТэВ на пучок при длине линейного коллайдера около 10 км. Первым действующим линейным коллайдером был Стэнфордский линейный коллайдер (Stanford Linear Collider, SLC), работавший в 1989–1998 гг. в США. В SLC схема линейного коллайдера была реализована лишь отчасти: оба пучка ускорялись до 50 ГэВ в одном и том же линейном ускорителе длиной 3,2 км, затем пучки разделялись и транспортировались по отдельным дугам к точке встречи.
В 1990-х гг. в США, Германии, Японии, Швейцарии и России независимо разрабатывался ряд проектов линейных коллайдеров. Ближе других к реализации был проект TESLA (TeV Energy Superconducting Linear Accelerator, Сверхпроводящий линейный ускоритель ТэВ диапазона энергий, Германия). Стоимость создания линейного коллайдера слишком высока, чтобы решить эту задачу силами одной страны. Развиваются два альтернативных международных проекта линейных коллайдеров – CLIC (Compact Linear Collider) и ILC (International Linear Collider). В обоих проектах планируется дополнительная возможность столкновения пучков электронов (позитронов) и гамма-квантов, а также генерация рентгеновского лазерного излучения для исследований в области физики конденсированных сред.
Проект CLIC, разрабатываемый в ЦЕРН, основан на применении структур, обеспечивающих темп ускорения частиц до 150 МэВ/м. Планируется использование схемы т. н. двухпучкового ускорения, при которой параллельно основному пучку распространяется дополнительный высокоинтенсивный электронный пучок с энергией около 2 ГэВ. Энергия, полученная при его торможении в резонансных структурах, используется для ускорения основного пучка. Предполагается сооружать CLIC поэтапно, увеличивая длину установки (до 28 км) и энергию сталкивающихся пучков (от 0,5 ТэВ до 3 ТэВ).
В проекте ILC участвует примерно 50 ускорительных лабораторий Европы, Азии и Америки. В основу ILC положена технология, разработанная в рамках проекта TESLA и связанная с использованием сверхпроводящих ускоряющих структур вместо обычных проводников. При этом уменьшаются эксплуатационные расходы, но темп ускорения оказывается ниже (проект ILC ориентирован на величину около 40 МэВ/м). При энергии пучков 1 ТэВ полная длина ILC составит около 50 км.