Рабочий цикл коллайдера

Исследования на коллайдерах очень непохожи на большинство физических экспериментов из других областей физики. В физике элементарных частиц не ставятся отдельные короткие эксперименты для получения того или иного результата. Эксперимент, по сути, один — это просто столкновения частиц, — и длится он годами. Статистика столкновений накапливается, физики-экспериментаторы ее постоянно обрабатывают с самых разных точек зрения, и время от времени публикуют научные статьи по результатам этой обработки.

Если говорить более точно, то столкновения происходят не абсолютно непрерывно, а отдельными циклами «набор протонов — работа — сброс», которые по-английски именуются просто «fill». Каждый такой цикл работы начинается с инжекции — впрыскивания протонных сгустков из предварительного ускорителя в основное кольцо LHC по специальным линиям передачи Tl2 и Tl8, соединяющим два кольца (см. общую схему ускорителя). Магнитная система в LHC в этот момент настроена на удержание 450-гэвных протонов строго на орбите, но с помощью специальных быстрых магнитов, которые стоят на входе в LHC, физики «кладут» протонные сгустки на орбиту. Сгустки «кладутся» не в произвольные, а в специально выделенные моменты времени — так, чтобы не мешать уже циркулирующим протонам. Наконец, все эти сгустки, число которых при плановой работе достигнет 2808, инжектируются в LHC не единой «очередью», а отдельными «составами» по несколько сгустков за раз. Вся эта процедура занимает несколько десятков минут; отслеживать ее в реальном времени можно на главном онлайн-мониторе LHC, где на центральном графике красным и синим цветом показана интенсивность обоих пучков (см. рис. 1).

Рис. 1. Инжекция и разгон протонных пучков. Красная и синяя линии показывают интенсивность пучков (шкала слева), черная линия — энергию протонов. Ступеньки интенсивности отвечают моментам инжекции отдельных «составов» сгустков. Скрин-шот онлайн-монитора LHC Page 1
Рис. 1. Инжекция и разгон протонных пучков. Красная и синяя линии показывают интенсивность пучков (шкала слева), черная линия — энергию протонов. Ступеньки интенсивности отвечают моментам инжекции отдельных «составов» сгустков. Скрин-шот онлайн-монитора LHC Page 1

После того как все сгустки инжектированы, начинается их ускорение. В ускорительных секциях, через которые пролетают пучки, создается такое переменное электрическое поле, которое слегка подталкивает протоны вперед, придавая им дополнительную энергию. Одновременно с этим растет магнитное поле в поворотных магнитах, чтобы протоны со всё возрастающей энергией удерживались на той же самой орбите. Скорость разгона определяется именно скоростью безопасного нарастания тока в этих магнитах. Сейчас подъем энергии с 450 ГэВ до 3,5 ТэВ занимает примерно 15 минут.

Как до, так и после разгона пучки проходят процедуру чистки с помощью коллиматоров — специальных высокопрочных блоков, которые пододвигаются вплотную к самому пучку и поглощают протоны, летящие слишком далеко от расчетной орбиты. Лишь благодаря этой чистке эксперименты с протонными пучками становятся безопасными.

Следующим этапом идет сжатие пучков в поперечном направлении. Магнитная система вблизи детекторов настраивается пучки так, чтобы они были как можно лучше сфокусированы в месте столкновения. Сжатие пучков повышает концентрацию протонов и, как следствие, увеличивает светимость коллайдера.

После того как пучки сжаты, они всё еще не сталкиваются, а пролетают в детекторе друг мимо друга на расстоянии нескольких миллиметров. Это достигается благодаря separation bumps — специальной настройке магнитной системы. Эти «бампы» затем постепенно убираются, и как только пучки начинают пересекать друг друга, начинаются столкновения протонов. Спустя некоторое время на мониторе LHC появляется «флажок» stable beams — пучки стабильны. Затем физики подправляют пучки в поперечной плоскости для того, чтобы найти наиболее оптимальное пересечение, потом фиксируют параметры, и уже тогда начинается непосредственно сеанс набора научных данных.

Рис. 2. Типичный сеанс набора данных. Красная и синяя линии показывают интенсивность пучков (шкала слева), черная линия — энергию протонов. Скрин-шот онлайн-монитора LHC Page 1
Рис. 2. Типичный сеанс набора данных. Красная и синяя линии показывают интенсивность пучков (шкала слева), черная линия — энергию протонов. Скрин-шот онлайн-монитора LHC Page 1

Типичный сеанс набора данных длится 10–20 часов (см. рис. 2). Из-за того что протоны выбывают из-за столкновений, интенсивность пучков, а значит и светимость, постепенно падают. Когда светимость падает в несколько раз, дальнейшая работа с этими пучками становится не слишком плодотворной, и тогда пучки сбрасываются. Поскольку каждый пучок несет в себе энергию в несколько мегаджоулей, сбрасывать его приходится предельно осторожно. С помощью быстрых магнитов он сходит с орбиты, «разбрызгивается» на отдельные сгустки и направляется в специальный зал, где его поглощают специальные термостойкие блоки.

В самом опустевшем ускорителе после этого проводится процедура «обновления» поворотных магнитов перед новым циклом работы — precycling. Ток в магнитах опускается до значения, отвечающего энергии инжекции (450 ГэВ), затем еще ниже, а потом повышается снова, см. рис. 3.

Рис. 3. Черной линией показано изменение силы тока в поворотных магнитах во время процедуры precycle. Вместо самой силы тока здесь показана энергия протонов, которые удерживались бы на номинальной орбите при данной силе тока. Скрин-шот онлайн-монитора LHC Page 1
Рис. 3. Черной линией показано изменение силы тока в поворотных магнитах во время процедуры precycle. Вместо самой силы тока здесь показана энергия протонов, которые удерживались бы на номинальной орбите при данной силе тока. Скрин-шот онлайн-монитора LHC Page 1

После этого ускорительное кольцо готово к приему новой порции протонов, и цикл начинается сначала.

Элементы

© 2005-2017 «Элементы»