встречные пучки

ВСТРЕЧНЫЕ ПУЧКИ - экспериментальный метод исследования элементарных частиц, в к-ром два пучка заряж. частиц, ускоренных до заданной энергии, движутся навстречу друг другу, взаимодействуя на участке встречи. В традиц. варианте для осуществления метода используются накопители заряж. частиц [1, 2]. Самое важное преимущество метода В. п.- достижение энергии реакции, недоступной ускорителям с неподвижной мишенью. Макс. энергия реакции при столкновении встречных частиц с одинаковыми значениями импульсов р₀ равна сумме энергий обеих частиц:

(m₁, m₂ - массы покоя сталкивающихся частиц). Для ускорителя с неподвижной мишенью макс. энергия реакции равна

где m₁, , р₁ - соответственно масса покоя, энергия и импульс ускоренной частицы. Для частиц одинаковой массы т

при

При ускорении до одной и той же энергии , что особенно отчётливо видно в ультрарелятивистском случае. Первый накопитель со встречными электронными пучками ВЭП-1 [1], макс. энергия частиц в к-ром составляла лишь 0,16 ГэВ, был эквивалентен электронному ускорителю с неподвижной мишенью на энергию 100 ГэВ. Для накопителя PETRA (ФРГ), обладающего наиб. энергией в е⁺е^--пучках, эквивалентная энергия составляет примерно 1000 ТэВ. Важное преимущество метода В. п.- возможность проведения эксперимента в предельно чистых условиях, когда картина взаимодействия двух сталкивающихся частиц не искажается сопутствующими процессами взаимодействия первичных частиц и продуктов реакции с веществом мишени, как это имеет место в традиц. схеме ускорителя с неподвижной мишенью.

Метод В. п. получил развитие в результате работ, начатых одновременно в Новосибирске в Ин-те ядерной физики (ИЯФ) СО АН СССР и в Станфордском ун-те (США). Его принципиальная возможность продемонстрирована в 1965 в экспериментах по рассеянию электронов на электронах.

Рис. 1. Схема комплекса установок со встречными злектрон-позитронными пучками ВЭПП-2М; ИЛУ - импульсный линейный ускоритель электронов, форинжектор, энергия 1,5МэВ, ток в импульсе 30 А (3*10¹² частиц); Б-ЗМ - синхротрон на энергию 360 МэВ, 3*10¹¹ частиц за цикл, частота повторения 1 Гц; ПК - позитронный конвертер; ВЭПП-2 - промежуточный накопитель на энергию 650 МэВ; 1 - резонаторы ВЧ-систем; 2 - участок регистрации ВЭПП-2 во время работы в качестве накопителя со встречными е⁺е^--пучками (пунктиром показан, существовавший в то время канал инжекции электронов); ВЭПП-2М - действующий накопитель со встречными е+е^--пучками; 3 - детектор.

Установки со В. п. представляют собой комплекс ускорит. установок, соединенных каналами, транспортирующими частицы (рис. 1, 2). Обязат. элемент комплекса - базовый ускоритель-инжектор, в котором частицы приобретают энергию, необходимую для инжекции в накопитель или генерации на мишени пучка античастиц. Часто между осн. накопителем, где происходит встреча пучков, и инжектором помещают промежуточный накопитель (бустер), предназначенный для предварит. накопления частиц и формирования пучка. Особенно большой эффект даёт использование бустера для В. п. частиц и античастиц, т. к. последние, как правило, приходится накапливать многократно (см. ниже раздел 4). Накопитель В. п. одинаковых частиц имеет две дорожки, как, напр., протон-протонный накопитель ISR (рис. 2). Для В. п. частиц и античастиц достаточно одной дорожки (рис. 1).

Рис. 2. Схема ускорительно-накопительного комплекса ЦЕРНа: SPS - синхрофазотрон (протонный синхротрон) на энергию 400 ГэВ, используемый как рр-накопитель на энергию 320 ГэВ в пучке, ISR - накопитель со встречными протонными и протон-антипротонными пучками (31 ГэВ в пучке); PS - протонный синхротрон (26 ГэВ), PSB - бустер (инжектор) PS, AA - антипротоняый накопитель (импульс антипротонов 3,5 ГэВ/с), LEAR - накопитель со встречными -пучками низкой энергии (3 ГэВ), стрелками показаны направления транспортировки частиц по каналам; 1,2,3 - выведенные протонные пучки для экспериментов с неподвижной мишенью.

