HERA (ускоритель частиц)

HERA ( нем . Hadron - Elektron -Ring anlage , англ . Hadron–Electron Ring Accelerator ) — ускоритель частиц в DESY в Гамбурге . Он работал с 1992 по 30 июня 2007 года. [ 1 ] [2] В HERA электроны или позитроны сталкивались с протонами при энергии центра масс 320  ГэВ . [3] HERA в основном использовался для изучения структуры протонов и свойств кварков , заложив основу для большей части науки, проводимой сегодня на Большом адронном коллайдере (БАК) в лаборатории физики элементарных частиц ЦЕРНа . HERA — единственный в мире коллайдер лептон -протонов на сегодняшний день, и в некоторых областях кинематического диапазона он находился на границе энергий.

Небольшой сегмент туннеля HERA. Протонный пучок движется в большой вакуумной трубке посередине справа, электронно-лучевая трубка находится ниже.
Взаимодействие EW опосредовано первым порядком, поэтому, когда квадрат переданного импульса становится больше массы заряженного W и квадрата нейтрального Z-бозона (<10 4 ) величина их дифференциальных сечений становится сопоставимой, так что заряженные и нейтральные токи (CC (красный) и NC (синий)) кажутся неразличимыми, но она также становится ниже, так что их становится трудно отличить от безмассового фотона, то есть начинает устанавливаться объединение EW. [4] [5] [6]

Для столкновения протонов с электронами или позитронами HERA использовала в основном сверхпроводящие магниты , что также было первым в мире. На HERA стало возможным изучать структуру протонов до 30 раз точнее, чем раньше. Разрешение охватывало структуры размером в 1/1000 протона, что способствовало многим открытиям, касающимся состава протонов из кварков и глюонов .

Туннель HERA проходит на глубине от 10 до 25 м под землей и имеет окружность 6,3 км и внутренний диаметр 5,2 м. Для строительства использовалась та же технология, что и для строительства тоннелей метро. Внутри трубы располагались два накопительных кольца друг над другом. Одно ускоряло электроны до энергий 27,5 ГэВ, другое — протоны до энергий 920 ГэВ в противоположном направлении. Оба пучка совершали круг почти со скоростью света, совершая примерно47 000 оборотов в секунду.

Вокруг кольца есть четыре области взаимодействия , которые использовались в экспериментах H1 , ZEUS , HERMES и HERA-B . Все эти эксперименты были детекторами частиц, которыми управляли международные группы исследователей. Эти группы разработали, построили и запустили многоэтажные сложные измерительные устройства за многие годы совместной работы и оценили огромные объемы данных.

Ускорители HERA

Лептоны (электроны или позитроны) были предварительно ускорены до 450  МэВ в линейном ускорителе LINAC II. Оттуда они были введены в накопительное кольцо DESY II и ускорены далее до 7,5  ГэВ перед их передачей в накопительное кольцо PETRA , где они были ускорены до 14 ГэВ. Наконец, они были введены в свое накопительное кольцо в туннеле HERA и достигли конечной энергии 27,5 ГэВ. Это накопительное кольцо было оснащено теплыми (несверхпроводящими) магнитами, удерживающими лептоны на их круговой траектории магнитным полем 0,17  тесла .

Протоны были получены из изначально отрицательно заряженных ионов водорода и предварительно ускорены до 50 МэВ в линейном ускорителе. Затем они были введены в протонный синхротрон DESY III и ускорены до 7 ГэВ. Затем они были переданы в PETRA, где были ускорены до 40 ГэВ. Наконец, они были введены в свое накопительное кольцо в туннеле HERA и достигли своей конечной энергии 920 ГэВ. Накопительное кольцо протонов использовало сверхпроводящие магниты, чтобы удерживать протоны на пути.

Лептонный пучок в HERA стал естественно поперечно поляризованным через эффект Соколова-Тернова . Характерное время нарастания, ожидаемое для ускорителя HERA, составило приблизительно 40 минут. Спиновые ротаторы по обе стороны экспериментов изменили поперечную поляризацию пучка на продольную. Поляризация позитронного пучка измерялась с помощью двух независимых поляриметров, поперечного поляриметра (TPOL) и продольного поляриметра (LPOL). Оба устройства используют спин-зависимое сечение для комптоновского рассеяния циркулярно поляризованных фотонов на позитронах для измерения поляризации пучка. Поперечный поляриметр был модернизирован в 2001 году для обеспечения быстрого измерения для каждого сгустка позитронов, а также были добавлены позиционно-чувствительные кремниевые полосковые и сцинтилляционно-волоконные детекторы для исследования систематических эффектов.

