Большой электрон-позитронный коллайдер
 | |
| Общие свойства | |
|---|---|
| Тип ускорителя | Синхротрон |
| Тип луча | Электроны , позитроны |
| Тип цели | Коллайдер |
| Свойства балки | |
| Максимальная энергия | 209 ГэВ |
| Максимальный ток | 6,2 мА |
| Максимальная светимость | 1 × 10 32 /(см 2 ⋅с) [1] |
| Физические свойства | |
| Окружность | 26 659 м |
| Расположение | Женева, Швейцария |
| Координаты | 46°14′06″с.ш. 06°02′42″в.д. / 46.23500°с.ш. 6.04500°в.д. / 46.23500; 6.04500 |
| Учреждение | ЦЕРН |
| Даты операции | 1989–2000 |
| Преемник | Большой адронный коллайдер |
Большой электрон-позитронный коллайдер ( LEP ) был одним из крупнейших ускорителей частиц , когда-либо построенных. Он был построен в ЦЕРНе , многонациональном центре исследований в области ядерной физики и физики частиц недалеко от Женевы , Швейцария .
LEP сталкивал электроны с позитронами при энергиях, достигавших 209 ГэВ. Это был кольцевой коллайдер с окружностью 27 километров, построенный в туннеле примерно в 100 м (300 футов) под землей и проходящий через Швейцарию и Францию . LEP использовался с 1989 по 2000 год. Около 2001 года он был демонтирован, чтобы освободить место для Большого адронного коллайдера , который повторно использовал туннель LEP. На сегодняшний день LEP является самым мощным ускорителем лептонов, когда-либо построенным.
Фон коллайдера
LEP был кольцевым лептонным коллайдером — самым мощным из когда-либо построенных. Для контекста, современные коллайдеры можно в целом классифицировать на основе их формы (кольцевые или линейные) и по типу частиц, которые они ускоряют и сталкиваются (лептоны или адроны). Лептоны — это точечные частицы, и они относительно легкие. Поскольку они являются точечными частицами, их столкновения являются чистыми и поддаются точным измерениям; однако, поскольку они легкие, столкновения не могут достичь той же энергии, которая может быть достигнута с более тяжелыми частицами. Адроны — это составные частицы (состоящие из кварков) и они относительно тяжелые; например, протоны имеют массу в 2000 раз больше, чем электроны. Из-за своей большей массы они могут быть ускорены до гораздо более высоких энергий, что является ключом к непосредственному наблюдению новых частиц или взаимодействий, которые не предсказываются принятыми в настоящее время теориями. Однако столкновения адронов очень запутанны (например, часто имеется множество не связанных между собой треков, и нелегко определить энергию столкновений), поэтому их сложнее анализировать и они менее поддаются точным измерениям.
Форма коллайдера также важна. Коллайдеры физики высоких энергий собирают частицы в сгустки, а затем сталкиваются сгустки друг с другом. Однако на самом деле сталкивается лишь очень малая часть частиц в каждом сгустке. В кольцевых коллайдерах эти сгустки движутся по примерно круглой форме в противоположных направлениях и поэтому могут сталкиваться снова и снова. Это обеспечивает высокую частоту столкновений и облегчает сбор большого объема данных, что важно для точных измерений или для наблюдения очень редких распадов. Однако энергия сгустков ограничена из-за потерь от синхротронного излучения . В линейных коллайдерах частицы движутся по прямой линии и поэтому не страдают от синхротронного излучения, но сгустки нельзя использовать повторно, и поэтому собирать большие объемы данных сложнее.
Как кольцевой лептонный коллайдер, LEP хорошо подходил для точных измерений электрослабого взаимодействия при энергиях, которые ранее были недостижимы.
