Прискорювачі на зустрічних пучках, прискорювачі із зустрічними пучками, установки, в яких здійснюється зіткнення зустрічних пучків заряджених часток (елементарних часток і іонів), прискорені електричним полем до високих енергій (див. Прискорювачі заряджених часток ) . На таких установках досліджуються взаємодії часток і народження нових часток при максимально доступних в лабораторних умовах ефективних енергіях зіткнення. Найбільшого поширення набули прискорювачі із зустрічними електронними (е ^- е ^- ) для електрона, позитронними (е ^- е ⁺ ) для електрона і протонними (рр) для протона пучками.

  В звичайних прискорювачах взаємодія часток вивчається в лабораторній системі відліку при зіткненнях пучка прискорених до високої енергії часток з частками нерухомій мішені. При цьому унаслідок закону збереження повного імпульсу соударяющихся часток велика частина енергії налітаючої частки витрачається на збереження руху центру мас системи часток, тобто на повідомлення кінетичної енергії часткам – продуктам реакції, і лише невелика її частина визначає «корисну», або ефективну, енергію зіткнення, тобто енергію взаємодії часток в системі їх центру інерції, яка може йти, наприклад, на народження нових часток. З розрахунку виходить, що при зіткненні двох часток однакової маси ( m ₀ ), одна з яких покоїться в лабораторній системі відліку, а інша рухається з релятивістською (близькою до швидкості світла з) швидкістю, енергія в системі центру інерції, де E ₀ = m ₀ з ² – енергія спокою частки, а Е – енергія налітаючої частки в лабораторній системі відліку. Т. о., чим більше Е, тим менша її доля визначає енергію взаємодії часток. Якщо ж стикаються частки з рівними по величині і протилежно направленими імпульсами, тобто їх сумарний імпульс дорівнює нулю, то лабораторна система відліку збігається з системою центру інерції часток і ефективна енергія зіткнення дорівнює сумі енергій часток, що стикаються; для часток з однаковими масами (і енергією Е ) Е _ци = 2 E, тобто кінетична енергія може бути повністю використана на взаємодію.

  Особливо велике перевага вивчення процесів взаємодії на зустрічних пучках для легких часток – електронів і позитронів, для яких E ₀ = 0,5 Мев. Наприклад, для соударяющихся в зустрічних пучках електронів з енергією в 1 Гев Е _ци = 2 Гев; така ж ефективна енергія зіткнення при одному нерухомому електроні зажадала б енергії налітаючого електрона Е = Е ² _ци /2 Е ₀ (4000 Гев. Для зустрічних пучків протонів ( E ₀ » 1 Гев ), наприклад з енергією Е = 70 Гев (енергія протонів Серпуховського прискорювача 7 6 Гев ) ,  Е _ци = 140 Гев, тоді як при зіткненні з протоном, що покоїться, ефективна енергія зіткнення 140 Гев була б досягнута лише при енергії налітаючого протона Е = 10 000 Гев !

  В. на ст п. мають найважливіше значення для вивчення пружних і непружних процесів взаємодії стабільних часток – протонів і електронів (і їх античасток); в області надвисоких енергій з ними не можуть конкурувати звичайні прискорювачі з нерухомою мішенню.

  Недолік В. на ст п. – мала щільність пучків часток в порівнянні з щільністю нерухомої мішені. Для збільшення щільності часток до процесу зіткнення виробляється накопичення заряджених часток в спеціальних нагромаджувальних кільцях (див. Накопичувачі заряджених часток ) , так щоб струми циркулюючих часток складали не менше десятків а. Проте і при таких струмах інтенсивність пучків вторинних часток високих енергій (p - і до-мезонів, нейтрино і ін.), що утворюються при зіткненнях, на декілька порядків менше, ніж інтенсивність пучків тих же часток, що отримуються на звичайних прискорювачах. Крім того (т.к. енергия вторинної частки не може перевищувати енергію тих, що стикаються. на ст п. первинних часток), виходить програш в енергії вторинних часток в порівнянні з традиційними прискорювачами. Тому В. на ст п. не можуть замінити, а лише доповнюють традиційні прискорювачі, і розвиток тих і інших повинно йти паралельно.

