Коллайдер
Существует два типа ускорительных установок: ускорители с неподвижной мишенью и ускорители со встречными пучками (или коллайдеры). В ускорителях первого типа частицы после ускорения выводят из ускорительной камеры и направляют на неподвижную мишень, например, металлическую пластину. В этом случае далеко не вся кинетическая энергия ускоренной частицы может быть “вложена” в изучаемый процесс, например, во внутреннее возбуждение атомного ядра или частицы-мишени или в рождение новой частицы, так как значительная, а часто и подавляющая часть этой энергии не может быть “изъята” у частицы, поскольку идёт на “обеспечение” выполнения закона сохранения импульса - большой импульс частицы до столкновения должен сохраниться в виде большого импульса (а значит, и кинетической энергии) продуктов реакции.
Конкретные оценки (см. эквивалентная энергия) позволяют увидеть огромную разницу между кинетическими энергиями, например, протонов в ускорителе с неподвижной мишенью и со встречными пучками, которые необходимы для рождения частиц большой массы.


Рис. 1. Два типа ускорителей на встречных пучках: а - для частиц, имеющих одинаковые заряды или разные массы (например, протон-протон или электрон-протон); б - для частиц с противоположными по знаку зарядами и равными массами, т. е. частиц и античастиц (электрон-позитрон, протон-антипротон).
Огромное энергетическое преимущество ускорителей на встречных пучках сделало их совершенно необходимым атрибутом ведущих современных центров исследования физики элементарных частиц. Есть две основные схемы реализации коллайдеров (рис. 1). Если встречные пучки состоят из частиц, имеющих равные массы и противоположные по знаку заряды (т.е. античастицы, например, электрон-позитрон или протон-антипротон), то для обоих пучков используется одно кольцо магнитов (рис. 1б). В некоторых точках этого кольца имеются участки взаимодействия ускоренных встречных пучков. Если же встречные частицы имеют одинаковые заряды или разные массы (например, протон-протон или электрон-антипротон), то необходимы два кольца магнитов и в некоторых местах создаются области столкновения (пересечения) пучков (рис. 1а).
Во встречных пучках, двигающихся навстречу друг другу, накапливается максимально возможное число частиц (до 1015 в пучке). Однако накапливаемые плотности частиц малы и при каждом обороте реальные столкновения испытывают немногие частицы. Взаимодействие пучков почти не нарушает динамику их движения в ускорительном кольце и пучки многие часы и даже сутки могут циркулировать в ускорителе без пополнения.
Важной характеристикой коллайдеров является светимость, обозначаемая буквой L (от англ. Luminosity).


Рис. 2. К понятию “светимость”. Два сталкивающихся сгустка частиц (банча) в коллайдере
Встречные пучки состоят из отдельных сгустков частиц, называемых банчами (от англ. bunch), двигающихся с определенным интервалом (частотой) друг за другом. Рассмотрим два цилиндрических банча одинакового сечения, летящих навстречу друг другу и затем сталкивающихся (рис. 2). Будем считать, что банчи равномерно заполнены частицами и при столкновении полностью перекрываются. В левом банче n1 частиц, а в правом n2. Вначале положим, что на орбите коллайдера банчи сталкиваются один раз в единицу времени. Число взаимодействий N1 в единицу времени между частицами этих двух банчей (т. е. число актов реакций в единицу времени) можно вычислить по формуле (2) из раздела "Сечение реакции", приняв левый банч за частицы-снаряды, а правый - за мишень:

N = jnSl = (n1/S)n2, (1)

где - эффективное сечение взаимодействия. Здесь учтено, что плотность потока падающих на правый банч частиц левого банча j = n1/S, а полное число частиц в правом банче (принятом в качестве мишени) n2 = nSl, где n - концентрация частиц в правом банче. Если банчи сталкиваются f раз в единицу времени (т. е. с частотой f), то число актов реакции N будет даваться выражением

N = f(n1n2/S) = L, (2)

где

L = f(n1n2/S) (3)

и есть светимость коллайдера.

Пример. В коллайдере TEVATRON сталкиваются протоны и антипротоны с энергиями 1 ТэВ. Чему равно число актов их взаимодействия в 1 сек, если сечение полного взаимодействия протона и антипротона при этих энергиях = 75 мб, а светимость коллайдера L = 5.1031см-2сек-1.

Используем (2):

N = L = 5.1031 см-2сек-1.75.10-27 см-2 = 3.75.106 сек-1.

Перечень основных коллайдеров дан в таблице.

Ускорители на встречных пучках (коллайдеры)
Ускоритель
(Центр, Страна) Годы работы Ускоряемые
частицы Наибольшие
энергии Светимость,
см-2 сек-1 Периметр
или длина
ВЭПП-2000
(Новосибирск) с 2005 е+е- 1.0 ГэВ 1032 24 м
ВЭПП-4М
(Новосибирск) с 1994 е+е- 6 ГэВ 2.1031 366 м
ВЕРС-П
(Китай) с 2007 е+е- 1.89 ГэВ 1033 238 м
КЕКВ
(Япония) с 1999 е+е- 3.5. 8 ГэВ 1.1.1034 3.0 км
РЕР-П
(SLAC, США) с 1999 е+е- 3.1. 9.0 ГэВ 6.8.1033 2.2 км
SLC
(SLAC, США) 1989-1998 е+е- 50 ГэВ 2.5.1030 2.92 км
LEP (CERN)
1989-2000 е+е- 101 ГэВ 1032 26.7 км
HERA
(DESY, Германия) с 1992 е-p 30 x 920 ГэВ 0.75.1032 6.3 км
SpS
(CERN) 1981-1990 p 315 x 315 ГэВ 6.1030 6.9 км
TEVATRON
(Fermilab, США) с 1987
p 980 ГэВ 0.5.1032 6.3 км
RHIC
(Brookhaven, США) с 2000
Au x Au
100 ГэВ/нуклон
4.1026 3.8 км
LНС
(CERN) c 2007-2008 рр 7 ТэВ 1033 26.7 км
Pb x Pb 2.76 ТэВ/нукл 1027



Рис. 3. Ускорительный комплекс ЦЕРН

Крупнейшие современные центры, предназначенные для исследования физики элементарных частиц, представляют собой многоцелевые комплексы из нескольких ускорителей, функционально связанных между собой. Хорошим примером такого ускорительного комплекса является ЦЕРН (Женева). Схема комплекса приведена на рис. 3.
Самым крупным ускорителем этого комплекса является Большой Адронный Коллайдер LHC (Large Hadron Collider), на котором будут сталкиваться пучки ускоренных до энергии 7 ТэВ протонов, а также ядра свинца. Этот ускоритель сооружается в подземном кольцевом туннеле (его периметр 26.7 км) на месте другого недавно действовавшего крупнейшего е+е- - коллайдера. LEP - Large Electron Positron (Collider), ускорявшего электроны и позитроны до энергии 101 ГэВ.
Для инжекции протонов и ионов в LHC будет использоваться ускоритель SPS (Super Proton Synchrotron), на выходе которого протоны имеют энергию около 450 ГэВ (см. таблицу). Его периметр 6.9 км и он расположен под землей на глубине 50 м. В SPS тяжелые частицы поступают от протонного синхротрона PS (он также упомянут в таблице), в который в свою очередь протоны и ионы попадают из бустера (ускорителя-инжектора) “Изольда”.