Реферат «История создания и основные характеристики адронного коллайдера LHC (CERN)»
advertisement
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» Институт: ИФИБ Реферат «История создания и основные характеристики адронного коллайдера LHC (CERN)» Выполнил: студент группы Невзорова С.А (подпись, дата) Проверил: Полозов С.М. (подпись, дата) Москва 2022 История создания Для начала стоит сказать, что Большой адронный коллаейдер, был построен на месте своего предшественника — Большого электронпозитронного коллайдера (Large Electron-Positron collider или LEP). В 1983-м году была начата работа над двадцати семикилометровым тоннелем , где в последствии должен был расположиться ускоритель, который будет осуществлять столкновение электроном и позитронов. В 1988-м году кольцевой тоннель сомкнулся, при этом рабочие подошли к проведению тоннеля столь тщательно, что расхождение между двумя концами тоннеля составило всего 1 сантиметр. Ускоритель проработал до конца 2000-го года, когда достиг своего пика – энергии в 209 ГэВ. После этого начался его демонтаж. За одиннадцать лет своей работы LEP принес физике ряд открытий, в числе которых – открытие W и Z бозонов и их дальнейшие исследования. На основе результатов этих исследований был сделан вывод о сходстве механизмов электромагнитного и слабого взаимодействий, вследствие чего начались теоретические работы по объединению этих взаимодействий в электрослабое. В 2001-м году на месте электрон-позитронного ускорителя началась постройка Большого адронного коллайдера. Строительство нового ускорителя завершилось в конце 2007-го года. Он располагался на месте LEP – на границе между Францией и Швейцарией, в долине Женевского озера (в 15 км от Женевы), на глубине ста метров. В августе 2008-го года начались испытания коллайдера, а 10-го сентября произошел официальный запуск БАКа. Как и в случае с предыдущим ускорителем, строительство и работа с установкой возглавляется исследованиям – ЦЕРН. Европейской организацией по ядерным Также стоит вкратце упомянуть об организации CERN (Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire). Эта организация выступает в роли крупнейшей мировой лаборатории в области физики высоких энергий. Включает три тысячи постоянных сотрудников, и еще несколько тысяч исследователей и ученых из 80 стран принимают участие в проектах ЦЕРНа. На данный момент участниками проекта является 22 страны: Бельгия, Дания, Франция, Германия, Греция, Италия, Нидерланды, Норвегия, Швеция, Швейцария, Великобритания – учредители, Австрия, Испания, Португалия, Финляндия, Польша, Венгрия, Чехия, Словакия, Болгария и Румыния – присоединившиеся. Еще несколько десятков стран, как было упомянуто выше, так или иначе принимают участие в работе организации, и в частности – на Большом адронном коллайдере [1]. LHC LHC —аббревиатура «Large Hadron Collider», Большой адронный коллайдер. Объясним значение названия. «Большим» LCH называется из-за того, что его периметр примерно равен 27ми километрами. «Адронным» — из-за того, что его задачей является ускорение частиц, состоящих из кварков (адронов), то есть протонов и тяжелых ядер. «Коллайдером» — потому что ускоряются эти частицы в двух пучках, циркулирующих в нём в противоположных направлениях, и в специальных местах сталкиваются друг с другом. В LHC можно выделить сам ускоритель и несколько детекторов, построенных вокруг точек столкновения протонов [3]. Каждый пучок протонов, облетающий БАК, имеет расчетную энергию 7 ТэВ, поэтому при столкновении двух протонов энергия столкновения составляет 14 ТэВ. Ядра свинца содержат много протонов, и вместе они дают еще большую энергию: пучки ядер свинца имеют максимальную энергию столкновения 1150 ТэВ, и на сегодняшний день они уже достигли энергии столкновения 1040 ТэВ (или 5,02 ТэВ на пару сталкивающихся нуклонов (протонов или нейтронов)). Хотя это и не предусматривалось в первоначальном проекте, был реализован новый режим работы, при котором пучок протонов сталкивается с пучком свинца, и общая энергия достигла 118 Об/мин (или 8,16 ТэВ на пару сталкивающихся нуклонов). Все эти энергии столкновений намного превосходят все, что было достигнуто ранее в лаборатории. Концентрация энергии - это то, что делает столкновения частиц такими особенными [2]. Детекторы — это отдельные экспериментальные установки, по