  В нагромаджувальні кільця, що є кільцевими вакуумними камерами, поміщеними в магнітне поле, прискорені заряджені частки поступають із звичайного прискорювача. Магнітне поле створюється, як правило, секторними магнітами, розділеними прямолінійними проміжками (без магнітного поля) для областей пересічення пучків (і для розміщення прискорювального пристрою). Установка із зустрічними пучками містить один або два нагромаджувальні кільця залежно від того, різні (як в е ^- е ⁺ , р, де  – антипротон) або відповідно однакові (як в е ^- е ^- , рр) знаки електричних зарядів часток, що стикаються. Попереднє прискорення пучків (до інжекції в нагромаджувальні кільця) виробляється в синхрофазотронах або синхротронах (з сильною або слабкою фокусуванням), а також в лінійних прискорювачах. Можливо і додаткове прискорення часток в нагромаджувальних кільцях після інжекції. Проте незалежно від того, чи виробляється додаткове прискорення, кожен накопичувальний комплекс на зустрічних пучках обов'язково включає прискорюючу систему для компенсації втрат енергії заряджених часток на синхротронне випромінювання (для позитронних для електрона пучків) і іонізацію залишкового газу в камері. Друге призначення системи прискорення – фіксація азимутних розмірів пучка (число згустків часток дорівнює кратності частоти прискорюючої системи по відношенню до частоти звернення часток). Типові схеми позитронного для електрона і протонного для протона накопичувального комплексу приведені на мал. 1 і 2 .

  Основна характеристика системи із зустрічними пучками – величина, яка визначає число ( N ) подій досліджуваного типа в одиницю часу і називається світимістю (1.) установки. Якщо вивчається взаємодія з перетином d, те N = L ( . В найбільш простому випадку, коли кут зустрічі пучків дорівнює нулю, L = R ( N ₁ N ₂ / S ) w/2p, де N ₁ , N ₂ – повні числа часток в кожному пучку, що заповнює кільця, S – площа поперечного перетину, загальна для обох пучків, w – кругова частота звернення часток по замкнутій орбіті, R – коефіцієнт використання установки, рівний відношенню довжини проміжків зустрічі пучків до периметра орбіти. У загальнішому випадку R залежить від області перекриття пучків, тобто від кутів пересічення і відносних розмірів пучків. Для ефективного вивчення процесів взаємодії з перетином d = 10 ^-26 –10 ^-32 см ² , величина світимості повинна складати 10 ²⁸ –10 ³² см ^-2 сік ^-1 . Це досягається накопиченням циркулюючого струму пучків заряджених часток і зменшенням поперечного перетину пучків за допомогою спеціального магнітного фокусування в прямолінійних проміжках, а також використанням методів електронного або стохастичного охолоджування з метою зменшення поперечної компоненти імпульсу пучків, що стикаються. Метод електронного охолоджування був запропонований в 1966 сов.(радянський) фізиком Р. І. Будкером для важких часток (протонів і антипротонів), в яких через практичну відсутність синхротронного випромінювання не відбувається автоматичного загасання поперечних коливань часток в пучку. Метод заснований на ефекті передачі теплової енергії пучка важких часток супутньому (пущеному паралельно) електронному пучку з нижчою температурою. Експериментальне підтвердження цього ефекту було вперше отримане в інституті ядерної фізики Сибірського відділення АН(Академія наук) СРСР (1974).

  Для того, щоб забезпечити безперервний фізичний експеримент з мало змінною світимістю установки, необхідний великий час життя накопичених пучків часток. Час життя пучка (час, протягом якого інтенсивність пучка зменшується в е (2,7 разів) залежить від ряду ефектів. Головні з них – однократне і багатократне розсіяння прискорених часток на атомах залишкового газу в камері накопичувача, а для електронів і позитронів – синхротронне випромінювання і квантові флуктуації; істотну роль може також грати ефект взаємного розсіяння електронів (позитронів) пучка. Експериментальний критерій часу життя пучка – відносна величина втрати інтенсивності пучків в % за 1 ч; для кращих установок, що діють, вона складає десяті долі % у годину [для протонної установки в Європейському центрі ядерних досліджень (ЦЕРНе) – 0,1%/ч при струмі 22 а ]. Така велика величина часу життя пучків досягається за допомогою високого вакууму в камерах накопичувачів пучків: 10 ^-11 мм рт. ст. в об'ємі камери і 10 ^-12 мм рт. ст. в зонах зустрічі пучків.

  Необхідним елементом прискорювача із зустрічними е ^- е ⁺ пучками є позитронний для електрона конвертер – металева мішень (з товщиною близько 1 радіаційної довжини; на мал. 1 на прямому пучку), в якій електрони народжують гальмівні гамма-кванти, а ті, у свою чергу, – пари електрон-позитрон. Коефіцієнт конверсії – відношення числа позитронів, захоплених в накопичувач, до електронів, виведених з синхротрона, – при енергії електронного пучка в сотні Мев може досягати величини 10 ^-4 для позитронного пучка з енергією, приблизно удвічі меншій енергії електронів.