Наиб. интерес с точки зрения получения информации об элементарных частицах представляют В. п. частиц и античастиц. Первые эксперименты на В. п. по аннигиляции частиц и античастиц - электронов и позитронов -проведены в 1967 в ИЯФ СО АН СССР на установке ВЭПП-2 с e_r до 1,34 ГэВ. В области e_r==0,76 ГэВ впервые был детально исследован r-мезон.

Для электронов и позитронов практич. предел энергии во В. п. в их традиц. циклич. варианте не далёк от достигнутого уровня. На грани такого предела находится проект LEP (ЦЕРН). Связан этот предел с синхротронным излучением, интенсивность к-рого растёт как четвёртая степень энергии частицы и падает только как первая степень радиуса орбиты, так что увеличение размеров установки не позволяет кардинально решить проблему.

В. п. тяжёлых частиц (протонов, антипротонов, ионов) лишены этого недостатка (интенсивность синхротронного излучения обратно пропорциональна четвёртой степени массы покоя частицы). Первая установка со В. п. протонов ISR успешно функционировала в ЦЕРНе в 1971-83. При переходе к пучкам античастиц появляется необходимость в их многократном накоплении, что вызвано малой величиной коэф. конверсии. При этом из-за большого фазового объёма рождающихся античастиц принципиально важно наличие механизма, уменьшающего фазовый объём пучка. Для позитронов таким механизмом служит синхротронное излучение. С развитием методов охлаждения пучков тяжелых заряж. частиц стала разрешимой и проблема накопления антипротонов. В ЦЕРНе уже действует комплекс со встречными протон-антипротонными пучками. С точки зрения кварковой модели адронов В. п. эквивалентны В. п. кварков и антикварков. Это означает, что они дают фундам. информацию, близкую к получаемой на В. п. е⁺е^-. По совр. представлениям, протон (антипротон) содержит три кварка (антикварка) и глюоны (~50%), поэтому В. п. на заданную энергию эквивалентны В. п. е⁺е^- на энергию примерно в 6 раз меньшую.

Ограничение на энергию В. п. е⁺е^-, связанное с синхротронным излучением, не существует для встречных линейных электрон-позитронных пучков [2, 3].

Осн. характеристиками установок со В. п. являются светимость, время жизни пучков, время накопления (выхода на заданную светимость).

1. Светимость. Эффективность циклич. установок со В. п. характеризуют светимостью L - величиной, равной числу событий, происходящих в единицу времени при столкновении двух пучков, при единичном сечении взаимодействия. Скорость счёта в i-м канале реакций с сечением равна:

Для двух сгустков с числом сталкивающихся частиц N₊ и N_-

где f - частота обращения частиц в кольце, S - площадь поперечного сечения большего из сгустков.

2. Время жизни и размеры пучков. Время жизни пучков в накопителе ограничивает продолжительность цикла его работы "на эксперимент" и определяется взаимодействием частиц с остаточным газом в камере накопителя, с частицами собств. пучка и с частицами В. п. Для электронов и позитронов добавляются ещё потери частиц, вызванные квантовыми флуктуациями синхротронного излучения. Эти процессы можно разделить на однократные и многократные (диффузные). Однократные процессы приводят к прямой гибели частиц в результате одиночных актов взаимодействия. Однократное упругое рассеяние на угол, больший апертурного, приводит к попаданию частиц на стенки вакуумной камеры и к их гибели. Оно происходит на атомах остаточного газа, на частицах собств. сгустка (внутрипучковое рассеяние)и на частицах встречного сгустка. Тот же результат дают однократные потери частицами больших порций энергии. У тяжёлых частиц это происходит в результате флуктуации ионизац. потерь на остаточном газе. Кроме того, для них существует ещё один канал однократных потерь - ядерное взаимодействие с остаточным газом.

