Разрабатывается проект электрон-протонного коллайдера LHeC
Главная задача Большого адронного коллайдера — поиск и изучение физики за пределами Стандартной модели. Однако существует еще один крупный раздел физики элементарных частиц, который вряд ли получится достаточно аккуратно изучить на LHC, — устройство протонов сверхвысокой энергии. Тонкость тут состоит в том, что само по себе устройство составных частиц не абсолютно, а зависит от системы отсчета (см., например, рассказ про устройство ультрарелятивистского протона и его продолжение), и к тому же оно очень сложно.
Для экспериментального изучения этой задачи желательно иметь не протон-протонный, а электрон-протонный коллайдер высоких энергий. Последний такой коллайдер, HERA, проработал в Гамбурге полтора десятилетия, с 1991-го по 2007 годы, и привел к кардинальному переосмыслению устройства протонов сверхвысокой энергии. Однако этот коллайдер уже давно закрыт, а преемников ему нет: строить специализированный коллайдер такого типа в ближайшем будущем никто не собирается.
В этой ситуации уже давно возникла инициативная группа, предлагающая построить такой коллайдер в ЦЕРНе, на базе LHC. Этот проект называется LHeC — Большой адронно-электронный коллайдер. Точнее говоря, это будет не новая установка, а надстройка над LHC, позволяющая физикам переключаться между режимами протон-электронных и протон-протонных столкновений. Предполагается, что к существующему сейчас ускорителю протонов будет добавлено новое кольцо для ускорения электронов до 60 ГэВ. Для того чтобы не мешать работе LHC в адронной моде, потребуется прокопать новый туннель, правда не такой большой, как основной туннель LHC. Если всё пойдет по плану, то разработка и создание всех компонентов LHeC, включая новый специализированный детектор, займет десятилетие и будет завершено примерно к 2022 году, как раз когда в расписании LHC запланирована большая пауза на модернизацию.
Краткое описание проекта можно найти в статье, которая появилась на днях в архиве е-принтов (arXiv:1211.4831), а намного более подробный 600-страничный документ (arXiv:1206.2913) был уже опубликован полгода назад.
-
Почему бы вместо протон-электронного коллайдера не сделать протон-мюонный? Мюоны массивней, меньше потери на излучение, можно разогнать до большей энергии при прочих равных условиях. Энергия столкновений вырастет радикально, а значит и ценность эксперимента будет куда больше.
Почему не хотят так делать?-
-
Такой коллайдер имеет смысл строить с очень энергичными пучками, ТэВ и больше, так что мюоны будут релятивистскими с gamma=10000 и выше. Соответственно вырастет и время жизни пучка мюонов. За миллисекунды мюоны уже могут сделать много оборотов в коллайдере. Конечно, мюонный пучок нужно будет подпитывать гораздо сильнее, чем протонный или электронный, где время жизни составляет часы.
-
-
-
Хотят, даже очень хотят! Есть отдельный проект мюонного коллайдера, который по своему научному потенциалу превзойдет другие проектируемые коллайдеры. Но технологически сделать его будет намного труднее, чем ILC, фотонный или вот этот LHeC.
-
По мюонному колайдеру меня смущает, то что сроки постоянно переносятся
Например 6D-охлаждение
http://mice.iit.edu/mico/provisional-MICE-schedule-2012-10-19.pdf
А линейный колладер наоборот достигает поставленных целей.
http://newsline.linearcollider.org/2012/11/21/major-goal-achieved-for-high-gradient-ilc-scrf-cavities/
We established two gradient goals: to produce cavities qualified at 35 Megavolts per metre (MV/m) in vertical tests and to demonstrate that an average gradient of 31.5 MV/m is achievable for ILC cryomodules. Furthermore, we set a goal of producing these high-gradient cavities in industry with 50% yield by 2010 and 90% yield by the end of 2012. We have recently achieved these ambitious goals!-
Так окончательный дизайн еще вроде бы не принят и по прежнему обсчитывается: http://www.stephenbrooks.org/muon1/.
-
С источником мюонов уже определились. Протонный пучок взаимодействует со струей ртути с образованием пи-мезонов. Что бы испарение ртути не разрушало целостность мишени, система помещается в аксиальное магнитное поле. Это уже проверено на практике.
