Коллайдер - Collider

Эта статья про ускоритель частиц. Для использования в других целях см. Коллайдер (значения).

А коллайдер это тип ускоритель частиц что приводит к двум противоположным пучки частиц вместе так, что частицы сталкиваются.^[1] Коллайдеры могут быть кольцевые ускорители или же линейные ускорители.

Коллайдеры используются как инструмент исследования в физика элементарных частиц ускоряя частицы до очень высоких кинетическая энергия и позволяя им сталкиваться с другими частицами. Анализ побочных продуктов этих столкновений дает ученым хорошее доказательство структуры субатомного мира и законов природы, управляющих им. Они могут проявляться только при высоких энергиях и в течение крошечных периодов времени, и поэтому их трудно или невозможно изучить другими способами.

Объяснение

В физика элементарных частиц каждый получает знания о элементарные частицы ускоряя частицы до очень высоких кинетическая энергия и позволяя им воздействовать на другие частицы. При достаточно высокой энергии реакция происходит, что превращает частицы в другие частицы. Обнаружение этих продуктов дает представление о физика участвует.

Для проведения таких экспериментов есть две возможные установки:

• Установка фиксированной цели: Пучок частиц ( снаряды) ускоряется ускоритель частиц, и в качестве партнера по столкновению ставит неподвижную цель на путь луча.
• Коллайдер: Два пучки частиц ускоряются, и пучки направлены друг против друга, так что частицы сталкиваются, летя в противоположных направлениях. Этот процесс можно использовать для создания странных и антиматериальных.

Коллайдер сложнее сконструировать, но имеет большое преимущество, согласно которому специальная теория относительности энергия неупругое столкновение между двумя частицами, приближающимися друг к другу с заданной скоростью, не просто в 4 раза выше, чем в случае покоя одной частицы (как это было бы в нерелятивистской физике); она может быть на несколько порядков выше, если скорость столкновения близка к скорости света.

В случае коллайдера, где точка столкновения покоится в лабораторной системе отсчета (т.е. ${\displaystyle {\vec {p}}_{1}=-{\vec {p}}_{2}}$), центр масс энергии ${\displaystyle E_{\mathrm {cm} }}$ (энергия, доступная для производства новых частиц при столкновении) просто ${\displaystyle E_{\mathrm {cm} }=E_{1}+E_{2}}$, куда ${\displaystyle E_{1}}$ и ${\displaystyle E_{2}}$ - полная энергия частицы от каждого пучка. Для эксперимента с фиксированной мишенью, когда частица 2 находится в состоянии покоя, ${\displaystyle E_{\mathrm {cm} }^{2}=m_{1}^{2}+m_{2}^{2}+2m_{2}E_{1}}$.^[2]

История

Первое серьезное предложение о коллайдере было сделано группой в Ассоциация исследований университетов Среднего Запада (МУРА). Эта группа предложила построить два касательных радиально-секторных Ускоритель FFAG кольца.^[3] Тихиро Окава, один из авторов первой статьи, продолжил разработку конструкции ускорителя FFAG с радиальным сектором, который мог ускорять два встречно вращающихся пучка частиц в одном кольце магнитов.^[4][5] Третьим прототипом FFAG, созданным группой MURA, была электронная машина на 50 МэВ, построенная в 1961 году, чтобы продемонстрировать осуществимость этой концепции.

Джерард К. О'Нил предложил использовать один ускоритель для инжекции частиц в пару касательных кольца для хранения. Как и в исходном предложении MURA, столкновения будут происходить в касательной секции. Преимущество накопительных колец состоит в том, что накопительное кольцо может накапливать высокий поток пучка от ускорителя впрыска, который обеспечивает гораздо более низкий поток.^[6]

Первый электрон -позитрон коллайдеры были построены в конце 1950-х - начале 1960-х годов в Италии, на Istituto Nazionale di Fisica Nucleare в Фраскати близ Рима австрийско-итальянским физиком Бруно Тушек а в США - командой Стэнфорд-Принстон, в которую входили Уильям Барбер, Бернард Гиттельман, Джерри О’Нил и Бертон Рихтер. Примерно в то же время, в начале 1960-х гг. ВЭП-1 электрон-электронный коллайдер был самостоятельно разработан и построен под руководством Герш Будкер в Советский Институт ядерной физики.^[7]

В 1966 году начались работы по Пересекающиеся кольца для хранения в ЦЕРН, а в 1971 году этот коллайдер заработал.^[8] ISR представлял собой пару накопительных колец, в которых накапливались частицы, введенные ЦЕРНом. Протонный синхротрон. Это был первый адрон коллайдер, поскольку все предыдущие усилия работали с электроны или с электронами и позитроны.

