Ускоритель - это установка для разгона пучков элементарных частиц; коллайдер - это такой тип ускорителя, в котором разгоняются два пучка частиц в противоположных направлениях и сталкиваются друг с другом. В русскоязычной терминологии коллайдер называют также ускорителем на встречных пучках.

С точки зрения научной задачи сам ускоритель выполняет только полдела - он лишь сталкивает частицы. Изучением результатов столкновения занимаются детекторы элементарных частиц - специальные многослойные установки, собранные вокруг точек столкновения. Иногда ускорителем называют тандем «ускоритель + детекторы»; в этом случае, если надо подчеркнуть, что речь идет именно об ускорителе, а не о детекторах, часто говорят «ускорительное кольцо». На этой страничке рассказывается именно об устройстве ускорительного кольца LHC.

Общий вид

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.

Всё кольцо LHC поделено на восемь секторов, границы которых отмечены точками от 1 до 8. На каждом участке (1–2, 2–3 и т. д.) стоят в ряд магниты, управляющие протонным пучком. 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. Кроме того, специальные фокусирующие магниты сдерживают поперечные колебания протонов относительно «идеальной» орбиты, не давая им задевать стенки довольно узкой (диаметром несколько сантиметров) вакуумной трубы.

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.

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.

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. Именно они являются самой важной (и самой дорогой) частью ускорителя. Траекторией пучков управляют поворотные магниты, которые слегка разворачивают пролетающий сквозь них пучок и удерживают его внутри кольцевой вакуумной трубы. Имеются также фокусирующие магниты, не дающие пучку расплыться, и разнообразные корректирующие магниты. В точках инжекции и сброса пучка установлены специальные быстрые магниты.

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 точек 2 и 8 (эти линии называются Tl2 и Tl8). Инжекционный комплекс - это сложное 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.

Перед тем как попасть в SPS, протоны проходят через несколько ускорителей меньшего размера. Полный ускорительный комплекс ЦЕРНа описан на странице CERN accelerator complex (см. также краткую схему на рис. 2). 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.

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 (см. рис. 3), 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 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 .

Ускорение протонов с энергии инжекции 0,45 ТэВ до 7 ТэВ происходит довольно медленно, примерно за 20 минут. Скорость этого процесса ограничена вовсе не мощностью ускорительной секции, а скоростью усиления магнитного поля в поворотных магнитах - ведь оно должно расти синхронно с энергией частиц для того, чтобы удерживать их в вакуумной трубе неизменного радиуса.

Колебания электромагнитного поля в резонаторе порождают сильные токи, текущие по поверхности камеры. Для того чтобы избежать тепловых потерь энергии, резонаторы на LHC тоже работают в сверхпроводящем состоянии при температуре 4,5 К (–268,7°C). Впрочем, внутренняя поверхность резонатора не идеальна и неизбежно содержит маленькие дефекты, на которых выделяется тепло. Но поскольку резонаторы сделаны из меди, это тепло быстро отводится.

Система сброса пучка

Протонный пучок на полной энергии и интенсивности обладает большой разрушительной силой (представьте себе энергию летящего реактивного самолета, сфокусированную в поперечнике меньше миллиметра). 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 карбон-композитными блоками (блоки от этого сильно нагреваются, но не плавятся).

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.

Несмотря на то что вакуумная труба небольшая, радиусом примерно 5 см, она очень длинная, так что полный объем, подлежащий вакуумированию, сопоставим с крупным зданием. Кроме того, из-за многочисленных контактов и соединений, а также из-за большой площади внутренней поверхности вакуумной камеры задача по поддержанию нужного вакуума оказывается очень непростой.

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.

Дополнительная литература:

• Lyndon Evans, Philip Bryant. LHC Machine // Journal of Instrumentation , 3, S08001.

Большой адронный коллайдер, работающий в Швейцарии – самый известный ускоритель в мире. Этому немало способствовала шумиха, поднятая мировой общественностью и журналистами вокруг опасности этого научного проекта. Многие полагают, что это единственный коллайдер в мире, но это далеко не так. Кроме закрытого в США теватрона, на данный момент в мире существует пять работающих коллайдеров.

В Америке, в Брукхейвенской лаборатории работает ускоритель РКТИ (релятивистский коллайдер тяжелых ионов), начавший работу в 2000 году. Для его ввода в строй потребовалось вложение 2 миллиардов $. Кроме чисто теоретических экспериментов, физики, работающие на РКТИ (RHIC), разрабатываю вполне практические проекты. Среди них:

• устройство для диагностирования и лечения рака (используются направленные ускоренные протоны);
• использование лучей тяжелых ионов для создания фильтров на молекулярном уровне;
• разработка все более эффективных устройств для аккумулирования энергии, что открывает новые перспективы в использовании солнечной энергии.

