Ускорители элементарных частиц

    Встречные  пучки состоят из отдельных  сгустков частиц, называемых банчами (от англ. bunch), двигающихся с определенным интервалом (частотой) друг за другом. Рассмотрим два цилиндрических банча одинакового сечения, летящих навстречу друг другу и затем сталкивающихся (рис. 2). Будем считать, что банчи равномерно заполнены частицами и при столкновении полностью перекрываются. В левом банче n₁ частиц, а в правом n₂. Вначале положим, что на орбите коллайдера банчи сталкиваются один раз в единицу времени. Число взаимодействий N₁ в единицу времени между частицами этих двух банчей (т. е. число актов реакций в единицу времени) можно вычислить по следующей формуле, приняв левый банч за частицы-снаряды, а правый - за мишень: N = jnSl = (n₁/S)n₂ , где   – эффективное сечение взаимодействия. Здесь учтено, что плотность потока падающих на правый банч частиц левого банча j = n₁/S, а полное число частиц в правом банче (принятом в качестве мишени) n₂ = nSl, где n - концентрация частиц в правом банче. Если банчи сталкиваются f раз в единицу времени (то есть с частотой f), то число актов реакции N будет даваться выражением N = f(n₁n₂/S) = L , где L = f(n₁n₂/S) и есть светимость коллайдера.

     Перечень  основных коллайдеров дан в таблице:

       Крупнейшие современные центры, предназначенные для исследования  физики элементарных частиц, представляют  собой многоцелевые комплексы  из нескольких ускорителей, функционально  связанных между собой. Хорошим  примером такого ускорительного  комплекса является ЦЕРН, расположенный в Женеве. Схема комплекса приведена на рис. 3. Траектория протонов p (и тяжёлых ионов свинца Pb) начинается в линейных ускорителях (в точках p и Pb, соответственно). Затем частицы попадают в бустер протонного синхротрона (PS), через него — в протонный суперсинхротрон (SPS) и, наконец, непосредственно в туннель БАК.

     Детекторы TOTEM и LHCf, отсутствующие на схеме, находятся рядом с детекторами CMS и ATLAS, соответственно.

     Самым крупным ускорителем этого комплекса  является Большой Адронный Коллайдер (LHC – Large Hadron Collider), на котором будут сталкиваться пучки ускоренных до энергии 7 ТэВ протонов, а также ядра свинца. Этот ускоритель сооружается в подземном кольцевом туннеле (его периметр 26.7 км) на месте другого недавно действовавшего крупнейшего е⁺е^- - коллайдера LEP - Large Electron Positron (Collider), ускорявшего электроны и позитроны до энергии 101 ГэВ.  
    Для инжекции протонов и ионов в LHC используется ускоритель SPS (Super Proton Synchrotron), на выходе которого протоны имеют энергию около 450 ГэВ. Его периметр 6.9 км и он расположен под землей на глубине 50 м. В SPS тяжелые частицы поступают от протонного синхротрона PS , в который в свою очередь протоны и ионы попадают из бустера (ускорителя-инжектора) “Изольда”.