В CERN открыли новый ускоритель частиц

В CERN состоялось официальное открытие нового линейного ускорителя — Linac 4, первого нового ускорителя CERN с момента открытия Большого адронного коллайдера. Он станет первым элементом ускорительного комплекса БАК высокой светимости (HL-LHC), открытие которого запланировано на середину 2020-х годов. Установка будет ускорять гидрид-ионы до энергий в 160 мегаэлектронвольт перед переносом в протонный бустер. В создании Linac 4 участвовали российские физики и инженеры из Снежинска (ВНИИТФ) и Новосибирска (ИЯФ им. Будкера). Ускоритель будет подключен к системе коллайдера в 2019-2020 году, во время следующего длительного техобслуживания. Об этом сообщает пресс-релиз CERN.

Для разгона протонов до современных энергий БАК — 6,5 тераэлектронвольт — требуется несколько ускорительных установок. На первом этапе водород из обычной емкости (газового баллона) попадает в камеру линейного ускорителя Linac 2. Там с помощью мощного электрического поля атомы водорода разделяют на протоны и электроны. Затем протоны перемещаются в основную камеру, где с помощью электрического поля радиочастотных резонаторов они начинают разгон. Linac 2 сообщает протонам кинетическую энергию 50 мегаэлектронвольт, это менее пяти процентов их энергии покоя. Затем частицы попадают в протонный бустер (PSB), где происходит разгон до 1,4 гигаэлектронвольт на кольцевых траекториях. Эта энергия уже в полтора раза больше массы покоя протона. Следующие этапы: протонный синхротрон (25 гигаэлектронвольт), протонный суперсинхротрон (450 гигаэлектронвольт) и, лишь потом, Большой адронный коллайдер.

От синхронизации всей цепочки ускорителей и точности их работы зависит работа экспериментов БАК. Так, уже на этапе линейного ускорителя формируется плотность и интенсивность сгустков протонов, которые попадут в БАК. Чем больше эта плотность, тем больше оказывается вероятность столкновения частиц в точках, где пересекаются траектории пучков. Это позволяет фиксировать большее количество столкновений и получать больше научных данных — быстрее набирать статистику для поиска новых частиц и редких процессов. В проекте HL-LHC, Большого адронного коллайдера высокой светимости, ожидается поднять современную светимость в десять раз.

Снимок Linac 4 во время церемонии открытия. Maximilien Brice/ CERN

Для этого требуется модернизировать все основные ускорительные системы, в частности, Linac 2. Именно на смену ему придет Linac 4. На строительство установки потребовалось 10 лет, лишь в ноябре прошлого года она вышла на проектную энергию разгона — 160 мегаэлектронвольт. Это в три раза выше, чем энергия Linac 2.

Физически Linac 4, как и другие линейные ускорители, представляет собой цилиндрический проводник, внутри которого перемещаются частицы. Заряд разных участков проводника управляется радиочастотными резонаторами — с их помощью ученые добиваются того, чтобы область проводника за заряженной частицей отталкивала ее вперед, а область перед частицей — притягивала к себе. Траектории частиц удерживаются в узком пучке с помощью небольших квадрупольных магнитов. Общая длина Linac 4 составляет 90 метров, он находится на глубине 12 метров под землей.

Схема Linac 4. После генерации гидрид ионов идет три разных ускоряющих фрагмента. CCDTL был создан в России, усилиями инженеров из ВНИИТФ (Снежинск) и Института ядерной физики им. Будкера (Новосибирск)

Вместо протонов Linac 4 ускоряет гидрид-ионы — протоны, окруженные двумя электронами. В сумме такие частицы несут отрицательный заряд. Сейчас системы инжекции протонов в синхротрон на основе гидрид-ионов используются почти во всех подобных ускорителях, непосредственно протоны ускоряют перед инжекцией лишь в Linac 2 и на ускорителе в Протвино. Системы с гидрид-ионами гораздо легче контролировать. Это позволяет избежать потерь при инжекции частиц в следующую ступень ускорителя и добиться большей плотности пучков, в частности, удвоить яркость пучка в протонном бустере.

DTL (один из ускорительных блоков Linac 4) во время сборки

Linac 4 подключат к основному комплексу ускорителей во время длительного перерыва на техобслуживание, который состоится в 2019-2020 годах. Уже с 2021 года он поможет наращивать светимость Большого адронного коллайдера.

Это уже четвертый по счету линейный ускоритель в CERN. Первый прибор такого рода, Linac 1, был запущен в 1958 году. Он ускорял как легкие частицы — протоны и дейтроны, так и более тяжелые атомы кислорода или серы до энергий порядка 50 МэВ. В 1978 году для ускорения протонов был построен Linac 2, а в 1992 году для тяжелых ионов был построен Linac 3 — именно он обеспечивает ускорение ядер свинца для экспериментов ALICE.