Адронный коллайдер

Адро́нный колла́йдер, устройство для исследования взаимодействий встречных пучков ускоренных тяжёлых адронов (используются как частицы одного сорта, так и частицы и античастицы: протоны – протоны, протоны – антипротоны). При взаимодействии встречных пучков удаётся наиболее полно использовать энергию частиц. Существенный недостаток схемы на встречных пучках – низкая плотность пучков сталкивающихся частиц. Поэтому взаимодействия встречных пучков проводятся после необходимого накопления ускоренных частиц и генерации и накопления ускоренных античастиц.

В процессе накопления производится сложная перегруппировка частиц в целях получения оптимальной конфигурации пучков, а также специальная процедура сжатия пучков – охлаждение пучков частиц. Эта важнейшая для адронного коллайдера операция необходима для повышения плотности пучков, особенно для пучков античастиц, поскольку генерация античастиц (антипротонов) имеет низкую эффективность и их накопление происходит после сотен или тысяч циклов. При этом растёт не только суммарное количество античастиц, но и объём пучка, который удаётся сжать лишь используя процедуру охлаждения.

Успешное практическое воплощение концепции встречных пучков и достижение требуемой величины плотности частиц для проведения взаимодействия стало возможным благодаря применению новейших методик и технологий (магниты со сверхпроводящими обмотками; эффективные методики охлаждения; получение сверхвысокого вакуума, необходимого для сохранения пучков; обеспечение требуемых параметров пучков в процессе их столкновений и др.). Так, значение светимости (определяемой как число столкновений, происходящих в единицу времени при пересечении встречных пучков с единичным поперечным сечением) в новейших установках достигает значения светимости 10³⁰ –10³¹ см^–2 с^–1 , что позволяет надёжно исследовать взаимодействия встречных частиц, несмотря на высокий уровень фона.

В целом адронный коллайдер представляет собой сложный комплекс циклических ускорительно-накопительных установок, предназначенных для первичного ускорения частиц, генерации античастиц, накопления встречных пучков и проведения их взаимодействия. Типичная схема адронного коллайдера (на примере комплекса «Тэватрон», Фермиевская национальная ускорительная лаборатория, США) представлена на рисунке. Протоны ${\displaystyle \mathrm {p} }$, ускоренные в линейном ускорителе 1 и бустере 2 до энергии 8 ГэВ, инжектируются в главный инжектор 3, ускоряются до энергии 120 ГэВ и сбрасываются на мишень 4 для генерации антипротонов. Антипротоны с энергией 8 ГэВ (после охлаждения) накапливаются в накопителе 5, где они дополнительно охлаждаются. После цикла накопления антипротонов начинается цикл накопления протонов, которые после ускорения в главном инжекторе до 150 ГэВ направляются в «Тэватрон» 6. Затем та же процедура проводится с накопленным антипротонным пучком. Далее протоны и антипротоны, вращающиеся на разных орбитах, ускоряются до энергии 980 ГэВ и переводятся в режим встречных взаимодействий для регистрации продуктов реакций в детекторах 7. Общий размер комплекса характеризуется величиной радиуса основного кольца адронного коллайдера, равного 1 км.

Первый адронный коллайдер введён в действие в 1971 г. в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН, Женева). Физические исследования, проведённые на адронных коллайдерах на рубеже 20–21 вв., привели к важнейшим фундаментальным открытиям, среди которых – открытие промежуточных векторных бозонов, измерение массы ${\displaystyle t}$-кварка, открытие бозона Хиггса.