Принципы конструкции коллайдеров. Экспериментальные исследования, проводимые на коллайдерах

1 Вопросы теории, принципы конструкции коллайдеров. Экспериментальные исследования, проводимые на коллайдерах

1.1. Физические основы коллайдеров

    Коллайдеры (ускорители со встречными пучками) – это установки, в которых осуществляется столкновение встречных ускоренных пучков заряженных частиц.
    В обычных ускорителях пучок частиц, ускоренных до высокой энергии, взаимодействует с частицами неподвижной мишени. При этом вследствие закона сохранения полного импульса большая часть энергии налетающих частиц расходуется на сохранение движения центра масс системы, т.е. на сообщение кинетической энергии частицам - продуктам распада. Лишь небольшая ее часть определяет полезную и эффективную энергию столкновения - энергию взаимодействия частиц в системе их центра масс (центре инерции), которая может расходоваться, например, на рождение новых частиц.
    При неподвижной мишени частица мишени с массой покоя m₀ в лабораторной системе отсчета имеет в центре масс энергию покоя E₀= m₀c², а другая, налетающая частица, обладающая той же массой покоя m_0, движется в этой системе с релятивистской скоростью и обладает несравнимо большей энергией, чем покоящаяся частица (Е >> E₀). Энергия в системе центра масс (центра инерции) определяется формулой . Чем больше Е, тем меньшая ее доля составляет эффективную энергию взаимодействия частиц.
    Если же сталкиваются частицы, движущиеся с равными по величине, но противоположно направленными импульсами, то их суммарный импульс равен нулю. В этом случае лабораторная система отсчета совпадает с системой центра масс частиц и эффективная энергия столкновения равна сумме энергий сталкивающихся частиц. Для легких частиц с одинаковыми массами и энергией Е, Е_цм= 2E эта кинетическая энергия может быть полностью использована на взаимодействие. [1,2,3].
    В системе центра масс частицы движутся навстречу друг другу с одинаковыми импульсами и энергиями E, суммарный импульс продуктов реакции равен нулю. Вся начальная энергия расходуется на интересующее нас рождение частиц, на проникновение в мелкомасштабную структуру материи.
    При столкновении частиц их энергия передается мельчайшим "капелькам" вещества, которые "взрываются", и мы наблюдаем разлет образовавшихся частиц. Исследователи узнают об устройстве вещества на мелкомасштабном уровне по специфическим распределениям этих частиц или по родившимся новым частицам (большинство из которых живут очень недолго) [34].
    Преимущество процесса взаимодействия на встречных пучках особенно велико для легких частиц – электронов, позитронов (из-за их малой энергии покоя). Ускорители с неподвижной мишенью и ускорители на встречных пучках считаются эквивалентными, если при одних и тех же сталкивающихся частицах они имеют одинаковые полезные энергии, затрачиваемые непосредственно на реакцию взаимодействия в центре масс. Формула, связывающая кинетические энергии частиц в эквивалентных ускорителях с неподвижной мишенью Е_н и на встречных пучках Е_цм. в ультрарелятивистском случае имеет вид [23]: Е_н = Е²_{цм .}/2Е₀. Используя это соотношение, можно подсчитать энергию для ускорителя с неподвижной мишенью, эквивалентного коллайдеру.
    Расчет показывает, что для получения кинетической энергии эквивалентной энергии БЭПК (LEP), равной Е _цм = 0,209 ТэВ без использования встречных пучков энергия ускорителя должна была бы составлять E_н = 4,274×10⁴ ТэВ, а Е_н../ Е_цм=2·10⁵). Те же величины для адронного коллайдера LHC составляют E_н= 1,044·10⁵ТэВ и Е_н../ Е_цм=7500 (LEP и LHC – самые большие из построенных электрон-позитронных и адронных кольцевых коллайдеров) Из приведенных результатов расчета видно, что только используя схему встречных пучков, мы имеем возможность получать очень высокие эффективные энергии.
    При использовании меньших энергий можно было бы обойтись и традиционными ускорителями, однако реализация принципа столкновения частиц позволяет сделать установку существенно более компактной.

1.2. Сравнение кольцевых и линейных коллайдеров. Синхротронное излучение

Как видно из Табл. 1а, за исключением коллайдера SLAC (СЛК, SLC), все построенные коллайдеры были кольцевыми. Кольцевые коллайдеры практически всегда более компактны, чем линейные. Необходимо отметить, однако, что использование кольцевых траекторий для ускорения легких частиц ограничивается сильным синхротронным излучением, возникающим при их вращении.
Энергия синхротронного излучения U для релятивистской частицы зависит от её массы m₀ энергии Е, радиуса траектории ρ и определяется формулой [10]:

(1.1)

    Из-за большой разницы между массой покоя электронов и протонов при одинаковых энергиях и радиусах вращения мощность синхротронного излучения электронного пучка будет в 1013 раз больше чем протонного.
    В коллайдере БЭПК (LEP), где вращающийся пучок характеризовался следующими параметрами:
Е ≈ 100 ГэВ, ρ = 4 км, В = 0,75 Тл, потери энергии на один оборот составляли 2 ГэВ. В случае протонных коллайдеров коэффициент 8,85×10^-5в формуле (1.1) должен быть заменен на 7,8×10^-18.
    Из-за больших синхротронных потерь, электрон - позитронные кольцевые коллайдеры на энергию в центре масс боٰльшую 208 БэВ не создавались. Тем не менее в работе [11] рассматривался проект электрон - позитронного коллайдера, расположенного в тоннеле того же диаметра, что и коллайдер БЭПК (длина кольца 22,8 км). При светимости 10³² см ^-2с^-1 энергия каждого пучка должна была бы составить 400 ГэВ. Чтобы покрыть потери на синхротронное излучение пришлось бы затратить 100 ГВ ВЧ мощности.
    В настоящее время при использовании электронов (позитронов) перспективными в ТэВ–м диапазоне в первую очередь считаются линейные коллайдеры. В тоже время разрабатываются кольцевые мюонные коллайдеры, где сталкиваются элементарные частицы с массой значительно превышающей массу электронов. Предполагается, что первые мюонные коллайдеры будут обладать энергией в центре масс 0,1 - 3 ТэВ и светимостью (1 - 5)×10³⁴ см^-2с^-1 [35].

