Частицы в ускорителях и коллайдерах¶
Частица в коллайдере — элементарная частица, исследуемая в столкновительных ускорителях (коллайдерах) — установках, в которых пучки заряженных частиц разгоняются навстречу друг другу и сталкиваются в заданной точке. Слово «частица» в контексте кроссвордов и словесных задач на пять букв чаще всего означает фотон — квант электромагнитного излучения, не имеющий заряда и массы покоя, который в физике высоких энергий выступает как один из базовых объектов столкновений.
¶Основные типы частиц в коллайдерах
В ускорительной физике сталкиваются не любые объекты, а определённые классы частиц. Основные группы:
| Тип | Примеры | Особенности |
|---|---|---|
| Лептоны | электрон, позитрон, мюон, нейтрино | Не участвуют в сильном взаимодействии |
| Адроны | протон, антипротон, ионы свинца | Составные, состоят из кварков и глюонов |
| Бозоны | фотон, W, Z, глюоны, гравитон (гипотетический) | Переносчики взаимодействий |
| Античастицы | позитрон, антипротон | Полная масса, противоположный заряд |
Фотон — безмассовая бозонная частица, переносчик электромагнитного взаимодействия. В коллайдерах фотонные пучки используются в гибридных установках, например, в проектах электрон-фотонного столкновения. Фотон также рождается в большом количестве при распадах возбуждённых состояний адронов.
¶История
Первые столкновительные установки появились в 1960-х годах. Ключевые этапы:
- 1961 — первый коллайдер AdA (Италия), пучки электронов и позитронов.
- 1983 — открытие бозонов W и Z на SppS (ЦЕРН).
- 1989 — LEP (ЦЕРН), электрон-позитронные столкновения, точное измерение параметров стандартной модели.
- 2000 — запуск RHIC (Брукхейвен, США), столкновения тяжёлых ионов, изучение кварк-глюонной плазмы.
- 2008 — первый запуск Большого адронного коллайдера (БАК, ЦЕРН), рекордные энергии протонных столкновений.
- 2012 — открытие бозона Хиггса на детекторах ATLAS и CMS.
¶Российский вклад
Советская и российская физика высоких энергий внесла значительный вклад в создание коллайдерной техники:
- Институт физики высоких энергий (ИФВЭ, Протвино) — строительство и эксплуатация У-70, самого мощного протонного синхротрона СССР (введён в 1967, энергия до 76 ГэВ).
- Объединённый институт ядерных исследований (ОИЯИ, Дубна) — программа Нуклон, гиперонные пучки, международные коллаборации.
- Коллаборации ЦЕРН — российские институты (МГУ, ИФВЭ, НИЯУ МИФИ, Курчатовский институт и другие) участвуют в экспериментах ATLAS, CMS, ALICE, LHCb.
¶Устройство коллайдера
Коллайдер включает:
- Источник частиц — например, электронная пушка или источник ионов водорода.
- Линейный ускоритель — первичный разгон.
- Кольцевой ускоритель — синхротрон, удерживающий и разгоняющий пучок.
- Магнитную оптику — дипольные и квадрупольные магниты для фокусировки.
- Точку взаимодействия — место столкновения пучков, окружённое детектором.
- Детектор — многослойная установка, фиксирующая продукты распада.
¶Классификация коллайдеров
По типу сталкиваемых частиц:
- электрон-позитронные (LEP, VEPP-4М в Новосибирске);
- протон-протонные (LHC, Теватрон);
- протон-антипротонные (SppS, Теватрон);
- тяжелоионные (RHIC, ALICE на LHC);
- электрон-протонные (HERA, Дези, Германия).
¶Значение
Исследования частиц в коллайдерах подтвердили стандартную модель физики элементарных частиц, открыли кварки, бозоны W и Z, топ-кварк, бозон Хиггса. Современные установки ищут признаки физики за пределами стандартной модели: тёмную материю, суперсимметрию, дополнительные измерения пространства.
История: «Большой адронный коллайдер», ЦЕРН; журнал «Природа»; учебник «Физика элементарных частиц» (В.А. Беднягин, В.А. Кузьмин).