Пристрій lhc

    Прискорювач - це установка для розгону пучків елементарних частинок; коллайдер - це такий тип прискорювача, в якому розгоняться два пучки частинок в протилежних напрямах і стикаються один з одним. У російськомовній термінології коллайдер називають також прискорювачем на зустрічних пучках.

З погляду наукового завдання сам прискорювач виконує тільки півсправи - він лише зіштовхує частинки. Вивченням результатів зіткнення займаються детектори елементарних частинок - спеціальні багатошарові установки, зібрані навколо точок зіткнення. Іноді прискорювачем називають тандем "прискорювач + детектори"; в цьому випадку, якщо треба підкреслити, що мова йде саме про прискорювач, а не про детектори, часто говорять "прискорювальне кільце".

Мал. 1. Загальний вид прискорювального кільця LHC

Загальний вигляд

LHC - циклічний (тобто кільце) коллайдер; пучки протонів або ядер свинцю циркулюють в нім безперервно, здійснюючи понад 10 тисяч оборотів в секунду і стикаючись на кожному крузі із зустрічним пучком. На мал. 1 показана схема розташування основних елементів прискорювального кільця LHC.

Все кільце LHC поділене на вісім секторів, межі яких відмічені крапками від 1 до 8. На кожній ділянці (1-2, 2-3 і т. д.) стоять в ряд магніти, керівники протонним пучком. Завдяки магнітному полю поворотних магнітів згустки протонів не відлітають геть по дотичній, а постійно повертаються, залишаючись усередині прискорювального кільця. Ці магніти формують орбіту, уздовж якої рухаються протони. Крім того, спеціальні фокусуючі магніти стримують поперечні коливання протонів щодо "ідеальної" орбіти, не даючи їм зачіпати стінки досить вузької (діаметром декілька сантиметрів) вакуумної труби.

Усередині прискорювача йдуть поряд один з одним дві вакуумні труби, по яких циркулюють два зустрічні протонні пучки, кожен в своєму напрямі. Ці дві труби об'єднуються в одну тільки в спеціально виділених місцях - в точках 1, 2, 5, 8. У цих точках відбуваються зіткнення зустрічних протонних пучків, і саме навколо них побудовано чотири основні детектори: два великих - ATLAS і CMS, і два середніх - ALICE і LHCb. Поблизу двох великих експериментів встановлено також два спеціалізовані дрібні детектори - TOTEM і LHCf.

У точці  4 розташована прискорювальна секція. Саме тут протонні пучки при розгоні отримують з кожним оборотом додаткову енергію. У точці  6 знаходиться система скидання пучка. Тут встановлені швидкі магніти, які у разі потреби відводять пучки по спеціальному каналу геть від прискорювача. В точках 3 і 7 встановлені системи чищення пучка; крім того, ці місця зарезервовані для можливих майбутніх експериментів.

Протонні пучки потрапляють в LHC з попереднього прискорювача SPS. Лінії передачі пучка (Tl2 і Tl8), що сполучають два цих кільцях прискорювача разом із спеціальними магнітами на кожному з них, складають разом інжекційний комплекс коллайдера LHC (від слова "інжекція" - уприскування пучка). Оскільки на SPS пучок крутиться тільки в один бік, інжекційний комплекс складається з двох ліній і має несиметричний вигляд. У прискорювальне кільце SPS протони потрапляють з джерела через ланцюжок ще менших прискорювачів.

Мал. 2. Схема ланцюжка прискорювачів для накопичення і поетапного розгону протонів і іонів перед їх інжекцією в LHC (мал. з сайту en.wikipedia.org із статті LHC)

Інжекційний комплекс

Протони поступають в LHC з попереднього прискорювача SPS ("Протонного суперсинхротрона"). Є дві лінії передачі пучка, які відходять від SPS в двох місцях і підходять до прискорювального кільця LHC поблизу крапок 2 і 8 (ці лінії називаються Tl2 і Tl8). Інжекційний комплекс - це складна інженерна споруда, працездатність якої залежить не тільки від правильного налаштування магнітної системи, але і від точної синхронізації ритму роботи SPS і LHC.