1.3. Основные параметры коллайдеров

Первая основная характеристика коллайдера - энергия его пучков - выбирается исходя из задач физики элементарных частиц, которые предполагается решать при его создании. Обычно круг этих задач оказывается весьма широким. В Табл.2 -1 приведены данные о некоторых экспериментах, которые проводятся или будут проводиться в ряде коллайдеров высокой энергии. Краткие сведения о частицах, сталкиваемых в коллайдерах и о задачах, решаемых в физике элементарных частиц, будут рассмотрены в следующем разделе.
Светимость коллайдера является его второй важнейшей характеристикой. С увеличением светимости увеличивается число сталкивающихся частиц. Геометрическая светимость зависит от частоты (f) cтолкновений сгустков, числа частиц в сгустке каждого пучка (n₁и n₂) и от поперечного сечения сгустка (S). Светимость (L) определяется формулой [12,13]:

L = f(n₁n₂/S) см ^-2·с^–1

(2.1)

При столкновении частиц между ними может произойти взаимодействие, а может и не произойти. Имеется возможность определить только вероятность того или иного исхода столкновения. Вероятность взаимодействия определяется величиной поперечного эффективного сечения взаимодействия σ, которое имеет размерность площади (см²) и определяется формулой:

σ = N/L,

(2.1)

где N - число частиц , которые испытали взаимодействие в единицу времени (неупругие столкновения). Величина σ обычно выражается в миллибарнах (1 мбарн = 10^-27см ²). В работе [14] и в ряде других работ приводится формула, определяющая величину светимости, где учитываются эмиттанс пучка, гауссово распределение электронов в сгустке, учитывается также величина полного угла столкновения сгустков.
    Часто используют понятие интегральной светимости (или интеграл светимости), то есть светимость, умноженная на время работы ускорителя в течение «стандартного ускорительного года. Длительность одного стандартного года обычно принимают равным 10⁶ – 10⁷ секунд, что примерно равно четырем месяцам. Интегральную светимость обычно выражают в обратных пикобарнах (пбарн^–1) или обратных фемтобарнах (фбарн^–1).
    Для того чтобы узнать, как часто будет происходить какой-то процесс на конкретном коллайдере, надо умножить сечение процесса на светимость коллайдера (N = σL). Из-за неидеальной эффективности детектора количество реально зарегистрированных событий будет, конечно, меньше.
    Не всегда стремятся к получению максимально возможной светимости. Если в каждом сгустке адронного коллайдера будет очень много частиц, то при их столкновении одновременно будет происходить несколько независимых протон-протонных столкновений. Детектор будет фиксировать наложенные друг на друга следы сразу всех этих столкновений, что затруднит анализ процесса взаимодействия.
    Поскольку сечение процессов убывает как квадрат энергии частиц, светимость коллайдеров на большую энергию должна быть исключительно высокой. Значения светимости некоторых построенных коллайдеров приведены выше в Табл.1-В и 2-В

Таблица № 2.1. Исследования, проводимые на некоторых коллайдерах

Наименование коллайдера	Энергия пучков коллайдера, ГэВ	Светимость коллайдера 10³⁰ см^-2с^-1	Некоторые исследования, проводимые на коллайдере
KEKB	е⁻: 8 е⁺ :3,5	16270	Получение тяжелых кварков и тяжелых лептонов. В-фабрика – получение В мезонов, исследование нарушения симметрии
PEP-II	е⁻: 7-12 е⁺: 2,5- 4	10025	Получение тяжелых кварков и тяжелых лептонов. В-фабрика – получение В мезонов, исследование нарушения симметрии
SLC	е⁺е⁻: 91	6	ИсследованиеZ⁰ бозона
LEP	е⁺е⁻: 100-104,6	24 на Z⁰100 при > 90 ГэВ	Исследование бозонов слабого взаимодействия Z⁰ и W^±
Tevatron	980	171	Поиск бозонов Хиггса
RHIC	pp, Au-Au, Cu-Cu, d-Au :100/n	10; 0,0015; 0,02; 0,07	Изучение кварк-глюонной плазмы
Большой адронный коллайдер БАК (LHC)	pp: 3500 (план 7000) Pb-Pb: 1380/n (план 2760)	10000 (план)	Поиск бозонов Хиггса. Изучение кварк-глюонной плазмы
Международный линейный коллайдер, ILC			Исследование бозонов Хиггса
Компактный линейный коллайдер,CLIC			Исследование бозонов Хиггса

