במאיצי חלקיקים האנרגיה גבוהה מאוד ולכן משתמשים בהסטה מגנטית החזקה יותר מהסטה אלקטרוסטטית. משתמשים בכוח לורנץ: formula_1 המאפשר למספר מגנטים היוצרים את "הסריג" הנחוץ כדי לכופף, לכוון ולמקד אלומת חלקיקים טעונה.
המגנט הארבע קוטבי משמש כדי לאחד ולמקד את אלומת החלקיקים אך יכולת המיקוד שלו תלויה באנרגיה של החלקיק אותו הוא מנסה למקד. כלומר, ככל שאנרגיית החלקיק גבוהה יותר נקודת המיקוד של אותו חלקיק רחוקה ולהפך. לכן, המגנט יכול למקד לאותה נקודה רק חלקיקים באותה רמת אנרגיה.
מאחר שהמגנט הארבע קוטבי אינו ממקד את כל אלומת החלקיקים לאותה נקודה, נחוץ מגנט שש קוטבי אשר יכולת המיקוד שלו תלויה במרחק של החלקיקים ממרכז המגנט שבו הם עוברים וכך אלומת החלקיקים כולה מתמקדת לאותה נקודת מיקוד.
בעיות עם המגנט השש קוטבי.
ישנן מספר בעיות עם המגנט השש קוטבי: השדות השש קוטביים אינם-ליניארים (מה שאומר שהם תלויים בתוצר של התזוזה הרוחבית), והם תלויים גם בהסטה האופקית וההסטה האנכית. זה מוביל לביטויים מתמטים שאי אפשר לחשב ברוב המקרים. דבר שדורש להשתמש בהשערות והערכות כדי לחשב את השפעת המגנט על האלומה. בנוסף, המגנט עלול להעיף חלק מהחלקיקים מהמסלול הקבוע ולהאבד בקירות האלומה - לצאת ממנה. דבר זה מגביל את האזור היציב שהחלקיקים יכולים לנוע בו במאיץ.
פיזיקה של שני פוטונים
פיזיקת שני פוטונים משמשת למחקר של מבנה הפוטון.
פיזיקת שני פוטונים נקראת גם פיזיקת גאמא גאמא. פיזיקה זו היא חלק מפיזיקת חלקיקים, והיא מתארת את האינטראקציה בין שני פוטונים. בדרך כלל קרני אור עוברות אחת דרך השנייה ללא השפעה הדדית.
בתוך תווך אופטי כאשר עוצמת הקרניים גבוהה מספיק הקרניים כן תהיה השפעה, ובריק יש פיזור של קרני אור כמו פיזור של אור בעדשה.
כאשר עוברים סף מסוים של אנרגיית מרכז מסה , יכול ל.
ניסויים.
פיזיקת שני פוטונים נחקרת . שם לא מאיצים את הפוטונים עצמם, אלא חלקיקים אחרים בעלי מטען חשמלי, שכתוצאה מההאצה הם פולטים פוטונים.
עד כה המחקרים הכי מתקדמים נעשו במאיץ ב CERN )European Organization for Nuclear Research).
אם יש שינוי גדול ב- יכולים להתגלות אחד או שני אלקטרונים, תהליך שנקרא תיוג. הגלאים הגדולים במאיץ מתחקים אחר החלקיקים האחרים שנוצרים בהתנגשות, ובכך אפשר לשחזר את תהליך האינטראקציה.
לרוב חוקרים אינטראקציה של פוטונים דרך UPCs)Ultra–Peripheral Collisions) של יונים כבדים, כמו זהב ועופרת. בתהליך זה הנוקליאונים לא נוגעים אחד בשני.
בתהליך זה יוצרים התנגשות של יונים חיוביים חסרי אלקטרונים.
יש שתי דרכים עיקריות בהן יכולים הפרוטונים של היונים להתנגש:
הראשונה - חזיתית.
במקרה זה, כאשר היונים יתנגשו, הכוחות העיקריים שיפעלו יהיה הכוחות בין הקווארקים בפרוטונים. כוח זה הוא ה, והוא משפיע רק במרחקים קטנים מאוד.
הדרך השנייה.
כאשר אין התנגשות חזיתית, אך הפרוטונים חולפים זה על פני זה, ומשפיעים אחד על השני. בגלל המרחק בין הפרוטונים, הכוח החזק לא משפיע. אולם, הכוח החשמלי כן משפיע במרחק זה ובהתנגשות זו הוא הכוח העיקרי. את הכוח החשמלי מעבירים הפוטונים.