Установки со встречными пучками
Физический комплекс, лаборатория, город, страна	Частицы	, ГэВ	L, см-2с-1	Начало работы, статус комплекса
Лептонные пучки
ВЭП-1 (ИЯФ СО АН СССР, Новосибирск)	е-е-	0,32	5*1027	1965, закрыт
Накопитель Центра SLAC (Станфорд, США)	е-е-	1,0	2*1028	1965, закрыт
ВЭПП-2 (ИЯФ СО АН СССР, Новосибирск)	е+е-	1,4	38*1028	1966, используется как бустер
ACO (Орсе, Франция)	е+е-	1,1	1*1029	1967, источник синхротронного излучения
ADONE (Фраскати, Италия)	е+е-	3	6*1029	1970, действует
CEA (Кембридж, США)	е+е-	4	3*1028	1971, закрыт
SPEAR (SLAC, Станфорд, США)	е+е-	8,2	2*1031	1972, действует
ВЭПП-2М (ИЯФ СО АН СССР, Новосибирск)	е+е-	1,4	3*1030	1974, действует
DORIS (Центр DESY, Гамбург, ФРГ)	е+е-	11	1*1031	1976, действует
DCI (Орсе, Франция)	е+е-	4	1*1030	1976, действует
ВЭПП-4 (ИЯФ СО АН СССР, Новосибирск)	е+е-	5,5	5*1030	1979, действует
PETRA (Центр DESY, Гамбург, ФРГ)	е+е-	45	1,7*1031	1978, действует
CESR (Корнелл, США)	е+е-	11	3 *1031	1979, действует
PEP (SLAC. Станфорд, США)	е+е-	29	2*1031	1980, действует
LEP (ЦЕРН, Швейцария), 1-я очередь	е+е-	110	1,6*1031	1989, строится
SLC (SLAC, Станфорд. США)	е+е-	100	1,6*1031	1987, строится
TRISTAN (Центр KEK, Япония)	е+е-	60	1*1031	1988, строится
ВЛЭПП (ИЯФ СО АН СССР, Новосибирск)	е+е-	300	1*1032	проект
		1000	1*1032	проект
Барионные пучки
ISR (ЦЕРН, Швейцария)	рр	62	7*1031	1971, закрыт
		62	1*1027	1981, закрыт
SPS (ЦЕРН, Швейцария)		600	3*1029 (3*1030)*	1981, действует
Тэватрон (Лаборатория им. Ферми, США)		2000	(3*1030) *	1985, действует
УНК (ИФВЭ. Серпухов)	рр	6000	1*1032	1995, строится
SSC (США)	рр	40 000	1*1033	1994, проект
LEP (ЦЕРН)	рр	17 000	1,5*1033	проект
2-я очередь - LHC
Лептон-бариоиные пучки
HERA (Центр DESY, Гамбург, ФРГ)	ер	310 (30е*820р)	6*1031	1988, проект
LEP (ЦЕРН), 2-я очередь	ер	1800	1*1031	проект
* Проектная величина.

У лёгких частиц - электронов (позитронов) при низких энергиях время жизни одного пучка или В. п. е⁺е^- невысокой интенсивности определяется, как правило, тормозным излучением на остаточном газе, а при высоких энергиях - потерями на квантовых флуктуациях синхротронного излучения, возбуждающих радиальные бетатронные колебания, при достаточно большой амплитуде к-рых частицы уходят за апертуру. Для е⁺е^--установок с высокой светимостью определяющим может быть также процесс тормозного излучения на встречном сгустке. Для интенсивных (плотных) релятивистских пучков существенными становятся потери, обусловленные внутрипучковым рассеянием. Интенсивность пучков убывает и в результате "полезной" гибели частиц в реакциях взаимодействия В. п. Обычно для времени жизни пучков определяющим является один из перечисленных процессов. Напр., для накопителя ВЭПП-2М при малом токе пучков (N~10⁸ частиц) время жизни при энергии 500 МэВ ограничено тормозным излучением на остаточном газе и составляет 50 ч при ср. вакууме 5*10^-10 Торр. При N=5*10⁹ частиц время жизни одного сгустка падает до 35 мин из-за внутр. рассеяния (длина сгустка 3 см, поперечные размеры в месте встречи 0,5 мм*8 мкм). В режиме двух встречных сгустков падает ещё вдвое и определяется т. н. эффектами встречи (см. раздел 3).