Подобный этому, ускоритель тяжелых ионов, строится в России в Дубне. На этом коллайдере NICA российские физики намерены исследовать кварк-глюонную плазму.

Сейчас российские ученые проводят исследования в ИЯФ, где расположены сразу два коллайдера – ВЭПП-4М и ВЭПП-2000. Их бюджет составляет 0,19 млрд. $ - для первого и 0,1 – для второго. Первые испытания на ВЭПП-4М начались еще в 1994 году. Здесь разработана методика измерения массы наблюдаемых элементарных частиц с самой высокой точностью во всем мире. Кроме того, ИЯФ единственный в мире институт, зарабатывающий на фундаментальные исследования в области физики собственными силами. Ученые этого института разрабатывают и продают оборудование для ускорителей другим государствам, желающим иметь свои экспериментальные установки, но не имеющих таких наработок.

В 1999 году был запущен коллайдер Дафне в лаборатории Фраскатти (Италия), стоимость его была примерно 1/5 млрд. дол., а максимальная мощность – 0, 51 ТэВ. Это был один из первых ускорителей высоких энергий, с помощью только одного эксперимента на нем было получено более ста тысяч гиперионов (частиц атома). За это Дафне окрестили фабрикой частиц или ф-фабрикой.

За два года до запуска БАК, в 2006 году Китай запустил собственный коллайдер ВЕРС II, с мощностью 2,5 ТэВ. Стоимость этого строительства была рекордно низкой и составила 0,08 млрд. дол. Но для бюджета этой развивающейся страны такая сума была немалой; правительство Китая выделило эти средства, понимая, что без развития фундаментальных отраслей науки невозможно развитие современной промышленности. Тем более актуально вложение средств в эту область экспериментальной физики в свете истощения природных ресурсов и увеличивающейся потребности в энергоносителях.

Ваш комментарий

Еще несколько лет назад предрекали, что, как только в действие будет пущен адронный коллайдер, наступит конец света. Этот огромный ускоритель протонов и ионов, построенный в швейцарском ЦЕРНе, по праву признается самым большим экспериментальным сооружением в мире. Он был построен десятками тысяч ученых из многих стран мира. Его поистине можно назвать международным институтом. Однако все начиналось на совершенно ином уровне, первым делом для того, чтобы можно было в ускорителе определить скорость движения протона. Именно об истории создания и этапах развития подобных ускорителей и будет рассказано ниже.

История становления

После того как было обнаружено наличие альфа-частиц и непосредственно начали изучаться атомные ядра, люди начали пытаться проводить над ними эксперименты. Поначалу ни о каких ускорителях протонов здесь речь даже и не шла, поскольку уровень технологий был относительно невысок. Истинная эра создания ускорительной техники началась только в 30-е годы прошлого века, когда ученые начали целенаправленно разрабатывать схемы ускорения частиц. Двое ученых из Великобритании первыми в 1932 году сконструировали особый генератор постоянного напряжения, позволивший остальным начать эпоху ядерной физики, которую стало возможным применять на практике.

Появление циклотрона

Циклотрон, а именно так назывался первый ускоритель протонов, в качестве задумки появился у ученого Эрнеста Лоуренса еще в 1929 году, однако сконструировать его он смог только в 1931 году. Удивительно, но первый образец был достаточно маленьким, всего около десятка сантиметров в диаметре, а потому мог разгонять протоны всего немного. Вся концепция его ускорителя заключалась в использовании не электрического, а магнитного поля. Ускоритель протонов в подобном состоянии был направлен не на непосредственный разгон положительно заряженных частиц, а на искривление их траектории до того состояния, чтобы они летали по окружности в замкнутом состоянии.

Именно это и позволило создать циклотрон, состоящий из двух полых половинчатых дисков, внутри которых и вращались протоны. Все остальные циклотроны строились на данной теории, однако для того, чтобы получить намного большую мощность, они становились все более громоздкими. К 40-м годам стандартный размер такого ускорителя протонов стал равняться зданиям.

Именно за изобретение циклотрона в 1939 году Лоуренсу была присуждена Нобелевская премия по физике.

