ВСТРЕ́ЧНЫЕ ПУЧКИ́

ВСТРЕ́ЧНЫЕ ПУЧКИ́ (ме­тод встреч­ных пуч­ков), экс­пе­рим. ме­тод ис­сле­до­ва­ния эле­мен­тар­ных час­тиц, в ко­то­ром два пуч­ка ус­ко­рен­ных за­ря­жен­ных час­тиц (элек­тро­нов, про­то­нов, по­зи­тро­нов, ан­ти­про­то­нов и т. п.) дви­жут­ся на­встре­чу друг дру­гу, пе­ре­се­ка­ясь и взаи­мо­дей­ст­вуя на оп­ре­де­лён­ных уча­ст­ках (см. Ус­ко­ри­те­ли за­ря­жен­ных час­тиц). Раз­ра­бот­ка и со­ору­же­ние экс­пе­рим. ус­та­но­вок для ис­сле­до­ва­ний на В. п. час­тиц бы­ли на­ча­ты в 1956 в СССР и за ру­бе­жом по пред­ло­же­нию амер. фи­зи­ка Д. У. Кер­ста. Пер­вые экс­пе­ри­мен­ты на В. п. по ан­ни­ги­ля­ции час­тиц и ан­ти­час­тиц (элек­тро­нов и по­зи­тро­нов) про­ве­де­ны в 1967 в Ин-те ядер­ной фи­зи­ки (ИЯФ) СО АН СССР под рук. Г. И. Буд­ке­ра.

Ус­ко­ри­тель­ная ус­та­нов­ка с В. п. на­зы­ва­ет­ся кол­лай­де­ром (см. Ад­рон­ный кол­лай­дер). В та­ких ус­та­нов­ках взаи­мо­дей­ст­вия час­тиц ис­сле­ду­ют­ся при мак­си­маль­но дос­туп­ной в ла­бо­ра­тор­ных ус­ло­ви­ях эф­фек­тив­ной энер­гии столк­но­ве­ния (энер­гии взаи­мо­дей­ст­вия в сис­те­ме цен­тра инер­ции). В обыч­ных ус­ко­ри­те­лях взаи­мо­дей­ст­вие час­тиц изу­ча­ет­ся при столк­но­ве­ни­ях пуч­ка ус­ко­рен­ных час­тиц с час­ти­ца­ми не­под­виж­ной ми­ше­ни. При этом вслед­ст­вие за­ко­на со­хра­не­ния пол­но­го им­пуль­са со­уда­ряю­щих­ся час­тиц бо́ль­шая часть энер­гии на­ле­таю­щей час­ти­цы рас­хо­ду­ет­ся на ки­не­тич. энер­гию про­дук­тов ре­ак­ции, и лишь её не­боль­шая часть «вклю­ча­ет­ся» в энер­гию взаи­мо­дей­ст­вия час­тиц, ко­то­рая мо­жет ид­ти, напр., на ро­ж­де­ние но­вых час­тиц. От­но­си­тель­ная до­ля этой эф­фек­тив­ной энер­гии ре­ак­ции рез­ко умень­ша­ет­ся по ме­ре на­рас­та­ния энер­гии ус­ко­рен­ной час­ти­цы. Напр., при столк­но­ве­нии двух час­тиц оди­на­ко­вой мас­сы $m_0$, од­на из ко­то­рых по­ко­ит­ся, а дру­гая дви­жет­ся с ре­ля­ти­ви­ст­ской (близ­кой к ско­ро­сти све­та $с$) ско­ро­стью, эф­фек­тив­ная энер­гия  $ℰ_{эфф}=\sqrt {2ℰ_0ℰ}$, где $ℰ_0=m_0c^2$ – энер­гия по­коя час­ти­цы, $ℰ $ – энер­гия на­ле­таю­щей час­ти­цы. Ес­ли же стал­ки­ва­ют­ся час­ти­цы с рав­ны­ми по вели­чи­не и про­ти­во­по­лож­но на­прав­лен­ны­ми им­пуль­са­ми, их сум­мар­ный им­пульс ра­вен ну­лю, и эф­фек­тив­ная энер­гия столк­но­ве­ния рав­на сум­ме энер­гий стал­ки­ваю­щих­ся час­тиц. Для час­тиц с энер­гия­ми $ℰ_1 $эф­фек­тив­ная энер­гия $ℰ_{эфф}=2ℰ_1.$ 

Так, для встреч­ных пуч­ков элек­тро­нов с энер­ги­ей 1 ГэВ эф­фек­тив­ная энер­гия $ℰ_{эфф}=2$ ГэВ; та­кая же эф­фек­тив­ная энер­гия столк­но­ве­ния при од­ном не­под­виж­ном элек­тро­не по­тре­бо­ва­ла бы энер­гии на­ле­таю­ще­го элек­тро­на ок. 4000 ГэВ. По­это­му в об­лас­ти сверх­вы­со­ких энер­гий обыч­ные ус­ко­ри­те­ли с не­под­виж­ной ми­ше­нью не мо­гут кон­ку­ри­ро­вать с ус­ко­ри­те­ля­ми на В. п. В то же вре­мя ин­тен­сив­ность В. п. ма­ла по срав­не­нию с плот­но­стью час­тиц в слу­чае не­под­виж­ной ми­ше­ни. Для уве­ли­че­ния ин­тен­сив­но­сти пе­ред про­цес­сом со­уда­ре­ния про­из­во­дит­ся на­ка­п­ли­ва­ние за­ря­жен­ных час­тиц в спец. на­ко­пи­тель­ных коль­цах, ко­то­рые, как пра­ви­ло, од­но­вре­мен­но ис­поль­зу­ют­ся и как глав­ный ус­ко­ри­тель для по­вы­ше­ния энер­гии на­ко­п­лен­ных пуч­ков до ко­неч­ной энер­гии столк­но­ве­ния (см. На­ко­пи­те­ли за­ря­жен­ных час­тиц).