Многократные процессы (многократное рассеяние частиц на атомах остаточного газа, рост разброса частиц по продольному импульсу из-за флуктуации ионизац. потерь на атомах остаточного газа, многократное внутр. рассеяние и многократное рассеяние на В. п.) вызывают увеличение размеров пучков и, согласно (4), уменьшение светимости. Если движение частиц в накопителе сопровождается охлаждением, демпфирующим бетатронные и синхротронные колебания, многократные процессы подавляются и устанавливается равновесный размер пучка.

3. Эффекты встречи пучков. Интенсивность В. п. не может быть произвольно большой. Для одного пучка она ограничена действием пространственного заряда пучка и внутр. рассеянием. В режиме встречи двух пучков появлякяея эффекты взаимодействия частиц одного пучка с эл--магн. полями др. пучка, вызывающие изменение частот бетатронных колебаний ; при приближении к резонансным значениям резко падает время жизни пучков и возрастают их размеры. Электрич. и магн. поля пучков существенно нелинейны, поэтому сдвиг частот бетатронных колебаний зависит от амплитуды колебаний а, а воздействие В. п. носит периодич. характер с частотой, кратной частоте обращения . Если отношение - рациональное число:

где р и q - целые числа, орбита оказывается замкнутой (через q оборотов), т. е. "привязанной по фазе" к частоте обращения. При этом возникает нек-рая область бетатронной автофазировки вблизи резонансной точки (a_pq). Сам по себе нелинейный резонанс может и не приводить к гибели частиц, однако при этом возрастает поперечный размер пучка, что уменьшает светимость. С увеличением интенсивности В. п. (а с ней и сдвигов ) области автофазировки соседних резонансов начинают перекрываться и движение частиц приобретает стохастич. характер [4] - начинается случайное изменение частот бетатронных колебаний. В результате могут значительно возрастать размеры пучка и падать его интенсивность из-за ухода частиц за апертуру. Такой стохастизации движения способствуют шумы ускоряющей ВЧ-системы и пульсации магн. поля накопителя.

Количественно эффекты встречи принято описывать сдвигом частоты бетатронных колебаний частиц данного пучка в плоскостях х z. Величина пропорциональна числу частиц во встречном пучке и обратно пропорциональна его поперечным размерам.

В электрон-позитронных накопителях, где действует радиац. охлаждение, удаётся достигнуть интенсивности В. п., соответствующей ~0,1. При фиксированном значении предельная интенсивность пучков е⁺е^- растёт с увеличением энергии как (где - лоренц-фактор пучка) и соответственно светимость как [см. (4); равновесные размеры пучка пропорциональны ].

4. Генерация и накопление античастиц. Пучки вторичных частиц - позитронов и антипротонов- для инжекции в накопители получают путём конверсии в мишенях пучков первичных ускоренных частиц - электронов и протонов [2]. Конверсия е^- в е⁺ происходит за счёт процессов тормозного излучения электронами и последующего рождения пар е⁺е^- фотонами в поле ядер. Позитроны рождаются преимущественно с низкими энергиями, много меньшими энергии первичных электронов. Поэтому до инжекции в накопители пучки позитронов обычно доускоряют. Максимум выхода антипротонов, генерируемых релятивистскими протонами на протонах покоящейся мишени, лежит при энергии где M - масса протона, - энергия первичного протона. При взаимодействии с тяжёлым ядром максимум несколько сдвигается в область меньших энергий.

Для повышения коэф. конверсии применяются светосильные и короткофокусные магнитооптич. системы. Наиб. эффективны т. н. литиевые линзы (разработанные в ИЯФ СО АН СССР) - линзы прямого тока, выполняемые в виде цилиндрич. токонесущего стержня из лития, заключённого в стальную оболочку (частицы, проходящие сквозь литиевый стержень вдоль его оси, фокусируются азимутальным магн. полем). В них удаётся получать градиенты поля до 400 кГс/см, а поля на поверхности стержня - до 300 кГс. С их применением реально достижимы коэф. протон-антипротонной конверсии, превышающие 10^-5. Др. примеры светосильной и короткофокусной оптич. системы, применяемой для фокусировки заряж. частиц,- т. н. параболич. линза (ИЯФ СО АН СССР) и магн. горн (ЦЕРН) [2].

