Суперпротон-антипротонный синхротрон

Суперпротон -антипротонный синхротрон (или Sp p S , также известный как протон-антипротонный коллайдер ) был ускорителем частиц , который работал в ЦЕРНе с 1981 по 1991 год. Для работы в качестве протон - антипротонного коллайдера Суперпротонный синхротрон (SPS) претерпел существенные изменения, изменив его из однолучевого синхротрона в двухлучевой коллайдер. Основными экспериментами на ускорителе были UA1 и UA2 , где в 1983 году были открыты W- и Z-бозоны . Карло Руббиа и Саймон ван дер Меер получили Нобелевскую премию по физике 1984 года за свой вклад в проект Sp p S, который привел к открытию W- и Z-бозонов . ^[1] Другими экспериментами, проведенными на Sp p S , были UA4 , UA5 и UA8 .

Около 1968 года Шелдон Глэшоу , Стивен Вайнберг и Абдус Салам предложили теорию электрослабых взаимодействий , которая объединила электромагнетизм и слабые взаимодействия , и за которую они разделили Нобелевскую премию по физике 1979 года . ^[2] Теория постулировала существование W- и Z-бозонов . Она была экспериментально подтверждена в два этапа, первым из которых было открытие нейтральных токов в рассеянии нейтрино коллаборацией Гаргамель в ЦЕРНе , процесс, который требовал существования нейтральной частицы для переноса слабого взаимодействия — Z-бозона. Результаты коллаборации Гаргамель сделали возможными вычисления массы W- и Z-бозонов. Было предсказано, что W-бозон имеет значение массы в диапазоне от 60 до 80 ГэВ/c2 ^, а Z-бозон — в диапазоне от 75 до 92 ГэВ/c2 ^— энергии, слишком большие, чтобы быть доступными для любого ускорителя, работавшего в то время. ^[3] Вторым этапом создания электрослабой теории стало бы открытие W- и Z-бозонов, что потребовало бы проектирования и строительства более мощного ускорителя.

В конце 70-х годов главным проектом ЦЕРНа было строительство Большого электрон-позитронного коллайдера (LEP). Такая машина была идеальной для получения и измерения свойств W- и Z-бозонов. ^[3] Однако из-за давления, связанного с необходимостью найти W- и Z-бозоны, сообщество ЦЕРНа чувствовало, что не может ждать строительства LEP — был необходим новый ускоритель — строительство которого не могло быть за счет LEP. ^[4] В 1976 году Карло Руббиа , Питер Макинтайр и Дэвид Клайн предложили модифицировать протонный ускоритель — в то время протонный ускоритель уже работал в Фермилабе , а один строился в ЦЕРНе (SPS) — в протон - антипротонный коллайдер. ^[5] Для такой машины требовалась только одна вакуумная камера, в отличие от протон-протонного коллайдера, которому требуются отдельные камеры из-за противоположно направленных магнитных полей. Поскольку протоны и антипротоны имеют противоположный заряд, но одинаковую энергию E , они могут циркулировать в одном и том же магнитном поле в противоположных направлениях, обеспечивая лобовые столкновения между протонами и антипротонами при общей энергии центра масс . ^[3] Схема была предложена как в Fermilab в Соединенных Штатах, так и в CERN, и в конечном итоге была принята в CERN для Суперпротонного синхротрона (SPS). ^[3]${\displaystyle {\sqrt {s}}=2E}$

W- и Z-бозоны производятся в основном в результате аннигиляции кварка и антикварка. В партонной модели импульс протона делится между составляющими протона: часть импульса протона переносится кварками , а остальная часть — глюонами . Недостаточно будет ускорить протоны до импульса, равного массе бозона, поскольку каждый кварк будет переносить только часть импульса. Для производства бозонов в предполагаемых интервалах от 60 до 80 ГэВ (W-бозон) и от 75 до 92 ГэВ (Z-бозон) потребуется протон-антипротонный коллайдер с энергией центра масс, примерно в шесть раз превышающей массу бозона, около 500–600 ГэВ. ^[3] Конструкция Sp p S была определена необходимостью обнаружения . Поскольку поперечное сечение образования Z при ~600 ГэВ составляет ~1,6 нб, а доля распада составляет ~3%, светимость L=2,5 · ¹⁰²⁹ см ⁻² с ⁻¹ даст частоту событий ~1 в день. ^[3] Для достижения такой светимости потребуется источник антипротонов, способный производить ~3·1010 ^{антипротонов} каждый день, распределенных в несколько сгустков с угловым и импульсным акцептом SPS.${\displaystyle Z\rightarrow e^{+}e^{-}}$${\displaystyle Z\rightarrow e^{+}e^{-}}$

Первоначально SPS был спроектирован как синхротрон для протонов, чтобы ускорить один протонный пучок до 450 ГэВ и извлечь его из ускорителя для экспериментов с фиксированной мишенью . Однако еще до периода строительства SPS возникла идея использовать его в качестве ускорителя протонов-антипротонов. ^[6]

Первое предложение о протон-антипротонном коллайдере, по-видимому, было сделано Гершем Будкером и Александром Скринский в Орсе в 1966 году на основе новой идеи Будкера об электронном охлаждении . ^[7] В 1972 году Саймон ван дер Меер опубликовал теорию стохастического охлаждения , ^[8] за которую он позже получил Нобелевскую премию по физике 1984 года . ^[9] Теория была подтверждена в пересекающихся накопительных кольцах в ЦЕРНе в 1974 году. Хотя электронное охлаждение могло привести к идее протон-антипротонного коллайдера, в конечном итоге именно стохастическое охлаждение использовалось в предускорителях для подготовки антипротонов для Sp p S.