Осн. ха­рак­те­ри­сти­ка­ми ус­та­но­вок с В. п. яв­ля­ют­ся све­ти­мость, вре­мя на­ко­п­ле­ния час­тиц для дос­ти­же­ния за­дан­ной све­ти­мо­сти, вре­мя жиз­ни пуч­ков. Све­ти­мость оп­ре­де­ля­ет­ся как чис­ло со­бы­тий ис­сле­дуе­мо­го ти­па в еди­ни­цу вре­ме­ни при столк­но­ве­нии двух пуч­ков при еди­нич­ном се­че­нии взаи­мо­дей­ст­вия. Для эф­фек­тив­но­го изу­че­ния про­цес­сов взаи­мо­дей­ст­вия в фи­зи­ке вы­со­ких энер­гий (се­че­ние взаи­мо­дей­ст­вия 10^–26–10^–32 см²) ве­ли­чи­на све­ти­мо­сти долж­на со­став­лять 10²⁸–10³⁴ см^–2с^–1, что со­от­вет­ст­ву­ет элек­трич. то­кам цир­ку­ли­рую­щих час­тиц от до­лей до де­сят­ков ам­пер. Тре­буе­мая све­ти­мость дос­ти­га­ет­ся как за счёт на­ко­п­ле­ния час­тиц в цир­ку­ли­рую­щих пуч­ках, так и за счёт умень­ше­ния по­пе­реч­но­го се­че­ния пуч­ков при по­мо­щи т. н. элек­трон­но­го и сто­хас­ти­че­ско­го ох­ла­ж­де­ния (см. Ох­ла­ж­де­ние пуч­ков). Бла­го­да­ря при­ме­не­нию раз­ви­тых ме­то­дик вре­мя жиз­ни на­ко­п­лен­ных пуч­ков в дей­ст­вую­щих ус­та­нов­ках дос­ти­га­ет де­сят­ка ча­сов, что по­зво­ля­ет обес­пе­чить не­пре­рыв­ный фи­зич. экс­пе­ри­мент со ста­биль­ным уров­нем све­ти­мо­сти.

В совр. ис­сле­до­ва­ни­ях ис­поль­зу­ют­ся В. п. лёг­ких (элек­тро­ны и по­зи­тро­ны), тя­жё­лых (про­то­ны и ан­ти­про­то­ны) и осо­бо тя­жё­лых (яд­ра тя­жё­лых ато­мов, напр. яд­ра ато­мов зо­ло­та) час­тиц. Наи­бо­лее рас­про­стра­нён­ные ус­та­нов­ки с В. п. пред­став­ля­ют со­бой мно­го­сту­пен­ча­тую сис­те­му, вклю­чаю­щую: ин­жек­тор, один или два ус­ко­ри­те­ля до про­ме­жу­точ­ных энер­гий, ге­не­ра­тор и про­ме­жу­точ­ный на­ко­пи­тель ан­ти­час­тиц, од­но, ча­ще два на­ко­пи­тель­ных коль­ца с уча­ст­ка­ми пе­ре­се­че­ния час­тиц и ряд до­пол­нит. сис­тем управ­ле­ния и кон­тро­ля. На уча­ст­ках пе­ре­се­че­ния пуч­ков рас­по­ла­га­ют­ся слож­ные из­ме­рит. ком­плек­сы для де­тек­ти­ро­ва­ния и об­ра­бот­ки про­дук­тов ре­ак­ций столк­но­ве­ния; здесь чис­ло час­тиц, уча­ст­вую­щих во всех со­бы­ти­ях – «по­лез­ных» и фо­но­вых, – дос­ти­га­ет мил­лио­на в се­кун­ду.

Про­ве­дён­ные на В. п. фи­зич. ис­сле­дова­ния оз­на­ме­но­ва­лись ря­дом вы­даю­щих­ся ре­зуль­та­тов (от­кры­тие W- и Z-бо­зо­нов, из­ме­ре­ние мас­сы t-квар­ка и др.). Ис­сле­до­ва­ния с при­ме­не­ни­ем В. п. тя­жё­лых и осо­бо тя­жё­лых час­тиц ис­поль­зу­ют­ся для изу­че­ния свойств ма­те­рии во Все­лен­ной, в т. ч. на ран­них эта­пах её су­ще­ст­во­ва­ния (по­ис­ки час­тиц Хигг­са, соз­да­ние кварк-глю­он­ной плаз­мы и др.).