Інжекція (тобто "уприскування") протонів в LHC відбувається не безперервно, а імпульсами. Під час роботи LHC лінії передачі порожні, а в попередньому прискорювачі SPS накопичується чергова порція протонів. В кінці кожного циклу роботи LHC високоенергетичний пучок скидається, і коллайдер готується до прийому нової порції електронів. Протягом декількох хвилин слідує серія імпульсних включень і виключень швидких магнітів на кінцях лінії передачі протонів, в ході яких протонні згустки переводяться з SPS в LHC і один за іншим шикуються на свої "позиції" в пучку, не заважаючи вже циркулюючим згусткам.

Перш ніж потрапити в SPS, протони проходять через декілька прискорювачів меншого розміру. Спочатку за допомогою іонізації протони здобуваються з газоподібного водню, потім їх розгонять до енергії 50 МЕВ в лінійному прискорювачі і уприскують в бустер PSB. Там протони розгоняться до енергії 1,4 ГЕВ, переводяться в протонний синхротрон PS, прискорюються до 25 ГЕВ і лише після цього потрапляють в SPS. У нім вони розгоняться до 450 ГЕВ і інжектуються в LHC. Схожу послідовність прискорювачів проходять і ядра свинцю, правда в їх випадку є специфіка, пов'язана з нагрівом і атомізацією свинцевого зразка і іонізацією атомів.

Прискорювальна секція

   Протони уприскуються в LHC на енергії 0,45 ТЕВ і прискорюються до 7 ТЕВ вже усередині основного прискорювального кільця. Цей розгін відбувається під час прольоту протонів крізь декілька резонаторів, встановлених в точці 4.

Резонатор є порожнистою металевою камерою складної форми (див. мал. 3), усередині якої збуджується стояча електромагнітна хвиля з частотою коливань приблизно 400 Мгц. Ефективне і однорідне прискорення всього пучка змінним полем виявляється можливим завдяки тому, що весь пучок розбитий на окремі згустки, наступні на строго певній відстані один за одним. Коли згусток протонів пролітає крізь резонатор, електромагнітне коливання знаходиться якраз в такій фазі, щоб електричне поле уздовж осі пучка підштовхувало протони вперед.

   Фаза коливання поля в резонаторі настроєна так, що у момент прольоту частинок електричне поле не максимальне, а наростає. Так робиться для того, щоб автоматично вирівнювати енергію прискорюваних частинок. Якщо якийсь протон випадково виявився енергійнішим, ніж сусіди, він виривається вперед і на наступному крузі приходить в прискорюючу камеру з невеликим випередженням. Через це він отримує трохи менше додаткової енергії, чим решта протонів. І навпаки, якщо протон випадково втратив трохи енергії і опинився в хвості свого згустка, то при наступному прольоті через прискорювальну секцію він отримав більше енергії. Це властивість згустка частинок називається автофазуванням.

Мал. 4. Зал, в якому поглинається скинутий пучок

Прискорення протонів з енергії інжекції 0,45 ТЕВ до 7 ТЕВ відбувається досить поволі, приблизно за 20 хвилин. Швидкість цього процесу обмежена зовсім не потужністю прискорювальної секції, а швидкістю посилення магнітного поля в поворотних магнітах - адже воно повинне рости синхронно з енергією частинок для того, щоб утримувати їх у вакуумній трубі незмінного радіусу.

Коливання електромагнітного поля в резонаторі породжують сильні струми, поточні по поверхні камери. Для того, щоб уникнути теплових втрат енергії, резонатори на LHC теж працюють в надпровідному стані при температурі 4,5 К (-268,7°C). Втім, внутрішня поверхня резонатора не ідеальна і неминуче містить маленькі дефекти, на яких виділяється тепло. Але оскільки резонатори зроблені з міді, це тепло швидко відводиться.