Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP)

Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP, Large Electron-Positron Collider) — это один из крупнейших ускорителей элементарных частиц в истории, построенный в ЦЕРНе (Европейская организация по ядерным исследованиям) и работавший с 1989 по 2000 год. LEP был создан для изучения фундаментальных свойств материи и взаимодействий, в частности, для проверки предсказаний Стандартной модели физики элементарных частиц.

 

Основные характеристики LEP

1. Тип ускорителя: Кольцевой коллайдер, в котором сталкивались пучки электронов и позитронов.

2. Энергия пучков: На начальном этапе энергия каждого пучка составляла около 45 ГэВ, что позволяло достигать энергии столкновений до 90 ГэВ. Впоследствии энергия была увеличена до 104,5 ГэВ на пучок (209 ГэВ в системе центра масс).

3. Длина окружности: Около 27 километров (тот же туннель позже был использован для Большого адронного коллайдера, LHC).

4. Местоположение: Подземный туннель на границе Швейцарии и Франции, близ Женевы.

 

Основные цели LEP

1. Изучение Z-бозона:

   • LEP был оптимизирован для производства и изучения Z-бозона — нейтрального калибровочного бозона, отвечающего за слабое взаимодействие.

   • На энергии около 91 ГэВ (масса Z-бозона) наблюдались резонансные пики, что позволило с высокой точностью измерить массу и ширину Z-бозона.

   • Были изучены распады Z-бозона на различные пары частиц (например, $Z\to e^{+}{e}^{-}$, $Z\to {\mu }^{+}{\mu }^{-}$, $Z\to {\tau }^{+}{\tau }^{-}$, $Z\to q\bar{q}$).

2. Изучение W-бозонов:

   • На более высоких энергиях (выше 160 ГэВ) LEP начал производить пары W-бозонов ($W^{+}{W}^{-}$), что позволило измерить их массу и свойства.

   • Изучение распадов W-бозонов помогло проверить предсказания Стандартной модели.

3. Поиск хиггсовского бозона:

   • LEP проводил поиски хиггсовского бозона, предсказанного Стандартной моделью. Хотя сам бозон не был обнаружен, были установлены ограничения на его массу (менее 114 ГэВ).

4. Проверка Стандартной модели:

   • LEP провел множество прецизионных измерений, которые подтвердили предсказания Стандартной модели с высокой точностью.

   • Были изучены процессы, такие как рождение адронов, лептонов и фотонов в электрон-позитронных столкновениях.

 

Детекторы LEP

На LEP было установлено четыре основных детектора, каждый из которых специализировался на различных аспектах физики элементарных частиц:

1. ALEPH (Apparatus for LEP Physics):

   • Изучал распады Z- и W-бозонов, а также проводил поиски хиггсовского бозона.

2. DELPHI (Detector with Lepton, Photon and Hadron Identification):

   • Сосредоточился на изучении свойств частиц, включая идентификацию лептонов, фотонов и адронов.

3. L3:

   • Исследовал электромагнитные и адронные процессы, а также изучал свойства фотонов и лептонов.

4. OPAL (Omni-Purpose Apparatus at LEP):

   • Проводил многоканальные исследования, включая изучение распадов Z- и W-бозонов.

 

Основные достижения LEP

1. Точные измерения параметров Z-бозона:

   • Масса Z-бозона была измерена с точностью до 0,002%.

   • Ширина Z-бозона и его распады были изучены с высокой точностью, что подтвердило предсказания Стандартной модели.

2. Подтверждение существования трех поколений нейтрино:

   • Измерения ширины распада Z-бозона позволили установить, что существует ровно три типа легких нейтрино (электронное, мюонное и тау-нейтрино).

3. Изучение W-бозонов:

   • Масса W-бозона была измерена с высокой точностью, что также подтвердило Стандартную модель.

4. Ограничения на массу хиггсовского бозона:

   • LEP установил нижний предел массы хиггсовского бозона (114 ГэВ), что помогло в его последующем открытии на LHC.

 

Завершение работы LEP

В 2000 году LEP был остановлен, чтобы освободить туннель для строительства Большого адронного коллайдера (LHC). Несмотря на то, что LEP не обнаружил хиггсовский бозон, его данные сыграли ключевую роль в подготовке к его поискам на LHC.

 

Наследие LEP

• LEP стал важным этапом в развитии физики элементарных частиц, подтвердив Стандартную модель с беспрецедентной точностью.

• Технологии и методы, разработанные для LEP, были использованы в последующих экспериментах, включая LHC.

• Данные, собранные LEP, до сих пор используются для уточнения параметров Стандартной модели и поисков новой физики.

Таким образом, LEP оставил огромный вклад в понимание фундаментальных законов природы и подготовил почву для новых открытий в физике высоких энергий.