Между тем, открытие нейтральных токов в эксперименте Гаргамель в ЦЕРНе побудило Карло Руббиа и его коллег выдвинуть предложение о протон-антипротонном коллайдере. В 1978 году проект был одобрен Советом ЦЕРНа, а первые столкновения произошли в июле 1981 года. ^[6] Первый запуск продолжался до 1986 года, а после существенной модернизации он продолжал работать с 1987 по 1991 год. ^[6] Коллайдер был закрыт в конце 1991 года, поскольку он больше не мог конкурировать с 1,5 ТэВ протон-антипротонным коллайдером в Фермилабе, который работал с 1987 года.

В период с 1981 по 1991 год SPS часть года работал как синхротрон, ускоряя одиночный пучок для экспериментов с фиксированной мишенью, а часть года — как коллайдер — Sp p S.

Требования к накопительному кольцу, такому как Sp p S, в котором пучки должны циркулировать в течение многих часов, намного более жесткие, чем требования к импульсному синхротрону, такому как SPS. ^[10] После того, как в 1978 году было принято решение о Sp p S, в SPS были внесены следующие изменения: ^[6]

• Для передачи антипротонов из PS в SPS был построен новый канал пучка, а также новая система инжекции для инжекции против часовой стрелки.
• Поскольку SPS была разработана для инжекции 14 ГэВ/с, а новая инжекция должна была составить 26 ГэВ/с, систему инжекции пришлось модернизировать.
• Улучшение системы вакуумирования пучка SPS. Проектный вакуум 2·10−7 ^Торр был достаточен для SPS — как синхротрон, пучок должен был быть ускорен до 450 ГэВ и извлечен за очень короткое время. ^[10] Sp p S должен был иметь время хранения от 15 до 20 часов, а вакуум должен был быть улучшен почти на три порядка.
• Ускоряющая радиочастотная система должна была претерпеть изменения для одновременного ускорения протонов и антипротонов. Сгустки протонов и антипротонов должны были быть точно синхронизированы, чтобы столкновения происходили в центре детекторов.
• Диагностику пучка пришлось адаптировать к низкой интенсивности пучка. Были добавлены новые устройства, такие как направленные ответвители для независимого наблюдения протонов и антипротонов.
• Строительство огромных экспериментальных зон для экспериментов ( UA1 и UA2 ). Систему прерывания луча пришлось переместить, чтобы освободить место для экспериментов. ^[10]

Создание и хранение антипротонов в достаточном количестве были одной из самых больших проблем при строительстве Sp p S. Производство антипротонов требовало использования существующей инфраструктуры ЦЕРНа, такой как протонный синхротрон (ПС) и антипротонный накопитель (АА). Антипротоны производились путем направления интенсивного протонного пучка с импульсом 26 ГэВ/с из ПС на мишень для производства. Возникающий всплеск антипротонов имел импульс 3,5 ГэВ/с и был магнитно отобран и направлен в АА и сохранен в течение многих часов. Главным препятствием была большая дисперсия импульсов и углов антипротонов, выходящих из мишени. ^[11] Метод уменьшения размеров пучка называется стохастическим охлаждением , методом, открытым Саймоном ван дер Меером . Проще говоря, это система обратной связи, основанная на том факте, что все пучки являются корпускулярными и что, следовательно, на микроскопическом уровне плотность в пределах заданного объема будет подвержена статистическим флуктуациям. ^[10] Цель открытия W- и Z-бозонов предъявляла определенные требования к светимости коллайдера, и поэтому для эксперимента требовался источник антипротонов, способный ежедневно доставлять 3·10 ¹⁰ антипротонов в несколько сгустков в пределах углового и импульсного акцепта SPS. ^[6] Накопление антипротонов в AA могло занять несколько дней. Модернизация 1986—1988 годов позволила десятикратно увеличить скорость накопления AA. ^[10] Второе кольцо, названное Антипротонным коллектором (AC), было построено вокруг AA.

