ВСТРЕЧНЫХ ПУЧКОВ СИСТЕМЫ
Установки, в к-рых осуществляется столкновение встречных пучков заряж. ч-ц (элем. ч-ц и ионов), ускоренных электрич. полем до высоких энергий (см. УСКОРИТЕЛИ). В таких установках исследуются вз-ствия ч-ц и рождение новых ч-ц при максимально доступных в лаб. условиях эфф. энергиях столкновения. Наибольшее распространение получили устройства со встречными электрон-электронными (е-е-), электрон-позитронными (е-е+) и протон-протонными (рр) пучками.
В обычных ускорителях вз-ствие ч-ц изучается при столкновениях пучка ускоренных до высокой энергии ч-ц с ч-цами неподвижной мишени. При этом вследствие закона сохранения полного импульса соударяющпхся ч-ц б. ч. энергии налетающей ч-цы расходуется на сообщение кинетич. энергии ч-цам — продуктам реакции, и лишь небольшая её часть «включается» в энергию вз-ствия ч-ц в системе их центра инерции, к-рая может идти, напр., на рождение новых ч-ц. При столкновении двух ч-ц одинаковой массы m0, одна из к-рых покоится в лаб. системе отсчёта, а другая движется с релятивистской (близкой к скорости света с) скоростью, энергия в системе центра инерции ?ци=?2?0?, где ?0=m0c2 — энергия покоя ч-цы, а ? — энергия налетающей ч-цы в лаб. системе отсчёта. Чем больше ?, тем меньшая её доля определяет энергию вз-ствия ч-ц. Если же сталкиваются ч-цы с равными по величине и противоположно направленными импульсами, т. е. их суммарный импульс равен 0, то лаб. система отсчёта совпадает с системой центра инерции ч-ц н эфф. энергия столкновения равна сумме энергий сталкивающихся ч-ц; для ч-ц с одинаковыми массами (и энергией ?1) ?ци=2?1.
Особенно велико преимущество изучения процессов вз-ствия на встречных пучках для лёгких ч-ц — эл-нов и позитронов, для к-рых ?0=0,5 МэВ. Напр., для соударяющихся во встречных пучках эл-нов с энергией 1 ГэВ ?ци=2 ГэВ; такая же эфф. энергия столкновения при одном неподвижном эл-не потребовала бы энергии налетающего эл-на ?=?2ци/2?0»4000 ГэВ. Для встречных пучков протонов (?0»1 ГэВ), напр, с энергией ?=70 ГэВ (энергия протонов Серпуховского ускорителя 76 ГэВ), ?ци=140 ГэВ, тогда как при столкновении с покоящимся протоном эфф. энергия столкновения 140 ГэВ была бы достигнута лишь при энергии налетающего протона в лаб. системе ?=10000 ГэВ. Т. о., в области сверхвысоких энергий с В. п. с. не могут конкурировать обычные ускорители с неподвижной мишенью.
Недостаток В. п. с.— малая интенсивность пучков (число ч-ц в пучках) по сравнению с плотностью ч-ц в неподвижной мишени. Для увеличения интенсивности до процесса соударения производится накапливание заряж. ч-ц в спец. накопит. кольцах, так чтобы токи циркулирующих ч-ц были не менее десятков А. Однако и при таких токах интенсивность пучков вторичных ч-ц высоких энергий (p- и К-мезонов, нейтрино и др.), образующихся при соударениях, на неск. порядков меньше, чем интенсивность пучков тех же ч-ц от обычных ускорителей. Кроме того, в В. п. с., по сравнению с традиц. ускорителями, получается проигрыш в энергии вторичных ч-ц, т. к. энергия вторичной ч-цы не может превышать энергию сталкивающихся первичных ч-ц. Поэтому В. п. с. не могут заменить традиц. ускорители, а лишь дополняют их.
В накопит. кольца — кольцевые вакуумные камеры, помещённые в магн. поле, ускоренные заряж. ч-цы поступают из обычного ускорителя. Магн. поле создаётся, как правило, секторными магнитами, разделёнными прямолинейными промежутками (без магн.. поля) для областей пересечения пучков (и для размещения ускорит. устройства). В. п. с. содержит один или два накопит. кольца в зависимости от того, различны (напр., е-е+, рр^, где р^ — антипротон) или одинаковы (напр., е-е-, рр) знаки электрич. зарядов сталкивающихся ч-ц. Предварит. ускорение пучков (до инжекции в накопит. кольца) производится в синхротронах или синхрофазотронах, а также в линейных ускорителях. Возможно и дополнит. ускорение ч-ц в накопит. кольцах после инжекции. Однако независимо от того, производится ли дополнит. ускорение, каждый накопит. комплекс со встречными пучками обязательно включает ускоряющую систему для компенсации потерь энергии заряж. ч-ц на синхротронное излучение (для пучков е-е- и е-е+ ) и ионизацию остаточного газа в камере. Второе назначение системы ускорения — фиксация азимутальных размеров пучка (число сгустков ч-ц равно кратности частоты ускоряющей системы по отношению к частоте обращения ч-ц). Типичные схемы электрон-позитронного и протон-протонного накопит. комплекса приведены на рис. 1 и 2.
Осн. хар-ка системы со встречными пучками — величина, к-рая определяет число событий (N) исследуемого типа в ед. времени; она наз. светимостью установки (L).
