SLAC)
Для досягнення великих енергій доводиться будувати лінійні прискорювачі великої довжини. Найбільший лінійний прискорювач був побудований в Стенфорді (США). Він працював у період 1989-1998 рр., Мав довжину близько 3 км і прискорював як електрони, так і позитрони до енергії 50 ГеВ. Для досягнення такої енергії частки відчувають близько 80000 актів прискорення. Цей прискорювач працював в режимі коллайдера, коли пучок електронів з енергією 50 ГеВ стикається з пучком позитронів такий же енергії.
2.5 Прискорювач на зустрічних пучках (коллайдер)
Існує два типи прискорювальних установок: прискорювачі з нерухомою мішенню і прискорювачі із зустрічними пучками (або колайдери). У прискорювачах першого типу частинки після прискорення виводять з прискорювальної камери і направляють на нерухому мішень, наприклад, металеву пластину. У цьому випадку далеко не вся кінетична енергія прискореної частинки може бути вкладена в досліджуваний процес, наприклад, під внутрішнє збудження атомного ядра або частинки-мішені або у 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 кінетичної енергії) продуктів реакції.
Конкретні оцінки (див. еквівалентна енергія) 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.
Рис. 54 - 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 протилежними за знаком зарядами і рівними масами, т. е. частинок і античастинок (електрон-позитрон, протон-антипротон)
Величезна енергетичну перевагу прискорювачів на зустрічних пучках зробило їх абсолютно необхідним атрибутом провідних сучасних центрів дослідження фізики елементарних частинок. Є дві основні схеми реалізації коллайдеров (рис. 1). Якщо зустрічні пучки складаються з частинок, що мають рівні маси і протилежні за знаком заряди (тобто античастинки, наприклад, електрон-позитрон або протон-антипротон), то для обох пучків використовується одне кільце магнітів (рис. 1б). 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 необхідні два кільця магнітів і в деяких місцях створюються області зіткнення (перетину) пучків (рис. 1а).
Під зустрічних пучках, що рухаються назустріч один одному, накопичується максимально можливе число частинок (до 1015 в пучку). Однак накопичуються щільності часток малі і при кожному оберті реальні зіткнення відчувають деякі частинки. Взаємодія пучків майже не порушує динаміку їх руху в ускорительном кільці і пучки багато годин і навіть добу можуть циркулювати в прискорювачі без поповнення.
Важливою характеристикою коллайдеров є світність, що позначається буквою L (від англ. Luminosity).
Рис. 55 - До поняття світність. Два зіштовхуються згустку частинок (банча) в колайдері
Зустрічні пучки складаються з окремих згустків частинок, які називаються банчами (від англ. bunch), що рухаються з певним інтервалом (частотою) один за одним. Розглянемо два циліндричних банча однакового перетину, що летять назустріч один одному і потім стикаються (рис. 2). Будемо вважати, що банчі рівномірно заповнені частинками і при зіткненні повністю перекриваються. У лівому банчі n1 частинок, а в правому n2. Спочатку покладемо, що на орбіті?? оллайдера банчі стикаються один раз в одиницю часу. Число взаємодій N1 в одиницю часу між частинками цих двох банчів (т. Е. Кількість актів реакцій в одиницю часу) можна обчислити за формулою (2) з розділу Перетин реакції raquo ;, прийнявши лівий Банч за частинки-снаряди, а правий - за Мета:
(1)
де?- Ефективний перетин взаємодії. Тут враховано, що щільність потоку падаючих на правий Банч частинок лівого банча j=n1/S, а повне число частинок в правом банчі (прийнятому в якості мішені) n2=nSl, де n - концентрація часток у правому банчі. Якщо банчі стикаються f раз в одиницю часу (т. Е. З частотою f), то число актів реакції N даватиметься виразом
(2)
де (3) і є світність коллайдера.
Приклад. У колайдері TEVATRON стикаються протони і антипротони з енергіями 1 ТеВ. Чому одно число актів їх взаємодії в 1 сек, якщо перетин повної взаємодії протона і антипротона при цих енергі...
