Специалисты научились сжимать пучки лучше, чем в прошлом году

Схематичное поведение протонного пучка в области его фокусировки. При хорошей фокусировке (вверху) пучок удается сжать до маленького размера в поперечном направлении, но из-за этого он вновь расходится уже на небольшом удалении от фокуса. Это расхождение описывается числом β*, которое показывает, на каком расстоянии от фокуса поперечное сечение пучка возрастает вдвое. При плохой фокусировке (внизу) параметр β* значительно больше, чем при хорошей. Хорошая фокусировка позволяет получить высокую концентрацию протонов (показана оттенками красного) в точке пересечения пучков. Рис. И. Иванова

В настоящее время в Большом адронном коллайдере продолжается проверка и настройка всех подсистем, управляющих поведением пучков. Одним из главных достижений прошедшей недели стало то, что специалисты научились сжимать протонные пучки в месте столкновений существенно лучше, чем в прошлом году. Это важный шаг на пути к дальнейшем повышению светимости коллайдера и, как следствие, — набору достаточного количества интересной информации в ближайшие два года.

Напомним, как вообще ведут себя протонные пучки в ускорителе. Движением сгустков протонов, летающих внутри ускорительного кольца, управляет сложная система из разнообразных магнитов. Она не только поворачивает протоны, но и расширяет или сжимает сгусток протонов в поперечном направлении. Самая главная фокусировка производится непосредственно перед детекторами (см. иллюстрацию на страничке Протонные пучки). Благодаря ей концентрация протонов в месте пересечения встречных пучков возрастает, и резко повышается вероятность протон-протонных столкновений при каждом пролете сгустков друг сквозь друга. Поэтому хорошая фокусировка пучков важна для достижения высокой светимости.

Специалисты характеризуют фокусировку пучков с помощью численного параметра β* (beta*). Это такая длина, пройдя которую сфокусированный пучок расплывется ровно в два раза по площади (то есть диаметр увеличивается в √2 раз). Хорошая фокусировка отвечает маленькому значению β*, плохая — большому.

Для удобства визуализации эти две ситуации схематично показаны на рисунке. Заметьте, что при хорошей фокусировке пучок удается сжать до маленьких поперечных размеров (и значит, до высокой концентрации протонов), но он после этого быстро разойдется вновь.

Проектное значение параметра β* составляет 0,55 метра. Самые первые столкновения протонов на LHC происходили при β* = 11 метров. Затем пучки стали специально сжимать, и значение β* уменьшилось примерно до 2,5 метров без потери стабильности. И вот на прошлой неделе после серии тренировок специалисты научились уменьшать это значение до 1,5 метров, причем довольно быстро и за один заход. (Это, кстати, тоже важно — если в ходе экспериментов тратить слишком много времени на подготовку пучков на каждом цикле работы, остается меньше времени непосредственно на столкновения.) Текущее значение этого параметра при столкновении внутри всех четырех детекторов можно отслеживать в реальном времени на онлайн-мониторе LHC Configuration. Внутри детектора ALICE сильная фокусировка не производится, так что там β* не опускается ниже 10 метров.