своей сложности не уступающие самому ускорительному кольцу. На LHC работает сразу несколько экспериментов, каждый со своим детектором. Два самых главных — это ATLAS и CMS; LHC — циклический (то есть кольцевой) коллайдер; пучки протонов или ядер свинца циркулируют в нём непрерывно, совершая свыше 10 тысяч оборотов в секунду и сталкиваясь на каждом круге со встречным пучком. На рис. 1 показана схема расположения основных элементов ускорительного кольца LHC. Рис. 1. Общий вид ускорительного кольца LHC БАК - это не идеальный круг. Он состоит из восьми дуг и восьми “вставок”. Дуги содержат дипольные поворотные магниты, по 154 в каждой дуге. Благодаря магнитному полю поворотных магнитов сгустки протонов не улетают прочь по касательной, а постоянно поворачиваются, оставаясь внутри ускорительного кольца. Эти магниты формируют орбиту, вдоль которой движутся протоны. Вставка состоит из длинного прямого участка плюс двух (по одному на каждом конце) переходных областей – так называемых “подавителей рассеивания” (они сдерживают поперечные колебания протонов относительно «идеальной» орбиты, не давая им задевать стенки довольно узкой (диаметром несколько сантиметров) вакуумной трубы). Точное расположение прямого участка зависит от конкретного использования вставки: физика (столкновения лучей в эксперименте), инжекция, сброс луча, очистка луча. Сектор определяется как часть машины между двумя точками ввода. Восемь секторов являются рабочими единицами БАК: установка магнитов происходит сектор за сектором, оборудование вводится в эксплуатацию сектор за сектором, и все диполи сектора соединены последовательно и находятся в одном непрерывном криостате. Питание каждого сектора по существу независимо. Октант начинается с середины дуги и заканчивается в середине следующей дуги и, таким образом, охватывает полную вставку. Следовательно, это описание более практично, когда мы рассматриваем использование магнитов для направления лучей при столкновениях или через секции впрыска, сброса и очистки [2-3]. Внутри ускорителя идут рядом друг с другом две вакуумные трубы, по которым циркулируют два встречных протонных пучка, каждый в своем направлении. Эти две трубы объединяются в одну только в специально выделенных местах — в точках 1, 2, 5, 8. В этих точках происходят столкновения встречных протонных пучков, и именно вокруг них построены четыре основных детектора: два крупных — ATLAS и CMS, и два средних — ALICE и LHCb. Вблизи двух крупных экспериментов установлены также два специализированных мелких детектора — TOTEM и LHCf [3]. ATLAS - это детектор общего назначения, предназначенный для охвата максимально широкого диапазона физики на БАК, от точных измерений бозона Хиггса до поиска новой физики за пределами стандартной модели. Главной особенностью детектора ATLAS является его огромная магнитная система в форме пончика. Он состоит из восьми катушек со сверхпроводящими магнитами длиной 25 м, расположенных в виде цилиндра вокруг трубы луча, проходящей через центр детектора. ATLAS - это самый большой по объему коллайдер-детектор, когда-либо построенный. CMS - это детектор общего назначения с аналогичными физическими целями, как у ATLAS, но отличающийся техническими решениями и дизайном. Он построен вокруг огромного сверхпроводящего соленоида. Он имеет форму цилиндрической катушки из сверхпроводящего кабеля, которая генерирует магнитное поле силой 4 тесла. Сотрудничество CMS является одним из крупнейших международных научных объединений в истории, в котором участвуют более 5000 человек из примерно 200 университетов и институтов в более чем 50 странах. ALICE - это детектор, специализирующийся на измерении и анализе столкновений ионов свинца. Он изучает свойства кварк–глюонной плазмы, состояния материи, при котором кварки и глюоны в условиях очень высоких температур и плотностей больше не заключены внутри адронов. Такое состояние материи, вероятно, существовало сразу после Большого взрыва, до образования таких частиц, как протоны и нейтроны. Сотрудничество насчитывает более 1900 членов из 175 институтов в 40 странах (данные за 2019 год). LHCb специализируется на изучении небольшой асимметрии между веществом и антивеществом, присутствующей во взаимодействиях B-частиц (частиц, содержащих b-кварк). Понимание этого должно оказаться бесценным для ответа на вопрос: “Почему наша Вселенная состоит из материи, которую мы наблюдаем?”