Коллайдеры частиц: зачем им цепочка ускорителей

Во-первых, выложенная вами схема ускорительного комплекса ЦЕРН содержит не только ту единственную цепь, которая доставляет протоны на БАК, но и несколько других цепей, которые используются для многих экспериментов с более низкими энергиями, которые параллельно проводятся в ЦЕРН.

Но давайте сосредоточимся на цепочке ускорителей LHC: зачем нам несколько последовательных ускорителей, а не один? Ответ очень интуитивен с инженерной точки зрения: технологически гораздо проще сконструировать несколько устройств, специализированных для разных, но ограниченных диапазонов какого-то физического параметра, чем построить одно устройство, демонстрирующее отличные характеристики во всем огромном диапазоне .

Пример в транспорте: автомобили хороши для передвижения на меньшей скорости, самолеты хороши для быстрого передвижения. Чрезвычайно сложно построить автомобиль, который имел бы одинаково хорошие характеристики во всем диапазоне скоростей от 1 км/ч до 1000 км/ч. Другой пример — профессиональные акустические системы, в состав которых обычно входит несколько динамиков, оптимизированных для разных частотных диапазонов.

То же самое и с ускорителями. Здесь ключевым моментом является не энергия протонов как таковая , а качество пучка при данной энергии. Ускорение протонов - (технически) незначительная проблема; главная проблема состоит в том, чтобы обеспечить безопасность и хорошее поведение луча. Если вы немного покопаетесь в веб-сайте CERN, вы скоро поймете, что эти ускорители имеют совершенно разные характеристики, и каждый из них был оптимизирован для своего диапазона энергий и своих целей. Одни из них служат для накопления частиц, другие специализируются на разбиении пучков на пучки. На каждом этапе нужно охлаждать пучки, сбрасывать колебания и т.д., а это делается по-разному при разных энергиях.

В принципе, вы могли бы придумать ускоритель, который разместился бы в кольце LHC и принимал бы протоны с очень низкой энергией (скажем, 1 МэВ) и ускорял бы их до нескольких ТэВ. Поскольку протоны должны всегда циркулировать в одном и том же кольце, магнитное поле должно регулироваться (с очень высокой точностью и очень высокой пространственной однородностью) от нескольких микротесла до нескольких тесла в диапазоне шести порядков величины. Система контроля пучка также должна быть приспособлена для точного измерения токов протонов, различающихся на 6 порядков. Аналогичные требования предъявляются к магнитам управления лучом, коррекции орбиты и фокусировки, магнитам-кикерам и многим другим компонентам ускорителя. Короче говоря, хотя технически это возможно, это было бы слишком сложно и слишком дорого.

Также, как правило: История. Большинство машин в цепочке ускорителей LHC (ну, кроме LINAC, которые всегда использовались в основном в качестве начальных ступеней для PS) когда-то были передовыми исследовательскими инструментами. При создании дизайна следующего поколения старый ускоритель уже присутствует и обычно хорошо понимается, поэтому естественно включить его в проект.

Мне нравится первый ответ, так как он довольно общий. Но, например, в случае синхротронов вы можете сделать следующее простое утверждение:

• Диапазон синхротронной энергии от инжекции до вывода такой же, как диапазон магнитного поля; магнитное поле циклически повторяется в синхротроне, и энергия частиц меняется в зависимости от этого поля.

• Минимально возможное поле определяется тем, когда поле диполя становится сравнимым с полем Земли или другими полями рассеяния в тоннеле ускорителя или становится чувствительным к гистерезису.

• Максимально возможное поле определяется тем, из чего сделаны ваши магниты. Если они вращаются, то почти наверняка являются электромагнитами с нормальной проводимостью, и практически они ограничены в синхротронах от 1,2 до 1,4 Тесла.

• Соотношение энергии вывода/инжекции в синхротроне равно отношению максимального/минимального дипольного поля. Это соотношение составляет около 200.