Протонные пучки в LHC

Разбиение на сгустки

Протонный пучок в ускорителе вовсе не выглядит как однородный непрерывный «протонный луч». Он разбит на отдельные сгустки протонов, которые летят друг за другом на строго определенном расстоянии. Каждый сгусток — это тончайшая «протонная иголка» длиной несколько десятков сантиметров и толщиной в доли миллиметра.

В максимуме производительности каждый из двух встречных пучков на LHC будет состоять из 2808 сгустков, идущих друг за другом на расстоянии в несколько метров, а в каждом сгустке будет примерно по 100 миллиардов протонов. Однако на этот режим ускоритель выйдет не скоро. В первые месяцы работы в каждом пучке будет всего по 2 сгустка, затем по 43 сгустка и так далее. Именно поэтому светимость LHC в первые пару лет работы будет довольно низкой.

Разбиение пучка на сгустки полезно по нескольким причинам. Главная из них — именно так удобно ускорять протоны в резонаторах. Более того, благодаря явлению автофазировки ускорительная секция сама поддерживает сгустки «в форме», не давая им расплываться в продольном направлении. Кроме того, сгустки сталкиваются в центре детектора в четко определенные моменты времени. Это делает детектирование результатов столкновений более эффективным, поскольку в течение «мертвого времени» детекторов (того времени, за которое электроника детектора считывает следы частиц и подготавливает детектор к следующему столкновению) никаких других столкновений, могущих помешать считыванию данных, не происходит.

Поперечные колебания

Поворотные магниты стремятся направить протонный пучок вдоль строго определенной круговой траектории внутри вакуумной трубы — идеальной орбиты. Однако в силу разных причин протоны не следуют строго вдоль этой орбиты, а слегка колеблются относительно нее в поперечном направлении. Эти колебания называются бетатронными колебаниями.

Предсказать динамику бетатронных колебаний кольцевого ускорителя очень сложно. Из-за того что пучки много раз проходят одно и то же кольцо с неизменным набором магнитов, даже мельчайший сдвиг какого-то одного магнита может начать «раскачивать» бетатронные колебания на каждом обороте. Чтобы этого избежать, требуется устранять все резонансы между циклическим движением пучка по кольцу и бетатронными колебаниям. По этой же причине первый пучок, запущенный в коллайдер, не будет сразу непрерывно циркулирующим, а скорее всего «вылетит» после нескольких оборотов. Для получения циркулирующего пучка надо запускать сгусток за сгустком и подстраивать магнитную систему так, чтобы делать их траекторию более устойчивой.

Слишком большие бетатронные колебания могут стать опасными для аппаратуры. Если пучок начнет отклоняться от идеальной траектории больше, чем на пару сантиметров, то он может задеть стенки вакуумной трубы. Для того чтобы этого не случилось, имеются датчики, которые контролируют положение пучка внутри трубы и в случае необходимости дают сигнал для сброса пучка.

Поперечные размеры

Поскольку в каждом сгустке имеется много одноименно заряженных частиц, они расталкиваются из-за электрических сил, и поэтому пучок имеет тенденцию расплываться в поперечных размерах. Магнитная система управления пучками удерживает их от расплывания. При движении через ускоритель поперечные размеры пучков поддерживаются довольно большими — порядка миллиметров, но в точке пересечения пучков они сильно фокусируются, вплоть до нескольких сотых долей миллиметра.

На рис. 1 показаны расчетные траектории двух встречных пучков вблизи точки пересечения внутри детектора ATLAS. Масштаб рисунка сильно сжат: если поперечные размеры показанного параллелепипеда равны нескольким сантиметрам, то его длина составляет на самом деле несколько сот метров. Для настоящего масштаба этот рисунок надо растянуть вдоль примерно в 10 тысяч раз. Изломы на траектории пучков соответствуют положению различных магнитов, которые отклоняют или фокусируют пучки. Заметьте, насколько сильно сфокусированы пучки в месте пересечения по сравнению с их размерами в остальной части ускорителя.