. В эксперименте LHCb используется серия субдетекторов для обнаружения и измерения распада частиц, образующихся в одном из направлений луча. Первый субдетектор построен вокруг точки столкновения, за которым следует последовательность других субдетекторов вдоль линии луча на протяжении 20 м. TOTEM измеряет эффективный размер или “поперечное сечение” протона в БАКе. Для этого TOTEM должен быть способен обнаруживать частицы, образующиеся очень близко к лучам LHC. Для этого требуются детекторы, размещенные в специально сконструированных вакуумных камерах, называемых “римскими горшками”, которые подключены к лучевым трубам в БАКЕ. Двадцать шесть римских горшков расставлены попарно в четырех местах вблизи точки столкновения в эксперименте CMS. LHCf – это небольшой эксперимент, который измеряет частицы, образующиеся очень близко к направлению пучков при столкновениях протон–протон и протон-ядро на БАКЕ. Мотивация состоит в том, чтобы протестировать модели, используемые для оценки первичной энергии космических лучей сверхвысоких энергий. У него есть детекторы, расположенные в 140 м от точки столкновения ATLAS [2]. В точке 4 расположена ускорительная секция. Именно здесь протонные пучки при разгоне получают с каждым оборотом дополнительную энергию. В точке 6 находится система сброса пучка. Здесь установлены быстрые магниты, которые в случае необходимости уводят пучки по специальному каналу прочь от ускорителя. В точках 3 и 7 установлены системы чистки пучка; кроме того, эти места зарезервированы для возможных будущих экспериментов. Протонные пучки попадают в LHC из предварительного ускорителя SPS. Линии передачи пучка (Tl2 и Tl8), соединяющие два этих кольцевых ускорителя вместе со специальными магнитами на каждом из них, составляют вместе инжекционный комплекс коллайдера LHC (от слова «инжекция» — впрыскивание пучка). Поскольку на SPS пучок крутится только в одну сторону, инжекционный комплекс состоит из двух линий и имеет несимметричный вид. В ускорительное кольцо SPS протоны попадают из источника через цепочку еще меньших ускорителей [3]. Магнитная система LHC Как и любое тело, сгусток элементарных частиц, предоставленный сам себе, будет двигаться прямолинейно и равномерно. Для того чтобы удерживать его на круговой траектории внутри ускорителя (а также поддерживать от падения вниз под действием силы тяжести), требуется постоянно воздействовать на пучок магнитным полем. На LHC для управления пучками используется несколько тысяч магнитов разного назначения: дипольные магниты удерживают частицы на их почти круговых орбитах, то есть они управляют траекторией пучков, квадрупольные магниты фокусируют луч и разнообразные корректирующие магниты. В точках инжекции и сброса пучка установлены специальные быстрые магниты. Именно они являются самой важной (а также самой дорогой) частью ускорителя [2-3]. Инжекционный комплекс Протоны поступают в LHC из предварительного ускорителя SPS («Протонного суперсинхротрона»). Имеются две линии передачи пучка, которые отходят от SPS в двух местах и подходят к ускорительному кольцу LHC вблизи Инжекционный точек 2 и 8 комплекс — это (эти линии сложное называются Tl2 и Tl8). инженерное сооружение, работоспособность которого зависит не только от правильной настройки магнитной системы, но и от точной синхронизации ритма работы SPS и LHC. Инжекция (то есть «впрыскивание») протонов в LHC происходит не непрерывно, а импульсами. Во время работы LHC линии передачи пустуют, а в предварительном ускорителе SPS накапливается очередная порция протонов. В конце каждого цикла работы LHC высокоэнергетический пучок сбрасывается, и коллайдер подготавливается к приему новой порции протонов. В течение нескольких минут следует серия импульсных включений и выключений быстрых магнитов на концах линии передачи протонов, в ходе которых протонные сгустки переводятся из SPS в LHC и один за другим выстраиваются на свои «позиции» в пучке, не мешая уже циркулирующим сгусткам. Рис. 2. Схема цепочки ускорителей для накопления и поэтапного разгона протонов и ионов перед их инжекцией в LHC Перед тем как попасть в SPS, протоны проходят через несколько ускорителей меньшего размера. Вначале с помощью ионизации протоны добываются из газообразного водорода, затем