    Проектное значение введенного в 2009 г в эксплуатацию Большого адронного коллайдера БАК (LHC) в ЦЕРН определено в L =10³⁴ см^-2с^-1. Если предположить что поперечное эффективное сечение взаимодействия в центре масс в коллайдере БАК составляет σ = 80 мб [15], то при работе БАК на энергии в центре масс 14 ГэВ величина N = 8×10⁸ с^{- 1}.
    Предполагается, что продолжительность работы коллайдера составит примерно 10⁷с в год, а его интегральная светимость за год составит около 10⁴¹см^-2. При σ = 80 мб в год может происходить 8×10¹⁵событий. В большинстве из этих событий будет рождаться несколько тысяч частиц. Никакие электронные и компьютерные системы не в состоянии обработать такой поток информации. Столь высокая светимость, однако, необходима при исследовании крайне редких событий с малым поперечным сечением, которые характерны для новой физики. При хорошей электронике, позволяющей осуществлять надежный отбор событий с заранее известными признаками, можно получать информацию примерно до ста событий в год в процессе с очень низким сечением σ = 1 фб. Именно для работы с такими событиями и нужна высокая светимость коллайдера [15].
    К третьей основной характеристике коллайдера можно отнести тип сталкивающихся частиц. Из приведенных выше Табл.1-В и Табл.2-В видно, что построены и используются как электрон – позитронные, протон-антипротонные коллайдеры, так и электрон-протонные коллайдеры. Следует отметить, что применение античастиц не является обязательным, так как разница в знаке заряда мало влияет на результаты физических исследований. Отличие в знаке заряда больше влияет на конструкцию коллайдера В кольцевых коллайдерах использование частиц и античастиц позволяет осуществлять их движение по одному каналу (трубе), как это делается, например, в коллайдере Теватрон. В тоже время в коллайдере БАК сталкиваются только протоны или ионы свинца одного знака. Для этого, однако, потребовалась проводка сталкивающихся частиц по двум разным каналам.
    Электрон-позитронные линейные коллайдеры имеют определенные преимущества перед адронными коллайдерами в части анализа результатов, получаемых в экспериментах. В тоже время, из-за отсутствия накопительных колец, в них труднее получать высокую светимость.
    Сравнение характера столкновений в электрон-позитронных и адронных коллайдерах рассматриваются в следующих разделах.

1.4. Краткие сведения о физике элементарных частиц

В настоящее время основу физики элементарных частиц представляет «Стандартная модель» - квантово-механическая теория локальных полей. В ней рассматриваются поля каждого типа элементарных частиц [16,17,18] (кроме гравитационного поля). Колебания таких полей переносят энергию и импульс с одного места пространства в другое. Согласно квантовой механике волны собираются в пакеты, или кванты, которые наблюдаются в лаборатории в виде элементарных частиц.
В «Стандартной модели» ( Табл.3.1) фермионы это - элементарные частицы, из которых складывается вещество Они представлены двумя видами полей: полями лептонов (лептон от греческого «leptos» - легкий) и полями кварков («quark» - фундаментальная частица в стандартной модели). Фермионы разбиты на три поколения. Каждый член следующего поколения имеет массу большую, чем соответствующая частица предыдущего. Все обычные атомы содержат частицы первого поколения. Второе и третье поколения заряженных частиц не присутствуют в обычной материи и наблюдаются только в условиях очень высоких энергий.