История
Строительство LEP было значительным начинанием. В период с 1983 по 1988 год это был крупнейший проект гражданского строительства в Европе. [2]
Когда коллайдер LEP начал работу в августе 1989 года, он ускорил электроны и позитроны до общей энергии 45 ГэВ каждый, что позволило произвести Z-бозон , масса которого составляет 91 ГэВ. [2] Позже ускоритель был модернизирован, чтобы обеспечить производство пары W-бозонов, масса каждого из которых составляет 80 ГэВ. Энергия коллайдера LEP в конечном итоге достигла 209 ГэВ к концу 2000 года. При факторе Лоренца (= энергия частицы/масса покоя = [104,5 ГэВ/0,511 МэВ]) более 200 000, LEP по-прежнему удерживает рекорд скорости ускорителя частиц, чрезвычайно близкий к предельной скорости света. В конце 2000 года LEP был закрыт, а затем демонтирован, чтобы освободить место в туннеле для строительства Большого адронного коллайдера (БАК).
Операция
.jpg/1280px-Radio_frequency_cavity-IMG_5781-white_(cropped).jpg)
LEP питался электронами и позитронами, доставленными ускорительным комплексом CERN. Частицы генерировались и первоначально ускорялись прединжектором LEP , а затем ускорялись почти до скорости света протонным синхротроном и суперпротонным синхротроном . Оттуда они инжектировались в кольцо LEP.
Как и во всех кольцевых коллайдерах , кольцо LEP состояло из множества магнитов , которые заставляли заряженные частицы двигаться по круговой траектории (чтобы они оставались внутри кольца), радиочастотных ускорителей , которые ускоряли частицы с помощью радиочастотных волн , и квадруполей , которые фокусировали пучок частиц (т. е. удерживали частицы вместе). Функция ускорителей состояла в увеличении энергии частиц, чтобы при столкновении частиц могли создаваться тяжелые частицы. Когда частицы ускорялись до максимальной энергии (и фокусировались в так называемые сгустки), электрон и сгусток позитронов сталкивались друг с другом в одной из точек столкновения детектора. Когда электрон и позитрон сталкиваются, они аннигилируют в виртуальную частицу , либо фотон , либо Z-бозон . Виртуальная частица почти немедленно распадается на другие элементарные частицы, которые затем обнаруживаются огромными детекторами частиц .
Детекторы
Большой электронно-позитронный коллайдер имел четыре детектора, построенных вокруг четырех точек столкновения в подземных залах. Каждый был размером с небольшой дом и был способен регистрировать частицы по их энергии , импульсу и заряду, что позволяло физикам делать выводы о произошедшей реакции частиц и об участвующих в ней элементарных частицах . Выполняя статистический анализ этих данных, приобретаются знания о физике элементарных частиц . Четыре детектора LEP назывались Aleph, Delphi, Opal и L3. Они были построены по-разному, чтобы обеспечить возможность проведения дополнительных экспериментов .
АЛЕФ
ALEPH означает A paratus for LEP pH ysics at CERN . Детектор определил массу W-бозона и Z-бозона с точностью до одной тысячной. Количество семейств частиц с легкими нейтрино было определено как2,982 ± 0,013 , что согласуется со значением Стандартной модели 3. Ход константы связи квантовой хромодинамики (КХД) был измерен при различных энергиях и, как было обнаружено, соответствует пертурбативным расчетам в КХД. [3]
ДЕЛЬФИ
DELPHI означает DE - тектор с идентификацией лептонов , фотонов и адронов I.
ОПАЛ
OPAL означает O mni- P urpose Aparatus for L EP . Название эксперимента было игрой слов, так как некоторые из основателей научного сотрудничества, которое первым предложило конструкцию, ранее работали над детектором JADE в DESY в Гамбурге . [4] OPAL был детектором общего назначения, разработанным для сбора широкого спектра данных. Его данные использовались для проведения высокоточных измерений формы линии Z-бозона , проведения подробных тестов Стандартной модели и установления ограничений на новую физику. Детектор был демонтирован в 2000 году, чтобы освободить место для оборудования LHC . Свинцовые стеклянные блоки из электромагнитного калориметра бочкообразного типа OPAL в настоящее время повторно используются в детекторах вето фотонов с большим углом в эксперименте NA62 в ЦЕРНе.
