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“改变齿轮”操作可以使对撞机以不同的速度粉碎粒子

对撞机 核物理
发布:2020-11-04 10:52:13     来源:Physics World

美国和瑞典的研究人员表明,可以像操作一组齿轮一样操作粒子对撞机从而使粒子以不同的速度循环。对于核物理学家来说,这可能是个福音,使他们能够以不同的能量将不同类型的离子粉碎在一起,而不必改变对撞机的大小。

类似于CERN的大型强子对撞机(LHC)的粒子对撞机包括两个环,该环在使一个或多个检测器与粒子碰撞之前,使两个粒子束沿相反的方向循环。环中的粒子以束状循环,因此必须格外小心,以确保束在检测器内的相互作用点发生碰撞。

与在大型强子对撞机上加速的高能(因而是相对论)粒子不同,核物理实验中使用的低能质子和离子的速度随动能的变化显着。例如,粒子从250 GeV下降到25 GeV意味着速度下降约0.07%。

当碰撞以不同速度运动的粒子时,这就产生了一个问题。无论碰撞仅涉及质子和离子,还是它们还具有电子(如在美国布鲁克黑文国家实验室制造的电子离子对撞机),这两个束必须在检测器的相互作用下汇合点。

技术要求高且价格昂贵

实现此目的的一种方法是简单地改变两个光束连续围绕其旋转的环的圆周。这种变化必须与速度一致-因此,对于3 km周长的环,0.07%的变化等于约2.1 m的调整。但是机械地移动该长度的弧在技术上是昂贵且昂贵的。

因此,“换档”的想法将允许两个环中的粒子以不同的速度循环,同时仍然在相互作用点相遇。这是通过在每个环中使用不同数量的束来实现的。在一个非常简单的情况下,一个环中的三束将以另一束中的四束的速度的4/3传播。

为了证明这种方案在原则上可行,美国弗吉尼亚州托马斯·杰斐逊国家加速器设施的伊迪丝·尼森与斯德哥尔摩大学的安德斯·卡尔伯格和安斯加·西蒙森一起在斯德哥尔摩研究了一种房间大小的设备作为双静电离子环实验(DESIREE)。它由两个微型存储环组成,这样,一组能量不超过25 keV的离子可以在同一方向移动时与另一组高达100 keV的离子合并。

串数不相等

Nissen和同事旨在证明他们可以在两个环中循环不等数量的束,从而使来自不同环的离子始终合并在设备的同一部分中。他们使用的氮离子的能量大约是碳离子的两倍,测量了在1 m长的合并区开始时移动较快的氮的轻微延迟,并在末端测量了相应细长的铅(这意味着这些束在每种情况下都完全对准中间)。

研究人员以两种配置进行了实验-四束对三束和五束对四束。在第二种情况下,通过减少氮离子的能量以补偿较小的比例,他们表明它们确实可以啮合两组齿轮。他们发现,在每种情况下,给定速度比,合并区域两端的时序差异均与理论预期相对应-表明他们可以在围绕环的数千个循环的过程中保持这些时序恒定。

Nissen指出,换挡方案中的碰撞方式比正常情况更为复杂。与其一束中的每个束只与另一束中的一个特定束相互作用(如果两个束具有相同的速度,就是这种情况),它就与许多束(如果不是全部束)相互作用。

不平等的电子束

Nissen认为,这种特性可能是有利的,因为在例如自旋极化很重要的实验中,形成不好的束不会显着改变数据质量。但是,她说这也会造成问题,因为碰撞的束会相互扭曲。如果一个光束中的一束始终与另一个光束中的同一束相遇,则这些束将沉降到平衡状态。但是,如果每个转弯上都有不同的束碰撞,那么光束可能会抹掉,从而降低数据质量。

电子加速器回收能量

实际上,2013年,郝越和布鲁克海文大学及斯托尼布鲁克大学的另外两名物理学家发表了一项理论研究,表明这种扭曲如何严重降低碰撞率。通过计算几种不同影响的影响,包括光束位置和宽度的不稳定性,他们得出结论,“应避免”换档。

Nissen承认,DESIREE不会产生足够强的光束来研究这些变形,但尽管如此,它仍可以通过允许科学家改进齿轮变速箱的物理原理来帮助解决其他机器中的这一问题。她说:“该实验是了解现实对撞机变速装置的第一步。”

一个预印本介绍最新的研究成果已经被上传到的arXiv。

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