Таблица № 3.1. Стандартная модель

    Квантами лептонных полей являются: электроны, более тяжелые частицы - мюоны, таоны, и электрически нейтральные частицы, известные как нейтрино.
    Квантами полей кварков являются: верхний, нижний, очаровательный, странный, истинный и прелестный кварки. Некоторые из кварков связаны вместе внутри протонов и нейтронов, составляющих ядра обычных атомов. Составные части ядра: протоны и нейтроны тоже являются фермионами.
    Силы взаимодействия между частицами, обусловлены процессами обмена фотонами, W⁺, W^- и Z⁰частицами, а также восемью типами глюонов (gluon), Переносчики взаимодействий получили название калибровочных бозонов [19,20].
    Электромагнитное взаимодействие имеет место между заряженными частицами. Под действием электромагнитных сил не происходит изменения частиц, они только притягиваются или отталкиваются. Переносчиком взаимодействия являются фотоны. Электромагнитное взаимодействие удерживает электроны в атомах и связывает атомы в молекулах и кристаллах.
    Сильному взаимодействию подвержены кварки. Оно связывает их вместе, образуя протоны, нейтроны и другие комбинированные частицы. Сильное взаимодействие влияет на связь между протонами и нейтронами в атоме. Переносчиками этого возбуждения являются глюоны. Это самое сильное взаимодействие в природе. Оно является преобладающим видом взаимодействия в ядерной физике высоких энергий. Взаимодействие ограничивается весьма короткими расстояниями.
    Слабое взаимодействие имеет место между кварками и лептонами. Наиболее известный эффект слабого взаимодействия - видоизменение кварков, которое в свою. очередь, заставляет нейтрон распадаться на протон, электрон и анти-нейтрино.
    Переносчиками возбуждения являются W⁺, W^- и Z⁰бозоны. Слабое взаимодействие, проявляется при бета-распаде радиоактивных ядер, имеет очень малую дальность.
    Четвертой силой взаимодействия является сила гравитации. В квантовой теории предполагается, что переносчиком гравитационного взаимодействия является гравитон. Гравитон - частица, не имеющая массы. Она обладает спином, равным 2.
    Гравитационное взаимодействие универсально. В нем участвуют все частицы. Это взаимодействие является самым слабым. Оно связывает части земного шара, объединяет Солнце и планеты в Солнечную систему, связывает звезды в галактиках, определяет крупномасштабные события Вселенной [19].
    . Гравитационное поле описывалось Общей теорией относительности Эйнштейна. В первой половине ХХ века предпринимались многочисленные попытки создания единой теории фундаментальных взаимодействий, включающей гравитацию. Однако ни одной полностью удовлетворительной модели пока предложено не было. Это, в частности, связано с тем, что общая теория относительности и теории, описывающие другие взаимодействия различны по своей сути. Тяготение описывается искривлением пространства-времени, и в этом смысле гравитационное поле нематериально, в то время как другие поля являются материей [21]. Их объединения пока не удалось достичь также из-за трудностей создания квантовой теории гравитации. В настоящее время для объединения фундаментальных взаимодействий используются различные подходы: теория струн [22, 23] , петлевая квантовая гравитация [25], а также М-теория [24].
    Стандартная Модель предполагает существование еще одного поля, которое практически неотделимо от пустого пространства и не совпадает с гравитационным полем. Его принято называть полем Хиггса. Считается, что все пространство заполнено этим полем и что все фундаментальные частицы (лептоны, кварки и калибровочные бозоны) приобретают массу в результате взаимодействия с полем Хиггса.
    Квантами этого поля являются бозоны Хиггса. Бозон Хиггса теоретически предсказан в 1964 году шотландским физиком П. Хиггсом.
    Бозон Хиггса — последняя до сих пор не найденная частица «Стандартной модели».
    Эта частица так важна, что нобелевский лауреат Леон Ледерман назвал её «частицей-бога» [3,22]. Предполагается наличие четырех или даже пяти бозонов Хиггса, которые являются скалярными частицами, т.е. имеют нулевой спин. О пяти разновидностей бозона Хиггса с разными зарядами (три нейтральных, один положительный и один отрицательный) сообщается в работе [26].
    Долгое время предполагалось, что верхняя граница массы бозона Хиггса менее 1 ТэВ.
    Однако в 2004 г. на коллайдере Теватрон при обработке данных эксперимента, полученных по определению массы t – кварка, значение верхней границы массы бозона Хиггса было ограничено 251 ГэВ.
    Исследования по обнаружению бозона Хиггса проводились и продолжаются на ряде других коллайдерах. Широкий цикл исследований по нахождению бозона Хиггса был осуществлен на коллайдере LEP c энергией в центре масс 208 ГэВ, но успехом не увенчался.
    Ожидается, что экспериментальное подтверждение наличия бозонов Хиггса и уточнение их
характеристик будет выполнено на коллайдере БАК.
    Как видно из Табл. 2.1 на нескольких коллайдерах ведутся исследования состояния материи, называемой кварк-глюонной плазмой, где цветные кварки и глюоны, как свободные частицы, образуют непрерывную среду, называемую хромоплазмой. Проводимость хромоплазмы аналогична электропроводимости, возникающей в электрон-ионной плазме [27] . По современным представлениям кварк-глюонная плазма образуется при высоких температурах и/или больших плотностях адронной материи. Предполагают, что в естественных условиях эта плазма существовала в первые 10 ^-5с после Большого взрыва. Эти условия могут присутствовать в центре нейтронных звезд. Переход в состояние кварк-глюконной плазмы может происходить при температуре, соответствующей кинетической энергии ~200 МэВ.
    Первые экспериментальные результаты, касающиеся кварк-глюонной плазмы были получены в в 1990 г. в ЦЕРН на Супер протонном синхронтроне, СПС (SPS). Затем в 2000 г., также в ЦЕРН было объявлено об открытия этого «нового состояния материи». Дальнейшие исследования проводились на коллайдере RHIC. Считается, что для образования кварк-глюонной плазмы необходима энергия ~3,5 ТэВ. В 2010 г было сообщено, что по предварительным данным температура плазмы составила 3,5 -4 триллиона градусов Цельсия. Работы велись при столкновении в RHIC ионов свинца и золота. Коллайдер работал при энергии в центре масс ~ 33 ТэВ [28,29].
    В ноябре 2010 г работа с ионами свинца и получением кварк-глюонной плазмы началиcь на Большом адроном коллайдере LHC. В течение первой недели была получена кварк-глюонная плазма с температурой в десятки триллионов градусов [28].
    Одним из важных направлений физики элементарных частиц является изучение вопросов симметрии. Так на коллайдерах PEP II и KEK-B, которые, в частности являются фабриками В – мезонов исследуются вопросы нарушения СP cимметрии (С - зарядная симметрия, трансформация частицы в античастицу). P - пространственная симметрия, зеркальное отображение системы [21]. Сначала физики полагали, что при проведении симметричного преобразования любого взаимодействия между частицами результат будет неизменен - симметрия сохранится. Однако экспериментальные исследования показали, что при слабых взаимодействиях происходит нарушение как Р-, так и С- симметрии [30]. Изучение вопросов нарушения симметрии на коллайдерах PEP II и KEK-B эффективно благодаря их высокой светимости.
    В ближайшее время изучение вопросов симметрии будет проводиться при очень высоких энергиях коллайдера БАК, что позволит измерить гораздо большее число распадов В-мезонов с нарушением СР симметрии, чем в предыдущих экспериментах. Стандартная модель пройдет еще одну доскональную проверку, и появится объяснение того, почему природа предпочла вещество антивеществу [30].
    Основная цель повышения энергии ускоренных частиц состоит в том, что это дает возможность изучать взаимодействие частиц на все меньших расстояниях и за более короткие времена. Удается изучать внутреннюю структуру элементарных частиц, обладающих крайне малыми размерами [31]
    Не предвидится никаких оснований полагать, что квантовая теория поля не работает вплоть до масштабов, соизмеримых с длиной Планка где начинают проявляться квантовые эффекты гравитации и где структура материи соответствует расстояниям порядка 10^–33 см и массе планка m_p ≈ ћc/G)^1/2 ≈ 1.2×10¹⁹ ГэВ/c², т. е энергии в центре масс ≈10¹⁹ ГэВ (ћ – постоянная Дирака, с –скорость света, G- гравитационная постоянная) [23]
    Наименьший доступный масштаб изучаемых явлений при столкновении частиц с импульсами p (энергия E = (p²c² + m²c⁴)^1/2 определяется длиной волны l = h/p = hc/E.
    Для решения данной задачи и используются соударения элементарных частиц в коллайдерах.
    Сотни экспериментов уже позволили проникнуть в структуру материи, которая характеризуется расстояниями 10^–18 см [17,23]. Конечно, создание коллайдеров на энергию в центре масс ≈ 10⁷ТэВ для реализации расстояний в 10^-33 см не представляется возможным.