  Для схеми протонних для протона зіткнень ( мал. 2 ), що реалізовується на базі двох магнітних структур з сильним фокусуванням, характерний наявність багатьох точок зустрічі пучків, що дозволяє одночасно проводити декілька фізичних експериментів.

  Типові параметри найбільш великих В. на ст п. приведені в таблиці.

Найбільші прискорювачі на зустрічних пучках і їх параметри

  Коротка історія розвитку В. на ст п. Розробка і спорудження експериментальних установок для досліджень на зустрічних пучках часток були початі в 1956 в багатьох лабораторіях в СРСР і за кордоном після опублікованої пропозиції амер.(американський) фізика Д. В. Керста. Протягом 1956–66 перевага в реалізації зустрічних пучків була віддана легким стабільним часткам – електронам і позитронам (пропозиція про реалізацію прискорювачів із зустрічними позитронними для електрона пучками належить Будкеру), для яких ультрарелятівістськие швидкості досягаються при енергіях в сотні Мев. Перші установки на зустрічних е ^- е ^- і е ^- е ⁺ пучках були створені в інституті ядерної фізики Сибірського відділення АН(Академія наук) СРСР (Будкер, А. А. Наумов із співробітниками), в Станфордськом центрі лінійних прискорювачів (амер. фізик В. К. Панофський і ін., США), в Лабораторії лінійних прискорювачів у Фраськаті (С. Тазаррі і ін., Італія), в Лабораторії прискорювачів в Орсе (П. Марін і ін., Франція).

  У зв'язку із запуском в 1959–60 високоенергійних прискорювачів протонів в ЦЕРНе (Швейцарія) на 28 Гев і в США на 33 Гев відкрилися реальні можливості для створення нагромаджувальних кілець на зустрічних рр пучках. У 1971 в ЦЕРНе були запущені два нагромаджувальні кільця для зустрічних рр пучків з енергією 31,4 Гев (К. Йонсен із співробітниками). Успішна експлуатація цієї установки при циркулюючих струмах протонів 22–25 а і світимості 6,7-10 ³⁰ см ^-2 сік ^-1 стимулювала подальший розвиток проектних робіт по рр, р і pe ^— накопичувальним установкам високих енергій. Йде розробка ще 6 проектів (окрім вказаних в таблиці.) в СРСР США і Великобританії, реалізація яких передбачається в 1980–90.

  Літ.: Kerst D. W., Properties of an intersectingbeam accelerating system, CERN Symposium, v. I, Gen., 1956, р. 36; Будкер Р. І., Наумов А. А. і ін., Роботи по зустрічних електронних для електрона, електронних для позитрона і протонних для протона пучках в Інституті ядерної фізики З АН(Академія наук) СРСР, в кн.: Праці Міжнародної конференції з прискорювачів. Дубна. 1963, М., 1964, с. 274–87; Jonsen До. [а. о.], Some problems connected with the use of intersecting proton storage rings, там же, с. 312–25; Будкер Р. І., Прискорювачі і зустрічні пучки, в кн.: Праці VII Міжнародної конференції з прискорювачів заряджених часток високих енергій, т. 1, Ер., 1970, с. 33; Праці IV Всесоюзної наради по прискорювачах заряджених часток. Москва. 1974, М., 1975, т. 2, с. 300–318.

  Ст П. Дмітрієвський.

Мал. 1. Схема прискорювача на зустрічних електрон-позіторонних пучках. Пучок прискорених в синхротороне З електронів (е ^- ) виводиться по каналу 1 і потрапляє на мішень М-коду, в якій народжуються позитрони (е ⁺ ). Протягом деякого часу позитрони накопичуються в нагромаджувальному кільці НК після чого включаються поворотні магніти ПМ, за допомогою яких електронний пучок із З прямує по каналу 2 в НК назустріч позитронам, і відбувається зіткнення пучків е ⁺ е ^- (КЛ — фокусуючі магнітні квадрупольні лінзи).

Мал. 2. а — схема розташування синхрофазотрону (СФ) і двох пересічних нагромаджувальних кілець НК, в яких відбуваються протонні для протона зіткнення (установка в ЦЕРНе); 1—8 — місця пересічення кілець; стрілки вказують напрям руху протонів (р); K ₁ , K ₂ — канали для введення протонів в НК (у бустері виробляється попереднє прискорення протонів; у НК протони додатково прискорюються до 31,4 Гев ). би — деталь пересічення пучків протонів між перетинами AA''; 1 — елементи структури магніта, що фокусує пучки протонів.