Синхрофазотроны

Однако по мере того, как ученые пытались сделать ускоритель протонов более мощным, начались проблемы. Часто они были чисто техническими, поскольку требования к образуемой среде были невероятно высоки, однако частично они были и в том, что частицы попросту не ускорялись, как требовалось от них. Новый прорыв в 1944 году сделал Владимир Векслер, который придумал принцип автофазировки. Что удивительно, то же сделал годом позже и американский ученый Эдвин Макмиллан. Они предлагали настроить электрическое поле так, чтобы оно влияло на сами частицы, при необходимости подгоняя их или, наоборот, замедляя. Это позволило сохранить движение частиц в виде одного сгустка, а не расплывчатой массы. Такие ускорители получили название синхрофазотрон.

Коллайдер

Для того чтобы ускоритель разгонял протоны до кинетической энергии, стали требоваться еще более мощные сооружения. Так на свет и появились коллайдеры, которые работали с помощью применения двух пучков частиц, которые раскручивались бы в противоположные стороны. А поскольку располагали их навстречу друг другу, то происходило бы сталкивание частиц. Впервые на свет идея появилась еще в 1943 году у физика Рольфа Видероэ, однако развить ее смогли только в 60-х годах, когда появились новые технологии, которые могли бы осуществить данный процесс. Это позволило увеличить число новых частиц, которые бы появлялись в результате сталкивания.

Все наработки за последующие годы непосредственно привели к постройке огромного сооружения - Большого адронного коллайдера в 2008 году, который по своей структуре представляет кольцо длиной в 27 километров. Считается, что именно проведенные в нем эксперименты помогут понять то, как был образован наш мир, и его глубинное устройство.

Запуск Большого адронного коллайдера

Первая попытка отправить в эксплуатацию этот коллайдер была предпринята в сентябре 2008 года. 10 сентября считается днем его официального запуска. Однако после серии успешных испытаний случилась авария - уже через 9 дней он вышел из строя, а потому его были вынуждены закрыть на ремонт.

Новые испытания начались только в 2009 году, однако вплоть до 2014 года сооружение работало на крайне пониженной энергии, чтобы не допустить новых поломок. Именно в это время и был открыт бозон Хиггса, который вызвал всплеск в научной среде.

На данный момент практически все исследования проводятся в области тяжелых ионов и легких ядер, после чего БАК вновь будет закрыт на модернизацию вплоть до 2021 года. Считается, что работать он сможет приблизительно до 2034 года, после чего для дальнейших исследований потребуется создать новые ускорители.

Сегодняшняя картина

На данный момент конструкционный предел ускорителей достиг своего пика, поэтому единственным вариантом становится создание линейного ускорителя протонов наподобие тех, что сейчас используют в медицине, но гораздо более мощных. ЦЕРН пытался воссоздать миниатюрную версию устройства, однако заметного продвижения в этой области так и не появилось. Данную модель линейного коллайдера планируют непосредственно подключить к БАК, чтобы спровоцировать плотность и интенсивность протонов, которые далее будут направлены непосредственно в сам коллайдер.

Заключение

С появлением ядерной физики началась эпоха развития ускорителей частиц. Они пережили многочисленные этапы, каждый из которых принес многочисленные открытия. Сейчас невозможно найти человека, который никогда бы в жизни не слышал о Большом адронном коллайдере. Его упоминают в книгах, фильмах - предрекая то, что он поможет раскрыть все тайны мира или попросту закончит его. Доподлинно неизвестно, к чему приведут все эксперименты ЦЕРНа, однако с использованием ускорителей ученые смогли ответить на многие вопросы.

Большой адронный коллайдер (англ. Large Hadron Collider, LHC; сокр. БАК) - ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений.

Коллайдер построен в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (фр. Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire, CERN), на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы. БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире...

Опасения по поводу возникновения в Большом адронном коллайдере (БАК) черных дыр, способных поглотить всю Вселенную, все-таки частично подтвердились. Эти дыры теоретически действительно могут возникнуть.

Первый запуск БАК осенью прошлого года сопровождался истерией по поводу возможного образования в нем черных дыр.

Как известно, во Вселенной обнаружены уже сотни таких объектов, которые обладают столь мощной гравитацией, что даже свет не может вырваться из их объятий. Черная дыра засасывает...

В Большом адронном коллайдере успешно прошло столкновение пучков протонов на рекордной энергии в 7 тераэлектронвольт.

Достигнутая энергия столкновения является максимальным значением, которое когда-либо удавалось получать в ускорителях элементарных частиц.

Предыдущий рекорд энергии столкновения был установлен в БАК 22 марта и составил 3,48 тераэлектронвольта.

Первые два запуска пучков протонов в Большом адронном коллайдере, предпринятые ранее во вторник, закончились неудачей. В первой...

