Протонные пучки

    Основное кольцо БАК располагается в тоннеле, ранее построенном для БЭПК (LEP). Он расположен на территории Франции и Швейцарии. Основное кольцо состоит из участков двух труб, расположенных по окружности кольца. В трубах в противоположных направлениях двигаются пучки протонов или ионов свинца. Трубы пересекаются в точках столкновения пучков. В районе этих точек располагаются детекторы процессов соударения. По линиям передачи пучков Т₁ и Т₂ частицы впрыскиваются из инжектора - комплекса ускорителей ЦЕРН в одну из двух вакуумных труб при энергии протонов 0,45 ТэВ и при энергии ионов свинца 177 ГэВ/нуклон. Инжекция осуществляется с помощью септум и киккер магнитов. Инжектированные частицы ускоряются резонаторами основного кольца до 7 ТэВ (протоны) и 2,76 ТэВ/нуклон (ионы свинца). Движение частиц по приблизительно круговой орбите осуществляется с помощью 1232-х дипольных магнитов. Фокусировка проводится 386-тью квадрупольными магнитами, Используются также тысячи малых корректирующих магнитов. Сверхпроводящие магниты и резонаторы охлаждаются жидким гелием соответственно до 1,8^оК и 4,5^оК.       В основном кольце БАК используются 8 сверхпроводящих резонаторов на один пучок, причем каждый из резонаторов при одном прохождении увеличивает энергию протонного пучка на 2 МэВ (при напряженности ускоряющего поля 5 МВ/м). ВЧ резонаторы работают на частоте ~ 400 МГц. Они располагаются в криостатах двух модулей (по 4 резонатора в каждом криостате). ВЧ мощность генерируется 16-тью 300 кВт клистронами, работающим в квази-непрерывном режиме. Мощность подводится к резонатору через Y-циркулятор, обеспечивающий развязку в 20 – 28 дБ. Частицы проходят зазор резонатора в нарастающем электрическом поле, что обеспечивает автофазировку частиц. Если какая-либо из частиц на последующем витке обладает большей энергией, чем другие, она приходит к резонатору с небольшим опережением, попадает в поле с меньшей напряженностью и получает меньший прирост энергии, чем другие частицы. Если на предыдущем витке частица отстала от центра сгустка и несколько замедлилась, то на новом витке она попадет в более сильное ВЧ поле и получает дополнительное ускорение . Модули скомпонованы в длинных прямых секциях, установленных на прямолинейных участках кольца .     В БАК используется многооборотная инжекция. Чтобы наполнить одну трубу основного кольца требуется 12 циклов СПС циклотрона, а каждое наполнение СПС требует от 3 до 4 циклов ПС синхротрона, Бустерный ПС заполняет ПС за один цикл .Полное время заполнения БАК составляет приблизительно 16-20 минут. Кроме того, для установления процессов в магнитах и уточнения характеристик пучка операторами требуется дополнительное время. В работе минимальное время ввода БАК в рабочий режим оценивается в 70 мин.     Малая скорость установления процесса ускорения частиц в основном кольце ограничена не скоростью создания электромагнитного поля в ускоряющих секциях, а скоростью нарастания магнитного поля в поворотных магнитах кольца. Оно должно увеличиваться синхронно с энергией частиц, чтобы удерживать сгустки в трубах .     Трубы основного кольца коллайдера заполняются пакетами сгустков протонов.      