А дальше интереснее, пи-мезоны продолжают движение в направлении протонного пучка, распадаясь на мюоны. Очевидно, что получившийся источник мюонов совсем не точечный, а сами мюоны имеют большой разброс по продольным и поперечным скоростям.
Чтобы компактно собрать все эти мюоны в пространстве координат 3D и пространстве импульсов 3D, используется 6D охлаждение пучка. Для этого пучок сначала тормозится в среде жидкого водорода, а затем продольно ускоряется в небольших линейных резонансных ускорителях. Эта операция может повторятся несколько раз. Однако 6D охлаждение работает пока только в теории, поэтому и считаем.
-
-
-
Ускоряться они будут на линейном участке, это не проблема. Проблема в светимости.
LHC держит пучки долго, сталкивает их часто, но фокусирует не ахти как (в десятки микрон). Будущий линейный коллайдер будет выстреливать сгустки частиц редко и они, единожды столкнувшись, потом выбрасываются. Зато фокусировка планируется аж до 1 нанометра. Т.е. LHC набирает светимость за счет частоты столкновений, а ILC — за счет фокусировки.
Соединять это буквально в таком же виде бессмысленно, светимость будет мизерная. Поэтому придется подстраиваеться под манеру работы LHC: электроны тоже придется держать долго и сталкивать их часто. Для этого и нужно накопительное кольцо. Подробности посмотрите хотя бы в короткой статье. -
Фокусировка против частоты, да..
Светлые умы поясните, в чём смысл тысячи столкновений в одном ивенте? неужто смогут востановить все вершины?
ПС: а в линейных ускорителях узкое место это как раз инжекторы..
Или предполагается рассматривать только упругое рассеяние электронов на пучке протонов? Т.е. что то вроде электронного микроскопа, что бы посмотреть, что там у протона внутри.
-
Вы правильно сказали — это как раз и будет электроный микроскоп с исключительно хорошим пространственным разрешением. И его цель действительно «рассмотреть», что у протона внутри, для этого электрон-протонные коллайдеры и строят. Только рассеяние будет вовсе не упругое, а наоборот, глубоко-неупругое, см. популярную статью http://elementy.ru/lib/431034 .
Конечно, столкновение асимметрично, и детектор — тоже. Посмотрите схему в короткой статье по ссылке. С одной стороны он будет отлавливать рассеянные электроны, с другой стороны — адронные продукты развала протона при столкновении.-
Спасибо. Ответ более чем исчерпывающий. Хорошая, понятная и не потерявшая актуальности статья.
Правда "протонную" часть детектора, отфильтровывающую продукты распада протона от нетронутых протонов так себе представить и не смог. Мне кажется эта задача гипертрудная, практически не решаемая на сегодняшнем уровне развития технологии. Надеюсь что разработчиками этого проекта удастся ее решить.-
Так ведь продукты развала протона — это много адронов, каждый из которых обычно виден в виде отдельного трека. Конечно, какая-то часть улетает вперед в трубу и избегает регистрации, но это не такая большая проблема (есть монте-карло генераторы, которые позволяют неплохо оценить «невидимые» адроны). А нетронутый протон (правда слегка отклонившийся) — это один адрон. Первое от второго отличается разительно.
-
-
http://xxx.lanl.gov/abs/1210.5482
http://globalscience.ru/article/read/21374/
http://www.vesti.ru/doc.html?id=971526
http://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=3
http://www.novayagazeta.ru/news/61266.html
http://www.msnbc.msn.com/id/49984653/ns/technology_and_scien
http://www.dailytechinfo.org/news/4244-na-bolshom-adronnom-k
-
У меня про это была короткая новость:
http://elementy.ru/LHC/news/n431922
Там есть ссылка на более подробную статью двухлетней давности.
Ничего принципиально нового с тех пор не нашли! Заголовки про «необъяснимые эффекты» и «открыли новую форму материи» — обман (который отчасти появился за счет пресс-релизов). Вот два года назад это было что-то не вполне обычное, потому что это явление в протон-протонных столкновениях не ожидалось (в ядерных — пожалуйста). Сейчас получен аналогичный эффект а протон-ядерных столкновениях, который совершенно естествен в свете предыдущих результатов.
А вообще, ссылки на СМИ тут постить не надо.
Новости науки: физика