В субботу, 26 июня, на Большом адронном коллайдере вновь начались столкновения протонов в пучках, содержащих около 100 миллиардов частиц. До этого около трех недель специалисты отлаживали системы безопасности ускорителя.

Повышение мер безопасности необходимо для того, чтобы обеспечить стабильную циркуляцию по кольцу ускорителя пучков протонов. Ученые постепенно повышают интенсивность сгустков в протонных пучках (элементарные частицы движутся по кольцу ускорителя не единой массой, а отдельными...

22 августа Большой адронный коллайдер (LHC) успешно прошел последнюю серию синхронизационных испытаний: как сообщается в пресс-релизе Европейской организации ядерных исследований (CERN), пучок частиц прошел по кольцу ускорителя против часовой стрелки примерно три километра (ранее аналогичные испытания были проведены при движении пучка по часовой стрелке).

Ожидается, что крупнейший в мире ускоритель элементарных частиц позволит обнаружить так называемые бозоны Хиггса и сымитировать состояние...

Большой адронный коллайдер был остановлен на несколько часов из-за течи в системе охлаждения.

"Датчики зафиксировали течь в контуре деминерализованной воды, которая охлаждает источники питания насосов криогенной системы охлаждения, а также источники питания магнитов", - сообщил собеседник агентства.

Предполагается, что время бездействия ускорителя составит около 6 часов.

При этом подчеркивается, что неполадки достаточно несущественные и работа ускорителя будет восстановлена в...

Большой адронный коллайдер, самый большой в истории ускоритель элементарных частиц, вновь запущен после технической остановки перед новым годом.

В субботу первые в 2010 году протоны были введены в 27-километровое кольцо ускорителя и прошли его в обе стороны.

Пока пучки протонов циркулировали на энергии предыдущей ступени ускорителя - протонного суперсинхротрона SBS - 450 гигаэлектронвольт. Однако в ближайшие несколько недель ученые рассчитывают довести энергию частиц до 3,5...

Большой адронный коллайдер после зимних каникул и нескольких недель тестов вышел на нормальный режим работы, говорится в сообщении в официальном микроблоге Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН). «Сезон физических исследований 2011 года начался», – говорится в сообщении.

Коллайдер, который начал работать в феврале 2010 года после нескольких месяцев калибровки, ликвидации мелких неполадок, в декабре того же года завершил свой первый рабочий год и был остановлен до середины февраля...

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.

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 10 15 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 ).

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 n 1 частиц, а в правом n 2 . Вначале положим, что на орбите коллайдера банчи сталкиваются один раз в единицу времени. Число взаимодействий N 1 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 = (n 1 /S)n 2 ,

(1)

где - эффективное сечение взаимодействия. Здесь учтено, что плотность потока падающих на правый банч частиц левого банча j = n 1 /S, а полное число частиц в правом банче (принятом в качестве мишени) n 2 = 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(n 1 n 2 /S) = L,

(2)

L = f(n 1 n 2 /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 . 10 31 см -2 сек -1 .

Используем (2):

N = L = 5 . 10 31 см -2 сек -1. 75 . 10 -27 см -2 = 3.75 . 10 6 сек -1 .

Перечень основных коллайдеров дан в таблице.

Ускорители на встречных пучках (коллайдеры)

Ускоритель (Центр, Страна)	Годы работы	Энергии, ГэВ
Электрон-позитронные коллайдеры
AdA Фраскати, Италия	1961-1964	0.25
ВЭПП II ИЯФ, СССР	1965–1974	0.7
ACO LAL , Орсе, Франция	1965–1975	0.55
SPEAR SLAC, США	1972-1990(?)	0.7
ВЭПП-2М ИЯФ, СССР	1974–2000	0.7
DORIS DESY , ФРГ	1974-1993	5
PETRA DESY , ФРГ	1978–1986	20
CESR Cornell University, США	1979–2002	6
PEP SLAC, США	1980-1990(?)
SLC SLAC, США	1988-1998(?)	45
LEP CERN	1989-2000	104
BEPC Китай	1089-2004	2.2
ВЭПП-4М ИЯФ, СССР	1994-	6
PEP-II SLAC, США	1998–2008	9(е − ), 3.1(е +)
KEKB KEK , Япония	1999–2009	8(е − ), 3.5(е +)
DAΦNE Фраскати, Италия	1999-	0.7
CESR-c Cornell University, США	2002–2008	6
ВЭПП-2000 ИЯФ, Россия	2006-	1
BEPC II	2008-	3.7
Протон-антипротонные коллайдеры и коллайдеры на тяжелых ионах
TEVATRON Fermilab, США	1992-2011	900-980