Каждый пакет содержит 72 сгустка. Полное число пакетов сгустков равно 39. Таким образом, полное число сгустков, инжектируемое в каждую трубу, составляет 2808.. Каждый сгусток содержит приблизительно 1,1×10¹¹ протонов. Длительность сгустка (среднеквадратичная, 4σ) составляет 1,71 нс. Интервал между сгустками составляет 24,95 нс, что соответствует 10 периодам колебаний ускоряющих резонаторов     Пакеты разделены пустыми зазорами различной длины, необходимыми для согласования времени нарастания магнитного поля в инжекционных кикерах. (200 нс, 1 мкс) и кикера системы поглощения пучка (3 мкс). Наличие зазоров между пакетами сгустков создает переходные процессы в ВЧ резонаторах, обусловленных изменением нагрузки резонаторов пучком. Они проявляют себя как периодическая модуляция (главным образом по фазе) ВЧ напряжения и энергии пучка. Благодаря высокой добротности сверхпроводящих резонаторов эта модуляция оказывается не значительной     Размеры сгустков не постоянны по окружности кольца. Каждый сгусток, циркулирующий в кольце, попеременно сжимается и расширяется в зависимости от области, которую он проходит. Сгустки максимально сжаты около точек взаимодействия. Когда они находятся вдали от точки взаимодействия, их длина составляет несколько сантиметров, а поперечные размеры - несколько миллиметров, При приближении к точке взаимодействия, поперечный размер сгустка сжимается до 16 мкм, чтобы увеличить шансы протон-протонного или ион-ионного столкновения (увеличение светимости).     Как указывалось выше, каждый протонный пучок будет состоять приблизительно из 2808 сгустков частиц, а каждый сгусток содержать до 10¹¹ частиц. Протоны в БАК будет совершать 11245 оборотов в секунду. Из-за крайне малых размеров протонов вероятность их столкновений очень мала и будет составлять только 20 столкновений при 2×10¹¹ сталкивающихся частицах. Сгустки будут встречаться в среднем только (20 – 30)×10⁶ раз в секунду, и в БАК будет происходить до (400 – 600)×10⁶столкновений протонов в секунду.     Чтобы протонные пучки могли свободно циркулировать внутри труб, практически не сталкиваясь с молекулами газа, в трубах создается сверхглубокий вакуум. Давление остаточных газов составляет порядка 10^–13 атм.     Пакеты сгустков протонов в основном кольце коллайдера могут циркулировать в трубах кольца в течение 10 -12 часов, сохраняя свои рабочие параметры .     Кинетическая энергия протона в точке столкновения является рекордной для коллайдеров и составляет 14×10¹² эВ (22,4×10^-7Дж). Тем не менее, она мала в сравнении с энергией груза в 1 кГ, падающего с высоты 1 м. Энергия этого груза составляет 6,1×10¹⁹ эВ или 9,8 Дж. В то же время следует иметь ввиду, что в каждом пучке коллайдера ускоряется до 1,1×10¹¹ протонов/сгусток. Запасенная энергия в протонном пучке оставляет около 350 МДж. Этой энергии достаточно чтобы расплавить 500 кГ меди. При возникновении аварийной ситуации пучок может повредить коллайдер. Энергия, запасаемая в магнитах коллайдера, еще выше и составляет 11 ГДж. Разработаны надежные меры защиты оборудования коллайдера. В аварийной ситуации происходит сброс ускоренного пучка с использованием септум и киккер магнитов, его расфокусировка и поглощение в нагрузке. Сброс ослабевшего пучка производится каждые несколько десятков часов.     Энергия, запасенная в магнитах, аварийно отводится с помощью специальной системы.     Для регистрации продуктов, рождающихся в точках взаимодействия, созданы четыре основных детектора: ATLAS (A ToroidalLHC ApparatuS), CMS (Compact Muon Solenoid), ALICE (A Large ION Collider Experiment) и LHC-b (Large Hadron Collider – b)     Самые большие детекторы ATLAS и CMS предназначены для исследований соударений протон – протон и ион – ион. Детектор ALICE в основном будет использоваться для изучения столкновений ион – ион, хотя на нем будут изучаться и протон – протонные процессы. LHCb предназначен для регистрации событий с рождением b – кварков. Кроме четырех основных детекторов в БАК используются субдетекторы для работы совместно с основными детекторами и регистрации частиц, испущенных под малыми углами.