их разгоняют до энергии 50 МэВ в линейном ускорителе и впрыскивают в бустер PSB. Там протоны разгоняются до энергии 1,4 ГэВ, переводятся в протонный синхротрон PS, ускоряются до 25 ГэВ и только после этого попадают в SPS. В нём они разгоняются до 450 ГэВ и инжектируются в LHC. Похожую последовательность ускорителей проходят и ядра свинца, правда в их случае есть специфика, связанная с нагревом и атомизацией свинцового образца и ионизацией атомов [3]. Ускорительная секция Протоны впрыскиваются в LHC на энергии 0,45 ТэВ и ускоряются до 7 ТэВ уже внутри основного ускорительного кольца. Этот разгон происходит во время пролета протонов сквозь несколько резонаторов, установленных в точке 4. Резонатор представляет собой полую металлическую камеру сложной формы, внутри которой возбуждается стоячая электромагнитная волна с частотой колебаний примерно 400 МГц. Эффективное и однородное ускорение всего пучка переменным полем оказывается возможным благодаря тому, что протоны БАК циркулируют по кольцу четко определенными сгустками. Структура пучка современного ускорителя является прямым следствием схемы радиочастотного ускорения. Весь пучок разбит на отдельные сгустки, следующие на строго определенном расстоянии друг за другом. Когда сгусток протонов пролетает сквозь резонатор, электромагнитное колебание находится как раз в такой фазе, чтобы электрическое поле вдоль оси пучка подталкивало протоны вперед. Фаза колебания поля в резонаторе настроена так, что в момент пролета частиц электрическое поле не максимально, а нарастает. Так делается для того, чтобы автоматически выравнивать энергию ускоряемых частиц. Если какой-то протон случайно оказался более энергичным, чем соседи, он вырывается вперед и на следующем круге приходит в ускоряющую камеру с небольшим опережением. Из-за этого он получает чуть меньше добавочной энергии, чем остальные протоны. И наоборот, если протон случайно потерял немного энергии и оказался в хвосте своего сгустка, то при следующем пролете через ускорительную секцию он получил побольше энергии. Это свойство сгустка частиц называется автофазировкой. В БАК при номинальных рабочих условиях каждый протонный пучок состоит из 2808 пучков, причем каждый пучок содержит около 1011 протонов. Размер пучка не является постоянным по всему кольцу. Каждый сгусток, циркулируя вокруг БАК, сжимается и расширяется – например, он максимально сжимается вокруг точек взаимодействия, чтобы увеличить вероятность столкновения. Сгустки частиц достигают нескольких сантиметров в длину и миллиметра в ширину, когда они находятся далеко от точки столкновения. Однако по мере приближения к точкам столкновения они сжимаются примерно до 20 мкм (толщина человеческого волоса составляет около 50 мкм), чтобы увеличить вероятность протон–протонных столкновений. Увеличение количества сгустков - один из способов увеличить яркость в машине. При полной яркости БАК использует интервал между сгустками 25 нс (или около 7,5 м) [2-3]. Система сброса пучка Протонный пучок на полной энергии и интенсивности обладает большой разрушительной силой. В норме пучок циркулирует внутри вакуумной камеры и не задевает аппаратуру. Однако если в управляющей магнитной системе произойдет сбой или траектория пучка слишком сильно отклонится от расчетной, пучок станет опасен, и его нужно будет быстро сбросить. Кроме того, сброс ослабевшего пучка надо делать каждые несколько десятков часов и при нормальной работе ускорителя. Всем этим занимается специальная система сброса пучка, установленная в точке 6. В ней размещены специальные быстрые магниты, которые при необходимости включаются в считанные микросекунды и слегка отклоняют пучок. В результате протоны сходят с круговой орбиты, затем пучок дефокусируется, по специальному каналу уходит прочь от ускорителя и в отдельном зале безопасно поглощается массивными карбонкомпозитными блоками (блоки от этого сильно нагреваются, но не плавятся) [3]. Вакуумная и криогенная техника, система контроля и безопасности Для того чтобы протонные пучки могли свободно циркулировать в LHC, внутри ускорительной трубы создан сверхглубокий вакуум. Давление остаточных газов составляет порядка 10–13 атм. Однако даже при таком низком давлении время от времени происходит столкновение протонов с молекулами остаточного газа, что сокращает время «жизни пучка» до нескольких дней. Еще одной важной частью инфраструктуры ускорителя является криогенная система, охлаждающая ускорительное кольцо. Она поддерживает в поворотных магнитах (а также в некоторых других элементах) температуру 1,9 К (то есть –271,25°C), при которой сверхпроводник безопасно держит нужный ток и создает требуемое магнитное поле. Для поддержания рабочей температуры ускорителя используется уникально высокая теплопроводность сверхтекучего гелия. По гелиевому каналу на LHC можно передавать киловатты теплового потока при перепаде температур всего 0,1 К на расстоянии в километр! Криогенная система на LHC многоступенчатая. Для охлаждения используется 12 миллионов литров жидкого азота и почти миллион литров жидкого гелия. LHC в ходе работы будет потреблять 2-3 грузовика жидкого азота и порядка 500 литров жидкого гелия в день. В точках 3 и 7 расположены устройства для «чистки» пучка. Когда протонный пучок движется внутри вакуумной трубы, то протоны колеблются в поперечной плоскости, и некоторые из них могут отклониться от идеальной траектории довольно далеко. Такие «блуждающие» протоны (на языке физиков — «гало пучка») могут задеть стенки вакуумной трубы или аппаратуру. Даже если это будет ничтожная доля от всего протонного пучка, они могут локально нагреть или даже повредить аппаратуру. Например, локальное энерговыделение всего в несколько сотых долей джоуля на кубический сантиметр способно вызвать переход поворотного магнита из сверхпроводящего в нормальное состояние, что приведет к срочному сбросу пучка. Система чистки пучка механическим образом отсекает гало пучка. Для этого в непосредственную близость к пучку (на расстояние всего пару миллиметров!) придвигаются массивные блоки — «челюсти» коллиматора. Они поглощают «блуждающие» протоны, но не мешают основной части пучка. Впрочем, «отсеченные» протоны тоже небезопасны — они сильно нагревают материал коллиматора, а также порождают на нём поток частиц более низкой энергии («вторичное гало»), которое тоже приходится отсекать вторичными коллиматорами [3]. Будущее LCH. Планы развития и перспективы. Крупная модернизация БАК, получившая название Большого адронного коллайдера высокой светимости (HL-LHC), направлена на увеличение светимости аппаратав пять-десять раз. Цель состоит в том, чтобы более подробно изучить фундаментальные компоненты материи и силы, которые связывают их вместе. Планируется, что модернизированная машина будет работать на той же энергии, что и БАК, и производить более 250 обратных фемтобарн данных в год. Для сравнения, БАК произвел в общей сложности 160 обратных фемтобарн с 2015 по 2018 год. Компоненты, установленные в 1,2 из 27 километров БАК, будут заменены, чтобы обеспечить увеличение светимости. Новые сверхпроводящие квадрупольные магниты, изготовленные из ниобий-олова, позволят достичь магнитного поля почти в 12 тесла, то есть на 50% больше, чем нынешние магнитные поля БАК. Инновационные сверхпроводящие “крабовидные полости” будут наклонять пучки протонов в сталкивающихся пучках с точностью до фемтосекунд, чтобы увеличить площадь перекрытия и, таким образом, увеличить вероятность столкновений. Поскольку лучи будут содержать больше частиц, защиту машины необходимо будет усилить. Будет установлено около 50 новых коллиматоров, которые улавливают частицы, отклоняющиеся от траектории луча. Два из существующих магнитов для изгиба луча будут заменены двумя парами более коротких магнитов из ниобия и олова и двумя коллиматорами. Эти новые дипольные магниты будут генерировать магнитное поле в 11 тесла, по сравнению с 8,3 тесла современных дипольных магнитов, и, таким образом, будут искривлять траекторию протонов на более короткое расстояние. Инновационные сверхпроводящие линии электропередачи, изготовленные из диборида магния, соединят силовые преобразователи с ускорителем, передавая токи рекордной интенсивности в 120 000 ампер. Строительные работы начались в апреле 2018 года для строительства пяти новых зданий на каждом из этих участков и более 1,2 км новых пещер и галерей. В этих зданиях и подземных сооружениях разместятся техническая и машинная инфраструктуры HL-LHC [2]. Список литературы 1. https://spacegid.com/lhc.html 2. https://cds.cern.ch/record/2809109/files/CERN-Brochure-2021-004-Eng.pdf 3. https://elementy.ru/LHC/LHC/accelerator
