LHC переходит на новый режим работы

Как уже неоднократно подчеркивалось, процесс вывода Большого адронного коллайдера на запланированный режим работы состоит из многих этапов. Каждый такой этап включает в себя период тестирования коллайдера в новом режиме, а затем несколько недель научной работы. В течение всего августа LHC работал в научной фазе сначала с 25-ю, а затем с 50 сгустками на пучок. При этом была достигнута мгновенная светимость 10³¹ см^–2·сек^–1, а набранная интегральная светимость превысила 3,5 pb^–1. Данные, полученные этим летом, уже были представлены на нескольких конференциях, а ускорительщики тем временем начали очередной этап настройки коллайдера.

Чтобы достичь поставленной перед LHC цели (набор 1000 pb^–1) к концу 2011 года, необходимо увеличить мгновенную светимость еще на порядок. Это значит, что в пучке надо удерживать не 50, а несколько сотен сгустков. При переходе к такой интенсивности коллайдер должен переключиться на новый режим работы, при котором пучки будут сталкиваться не лоб в лоб, а под углом.

Необходимо пояснить, почему увеличение количества сгустков до нескольких сотен сопряжено с такими трудностями. Напомним, что встречные протонные пучки в LHC летают по двум раздельным вакуумным трубам. Лишь вблизи точек столкновения, на участке длиной примерно 130 метров, две трубы сливаются в одну. Управление пучками производится таким образом, чтобы на входе в общую трубу пучки «ложились» на ось, а на выходе из трубы — уходили в нужную сторону (см. рис. 1). Благодаря этому в центре трубы пучки сталкиваются лоб в лоб, или, как говорят физики-ускорительщики, под нулевым углом (zero crossing-angle).

Если в пучке имеется лишь 50 сгустков, они следуют друг за другом на расстоянии несколько сот метров. Это значит, что пока один сгусток летит по общей трубе и сталкивается со встречным сгустком, никакие другие сгустки ему не мешают: все они находятся далеко. Если же количество сгустков увеличить до нескольких сотен, то сгустки начнут мешать друг другу. Пока сгусток летит в общей трубе, ему успеют по пути встретиться сразу несколько сгустков из встречного пучка. Только одно из этих пересечений по-настоящему важно — то, которое происходит в центре детектора, там, где сгустки максимально сфокусированы. Все остальные пересечения считаются «паразитными», они лишь дестабилизируют пучки, и поэтому от них надо избавиться.

Схема, с помощью которой физики собираются решать эту задачу на LHC, называется «столкновения под углом». Принцип ее работы показан на рис. 2. В этой схеме каждый сгусток, входящий в общую трубу, не ложится строго на ось трубы, а летит под небольшим углом к ней. В результате сгустки могут сталкиваться только в центре детектора, а вдали от центра они просто пролетают мимо встречных сгустков. Типичное значение угла — порядка одной угловой минуты; этого достаточно, чтобы развести пучки на входе в трубу на несколько миллиметров в поперечной плоскости. Слишком сильно увеличивать этот угол нельзя, иначе сталкивающиеся в центре сгустки будут плохо перекрывать друг друга и светимость начнет падать.

Переход к режиму столкновений под углом подразумевает перенастройку магнитной системы ускорителя вблизи точек пересечения. Ближайшая неделя будет как раз посвящена тестированию работы LHC в этом режиме. На первых этапах в ускоритель будет запущено всего по одному сгустку в каждом направлении, и причем на низкой энергии. Затем будет запущено по 4 сгустка, идущих на небольшом расстоянии друг за другом (с интервалом 150 наносекунд, что отвечает расстоянию 45 метров). Будет проверено, не возникает ли паразитных столкновений в таком режиме и не происходит ли разбалансировка пучков. Если все проверки пройдут успешно, будет дано добро на последовательное увеличение количества сгустков до нескольких сотен.