В 1968 г. началось строительство ускорительного комплекса для Теватрон в Фермилаб. В 1986 году были зарегистрированы первые столкновения протонов и антипротонов в центре масс с энергией 1,8 ТэВ, что сделало его коллайдером с самой высокой энергией в мире на то время.

Самый высокоэнергетический коллайдер в мире (по состоянию на 2016 г.) Большой адронный коллайдер (LHC) в ЦЕРН. В настоящее время рассматривается несколько проектов коллайдеров частиц.^[9][10]

Действующие коллайдеры

Источники: Информация взята с веб-сайта Particle Data Group.^[11] и Справочник по физике и технике ускорителей.^[12]

Ускоритель	Центр, город, страна	Первая операция	ускоренные частицы	максимальная энергия на луч, ГэВ	Яркость, 10^30 см^−2s^−1	Периметр (длина), км
ВЭПП-2000	INP, Новосибирск, Россия	2006	е^+е^−	1.0	100	0.024
ВЭПП-4М	INP, Новосибирск, Россия	1994	е^+е^−	6	20	0.366
BEPC II	ИФВЭ, Пекин, Китай	2008	е^+е^−	3.7	700	0.240
DAFNE	Фраскати, Италия	1999	е^+е^−	0.7	436[13]	0.098
KEKB /SuperKEKB	KEK, Цукуба, Япония	1999	е^+е^−	8.5 (е-), 4 (е +)	21100	3.016
RHIC	BNL, Соединенные Штаты	2000	ПП, Au-Au, Cu-Cu, d -Au	100/п	10, 0.005, 0.02, 0.07	3.834
LHC	ЦЕРН	2008	пп, Pb -Pb, p-Pb, Xe-Xe	6500 (планировалось 7000), 2560/п (планируется 2760 /п )	20000,[14] 0.003, 0.9, ≈0.0002	26.659

Смотрите также

• Список коллайдеров
• Большой электрон-позитронный коллайдер
• Большой адронный коллайдер
• Очень большой адронный коллайдер
• Релятивистский коллайдер тяжелых ионов
• Международный линейный коллайдер
• Кольцо для хранения
• Теватрон
• Международная конференция по фотонным, электронным и атомным столкновениям

Рекомендации

1. https://news.fnal.gov/2013/08/fixed-target-vs-collider/
2. Герр, Вернер; Муратори, Бруно (2003). «Понятие светимости». Школа акселераторов ЦЕРН: 361–378. Получено 2 ноября 2016.
3. Керст, Д. В.; Cole, F.T .; Crane, H. R .; Jones, L.W .; и другие. (1956). «Достижение очень высоких энергий с помощью пересекающихся пучков частиц». Физический обзор. 102 (2): 590–591. Bibcode:1956ПхРв..102..590К. Дои:10.1103 / PhysRev.102.590.
4. Патент США 2890348, Тихиро Окава "Ускоритель частиц ", выпущенный 1959-06-09 
5. Наука: физика и фэнтези, Время, Понедельник, 11 февраля 1957 г.
6. О'Нил, Дж. (1956). "Синхротрон с накопительным кольцом: прибор для исследования физики высоких энергий" (PDF). Физический обзор. 102 (5): 1418–1419. Bibcode:1956ПхРв..102.1418О. Дои:10.1103 / PhysRev.102.1418. Архивировано из оригинал (PDF) на 2012-03-06.
7. Шильцев, В. (2013). «Первые коллайдеры: Ада, ВЭП-1 и Принстон-Стэнфорд». arXiv:1307.3116 [Physics.hist-ph ].
8. Кьелл Йонсен, ISR времен Йеншке, ЦЕРН Курьер, 1 июня 2003 г.
9. Шильцев, В. (2012). «Коллайдеры частиц высоких энергий: последние 20 лет, следующие 20 лет и далее». Успехи физики. 55 (10): 965–976. arXiv:1205.3087. Bibcode:2012PhyU ... 55..965S. Дои:10.3367 / УФНэ.0182.201210д.1033. S2CID  118476638.
10. Шильцев, В. (2015). "Хрустальный шар: о будущих коллайдерах высоких энергий". Материалы конференции Европейского физического общества по физике высоких энергий (EPS-HEP2015). 22–29 июля 2015 г. Вена: 515. arXiv:1511.01934. Bibcode:2015ehep.confE.515S.
11. «Параметры коллайдера высоких энергий» (PDF).
12. Справочник по физике и технике ускорителей, под редакцией А. Чао, М. Тигнера, 1999, с. 11.
13. Маццителли, Джованни. «Достижения DAFNE». www.lnf.infn.it.
14. «Рекордная светимость: молодец LHC». 15 ноя 2017. Получено 2 декабря 2017.

внешняя ссылка

• LHC - Большой адронный коллайдер в сети
• Релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC)