УСКОРИТЕЛИ НА ВСТРЕЧНЫХ ПУЧКАХ

УСКОРИТЕЛИ НА ВСТРЕЧНЫХ ПУЧКАХ ускорители со встречными пучками, установки, в к-рых осуществляется
столкновение встречных пучков заряженных частиц (элементарных частиц и
ионов), ускоренных электрич. полем до высоких энергий (см. Ускорители
заряженных частиц). На таких установках исследуются взаимодействия
частиц и рождение новых частиц при максимально доступных в лабораторных
условиях эффективных энергиях столкновения. Наибольшее распространение
получили ускорители со встречными электрон-электронными (е е), электрон-позитронными
(е е⁺) и протон-протонными (рр) пучками.

В обычных ускорителях взаимодействие
частиц изучается в лабораторной системе отсчёта при столкновениях пучка
ускоренных до высокой энергии частиц с частицами неподвижной мишени. При
этом вследствие закона сохранения полного импульса соударяющихся частиц
большая часть энергии налетающей частицы расходуется на сохранение движения
центра масс системы частиц, т. е. на сообщение кинетич. энергии частицам
- продуктам реакции, и лишь небольшая её часть определяет "полезную", или
эффективную, энергию столкновения, т. е. энергию взаимодействия частиц
в системе их центра инерции, к-рая может идти, напр., на рождение новых
частиц. Из расчёта следует, что при столкновении двух частиц одинаковой
массы (mа другая движется с релятивистской (близкой к скорости света с) скоростью,
энергия в системе центра инерции Е2Е1/2,
где
Е= т2 - энергия покоя
частицы, а Е - энергия налетающей частицы в лабораторной системе
отсчёта. Т. о., чем больше Е, тем меньшая её доля определяет энергию
взаимодействия частиц. Если же сталкиваются частицы с равными по величине
и противоположно направленными импульсами, т. е. их суммарный импульс равен
нулю, то лабораторная система отсчёта совпадает с системой центра инерции
частиц и эффективная энергия столкновения равна сумме энергий сталкивающихся
частиц; для частиц с одинаковыми массами (и энергией Е) Е= 2Е, т. е. кинетич. энергия может быть полностью использована на взаимодействие.

Особенно велико преимущество
изучения процессов взаимодействия на встречных пучках для лёгких частиц
- электронов и позитронов, для к-рых Е= =0,5 Мэв.
Напр.,
для соударяющихся во встречных пучках электронов с энергией в 1 Гэв
Етакая же эффективная энергия столкновения при
одном неподвижном электроне потребовала бы энергии налетающего электрона
Е
- = Е²/2Е 4000 Гэв.
Для встречных пучков протонов (ЕЕ
= 70 Гэв (энергия протонов Серпуховского ускорителя 76 Гэв),
Е = = 140 Гэв, тогда как при столкновении с покоящимся
протоном эффективная энергия столкновения 140 Гэв была бы достигнута лишь
при энергии налетающего протона Е = 10 000 Гэв!

У. на в. п. имеют важнейшее
значение для изучения упругих и неупругих процессов взаимодействия стабильных
частиц - протонов и электронов (и их античастиц); в области сверхвысоких
энергий с ними не могут конкурировать обычные ускорители с неподвижной
мишенью.

Недостаток У. на в. п. -
малая плотность пучков частиц по сравнению с плотностью неподвижной мишени.
Для увеличения плотности частиц до процесса соударения производится накапливание
заряженных частиц в спец. накопительных кольцах (см. Накопители заряженных
частиц), так чтобы токи циркулирующих частиц составляли не менее десятков
а.
Однако и при таких токах интенсивность пучков вторичных частиц высоких
энергий (п- и К-мезонов, нейтрино и др.), образующихся при соударениях,
на неск. порядков меньше, чем интенсивность пучков тех же частиц, получаемых
на обычных ускорителях. Кроме того (т. к. энергия вторичной частицы не
может превышать энергию сталкивающихся в У. на в.п. первичных частиц),
получается проигрыш в энергии вторичных частиц по сравнению с традиц. ускорителями.
Поэтому У. на в. п. не могут заменить, а лишь дополняют традиц. ускорители,
и развитие тех и других должно идти параллельно.

В накопительные кольца, представляющие
собой кольцевые вакуумные камеры, помещённые в магнитное поле, ускоренные
заряженные частицы поступают из обычного ускорителя. Магнитное поле создаётся,
как правило, секторными магнитами, разделёнными прямолинейными промежутками
(без магнитного поля) для областей пересечения пучков (и для размещения
ускорит. устройства). Установка со встречными пучками содержит один или
два накопительных кольца в зависимости от того, различны (как у е- е⁺,
р р, где р - антипротон) или соответственно одинаковы (как у е- е-, рр)
знаки электрич. зарядов сталкивающихся частиц. Предварит. ускорение пучков
(до инжекции в накопительные кольца) производится в синхрофазотронах или
синхротронах (с сильной или слабой фокусировкой), а также в линейных ускорителях.
Возможно и дополнит. ускорение частиц в накопительных кольцах после инжекции.
Однако независимо от того, производится ли дополнит. ускорение, каждый
накопительный комплекс на встречных пучках обязательно включает ускоряющую
систему для компенсации потерь энергии заряженных частиц на синхротронное
излучение (для элек-трон-позитронных пучков) и ионизацию остаточного
газа в камере. Второе назначение системы ускорения - фиксация азимутальных
размеров пучка (число сгустков частиц равно кратности частоты ускоряющей
системы по отношению к частоте обращения частиц). Типичные схемы электрон-позитронного
и протон-протонного накопительного комплекса приведены на рис. 1 и 2.

Осн. характеристика системы
со встречными пучками - величина, к-рая определяет число (N) событий
исследуемого типа в единицу времени и называется светимостью (L) установки.
Если изучается взаимодействие с сечением а, то N = Lс. В наиболее
простом случае, когда угол встречи пучков равен нулю, L = = R(Nгде Nполные числа частиц в каждом
пучке, заполняющем кольца, S - площадь поперечного сечения, общая для обоих
пучков, w - круговая частота обращения частиц 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 эффективного изучения процессов взаимодействия с сечением
а = 10^-26 - 10^-32 см², величина
светимости должна составлять 10²⁸ - 10³² см^-2сек^-1.
Это
достигается накоплением циркулирующего тока пучков заряженных частиц и
уменьшением поперечного сечения пучков при помощи спец. магнитной фокусировки
в прямолинейных промежутках, а также использованием методов электронного
или стохастического охлаждения с целью уменьшения поперечной компоненты
импульса сталкивающихся пучков. Метод электронного охлаждения был предложен
в 1966 сов. физиком Г. И. Будкером для тяжёт лых частиц (протонов
и антипротонов), у к-рых из-за практич. отсутствия син-хротронного излучения
не происходит автоматич. затухания поперечных колебаний частиц в пучке.
Метод основан на эффекте передачи тепловой энергии пучка тяжёлых частиц
сопутствующему (пущенному параллельно) электронному пучку с более низкой
темп-рой. Экспериментальное подтверждение этого эффекта было впервые получено
в Ин-те ядерной физики Сиб. отделения АН СССР (1974).

Для того чтобы обеспечить
непрерывный физ. эксперимент с мало меняющейся светимостью установки, необходимо
большое время жизни накопленных пучков частиц. Время жизни пучка (время,
в течение к-рого интенсивность пучка уменьшается в е = 2,7 раз)
зависит от ряда эффектов. Главные из них- однократное и многократное рассеяние
ускоренных частиц на атомах остаточного газа в камере накопителя, а для
электронов и позитронов - синхротронное излучение и квантовые флуктуации;
существ. роль может также играть эффект взаимного рассеяния электронов
(позитронов) пучка. Экспериментальный 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 Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРНе)- 0,1% /ч при
токе 22 а]. Такая большая величина времени жизни пучков достигается
при помощи высокого вакуума в камерах накопителей пучков: 10^-11мм
рт. ст. в объёме камеры и 10^-12 мм рт. ст. в зонах
встречи пучков.

Необходимым элементом ускорителя
со встречными е е⁺ пучками является электрон-позитронный конвертер
- ме-таллич. мишень (с толщиной ок. 1 радиационной длины; на рис. 1 на
прямом пучке), в к-рой электроны рождают тормозные гамма-кванты,
а те, в свою очередь,- пары электрон-позитрон. Коэфф. конверсии - отношение
числа позитронов, захваченных в накопитель, к числу электронов, выведенных
из синхротрона - при энергии электронного пучка в сотни Мэв может
достигать величины 10^-4 для позитронного пучка с энергией, примерно
вдвое меньшей энергии электронов.

Рис. 1. Схема ускорителя
на встречных электрон-позитронных пучках. Пучок ускоренных в синхротроне
С электронов (е^-) выводится по каналу 1 и попадает на мишень
М,
в которой рождаются позитроны (е+). В течение некоторого времени позитроны
накапливаются в накопительном кольце НК, после чего включаются поворотные
магниты ПМ, с помощью которых электронный пучок из С направляется
по каналу 2 в НК навстречу позитронам, и происходит столкновение
пучков е+ е (КЛ - фокусирующие магнитные квадрупольные линзы).

Рис. 2. а - схема
расположения синхрофазотрона (СФ) и двух пересекающихся накопительных колец
НК,
в которых происходят протон-протонные столкновения (установка в ЦЕРНе);
1 - 8 - места пересечения колец; стрелки указывают направление движения
протонов (р); Kканалы для ввода протонов
в НК (в бустере производится предварительное 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.

Для схемы протон-протонных
столкновений (рис. 2), реализуемой на базе двух магнитных структур с сильной
фокусировкой, характерно наличие многих точек встречи пучков, что позволяет
одновременно проводить неск. физ. экспериментов.

Типичные параметры наиболее
крупных У. на в. п. приведены в таблице.
Краткая история развития
У. на в. п.

Разработка и сооружение экспериментальных
установок для исследований на встречных пучках частиц были начаты в 1956
во мн. лабораториях в СССР и за рубежом после опубликованного предложения
амер. физика Д. У. Керста. В течение 1956-66 преимущество в реализации
встречных пучков было отдано лёгким стабильным частицам - электронам и
позитронам (предложение о реализации ускорителей со встречными элект-рон-позитронными
пучками принадлежит Будкеру), для к-рых ультрарелятивистские скорости достигаются
при энергиях в сотни Мэв. Первые установки на встречных е е и
е е⁺ пучках были созданы в Ин-те ядерной физики Сиб. отделения
АН СССР (Будкер, А. А. Наумов с сотрудниками), в Станфордском центре линейных
ускорителей (амер. физик В. К. Панофский и др., США), в Лаборатории линейных
ускорителей во Фраска-ти (С. Тазарри и др., Италия), в Лаборатории ускорителей
в Орсе (П. Марин и др., Франция).

В связи с запуском в 1959-60
высокоэнергичных ускорителей протонов в ЦЕРНе (Швейцария) на 28 Гэв
и
в США на 33 Гэв открылись реальные возможности для создания накопительных
колец на встречных рр пучках. В 1971 в ЦЕРНе были запущены два накопительных
кольца для встречных рр пучков с энергией 31,4 Гэв
(К. Йонсен с
сотрудниками). Успешная эксплуатация этой установки при циркулирующих токах
протонов 22-25 а и светимости 6,7 * 10³⁰см^-2
сек^-1 стимулировала дальнейшее развитие проектных работ
по рр, рр и ре накопительным установкам высоких энергий. Идёт разработка
ещё 6 проектов (кроме указанных в табл.) в СССР, США и Великобритании,
реализация к-рых предполагается в 1980-90. Лит.: Кеrst D. W., Properties
of an in-tersecting-beam accelerating system, CERN Symposium, v. 1, Gen.,
1956, p. 36; Будкер Г. И., Наумов А. А. и др., Работы по встречным электрон-электронным,
позитрон-электронным и протон-протонным пучкам в Институте ядерной физики
СО АН СССР, в кн.: Труды Международной конференции по ускорителям. Дубна.
1963, М., 1964, с. 274-87; Jonsen K. [a. p.], Some problems connected with
the use of intersecting proton storage rings, там же, с. 312-25; Будкер
Г. И., Ускорители и встречные пучки, в кн.: Труды VII Международной конференции
по ускорителям заряженных частиц высоких энергий, т. 1, Ер., 1970, с. 33;
Труды IV Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Москва.
1974, М., 1975, т. 2, с. 300-318. В. П. Дмитриевский.