После того, как антипротоны были сложены в AA, PS и Sp p S готовились к заполнению. Сначала три протонных сгустка, каждый из которых содержал ~10 ¹¹ протонов, были ускорены до 26 ГэВ в PS и инжектированы в Sp p S. ^[3] Затем три сгустка антипротонов, каждый из которых содержал ~10 ¹⁰ антипротонов, были извлечены из AA и инжектированы в PS. ^[3] В PS сгустки антипротонов были ускорены до 26 ГэВ в противоположном направлении от направления протонов и инжектированы в Sp p S. Инжекции были рассчитаны по времени так, чтобы гарантировать, что пересечения сгустков в ускорителе будут происходить в центре детекторов UA1 и UA2. Эффективность передачи от AA к Sp p S составила около 80%. ^[12] В первом запуске, 1981–1986, Sp p S ускорил три сгустка протонов и три сгустка антипротонов. После того, как скорость стекирования антипротонов была увеличена в ходе модернизации, количество как протонов, так и антипротонов, инжектируемых в коллайдер, было увеличено с трех до шести. ^[6]

При инжекции в Sp p S оба пучка ускорялись до 315 ГэВ. Затем они переходили в хранилище на 15–20 часов сбора физических данных, пока AA возобновлял накопление в рамках подготовки к следующему заполнению. Поскольку три пучка протонов и три пучка антипротонов циркулировали в одной и той же вакуумной камере, они встречались в шести точках. UA1 и UA2 были помещены в две из этих точек встречи. Электростатические сепараторы использовались для достижения разделения в неиспользуемых точках пересечения вдали от экспериментов ^[6] . До 1983 года энергия центра масс была ограничена 546 ГэВ из-за резистивного нагрева магнитных катушек. Добавление дальнейшего охлаждения позволило увеличить энергию машины до 630 ГэВ в 1984 году. ^[6]

При работе в качестве ускорителя для экспериментов с фиксированной мишенью SPS может разогнать пучок до 450 ГэВ, прежде чем пучок будет извлечен в течение нескольких секунд (или небольшой доли секунды при использовании для ускорения сгустков для инжекции в LHC ). Однако при работе в качестве коллайдера пучок должен храниться в линии пучка в течение нескольких часов, а дипольные магниты ускорителя должны поддерживать постоянное магнитное поле в течение более длительного времени. Чтобы предотвратить перегрев магнитов, Sp p S будет ускорять пучки только до 315 ГэВ. Однако этот предел можно преодолеть, разгоняя магниты между 100 ГэВ и максимальной мощностью машины 450 ГэВ. ^[13] Sp p S будет ускорять пучки до 450 ГэВ, сохраняя их в качестве этой энергии в течение времени, ограниченного нагревом магнитов, а затем замедлять пучки до 100 ГэВ. Импульсирование осуществлялось таким образом, что средняя дисперсия мощности в магнитах не превышала уровень работы при 315 ГэВ. Sp p S время от времени запускал импульсный режим работы после 1985 года, получая столкновения при энергии центра масс 900 ГэВ. ^[13]

Sp p S начал свою работу в июле 1981 года, а к январю 1983 года было объявлено об открытии W- и Z-бозонов в экспериментах UA1 и UA2 . Карло Руббиа , представитель эксперимента UA1 , и Саймон ван дер Меер получили Нобелевскую премию по физике 1984 года , как указано в пресс-релизе Нобелевского комитета , за «(...) решающий вклад в большой проект, который привел к открытию полевых частиц W и Z (...)». ^[1] Премия была присуждена Карло Руббиа за его «(...) идею превратить существующий большой ускоритель в накопительное кольцо для протонов и антипротонов», т. е. концепцию Sp p S, и Саймону ван дер Мееру за его «(...) гениальный метод плотной упаковки и хранения протонов, который теперь применяется для антипротонов», т. е. разработку технологии, позволяющей использовать накопитель антипротонов — стохастическое охлаждение. ^[1] Концепция, строительство и эксплуатация Sp p S сами по себе считались большим техническим достижением.

До того, как Sp p S был введен в эксплуатацию, велись дебаты о том, будет ли машина работать вообще, или же эффекты пучка-пучка на сгруппированных пучках не позволят работать с высокой светимостью. ^[6] Sp p S доказал, что эффект пучка-пучка на сгруппированных пучках может быть освоен, и что адронные коллайдеры являются прекрасными инструментами для экспериментов в области физики элементарных частиц. В этом отношении он заложил основу для LHC , адронного коллайдера следующего поколения в ЦЕРНе . ^[3]

• Суперпротонный синхротрон
• Список экспериментов на суперпротонном синхротроне
• Эксперимент UA1
• Эксперимент UA2
• Стохастическое охлаждение
• W- и Z-бозоны

• Медиа, связанные с Суперпротон-антипротонным синхротроном на Wikimedia Commons
• «Частицы W и Z: личные воспоминания» представителя UA2 Пьера Дарриула
• Ди Лелла, Луиджи; Руббиа, Карло (2015) «Открытие частиц W и Z» в книге «60 лет экспериментов и открытий ЦЕРНа». Сервер документов ЦЕРНа: World Scientific
• Шмидт, Рюдигер (2017) «Протон-антипротонный коллайдер CERN SPS» в книге «Вызовы и цели ускорителей в XXI веке». World Scientific