В Большом адронном коллайдере запустили новый монитор для наблюдения за пучками частиц

Установленный на БАК монитор Beam Gas Curtain. Автор: CERN / Maximilien Brice

Новый диагностический инструмент для пучков частиц, разработанный исследователями из группы QUASAR Ливерпульского университета, был одобрен для использования в Большом адронном коллайдере (БАК) — самом мощном в мире ускорителе частиц.

Новое устройство, известное как монитор «Газовая завеса» (Beam Gas Curtain, BGC), решает одну из самых сложных задач в современной физике ускорителей: измерение свойств пучков частиц очень высоких энергий без их возмущения.

Теперь оно допущено к непрерывной работе (около 2000 часов в год).

Монитор BGC был задуман, разработан и усовершенствован в течение десятилетия в группе QUASAR, которая является частью физического факультета университета и Института Кокрофта.

Разработкой технологии на протяжении почти 20 лет руководил профессор Карстен П. Вельш, глава группы QUASAR.

Он заявил: «Это огромное достижение для нашего сотрудничества. Видеть, как устройство, начавшееся как концепция, исследуемая несколькими поколениями наших аспирантов, теперь работает в сердце БАКа, — поистине вдохновляюще. Это демонстрирует силу долгосрочных инноваций, командной работы и настойчивости».

Как работает «Газовая завеса»

В статье, опубликованной в журнале Physical Review Research, команда из Ливерпуля и их коллабораторы из GSI и ЦЕРНа сообщают о первых в истории полномасштабных, неинвазивных измерениях эмиттанса пучка на БАКе с использованием техники «Газовой завесы».

Инструмент работает, создавая ультратонкий, сверхзвуковой поток газа неона — «завесу», — которая взаимодействует с циркулирующим пучком протонов или ионов свинца. Возникающие слабые вспышки флуоресцентного света улавливаются сложной оптической системой, раскрывая точную информацию о размере и качестве пучка на протяжении всего цикла ускорения.

В отличие от существующих инструментов, которым требуется специальное время для калибровки или которые прерывают нормальную работу, BGC может непрерывно отслеживать профиль и эмиттанс пучка от инжекции при 450 ГэВ до максимальной энергии БАКа в 6,8 ТэВ — и всё это во время проведения физических экспериментов.

Тестирование, интеграция и влияние на будущее

Система прошла всесторонние испытания в Институте Кокрофта перед установкой в ЦЕРНе. Её производительность превзошла ожидания, обеспечивая высокоточные неинвазивные измерения как для протонных пучков, так и для пучков тяжёлых ионов.

Статья в Physical Review Research показывает, что результаты хорошо согласуются с независимой диагностикой БАКа, такой как телескоп синхротронного излучения пучка и сканирование эмиттанса на экспериментах ATLAS и CMS.

«То, что наш монитор теперь полностью интегрирован в ежедневную работу БАКа, — это настоящий момент "вау"», — сказал доктор Хао Чжан, заместитель руководителя группы QUASAR. — Это кульминация многолетней разработки, от исследований вакуумной совместимости и оптического дизайна до интеграции программного обеспечения и ввода в эксплуатацию на месте».

Теперь, когда BGC утверждён в качестве постоянной части инструментарии БАКа для диагностики пучков, он прокладывает путь для аналогичных систем на других крупных исследовательских объектах, включая Европейский источник спалляции в Швеции, Электрон-ионный коллайдер в США и даже для применений в медицинских ускорителях.

«Это достижение показывает, как инновации, рождённые в университетах, могут напрямую формировать инструменты, которые поддерживают работу крупнейших в мире научных приборов», — добавил профессор Вельш. — Это очень гордый момент для Ливерпуля и для всех студентов и исследователей, которые внесли свой вклад в это замечательное путешествие».

Больше информации: O. Sedlacek et al, Full-cycle, noninvasive emittance monitoring with the beam gas curtain monitor at the LHC, Physical Review Research (2025). DOI: 10.1103/5ggy-f8lm

Источник: University of Liverpool