זו ההתנגשות הרלוונטית לניסויים שלנו מפני שמטרתנו היא לחקור את התנגשות הפוטונים.
בתהליך UPCs מפני שהיונים כל כך כבדים, יכולות להתרחש שתי אינטראקציות נפרדות. אינטראקציות אלה יכולות להוביל ליצירת שני זוגות של אלקטרון ופוזיטרון.
פיזיקת שני פוטונים יכולה להיחקר ב- LHC) Large Hadron Collider) ב CERN )EuropeanOrganization for Nuclear Research). אינטראקציה בין שני פוטונים נראה לראשונה ב-2016 בגלאי והממצא אושש על ידיי גלאי
בניסוי , התקבלו התוצאות הטובות ביותר בהתנגשות פוטונים. תוצאות אלו עלו על המצופה לפי המודל הסטנדרטי בהתפזרות של פוטונים, דבר המצביע על פיזיקה חדשה. פיזיקה זו כוללת חלקיקים חדשים ובניהם האקסיון, והחיפוש אחר חלקיקים אלו הוא עיקרי בניסוי
תהליכים.
על פי פיזיקת החלקיקים, פוטון ופוטון לא נמשכים זה לזה. אך בתהליך מסוים לא ידוע, פוטון הופך לזוג של פרמיון ואנטי-פרמיון, טעונים . פרמיונים אלו יכולים להיות או לפטונים או קווארקים.
הפוטון השני יכול להתחבר לפרמיון או לאנטי-פרמיון.
ישנם שלושה תהליכי אינטראקציה:
1. מפוטון אחד יכולים להיווצר קווארק ואנטי-קווארק או לפטון ואנטי-לפטון.
2. מפוטון אחד יכולים להיווצר קווארק ואנטי-קוורק שהופכים .
3. שני הפוטונים הופכים לשני ווקטורי מזון, כתוצאה מכך תהיה אינטראקציה בין שני האדרונים.
מנגיש קומפקטי קווי
המנגיש הקומפקטי הקווי הוא קונספט למאיץ חלקיקים קווי העתיד להתממש, אשר יעדו הוא לחקור את אופי ההתנגשויות בין אלומות אלקטרונים לפוזיטרונים. מנגיש זה הוא הפתרון הממשי היחיד למאיץ חלקיקים שיפעל בטווח אנרגטי המגיע מסדר גודל של 10GeV עד לסדר גודל של כ-10TeV. המנגיש עתיד להיבנות לאורכם של 11 עד 50 קילומטרים ולהוות חלק מהרכב המאיצים הפעילים ב-CERN. הצורך במנגיש טמון בעובדה כי כל ניסיון להאיץ אלקטרונים ופוזיטרונים במבנה טבעתי דוגמת ה-LHC יגרום לאובדן של חלק גדול מהאנרגיה שלהם, ולכן קיים צורך במבנה חדש.
ייחודו של המאיץ כולל בתוכו שתי תכונות עיקריות: האחת היא כי המנגיש מאיץ חלקיקים עד להתנגשות עם האנטי-חלקיקים שלהם, דבר שלא נעשה עד כה. התכונה השנייה היא שעקב ההתנגשויות של החלקיקים הנקודתיים, המנגיש צפוי לספק מידע רב על בוזון ההיגס.
מבנה המנגיש.
המנגיש מורכב משני חלקים המהווים תמונת מראה זה של זה. כל חלק מאיץ אלומות חלקיקים ראשיות – אחד פוזיטרונים והשני אלקטרונים. האצת האלומות נעשית בעזרת אלומות מניעות, לאורך מקטעים קוויים. תכונת הקוויות מסייעת במניעת אובדן האנרגיה של אלומות האלקטרונים והפוזיטרונים. לכן, בגלל העובדה שהחלקיקים מואצים בחלקים הקוויים בלבד, ניתן להגיע לתאוצה אופטימלית (עד ל-100MV/m) בהשקעת אנרגיה מינימלית. אנרגיה זו, כמוזכר, מסופקת באמצעות אלומות אלקטרונים מניעות. שתי אלומות החלקיקים המרכזיות נפגשות זו עם זו בסוף ההאצה ובאמצע המנגיש – הגלאי. תפקידו של גלאי זה הוא לזהות התנגשויות ולתעד את המתרחש בהן, בפרט את האנרגיה המשתחררת ממפגש האלקטרון והפוזיטרון.
