Циклічні прискорювачі елементарних частинок

На виході синхрофазотрону отримують короткі імпульси протонів, прискорених до 10 Гев. Ці імпульси з'являються 5 разів на хвилину.

3.4 Колайдер

Існує два типи прискорювальних установок: прискорювачі з нерухомою мішенню і прискорювачі із стрічними пучками (або колайдери). У прискорювачах першого типу частинки після прискорення виводять з прискорювальної камери і направляють на нерухому мішень, наприклад, металеву пластину. В цьому випадку далеко не вся кінетична енергія прискореної частинки може бути “вкладена” в процес, що вивчається, наприклад, у внутрішнє збудження атомного ядра або частинки-мішені або в народження нової частинки, оскільки значна, а часто і переважна частина цієї енергії не може бути “вилучена” у частинки, оскільки йде на “забезпечення” виконання закону збереження імпульсу - великий імпульс частинки до зіткнення повинен зберегтися у вигляді великого імпульсу (а значить, і кінетичній енергії) продуктів реакції.

Конкретні оцінки дозволяють побачити величезну різницю між кінетичними енергіями, наприклад, протонів в прискорювачі з нерухомою мішенню і із зустрічними пучками, які необхідні для народження частинок великої маси. Величезна енергетична перевага прискорювачів на зустрічних пучках зробила їх абсолютно необхідним атрибутом провідних сучасних центрів дослідження фізики елементарних частинок. Є дві основні схеми реалізації колайдерів (мал. 19). Якщо зустрічні пучки складаються з частинок, що мають рівні маси і протилежні по знаку заряди ( античастки, наприклад, електрон-позитрон або протон-антипротон), то для обох пучків використовується одне кільце магнітів (мал. 19б). У деяких точках цього кільця є ділянки взаємодії прискорених зустрічних пучків. Якщо ж зустрічні частинки мають однакові заряди або різні маси (наприклад, протон-протон або електрон-антипротон), то необхідно два кільця магнітів і в деяких місцях створюються області зіткнення (перетини) пучків (мал. 19а). В зустрічних пучках, рухомих один одному на зустріч накопичується максимально можливе число частинок (до 1015 в пучку). Проте накопичувана щільність частинок мала і при кожному оберті реальні зіткнення відчувають невеликі кількості частинок.

Мал. 19. Два типи прискорювачів на зустрічних пучках: а - для частинок, що мають однакові заряди або різні маси (наприклад, протон-протон або електрон-протон); б -для частинок з протилежними по знаку зарядами і рівними масами, тобто частинок і античасток (електрон-позитрон, протон-антипротон).Взаємодія пучків майже не порушує динаміку їх руху в прискорювальному кільці і пучки багато годин і навіть діб можуть циркулювати в прискорювачі без поповнення.

Зустрічні пучки складаються з окремих згустків частинок, названих банчами (від англ. bunch), що рухаються з певним інтервалом (частотою) один за одним. Розглянемо два циліндрових банча однакового перетину, що летять назустріч один одному і потім стикаються (мал. 20). Вважатимемо, що банчі рівномірно заповнені частинками і при зіткненні повністю перекриваються.

Мал. 20. Два згустки частинок (банча), що стикаються, в колайдері.

У лівому банчі n1 частинок, а в правому n2. Спочатку покладемо, що на орбіті колайдера банчі стикаються один раз в одиницю часу. Число взаємодій N1 в одиницю часу між частинками цих двох банчей (тобто число актів реакцій в одиницю часу) можна обчислити за формулою (2), прийнявши лівий банч за частинки-снаряди, а правий - за мішень:

N = jnSlσ = (n1/S)n2σ (1)

де σ- ефективний переріз взаємодії. Тут враховано, що щільність потоку падаючих на правий банч частинок лівого банча j = n1/S, а повне число частинок в правом банчі (прийнятому як мішень) n2 = nSl, де n - концентрація частинок в правом банчі. Якщо банчі стикаються f разів в одиницю часу (тобто з частотою f), то число актів реакції N даватиметься виразом

N = f(n1n2/S)σ = Lσ (2)

де L = f(n1n2/S) (3)

і є світимість колайдера.