Из-за низких значений коэф. конверсии для получения нужной интенсивности пучка вторичных частиц требуется многократное повторение (напр., в случае В. п. до сотен тысяч раз) цикла работы базового ускорителя, генерирующего пучок первичных частиц, с инжекцией вторичных частиц в один и тот же фазовый объём (адмитанс) накопителя. Это означает, что за время между двумя (или несколькими) циклами работы базового ускорителя должен успевать сработать какой-то диссипативный механизм (охлаждение), уменьшающий фазовый объём накопленного пучка. Для лёгких частиц радиац. охлаждение позволяет получить характерные времена затухания бетатронных и син-хротронных колебаний частиц от долей с до неск. мс и многократно накапливать позитроны в короткие сгустки. Время накопления позитронов составляет на разных установках от неск. минут до неск. часов.

Для протонов и антипротонов применяются два способа охлаждения - электронное и стохастическое. В антипротонном аккумуляторе (AA)ЦЕРНа, действующем на основе стохастич. охлаждения, скорость накопления составляет примерно 3*10⁶ антипротонов/с. Первые эксперименты на В. п. были начаты в 1982, а в 1983 были открыты - и Z⁰-бозоны - переносчики слабого взаимодействия.

5. Поляризованные встречные пучки. Получение В. п. поляризов. частиц - одна из важнейших задач ближайшего будущего, вызванная необходимостью эксперим. изучения спиновых свойств фундам. взаимодействий частиц. Поляризов. пучки электронов и позитронов получают в накопителях за счёт радиац. поляризации [5]: магн. момент частицы прецессирует вокруг направления магн. поля, что вызывает магн. дипольное излучение частицы, приводящее к ориентации её магн. момента вдоль поля за характерное время

Здесь g - гиромагнитное отношение, s - спиновый момент частицы, В - вектор магн. индукции. Для электронов (позитронов)

В электронных накопителях удаётся получать порядка 1 ч. Обратная кубич. зависимость от В позволяет значительно увеличивать скорость поляризации введением в прямолинейные промежутки накопителя участков с сильным знакопеременным магн. полем, не искажающим орбиту на остальных участках ,- т. н. змейку.

Поляризов. пучки протонов получают в спец. источниках из пучков поляризов. атомов водорода (разделение поляризации по методу Штерна - Герлаха). Применение метода перезарядной инжекции (см. Инжекция)позволяет получать те же интенсивности в поляризов. пучках, что и в неполяризованных. Возможно получение поляризов. пучков [2].

Изменение поляризации пучка при движении частиц в накопителе (в т. ч. при ускорении) подчиняется определ. закономерностям [5]: для любых стационарных эл--магн. полей, обеспечивающих существование замкнутых стабильных орбит частиц, существуют замкнутые, периодически повторяющиеся на данном азимуте спиновые траектории (векторные ф-ции, описывающие зависимость направления спина от положения частицы на орбите). Эти траектории устойчивы вдали от спиновых резонансов. Спин, отклонённый от равновесного направления, прецессирует вокруг этого направления. Отсюда следует, в частности, что введением в прямолинейном промежутке накопителя коротких участков с поперечным (горизонтальным) полем можно (в данном промежутке) переводить поперечную поляризацию в продольную, а затем восстанавливать нач. состояние, не возмущая орбиту вне промежутка. Возможны неск. схем управления поляризацией [2, 5]. T. о., динамика спина в накопителе в значит. мере аналогична динамике самой частицы. В частности, спиновые резонансы разрушают состояние поляризации; условие их возникновения аналогично условию бетатронных резонансов (5). При ускорении или замедлении поляризов. пучков, как правило, возникает проблема прохождения спиновых резонансов (т. к. частота прецессии меняется с энергией), методы решения к-рой уже доведены до прак-тич. использования.

Поляризованность пучков электронов и позитронов, циркулирующих в накопителях, позволяет с высокой точностью производить абс. калибровку энергии частиц по частотам обращения и прецессии и известному с чрезвычайно высокой точностью магн. моменту электрона [21. Применение этого метода калибровки позволило произвести на накопителях ВЭПП-2М и ВЭПП-4 абс. измерения масс -мезонов с точностью, превышающей в неск. раз (от 2 до 10) ранее достигнутую.