КРУПНЕЙШИЕ УСТАНОВКИ СО ВСТРЕЧНЫМИ ПУЧКАМИ И ИХ ПАРАМЕТРЫ
Рис. 1. Схема установки со встречными электрон-позитронными пучками. Пучок ускоренных в синхротроне С электронов (е-) выводится по каналу 1 и попадает на мишень М, в к-рой рождаются позитроны (е+). В течение нек-рого времени позитроны накапливаются в накопит. кольце НК, после чего включаются поворотные магниты ПМ, с помощью к-рых электронный пучок из С направляется по каналу 2 в НК навстречу позитронам, и происходит столкновение пучков е+е- (КЛ — фокусирующие магн. квадрупольные линзы).
Рис. 2. а — схема расположения синхрофазотрона (СФ) и двух пересекающихся накопит. колец НК, в к-рых происходят протон-протонные столкновения (ЦЕРН): 1—8— места пересечения колец; стрелки указывают направление движения протонов; K1 К2 — каналы для ввода протонов .в НК (в бустере производится предварит. ускорение протонов; в НК протоны дополнительно ускоряются до 31,4 ГэВ); б — деталь пересечения пучков протонов между сечениями АА' (1 — элементы структуры магнита, фокусирующего пучки протонов).
Если изучается вз-ствие с сечением а, то N=Ls. В наиболее простом случае, когда угол встречи пучков равен нулю, L=R(N1N2/S)w/2p, где N1,N2— полные числа ч-ц в каждом пучке, заполняющем кольца, S — площадь поперечного сечения, общая для обоих пучков, w — круговая частота обращения ч-ц по замкнутой орбите, R — коэфф. 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 относит. размеров пучков. Для эфф. изучения, процессов вз-ствия с сечением s=10-26—10-32 см2 величина светимости должна составлять 1028—1032 см-2 с-1. Это достигается накоплением циркулирующего тока пучков заряж. ч-ц и уменьшением поперечного сечения пучков при помощи спец. магн. фокусировки в прямолинейных промежутках, а также использованием методов электронного (стохастического) охлаждения с целью уменьшения поперечной компоненты импульса сталкивающихся пучков. Метод электронного охлаждения был предложен в 1966 Г. И. Будкером для тяжёлых ч-ц (протонов и антипротонов), у к-рых из-за практич. отсутствия еинхротронного излучениями не происходит автоматич. затухания поперечных колебаний ч-ц в пучке. Метод основан на эффекте передачи тепловой энергии пучка тяжёлых ч-ц сопутствующему (пущенному . параллельно) электронному пучку с более низкой темп-рой. Эксперим. подтверждение этого эффекта было впервые получено в Институте ядерной физики Сибирского отделения АН СССР (1974).
Для того чтобы обеспечить непрерывный физ. эксперимент с мало меняющейся светимостью установки, необходимо большое время жизни накопленных пучков ч-ц. Время жизни пучка (время, в течение к-рого интенсивность пучка уменьшается в е раз) зависит от ряда эффектов. Гл. из них— однократное и многократное рассеяние ускоренных ч-ц на атомах остаточного газа в камере накопителя, а для эл-нов и позитронов — синхротронное излучение и квант. флуктуации; существенную роль может также играть эффект взаимного рассеяния эл-нов (позитронов) пучка. Эксперим. критерий времени жизни пучка — относит. величина потери интенсивности пучков в % за 1 ч; для лучших действующих установок она составляет десятые доли % в час (для протонной установки в ЦЕРНе — 0,1% в 1 ч при токе 22 А). Такая большая величина времени жизни пучков достигается при помощи сверхвысокого вакуума в камерах накопителей пучков (10-11 мм рт. ст. в камере и 10-12 мм рт. ст. в зонах встречи пучков). Необходимый элемент ускорителя со встречными е-е+-пучками — электрон-позитронный конвертор (металлич. мишень М толщиной ок. 1 радиац. длины; на рис. 1 — на прямом пучке), в к-рой эл-ны рождают тормозные g-кванты, а те в свою очередь — пары электрон — позитрон. Отношение числа позитронов, захваченных в накопитель, к числу эл-нов, выведенных из синхротрона (коэфф: конверсии), при энергии электронного пучка в сотни МэВ может достигать величины 10-4 для позитронного пучка с энергией, примерно вдвое меньшей энергии эл-нов.
Для схемы протон-протонных столкновений (рис. 2), реализуемой на базе двух магн. структур с сильной фокусировкой, характерно наличие многих точек встречи пучков, что позволяет одновременно проводить неск. физ. экспериментов.
Типичные параметры наиб. крупных В. п. с. приведены в таблице. :.Историческая справка. Разработка и сооружение .эксперим. установок для исследований на встречных пучках ч-ц были начаты в 1956 в СССР и за рубежом по предложению амер. физика Д. У. Керста. В течение 1956—66 преимущество в реализации встречных пучков было отдано лёгким стабильным ч-цам — эл-нам и позитронам (предложение о реализации ускорителей со встречными электрон-позитронными пучками принадлежит Г. И. Будкеру), для к-рых ультрарелятив. скорости достигаются при энергиях в сотни МэВ. В связи с запуском в 1959— 1960 высокоэнергичных ускорителей протонов в ЦЕРНе на 28 ГэВ и в США на 33 ГэВ открылись возможности для создания накопит. колец на встречных рр-пучках. В 1971 в ЦЕРНе были запущены два накопит. кольца для встречных рр-пучков с энергией 31,4 Гэв. Успешная эксплуатация этой установки при циркулирующих токах протонов 22—25 А стимулировала дальнейшее развитие проектных работ по рр-, рр^:- и ре--накопительным установкам высоких энергий.