Л3
L3 был еще одним экспериментом LEP. [5] Его огромное восьмиугольное возвратное ярмо магнита осталось на месте в пещере и стало частью детектора ALICE для LHC.
Результаты
Результаты экспериментов LEP позволили получить точные значения многих величин Стандартной модели — прежде всего массы Z-бозона и W-бозона (которые были открыты в 1983 году на более раннем коллайдере ЦЕРНа , протон-антипротонном коллайдере ), — и тем самым подтвердить Модель и поставить ее на прочную основу эмпирических данных.
бозон Хиггса
Ближе к концу запланированного времени запуска данные предлагали заманчивые, но неубедительные намеки на то, что частица Хиггса с массой около 115 ГэВ могла быть обнаружена, своего рода Святой Грааль современной физики высоких энергий . Время запуска было продлено на несколько месяцев, но безрезультатно. Сила сигнала оставалась на уровне 1,7 стандартных отклонений , что соответствует уровню достоверности 91% , что намного меньше, чем ожидаемая физиками частиц достоверность для заявления об открытии, и находилась на крайнем верхнем пределе диапазона обнаружения экспериментов с собранными данными LEP. Было предложение продлить работу LEP еще на год, чтобы получить подтверждение, что задержало бы запуск LHC . Однако было принято решение закрыть LEP и продолжить работу с LHC, как и планировалось.
В течение многих лет это наблюдение было единственным намеком на бозон Хиггса; последующие эксперименты до 2010 года на Тэватроне не были достаточно чувствительными, чтобы подтвердить или опровергнуть эти намеки. [6] Однако, начиная с июля 2012 года, эксперименты ATLAS и CMS на LHC представили доказательства существования частицы Хиггса около 125 ГэВ [7] и решительно исключили область 115 ГэВ.
Смотрите также
Ссылки
- ↑ Майерс, Стив (11 сентября 2019 г.). «Величайший лептонный коллайдер». CERN Courier . Получено 22 апреля 2022 г.
- ^ ab Myers, S.; Picasso, E. (2006). «Проектирование, строительство и ввод в эксплуатацию большого электрон-позитронного коллайдера ЦЕРНа». Contemporary Physics . 31 (6): 387– 403. doi :10.1080/00107519008213789. ISSN 0010-7514.
- ^ "Добро пожаловать в ALEPH" . Получено 2011-09-14 .
- ^ "Эксперимент OPAL в LEP 1989–2000" . Получено 2011-09-14 .
- ^ "L3 Homepage" . Получено 2011-09-14 .
- ^ Сотрудничество CDF , Сотрудничество D0 , Новая физика Tevatron , Рабочая группа по Хиггсу (2010-06-26). "Комбинированные верхние пределы CDF и D0 для стандартной модели рождения бозона Хиггса с данными до 6,7 фб −1 ". arXiv : 1007.4587 [hep-ex].
{{cite arXiv}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) - ^ "Новые результаты указывают на то, что новая частица — это бозон Хиггса — ЦЕРН". home.web.cern.ch . Архивировано из оригинала 20 октября 2015 г. Получено 24 апреля 2018 г.
Внешние ссылки
Медиа, связанные с Большим электрон-позитронным коллайдером на Wikimedia Commons- Рабочие группы LEP
- Коллайдер LEP от проектирования до утверждения и ввода в эксплуатацию. Отрывки из мемориальной лекции Джона Адамса , прочитанной в ЦЕРНе 26 ноября 1990 г.
- Краткий, но хороший (хотя и немного устаревший) обзор (с красивыми фотографиями) LEP и связанных с ним тем можно найти в этой онлайн-брошюре Британского совета по исследованиям в области физики элементарных частиц и астрономии .
- Экспериментальная запись для LEP на INSPIRE-HEP
.jpg){kind=link}
