Обсуждаются эксперименты с неподвижной мишенью на LHC

Обсуждаются эксперименты с неподвижной мишенью на LHC

Ускорительные эксперименты в физике элементарных частиц делятся на две группы: эксперименты на коллайдерах, в которых лоб в лоб сталкиваются встречные пучки, и эксперименты с неподвижной мишенью, где пучок ударяет по неподвижному кусочку материала. Если стремиться к максимально высокой энергии столкновений, то коллайдеры, конечно, лучше: вся энергия пары сталкивающихся частиц может пойти на рождение новых тяжелых частиц. Неподвижная мишень такой роскоши не позволяет; там рожденные частицы должны лететь вперед, и в массу новых объектов может превратиться лишь небольшая часть исходной энергии. Поэтому начиная с 1960-х годов ускорительные исследования перешли в основном на коллайдеры.

Однако на днях в архиве е-принтов появился большой обзор arXiv:1807.00603, в котором подробно обсуждается целый спектр возможных экспериментов с неподвижной мишенью на LHC. Сразу подчеркнем, что речь не идет о том, чтобы LHC полностью переключился из режима коллайдера на неподвижную мишень. Эта опция предлагается лишь как эксперимент-сателлит основной программы Большого адронного коллайдера. Кроме того, сама по себе идея не нова: значительная часть нынешнего авторского коллектива вот уже несколько лет продвигает конкретный эксперимент такого рода — [email protected]. Сейчас лишь предлагается выйти за рамки одного эксперимента и охватить широким взглядом весь набор инструментальных возможностей и список научных задач.

Эксперимент с неподвижной мишенью кажется возвратом на полвека назад в истории развития физики частиц. Для чего вообще может понадобиться такая установка, если энергия пучка расходуется так неэффективно? Дело в том, что у экспериментов с неподвижной мишенью есть свои преимущества. Во-первых, огромная светимость: ведь твердая мишень намного плотнее разреженного пучка. Во-вторых, в качестве мишени можно использовать практически любые изотопы. А это значит, что можно проследить, как меняются столкновения протонов с ядрами при постепенном увеличении размера ядра. В-третьих, мишень можно поляризовать — и это открывает новые возможности для изучения внутренней структуры поляризованных адронов. Одна из главных задач в этом направлении — разобраться с тем, из чего складывается спин быстро летящего протона.

Реализовать столкновения пучка протонов на LHC с неподвижной мишенью без ущерба для коллайдерных экспериментов можно разными способами. Конечно, ставить плотный кусок материала прямо под пучок ни в коем случае нельзя. Энерговыделение будет таким большим, что оно повредит аппаратуру, да и сам пучок при этом разрушится, и его придется сбрасывать. Однако можно поставить тонкую поперечную проволочку не по центру, а сбоку от пучка. Ее будут пронзать те немногочисленные протоны, которые сбились с главной траектории при движении по ускорительному кольцу (это так называемое гало пучка). В результате будут регулярно происходить события столкновений, но потери протонов и энерговыделение будут держаться на приемлемом уровне.

Второй вариант того же эксперимента — продувать сквозь вакуумную трубу струйку разреженного газа, с которой будет сталкиваться пучок. На самом деле, такой эксперимент уже недавно проводился на LHCb; он впервые позволил изучить на LHC столкновения протонов с ядрами гелия и позволил получить информацию, полезную для астрофизики.

Есть и третий способ: можно как бы извлечь гало пучка из основного кольца и направить его по отдельному каналу, в котором уже будет поставлена плотная неподвижная мишень. Это можно сделать с помощью изогнутых кристаллов, которые, за счет эффекта каналирования, могут поворачивать протоны, не слишком «разбрызгивая» пучок в стороны. Эта технология уже давно развивается, и ее планируют применять для коллимации пучков на будущих этапах LHC.

Что касается реализации этих предложений, то говорить о каких-либо сроках пока преждевременно. Сейчас пока идет планомерный процесс убеждения научного сообщества и, как следствие, — администрации ЦЕРНа, что научная выгода от такого «довеска» к LHC будет значительной, а финансовые затраты — умеренными. Нынешний обзор — важный шаг на этом пути.

Источник