30 июня 2007 года в 23:23 HERA была остановлена ​​[2] и начался демонтаж четырех экспериментов. Основной предускоритель HERA PETRA был преобразован в источник синхротронного излучения , работающий под названием PETRA III с 2009 года. Сегодня часть туннеля HERA и 24 бывших сверхпроводящих дипольных магнита используются для нового эксперимента ALPS, который ищет аксионоподобные частицы. [7] [8]

Международный проект HERA

Строительство HERA было одним из первых проектов такого масштаба, финансируемых на международном уровне. Ранее строительство научных объектов всегда финансировалось страной, в которой они находились. Только расходы на эксперименты несли проводящие национальные или иностранные институты. В связи с огромным масштабом проекта HERA многие международные институты согласились участвовать уже в строительстве.

В строительстве объекта приняли участие более 45 институтов и 320 корпораций, предоставив пожертвования деньгами или материалами, а более 20% расходов взяли на себя иностранные организации.

Следуя примеру HERA, многие крупные научные проекты с тех пор финансировались совместно несколькими странами. Эта модель стала общепринятой, и международное сотрудничество стало умеренно распространенным в строительстве этих объектов. [9]

Эксперименты HERA

Н1

H1 был универсальным детектором для столкновения электронов и протонов, расположенным в зале HERA Hall North. Он имел размеры 12 м × 10 м × 15 м, весил 2800 тонн и эксплуатировался с 1992 по 2007 год. Он был разработан для исследования внутренней структуры протона, исследования сильного взаимодействия, а также поиска новых видов материи и неожиданных явлений в физике элементарных частиц. [10]

ЗЕВС

Как и H1, ZEUS был детектором электрон-протонных столкновений, расположенным в южном зале HERA. Он имел размеры 12 м × 11 м × 20 м, весил 3600 тонн и эксплуатировался с 1992 по 2007 год. Его задачи были аналогичны задачам H1. [10]

ГЕРА-Б

HERA-B был экспериментом в HERA Hall West, который собирал данные с 1999 по февраль 2003 года. Используя протонный пучок HERA, исследователи HERA-B проводили эксперименты с тяжелыми кварками. Детектор имел размеры 8 м × 20 м × 9 м и весил 1000 тонн. [10]

ГЕРМЕС

Эксперимент HERMES в зале HERA Hall East проводился с 1995 по 2007 год. Продольно поляризованный электронный пучок HERA использовался для исследования спиновой структуры нуклонов . Для этой цели электроны рассеивались при энергиях 27,5 ГэВ на внутренней газовой мишени. Эта мишень и сам детектор были специально разработаны с учетом спин-поляризованной физики. Детектор имел размеры 3,5 м × 8 м × 5 м и весил 400 тонн. [10]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Харрис, Дэвид (сентябрь 2007 г.). «Конец эры HERA». Symmetry Magazine . 04 (7) . Получено 19 августа 2022 г. .
  2. ^ ab Warmbein, Barbara (21 августа 2007 г.). «Конец эпохи: HERA выключается». CERN Courier (47) . Получено 19 августа 2022 г. .
  3. ^ Хойер, Р.-Д.; Вагнер, А. (21 августа 2007 г.). «HERA оставляет богатое наследие знаний». CERN Courier (47) . Получено 19 августа 2022 г. .
  4. ^ Абрамович, Х.; Абт, И.; Адамчик, Л.; Адамус, М.; Андреев В.; Антонелли, С.; Антунович, Б.; Аушев В.; Аушев Ю.; Багдасарян А.; Бегзсурен, К. (8 декабря 2015 г.). «Сочетание измерений инклюзивного глубоконеупругого сечения $${e^{\pm }p}$$рассеяния и КХД-анализа данных HERA». Европейский физический журнал C . 75 (12): 580. doi : 10.1140/epjc/s10052-015-3710-4 . HDL : 2318/1579270 . ISSN  1434-6052. S2CID  118069424.
  5. ^ "DESY News: Самая точная фотография протона". desy.de .
  6. ^ "Дуглас Хаселл ЗЕВС" . mit.edu .
  7. ^ "Any Light Particle Search (ALPS) II". MPG Albert Einstein Institute . Получено 15 сентября 2022 г.
  8. ^ "Последний запуск HERA (30 июня 2007 г.)". Архивировано из оригинала 4 августа 2009 г. Получено 6 октября 2007 г.
  9. ^ «Лорманн, Эрих и Зёдинг, Пауль: Von schnellen Teilchen und hellem Licht» (PDF) . Вайли-ВЧ . Проверено 4 мая 2023 г.
  10. ^ abcd "HERA указывает путь" (PDF) . DESY . Получено 4 мая 2023 г. .
  • Сайт HERA в DESY

53°34′52″с.ш. 9°53′13″в.д. / 53,581°с.ш. 9,887°в.д. / 53,581; 9,887

Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=HERA_(ускоритель_частиц)&oldid=1253493530"