6. Перспективы использования метода встречных пучков. Дальнейшее развитие метода, очевидно, будет идти по неск. направлениям [5]. Первое из них - повышение энергии взаимодействия частиц во В. п. Радикальным решением являются В. п. е⁺е^- двух линейных ускорителей, "стреляющих" навстречу друг другу. Пройдя участок встречи, пучки по транспортировочному каналу поступают на мишень, где генерируют след. порции электронов и позитронов; их инжектируют в спец. накопители для радиац. охлаждения, а оттуда - опять в линейные ускорители (проекты SLC, ВЛЭПП и др.). Однако для реализации этого метода обычные линейные ускорители непригодны: достижимый в них темп ускорения (порядка 10 ГэВ/км) делает сооружение гигантским по размерам, а большие эмиттансы пучков не позволяют получить высокую светимость. Поэтому в проекте ВЛЭПП разрабатывается линейный ускоритель нового типа ("суперлинак") с темпом ускорения 100 ГэВ/км, а для формирования пучков предусмотрены спец. накопители, где действует радиац. охлаждение. По оценкам, в этом проекте достижима светимость ~10³² см^-2*с^-1. Разрабатываются также спец. методы для поляризации пучков перед ускорением (в т. ч. генерация продольно поляризованных электронов и позитронов на мишени квантами жёсткого циркулярно поляризованного синхротронного излучения частиц, проходящих через спиральные ондуляторы ,установленные в транспортировочных каналах). Ближайшее будущее В. п. -проекты Тэватрон и УНK, реализация к-рых началась.

Второе направление - расширение набора взаимодействующих частиц. В. п. е⁺е^- и представляют собой соответственно лептон-антилептонные и кварк-антикварковые В. п. Однако не меньший интерес представляет изучение взаимодействия всех осн. фундам. частиц - лептонов и кварков: лептон-лептонные (е^-е^-), кварк-лептонные (ре~), кварк-антилептонные (ре⁺) В. п., а также взаимодействие с участием фотонов, в т. ч. В. п. . В дальнейшем станут доступны эксперименты на встречных дейтрон-антидейтронных пучках, к-рые нужны, в частности, для изучения нейтрон-антинейтронных взаимодействий. Эффективность накопления антидейтронов лишь на 4 порядка ниже, чем антипротонов, так что вполне достижима светимость ~10²⁷ см^-2 с^-1 и выше. По-видимому, будут реализованы и эксперименты на В. п. нестабильных частиц - мюонов и пионов.

Третье направление - развитие метода В. п. в области средних, низких и "сверхнизких" энергий, что позволяет исследовать кварк-глюонные системы при таких энергиях; для этого нужны установки со В. п. е⁺е^- и в области =3-5 ГэВ, обладающие светимостью 10³²-10³³ см^-2 с^-1.

И во всех случаях очень острой будет необходимость получения поляризованных В. п.

Лит.: 1) Кеrst D. et al., Attainment of very high energy by means of intersecting beams of particles, "Phys. Rev.", 1956, v. 102, p. 590; O'Neill G., Storage rings for electrons and protons, in: Proc. intern, conf. on high-energy accelerators and instrum., v. 1, Gen., 1959, p. 125; в рус. пер., в сб.: Накопление релятивистских частиц, M., 1963; Будкер Г. И., Ускорители со встречными пучками частиц, "УФН", 1966,т. 89, с. 533; 2)Скринский A. H, Ускорительные и детекторные перспективы физики элементарных частиц, "УФН", 1982, т. 138, с. 3; 3) Балакин В. E., Будкер Г. И., Скринский A. H., О возможности создания установки со встречными электрон-позитронными пучками на сверхвысокие энергии, в сб.: Проблемы физики высоких энергий и управляемого термоядерного синтеза, M., 1981; 4) Chirikov B. V., А universal instability of manydimensional oscillator systems, "Phys. Repts", 1979, v. 52, № 5, p. 263; 5) Дербенёв Я. С. и др., Поляризованные частицы в накопителях, в кн.: Труды X Международной конференции по ускорителям заряженных частиц высоких энергий, т. 2, Серпухов, 1977. И. H. Мешков.

   <<      Предметный указатель      >>