1.5. Сравнение адронных и лептонных коллайдеров

    Представляет интерес рассмотреть некоторые преимущества и недостатки адронных и электрон – позитронных коллайдеров.
    Адроны: протоны и антипротоны являются составными частицами, состоящими из трех кварков (двух u-кварков с электрическим зарядом +2/3 и одного d-кварка с зарядом –1/3, которые скреплены вместе глюонным полем (смотри также Табл.3.1 и [13,16,17]) Однако, если протон летит со скоростью очень близкой к скорости света, он оказывается заполненным в основном глюонами, а кварков и антикварков в нём содержится заметно меньше. Протоны и антипротоны в таких условиях выглядят практически одинаково, и поэтому нет особой разницы, сталкиваются ли протоны с протонами или протоны с антипротонами. Глюонное поле в нём перестает быть просто связывающей силой и материализуется в виде потока частиц — глюонов, — которые летят рядом с кварками. Быстро летящий протон состоит из перемешанных друг в друге глюонных, кварковых и даже антикварковых «облаков» — партонных плотностей.
    Когда два протона сталкиваются лоб в лоб, то один кварк из одного протона сталкивается с кварком из встречного протона, а остальные партоны просто пролетают мимо. При столкновении партоны получают сильный «удар», выбивающий их из родительских протонов. Однако глюонное поле обладает конфайнментом – явлении, состоящем в невозможности получения кварков в свободном состоянии. В экспериментах наблюдаются только агрегаты кварков, состоящие из двух мезонов или трёх кварков (барионы). Происходит адронизация — энергия удара тратится на рождение многочисленных адронов. В этом процессе партоны - «наблюдатели» уже принимают самое активное участие. Можно хорошо рассчитать процессы с отдельными кварками или глюонами, но точно описать адронизацию пока не удается. В связи с адронизацией протон-протонное столкновение сильно отличается от столкновения лептонов (например электрон-позитрон). Процесс анализа p^- p⁺ столкновений весьма сложен.
    Связь между теорией и экспериментом при адронных столкновениях не столь непосредственна, как в электрон-позитронных столкновениях. В экспериментах на адронных коллайдерах более сложно определить свойства новых частиц.
    В отличие от протона, электрон и позитрон - элементарные частицы, и энергия, выделяемая при их столкновениях, определяется с высокой точностью. Электрон- позитронные коллайдеры позволяют легче определять так же другие характеристики, открываемых частиц [31].
    Построенные адронные коллайдеры обладают очень большой энергией в центре масс. Однако далеко не вся эта энергия может быть использована на рождение новых частиц. Так для БАК из полной энергии 14 ТэВ полезно используется только энергия в 2 ТэВ. В случае электрон-позитронных ускорителей практически вся энергия оказывается полезной [22]. Таким образом, при одинаковой энергии в центре масс электрон-позитронные коллайдеры имеют 5 -10 кратное преимущество перед адронными коллайдерами [32].
    Характеризуя электрон-позитронные линейные коллайдеры следует отметить, что частота повторения соударений встречных сгустков мала по сравнению с кольцевыми электрон- позитронными коллайдерами. Следует еще раз отметить, что основной недостаток линейных коллайдеров состоит в том, что каждый сгусток электронов и позитронов используется только один раз.
    Вблизи плотного потока заряженных частиц электромагнитное поле, ими возбуждаемое очень велико. Излучение в этом поле приводит к большим потерям энергии сталкивающихся частиц и увеличивает уровень шума. Для его ослабления пучки растягивают в одном из поперечных направлений [34].
    Благодаря малому эмиттансу пучков и очень сильной их фокусировке, в линейных коллайдерах надеются получить светимость в центре масс, равную ((2-6) ×10³⁴ см^-2 с^-1, не уступающую светимости кольцевых коллайдеров.

Литература к Введению и Главе 1

[1] Properties of an intersecting beam accelerating system”// Kerst D. W./ CERN Symposium, v. I, Gen., 1956, p. 36 http://cdsweb.cern.ch/record/1241555/files/p36.pdf

[2] «Ускорители и встречные пучки» // Г.И. Будкер / В кн.: Труды VII Международной конференции по ускорителям заряженных частиц высоких энергий, т. 1, Ер., 1970, с. 33; Встречные пучки. Шестое Всесоюзное совещание по ускорителям заряженных частиц (Дубна, 1978), Дубна, 1978, с. 13; X Международная конференция по ускорителям заряженных частиц высоких энергий (Протвино, 1977), т. 1, Серпухов, 1977,.

[3] «Ускорители на встречных пучках» // В. П. Дмитриевский./ Большая советская энциклопедия http://slovari.yandex.ru/~книги/БСЭ/Ускорители%20на%20встречных%20пучках.

[4] « Физика хиггсовского бозона на будущих фотонных коллайдерах»// И.П.Иванов/ http://hnature.web.ru/db/msg.html?mid=1181352

[5] « Темная энергия вселенной» // В. Лукин, Е. Михеева /«Вокруг света» № 9 (2816). Сентябрь 2008.

[6] «Поиски частиц темной энергии»// В.А.Рябов и др./»Успехи физических наук» Том 1788,№11 с.1129-1161

[7] "Суперсимметрия" http://ru.science.wikia.com.wiki

[8] “CLIC 2008 PARAMETERS”// H. Braun et all / CLIC-Note-764

[9] “Design Study of the CLIC Injector and Booster Linacs With the 2007 Beam Parameters”// A. Ferrari et al./ CLIC – Note -737

[10]”Accelerator Physics and Technologies for Linear Collider. Lecture I”// S.D..Holmes/ Hep.uchicago.edu/~kwangie/LectureNotes_Holmes.pdf

[11] ”A Very Large Lepton Collider in the WLHC tunnel”//T.Sen and J.Norem /www.capp. ill.edu/workshops//opem/References/sen.pdf.

[12] “Эксперимент”// Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Э.И. Кэбин / Web-публикация на основе учебного пособия Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Э.И. Кэбин. "Частицы и ядра. Эксперимент", М.: Издательство МГУ, 2005. http://nuclphys.sirp.msu.ru/experiment/

[13] “Коллайдер” // Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Э.И. Кэбин / http://nuclphys.sirp.msu.ru/experiment/accelerators/collider.htm.

[14] “ LHC Machine”//L. Evans and P.Bryant (editirs)/ Published by Institute of Physics Publishing and SISSA, 2008 JINST 3 SO8001

[15] “Физика на Большом адроном коллайдере”/ / ”Успехи Физических Наук”, Том179, №6. Июнь 2009 г., с.571-579 (устный выпуск журнала «Успехи физических наук»)

[16] « Единая физика к 2050» // С. Вайнберг, перевод А. Крашеницы/ http://www.scientifisic.ru/journal/weinberg/weinberg,html.

[17] « Эксперименты на адронных коллайдерах» http://elementy.ru/LHC/experiments

[18] «Физика ядра и элементарных частиц. Элементарные частицы» //В. Каланов/ http://znaniya-sila.narod.ru/phisics/phisics_atom_02.htm

[19] «Четыре основных вида сил в природе»// Ч.Киттель, У.Найт, М. Рудерман/ Берклеевский Курс Физики. Том 1. Механика, стр.456

[20]«Основы физики элементарных частиц. Строение материи»// http://physics03.narod.ru/Interes/Doclad/bak3.htm

[21]«Фундаментальные взаимодействия»// http://ru.wikipedia.org/wiki/Фундаментальные_взаимодействия

[22] «За гранью БАК: будущие коллайдеры» // Д. Борн/ http://www.3dnews.ru/news/za_granu_bak_budushie_kollaideri/

[23] «Грядущие революции в фундаментальной физике» //Дэвид Гросс/ http://elementy.ru/lib/430177

[24] “M theory”// http://en.wikipedia.org/wiki/M-theory

[25]«Петлевая квантовая гравитация» http://ru.wikipedia.org/wiki

[26] “Ученые увеличили число частиц бога до 5» // Lenta.ru. http://lenta.ru/news/2010/06/15/boson/

[27] «Кварк-глюонная плазма» // http://nuclphys.sinp.msu.ru/enc/e036.htm

[28]« Quark–gluon_plasma » // http://en.wikipedia.org/wiki/Quark–gluon_plasma

[29] “ Hunting the Quark Gluon Plasma”// BNL-73847-2005 Final Report / www.bnl.gov/npp/docs/Hunting%20the%20QGP.pdf Физика

[30]«Эксперимент LHCb»//НИЯФ МГУ,2004 / http://physics03.narod.ru/Interes/Doclad/antiv.htm

[31] «Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях»// Л.А. Арцимович и С.Ю. Лукьянов /Книга. Издательство «Наука». Москва 1972, стр.171-177

[32] «Коллайдер нового поколения» //Б. Бэриш, Н. Уоке http:// physics03.narod.ru/Interes/Doclad/bak13.htmр, Х. Ямамото. Перевод: А.А. Сорокин Специальный репортаж в журнале "В мире науки" № 5 за 2008 год Коллайдер нового поколения.

[33]”Accelerator Physics and Technologies for Linear Collider. Lecture I”// S.D..Holmes/ Hep.uchicago.edu/~kwangie/LectureNotes_Holmes.pdf

[34] «Фотонные коллайдеры и исследование фундаментальных взаимодействий»// И. Ф. Гинзбург/ http://www-fima-ru.narod.ru/

[35]“Muon Collider Progress”// R.B. Palmer

/www.cern.ch/accelconf/e98/PAPERS/THZ04A.PDF THZ04A.PDF

[36] “ MULTI-MODE SLED-II PULSE COMPRESSOR”// S.V. Kuzikov et all /Proceedings of LINAC 2004, THP28 pp. 660-662

[37] “ A Multy-Moded RF Delay Linear Distribution System” //S.G. Tantawi et all / SLAC-PUB-9125

[38] “RF Breakdown Studies in Room Temperature Electron Linac Structures / Gregory A. Loew and W. Wang // Slac-PUB-4647, May 1988.

[39] “ Gradient Limitation For High-frequency Accelerators”/ Döbert // Proceedings of Linac 2004, Lübeck, Germany, WE 101

[40] “ The Physics & Technology of a 0,5 to 1,0 TeV Linear colliders”.// Stuart Tovey – Wollongang – 2004./ Интернет, SNT- Wollongang, ppt.

[41]“4 XFEL accelerator” // [http://xfeld.desy.de/tdr/tdr]

[42]“The European X-Ray Free-Electron Laser. Technical design report” // http://xfel.desy.de/localfs.Explorer_read?Current.Path =afs/desy.de/group/xfel/wof/EPT/TRD/XFEL-TRD-final.pdf.

ВВЕДЕНИЕ

    Ускорители на встречных пучках, получили название коллайдеров (от английского слова to collide - сталкиваться). Они являются основными инструментами экспериментального изучения процессов физики элементарных частиц в области сверхвысоких энергий Величина энергии получаемая при столкновениях пучков не может быть достигнута в обычных ускорителях с неподвижной мишенью.
    Разработка и сооружение установок со встречными пучками была начата в 1956 г. в лабораториях России (СССР) и за рубежом после опубликования предложения об использовании коллайдеров американского физика У. Керста [1].
    В работе Г.И. Будкера [2] содержится замечание, что впервые идею о применении встречных пучков высказал Я.Б. Зельдович (СССР), правда в пессимистическом тоне из-за малой плотности частиц в сталкивающихся пучках.
    Первоначально создавались электрон-электронные и электрон-позитронные коллайдеры (1956-1966 гг.) Предложение об их разработке принадлежит Г.И. Будкеру (СССР) . Первые коллайдеры были созданы в Институте ядерной физики (СССР Россия), в Стэнфордском центре линейных ускорителей (США), в лаборатории линейных ускорителей во Фраскати (Италия), в лаборатории Орсэ (Франция). Несколько позже были запущены адронные коллайдеры (адрон – от греческого слова «adros», означающее «крупный, массивный»), в том числе коллайдеры с ионами. Коллайдеры с протон-протонными и протон-электронными пучками были созданы в ЦЕРН (Швейцария), Германии и Великобритании (смотри Табл.1а-В и Табл. 1b-В).
    Проблема увеличения светимости сталкивающихся пучков в кольцевых коллайдерах была решена, благодаря аккумуляции ускоряемых частиц в накопительных кольцах. В линейных коллайдерах большая плотность взаимодействующих пучков обеспечивается ускорителями с сильноточными пучками, которые обладают малым эмиттансом и малым энергетическим разбросом, а также при использовании синхротронного излучения в демпфирующих кольцах и ионизационного охлаждения.
    Первый электрон-позитронный коллайдер ВЭПП-2, изготовленный в ИЯФ им. Г.И. Будкера (Россия), был кольцевым. В качестве ускорителя использовался безжелезный синхротрон, пучок которого инжектировался в накопительное кольцо. Пока единственный линейный электрон-позитронный коллайдер создан на основе ускорителя SLAC. Повышение светимости в нем достигается благодаря использованию демпфирующих колец.
    Появление ускорителей заряженных частиц и коллайдеров с высокой энергией позволило развивать новые теоретические модели физики элементарных частиц, осуществлять экспериментальную проверку «Стандартной модели».
    Физические исследования в области элементарных частиц потребовали существенного увеличения энергии сталкивающихся лептонов и адронов в центре масс (до 1 ТеВ и более). На сооружении коллайдеров в ТэВ-ом диапазоне энергией с конца 80-х годов прошлого столетия [3] сконцентрировано внимание мирового содружества ученых. В настоящее время эти работы стали интернациональными.
    Физики надеются, что экстремально высокие энергии позволят ответить на ряд фундаментальных вопросов науки: как частицы приобретают массу? Что представляет собой структура пространство – время? Что создает темную энергию и темную материю космоса? [4 - 6]. Предполагается в частности [4], что на коллайдерах станет возможным проведение точных измерений характеристик Хиггс бозона, ответственного за возникновения массы элементарных частиц и установление его поля. На них также окажется возможным исследование вопросов суперсимметрии.[4,7]

Таблица № 1а-В. Перечень основных построенных коллайдеров

Наименование коллайдера	ХАРАКТЕРИСТИКИ УСКОРИТЕЛЕЙ
Наименование коллайдера	Центр, город, страна	Годы работы	Тип частиц	Максим. энергия пучка, ГэВ	Светимость 10³⁰ см^-2с^-1	Периметр (длина), км
ВЭПП-2000	ИЯФ, Россия	2006	е⁺е⁻	1	100	0,024
ВЭПП-4М	ИЯФ, Россия	1994	е⁺е⁻	6	20	0,366
ВЕРС	Китай	1989-2005	е⁺е⁻	2,2	5 на 1,55 ГэВ 12,6 на 1,843 ГэВ	0,2404
ВЕРС-II	Китай	c 2007	е⁺е⁻	1,89	1000	0,23753
DAFNE	Frascati, Италия	1999-2008	е⁺е⁻	0,7	150	0,098
CESR	Cornell	1979- 2002	е⁺е⁻	6	1280 на 5,3 ГэВ	0,768
CESR-C	Cornell	с 2002	е⁺е⁻	6	60 на 1,9 ГэВ	0,768
KEKB	KEK, Япония	1999	е⁺е⁻	е⁻: 8 е⁺ :3,5	16270	3,016
PEP-II	SLAC, США	1999- 2008	е⁺е⁻	е⁻: 7-12 е⁺: 2,5- 4	10025	2,2
СЛК SLC)	SLAC, США	1989- 1999	е⁺е⁻	91	6	Линейный 3
HERA	DESY, Германия	c 1992	ep	e 30 p 920	75	6,336
Tevatron	Fermilab, США	c 1987	p⁺p⁻	980	171	6,28
RHIC	Brookhaven, США	с 2000	pp, Au-Au, Cu-Cu, d-Au	100/n	10; 0,0015; 0,02; 0,07	3,834
Большой э/п коллайдер БЭПК (LEP)	CERN	1989-2000	е⁺е⁻	100-104,6	24 на Z^o 100 при > 90 ГэВ	26,659
Большой адронный коллайдер БАК (LHC)	CERN	с 2008	pp,	3500 (план 7000)	10000 (В 2011 году достигнуто 0,001)	26,659
Большой адронный коллайдер БАК (LHC)	CERN	с 2008	Pb-Pb	1380/n (план 2760)	10000 (В 2011 году достигнуто 0,001)	26,659

Физики почти уверены, что революционные открытия с использованием коллайдеров будут сделаны в пределах следующие десять - пятнадцать лет.
Продолжение разработки новых электрон-позитронных линейных коллайдеров, в том числе фотонных и мюонных, происходит во время, когда начал работать Большой кольцевой адронный коллайдер (БАК, LHC). На этом коллайдере в первую очередь будут решаться упомянутые выше задачи физике элементарных частиц и вопросы мироздания.

Таблица № 1b -В. Перечень некоторых разрабатываемых линейных коллайдеров

Наименование коллайдера	ХАРАКТЕРИСТИКИ КОЛЛАЙДЕРА
Наименование коллайдера	Центр, город, страна	Тип частиц	Энергия в центре масс, ТэВ	Светимость см^-2с^-1
Международный линейный коллайдер (МЛК, ILC)	?	е⁺е⁻	0,5 - 1	2×10³⁴
Компактный линейный коллайдер (КЛК, CLIC)	ЦЕРН	е⁺е⁻	3	7×10³⁴

    В коллайдерах в качестве ускорителей нашли применение синхротроны и линейные резонансные ускорители (ЛРУ). Даже в кольцевых колайдерах, основанных на синхротронах, в качестве инжекторов синхротронов обязательно используются ЛРУ. Ускорение частиц в синхротронах происходит в резонаторных системах, являющихся фрагментами ВЧ систем линейных ускорителей. ЛРУ являются основой линейных лептонных коллайдеров. Новые перспективные методы ускорения частиц в коллайдерах, такие как кильватерное ускорение в плазме, также требуют использования ЛРУ, как возбудителей плазмы.
    Разработка новых линейных высокоэнергетичных электрон-позитронных коллайдеров заставила провести широкие теоретические и экспериментальные исследования в части выбора диапазона рабочих частот, используемых в линейных резонансных ускорителях. электронов (ЛУЭ) и протонов (ЛУП). Стремление сократить длину ускорителей потребовало разработки новых ускоряющих структур, работающих в С -,Х -, K_u - и К диапазонах длин волн.
    При создании новых коллайдеров .ТеВ – диапазона энергий были решены многие вопросы технологии линейных резонансных ускорителей. Созданы ВЧ ускоряющие структуры, перечисленных выше диапазонов, работающие при существенно более высоких частотах, чем использовавшиеся ранее. Обеспечивается надежная работа «теплых» структур с ускоряющим градиентом в 100 МВ/м на частотах до 12 ГГц.( K_u – диапазон).
    Разработаны высокомощные ВЧ источники - однолучевые клистроны Хдиапазона.
    Усовершенствованы также другие элементы трактов ВЧ питания, например, устройства компрессии ВЧ импульса или задержанного распределения [36,37]. Эта техника позволяет использовать один клистрон для питания нескольких ускоряющих секций.
    Разработаны многолучевые клистроны L диапазона на импульсную мощность 10 МВт и длительность ВЧ импульса 1,6 мс.
    В тоже время необходимо отметить, что первоначально намеченные цели создания коллайдеров Т – диапазона энергий, используя линейные ускорители K диапазона (частота 30 ГГц), реализовать не удалось. Идея использования сверхвысоких частот основывалась на том, что электрическая прочность структуры почти линейно повышается с увеличением частоты [38]. Широкие теоретические и экспериментальные исследования Нового Линейного Коллайдера ( NLC) в США, Глобального линейного коллайдера (GLC) в Японии, Японского линейного коллайдера (JLC) и компактного линейного коллайдера (КЛК, CLIC) в Швейцарии [39,40] показали однако, что, по крайней мере при существующей технологии, отсутствует заметное увеличение предельного градиента электрического поля на частотах колебаний свыше 12 ГГц. С этим и был связан переход от частоты 30 ГГц на частоту 12 ГГц в коллайдере CLIC.
    Желание увеличить надежность работы и некоторые другие причины привели к тому, что разработка Международного (глобального) линейного электрон-позитронного коллайдера (Internation Linear Collider, ILC) стала основываться на использовании в нем L- диапазона частот и сверхпроводящих ускоряющих структур.
    Другой проблемой, которую пришлось решать, была связана с поперечными диодными модами высокого порядка, наводимыми электронными или позитронными сгустками частиц в ускоряющих структурах и электронопроводах. Появление этих полей особенно нежелательно при больших длинах электронных трактов. Высшие моды поперечных дипольных полей приводят к увеличению поперечных размеров пучка (вплоть до его развала), увеличению эмиттанса и энергетического разброса. Моды, вызывающие нестабильность пучков, особенно неприятны при высоких частотах, но должны обязательно подавляться также и в L – диапазоне.
    Особое место занимают вопросы, связанные с проектом Компактного Линейного Коллайдера, КЛК (Compact Linear Collider, CLIC). В отличие от обычных схем в CLIC используется принцип двух-лучевого ускорения [8,9]. Питание основных многосекционных ускоряющих структур ЛУ электронов и позитронов осуществляется не клистронами, а ВЧ энергией, которая генерируется в де-ускорителях при торможении релятивистского пучка ускорителей-возбудителей.
    Как указывалось выше, создание ЛУЭ для коллайдеров стимулировало разработку новых клистронов большой мощности, в том числе, многолучевых в разных частотных диапазонах..
    Следует отметить, что разработки ЛУЭ для коллайдеров нашли применение в лазерах на свободных электронах, при создания установок неразрушающего контроля, для терапии и диагностики злокачественных образований. ВЧ техника, разработанная для Международного линейного коллайдера, и связанная с ЛУЭ, используется при проектировании Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах, сооружаемого в ДЭЗИ [41,42].
    Основные вопросы, относящиеся к ЛРУ, решались при сооружении и разработке линейных коллайдеров электронов и позитронов. В основном они освещены в Главе 3 «Линейные электрон-позитронные и фотонные коллайдеры высокой энергии». Более кратко, вопросы, относящиеся к ЛРУ – инжекторам и системам ускорения частиц в синхротронах изложены в Главе 2 «КОЛЬЦЕВЫЕ КОЛЛАЙДЕРЫ ВЫСОКОЙ ЭНЕРГИИ», где описываются Большой электрон-позитронный коллайдер (БЭПК) и большой адронноый коллайдер (БАК).
    Материал, связанный с кильватерным методом ускорения, приведен в Главе 4 «КИЛЬВАТЕРНЫЙ МЕТОД УСКОРЕНИЯ».
    Некоторые сведения о ЛРУ и фрагментах ВЧ систем ЛРУ, которые используются в фотонных и мюонных ускорителях даны в разделе 2.3 «МЮОННЫЕ КОЛЛАЙДЕРЫ». и в разделе 3.4 «ФОТОННЫЕ КОЛЛАЙДЕРЫ». Следует отметить, однако, что в опубликованной литературе пока отсутствуют детали ЛРУ, проектируемые для мюонных коллайдеров.
    Предполагается, что читатель знаком с теорией и техникой резонансных линейных ускорителей.
    Для удобства пользования книгой в Главе 1 кратко рассматриваются некоторые вопросы теории коллайдеров, что даст возможность работать с книгой, меньше прибегая к другим источникам информации, содержащейся в многочисленных монографиях, статьях и докладах, ссылки на которые приведены в конце этой Главы.