Для исследований структуры атомного ядра и кварк-глюонной плазмы были предназначены самые дорогостоящие установки в мире и которые завершились строительством Большого адронного коллайдера.
Большой адронный коллайдер ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжѐлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы. БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 000 учѐных и инженеров из более чем 100 стран. Большим назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м; адронным из-за того, что он ускоряет адроны; коллайдером из-за того, что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках столкновения. В ускорителе сталкивают протоны с суммарной энергией 14 ТэВ, а также ядра свинца.
Описание работы БАК с протонами.
Атомы водорода поступают строго дозированными порциями в камеру линейного ускорителя (фото8 1), там от них отделяют электроны, оставляя только ядра водорода.
Фото 1. Системы ускорения протонов на БАК.
Протоны несут положительный заряд, что позволяет придавать им ускорение при помощи электрического поля. Отсюда протоны будут двигаться со скоростью равной 1/3 скорости света. Теперь они готовы поступить в бустер или во вторую систему ускорения протонов.
Чтобы максимально повысить плотность потока частиц их разделяют на 4 части, каждая из которых поступает в отдельное кольцо бустера (накопителя). Линейное ускорение здесь уже не эффективно, поэтому применено движение по кругу длинной пути 157 метров. Чтобы придать частицам большую скорость, они проходят по кругу много раз, при этом на них воздействуют пульсирующим электрическим полем. Мощные магниты помогают придать частицам нужное направление и удержать их на круговой траектории. Кольцевой ускоритель разгоняет протоны до 91,6% скорости света, при этом собирает их в плотный пучок. После этого частицы из 4 колец собираются воедино и поступают в протонный синхротрон эта третья система ускорения протонов. Протяженность синхротрона 628 метров это расстояние протоны проходят за 1,2 секунды, разгоняясь до 99.9% скорости света. Именно здесь достигается точка перехода. К энергии движения частиц добавляется энергия электрического поля, но это не приводит к дальнейшему разгону, потому что частицы уже почти достигли максимально возможной скорости света. Но в результате такого воздействия увеличивается масса протонов, если говорить кратко, то протоны не могут ускоряться, а становятся тяжелее. На этой стадии энергия каждой частицы равняется 25 ГЭВ, при этом протоны становятся в 25 раз тяжелее чем в состоянии покоя.
Теперь начинается 4 стадия системы ускорения протонов. Протонный суперсинхротрон огромное 7-ми километровое кольцо. Его задача увеличить энергию протонов до 450 ГЭВ. Далее пучки протонов будут готовы к перемещению в большой адронный коллайдер. В нем проложены две вакуумные трубы, по ним в противоположных направлениях, движутся пучки протонов. При помощи специальных устройств новые порции протонов поступают в трубы так, чтобы не мешать движению уже загруженных туда пучков. По одной трубе частицы движутся по часовой стрелки, а по другой против. Эти трубы пересекаются в четырех местах, где установлены детекторы. Именно здесь протоны можно столкнуть друг с другом. Энергия столкновения в два раза превышает запас энергии каждого протона. В течение получаса в коллайдер поступают около 2800 порций частиц. Все это время коллайдер придает дополнительную энергию частицам двигающимся почти со скоростью света. Каждую секунду протоны проходят 27 километровый круг и более 11 тысяч раз постоянно получая, импульсы ускоряющего электрического поля. Энергия каждого протона уже составляет 7 ТэВ, а масса в семь тысяч раз больше нормальной.
Теперь протоны готовы к столкновению. Направляющий магнит обеспечивает необходимую для этого траекторию их движения. Общая энергия двух сталкивающихся протонов равна 14 ТэВ. Всплеск (фото 1а) от столкновения можно наблюдать в течение двух секунд.