האצת האלומות המרכזיות.
האצת האלומות המרכזיות (main beams) נעשית באמצעות קרניים מניעות (drive beams), המורכבות מאלקטרונים. האלומות המניעות עוברות בשני מקטעים. במקטע הראשון, כפי שנראה בחלק השחור שבשרטוט, הן מואצות על ידי מאיצים קוויים באורך של 2.5 ק"מ. לאחר מכן, נכנסות האלומות לטבעות השהייה (delay loop) ולטבעות שילוב (combiner ring), שם תדירותן וגודל הזרם מוגברים עד לכ-100 אמפר. אורך המקטע השני הוא כ-140 מטרים וניתן לראותו בשרטוט בתור המקטע הקווי האדום.
משם, האלומות המניעות מומרות באמצעות טכנולוגית CALIFES לתדרי רדיו (RF) המאיצים את האלומות המרכזיות. טכנולוגית ה-CALIFES מיוצגת בשרטוט על ידי התיבות האדומות, מהן יוצאים חצים שחורים, שהם תדירות הרדיו.
הגלאי.
בדומה למנגישים אחרים, הגלאי של המנגיש הקומפקטי הקווי מורכב מארבע שכבות עיקריות: מערכות מעקב, קלורימטרים, גלאי מיואונים וסילונית (סולנואיד). דרך שילוב המידע המתקבל מהשכבות השונות, ניתן לזהות אילו חלקיקים נפלטו במהלך ההתנגשות ומשם להסיק מידע על ההתנגשות ועל החלקיקים שנוצרו בה.
מטרות המנגיש.
למנגיש הקומפקטי הקווי קיימות שתי מטרות עיקריות. המטרה הראשונה, והחשובה ביותר, היא לגלות מידע מדויק יותר לגבי בוזון ההיגס, בזכות התכונות הנקודתיות של האלקטרונים והפוזיטרונים כמוזכר. המטרה השנייה המושגת באמצעות טכנולוגית האצת האלומות היא בדיקת התנהגות top quark באנרגיות גבוהות. התנהגות קווארק זה לא נחקרה עד כה באנרגיות בסדרי גודל אלו.
המנגיש שואף לגלות פיזיקה חדשה, מעבר למודל הסטנדרטי, הן באמצעות הדיוק הגבוה במדידותיו והן באמצעות גילוי ישיר של חלקיקים חדשים. מנגיש זה אמור להציע רגישות מרובה למצבים האלקטרו-חלשים השונים.
תכנון ובנייה.
המנגיש הקומפקטי הקווי הוא המנגיש הקווי הגדול ביותר אשר מתוכנן ועתיד להיבנות. לשם השוואה, המאיץ הקווי של סטנפורד בקליפורניה (SLAC) קטן ממנו פי עשרה. השטח המיועד לבנייתו של המנגיש נמצא על הגבול בין צרפת לשווייץ, בתוך שטחי CERN. בתכנונו של המנגיש השתתפו מעל ל-70 מוסדות מיותר מ-30 מדינות, כולל האוניברסיטה העברית שבירושלים מטעם מדינת ישראל.
המנגיש אמור להחל את פעילותו ב-2035, אותה שנה בה מנגיש ההדרונים הגדול (LHC) אמור להפסיק את פעילותו.
ניסוי UA1
ניסוי UA1 (יוּ איי אחת) - (Underground Area 1- אזור תת-קרקעי 1) הוא גלאי חלקיקים, הנמצא במרכז לחקר פיזיקת חלקיקים CERN.
באמצעות ניסוי זה, וניסוי ה-UA2, התגלו בוזון Z ובוזון W, נשאי הכוח של הכוח החלש. על התרומה לניסוי ומציאת הבוזונים זכו קרלו רובייה וסימון ואן דר מיר בפרס נובל לפיזיקה.
ניסוי UA1 קיבל את שמו מכך שהיה הניסוי התת-קרקעי הראשון ב-CERN. הוא ממוקם מחוץ לשני אתרי cern המרכזיים, בנקודת חיבור על מאיץ הסופר פרוטון סינכרונטרון (SPS) אשר בין השנים 1981 ל־1991 שודרג למאיץ סופר פרוטון-אנטיפרוטון סינכרונטרון ( המאיץ פרוטונים ואנטי- פרוטונים אשר מתנגשים במיקומו של הגלאי UA1.