БСЭ БСЭ - Большая Советская Энциклопедия (УС)

Основная характеристика системы со встречными пучками – величина, которая определяет число ( N ) событий исследуемого типа в единицу времени и называется светимостью (1.) установки. Если изучается взаимодействие с сечением d , то N = L ( . В наиболее простом случае, когда угол встречи пучков равен нулю, L = R ( N 1 N 2/ S )w/2p, где N 1, N 2– полные числа частиц в каждом пучке, заполняющем кольца, S – площадь поперечного сечения, общая для обоих пучков, w – круговая частота обращения частиц по замкнутой орбите, R – коэффициент использования установки, равный отношению длины промежутков встречи пучков к периметру орбиты. В более общем случае R зависит от области перекрытия пучков, т. е. от углов пересечения и относительных размеров пучков. Для эффективного изучения процессов взаимодействия с сечением d = 10 -26–10 -32 см 2, величина светимости должна составлять 10 28–10 32 см -2 сек -1 . Это достигается накоплением циркулирующего тока пучков заряженных частиц и уменьшением поперечного сечения пучков при помощи специальной магнитной фокусировки в прямолинейных промежутках, а также использованием методов электронного или стохастического охлаждения с целью уменьшения поперечной компоненты импульса сталкивающихся пучков. Метод электронного охлаждения был предложен в 1966 сов. физиком Г. И. Будкером для тяжёлых частиц (протонов и антипротонов), у которых из-за практического отсутствия синхротронного излучения не происходит автоматического затухания поперечных колебаний частиц в пучке. Метод основан на эффекте передачи тепловой энергии пучка тяжёлых частиц сопутствующему (пущенному параллельно) электронному пучку с более низкой температурой. Экспериментальное подтверждение этого эффекта было впервые получено в институте ядерной физики Сибирского отделения АН СССР (1974).

Для того чтобы обеспечить непрерывный физический эксперимент с мало меняющейся светимостью установки, необходимо большое время жизни накопленных пучков частиц. Время жизни пучка (время, в течение которого интенсивность пучка уменьшается в е (2,7 раз) зависит от ряда эффектов. Главные из них – однократное и многократное рассеяние ускоренных частиц на атомах остаточного газа в камере накопителя, а для электронов и позитронов – синхротронное излучение и квантовые флуктуации; существенную роль может также играть эффект взаимного рассеяния электронов (позитронов) пучка. Экспериментальный критерий времени жизни пучка – относительная величина потери интенсивности пучков в % за 1 ч; для лучших действующих установок она составляет десятые доли % в час [для протонной установки в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРНе) – 0,1%/ч при токе 22 а ]. Такая большая величина времени жизни пучков достигается при помощи высокого вакуума в камерах накопителей пучков: 10 -11 мм рт. ст. в объёме камеры и 10 -12 мм рт. ст. в зонах встречи пучков.

Необходимым элементом ускорителя со встречными е -е +пучками является электрон-позитронный конвертер – металлическая мишень (с толщиной около 1 радиационной длины; на рис. 1 на прямом пучке), в которой электроны рождают тормозные гамма-кванты, а те, в свою очередь, – пары электрон-позитрон. Коэффициент конверсии – отношение числа позитронов, захваченных в накопитель, к числу электронов, выведенных из синхротрона – при энергии электронного пучка в сотни Мэв может достигать величины 10 -4для позитронного пучка с энергией, примерно вдвое меньшей энергии электронов.

Для схемы протон-протонных столкновений ( рис. 2 ), реализуемой на базе двух магнитных структур с сильной фокусировкой, характерно наличие многих точек встречи пучков, что позволяет одновременно проводить несколько физических экспериментов.

Типичные параметры наиболее крупных У. на в. п. приведены в таблице.

Крупнейшие ускорители на встречных пучках и их параметры

Установка	Тип встречных пучков	Энергия, Мэв	Средний радиус орбиты, м	Светимость, см -2 ×сек -1	Год запуска
ВЭПП-2 (СССР, Новосибирск)	е +е -	2 ´700	1,9	~ 10 29	1966
ВЭПП-4 (СССР, Новосибирск)	е +е -	2 ´3500	12,0	~ 10 30	заканчивается сооружение
SPEAR (США, Станфорд)	е +е -	2 ´4500	37,2	6×10 30	1972
АСО (Франция, Орсе)	е +е -	2 ´540	3,5	10 29	1966
ADONE (Италия, Фраскати)	е +е -	2 ´1500	16,4	6 ×10 29	1969
ISR (ЦЕРН, Швейцария, Женева)	рр	2 ´31400	150	6,7 ×10 30	1971
ISABELLE (США, Брук-хейвен)		2 ´200 ×10 3	428		проектируется
РЕР (США, Станфорд)	е +е -	2 ´15 ×10 3	350	10 32	проектируется
SUPER ADONE (Италия, Фраскати)	е +е -	2 ´12 ×10 3	136	10 32	проектируется

Краткая история развития У. на в. п.Разработка и сооружение экспериментальных установок для исследований на встречных пучках частиц были начаты в 1956 во многих лабораториях в СССР и за рубежом после опубликованного предложения амер. физика Д. У. Керста. В течение 1956–66 преимущество в реализации встречных пучков было отдано лёгким стабильным частицам – электронам и позитронам (предложение о реализации ускорителей со встречными электрон-позитронными пучками принадлежит Будкеру), для которых ультрарелятивистские скорости достигаются при энергиях в сотни Мэв. Первые установки на встречных е -е -и е -е +пучках были созданы в институте ядерной физики Сибирского отделения АН СССР (Будкер, А. А. Наумов с сотрудниками), в Станфордском центре линейных ускорителей (амер. физик В. К. Панофский и др., США), в Лаборатории линейных ускорителей во Фраскати (С. Тазарри и др., Италия), в Лаборатории ускорителей в Орсе (П. Марин и др., Франция).

В связи с запуском в 1959–60 высокоэнергичных ускорителей протонов в ЦЕРНе (Швейцария) на 28 Гэв и в США на 33 Гэв открылись реальные возможности для создания накопительных колец на встречных рр пучках. В 1971 в ЦЕРНе были запущены два накопительных кольца для встречных рр пучков с энергией 31,4 Гэв (К. Йонсен с сотрудниками). Успешная эксплуатация этой установки при циркулирующих токах протонов 22–25 а и светимости 6,7-10 30 см -2 сек -1стимулировала дальнейшее развитие проектных работ по рр, р и pe —накопительным установкам высоких энергий. Идёт разработка ещё 6 проектов (кроме указанных в табл.) в СССР, США и Великобритании, реализация которых предполагается в 1980–90.