О  скоростях протонов в ускорителе HERA

Согласно новой релятивистской теории пространства-времени (НРТПВ) элементарные частицы  (протоны, электроны) высоких энергий должны двигаться со скоростями, превышающими скорость света в вакууме. На современных ускорителях элементарных частиц достигнуты чрезвычайно высокие энергии частиц, но об обнаружении сверхсветовых скоростей у частиц высоких энергий до сих пор нигде не сообщалось. Возможными причинами этого являются:

1) Из-за того, что движение частиц со сверхсветовой скоростью запрещено специальной теорией относительности (СТО), экспериментаторы разгоняют частицы только до скоростей, не превышающих скорость света в вакууме.

2) Экспериментаторы давно уже разгоняют частицы до сверхсветовых скоростей, но, вследствие запрета со стороны СТО на движение со сверхсветовой скоростью, эти сверхсветовые скорости до сих пор не обнаружены.

3) Сверхсветовых скоростей движения не существует, НРТПВ ошибочна и от нее нужно отказаться.

Поэтому давайте проанализируем все эти возможности в указанном выше порядке на примере протонного ускорителя HERA.

В  файле http://www-hera-b.desy.de/subgroup/detector/target/documents/stalk_hd_nov_2000.ps.gz (который мы далее будем называть "файлом Baki") приведена информация из дипломного проекта Georg Baki "The Time Structure of the Interaction Rate at HERA-B (Временная структура частоты взаимодействия в HERA-B)", касающаяся работы ускорителя HERA, и которая частично воспроизведена ниже.

Протонный ускоритель  HERA (Hadron Electron Ring Accelerator) на энергию протонов, якобы равную   920 ГэВ, является первым электрон-протонным колайдером в мире. Его расположение на местности   показано на рис. 1. 

Рис. 1.  Ускоритель HERA c предускорителями (стр. 7 из файла Baki).

Строительство ускорителя HERA происходило с мая 1984 года по ноябрь 1990 года. Ввод в эксплуатацию ускорителя HERA  произошел в 1991 году.

Периметр ускорителя равен 6336 м и составлен из четырех  90-градусных дуг   окружности радиусом 779 м, между которыми вставлены  отрезки прямой линии длиной по 360 м. Тунель ускорителя HERA расположен на глубине 10 - 25 м под землей. Внутренний диаметр туннеля равен 5,2 м. Вдоль периметра ускорителя имеется четыре экспериментальных зала. Каждый из залов имеет размер 25 х 43 м.    Два накопительных кольца для электронов (е) и протонов (р) смонтированы друг над другом. Магниты электронного накопительного кольца (нижнее) выполнены из обычных проводников и работают при комнатной температуре.  Магниты протонного накопительного кольца (верхнее) выполнены из сверхпроводников и работают при температуре 4,4 градуса Кельвина (-269 градусов Цельсия).

В  ускорителе HERA  протоны разгоняются последовательно в следующих   ускорителях:

1. Линейный ускоритель протонов LINAC III длиной 32 м, ускоряющий протоны до кинетической энергии W=50 МэВ (полная энергия протонов Е = Ео + W = 0,988 ГэВ, где Eo = 0,938 ГэВ - энергия покоя протона).

2. Синхротрон DESY III, параметры которого  приведены в первой ссылке (rftabledesy3.ps) страницы http://desyntwww.desy.de/~minty/default_desy3.htm .  Синхротрон DESY III ускоряет протоны от кинетической энергии 50 МэВ якобы до энергии 7,5 ГэВ.

3. Синхротрон PETRA II. Он якобы ускоряет протоны от энергии 7,5 ГэВ до энергии 40 ГэВ.

4. Синхротрон HERA-Р. В ускоритель HERA-Р  протоны инжектируются якобы при энергии около 40 ГэВ и ускоряются якобы до энергии 920 ГэВ.

ЗАМЕЧАНИЕ: Ни в одной таблице справочных сведений о параметрах синхротронов  DESY III, PETRA II и HERA-P  не приводятся значения индукции магнитного поля поворотных магнитов этих ускорителей.

В некоторых статьях говорится, что индукция поперечного магнитного поля в процессе инжекции протонов в ускоритель HERA-Р имеет значение 0,2667 Тесла, а в конце цикла ускорения  индукция поперечного магнитного поля, удерживающего протоны на орбите, равна 4,7 Тесла.

Структура протонных банчей в ускорителе HERA

Рис. 2.  Схема протонных банчей в ускорителе HERA (стр. 7 из файла Baki).

Ниже дано описание заполнения орбиты ускорителя HERA протонными банчами, приведенное Алексеем Соколовым в процессе дискуссии на форуме по статье Мамаева  А. В. "Старая физика доживает свои последние дни" в научно-популярном интернет-журнале "Membrana" (см. стр. 69 форума, запись 27 октября в 20:21).

"Длина орбиты HERA равна  6336 м. Частота ускоряющего напряжения равна 52,05 МГц в режиме ускорения и сумме 52,05 МГц и 208,2 МГц в режиме накопительного кольца (то есть разогнали при 52,05 МГц, потом добавили еще 4-ю гармонику и держим). При инжнекции в ускоритель (когда он работает еще на частоте 52,05 МГц) кратность ускорения (то есть отношение частоты поля к "предполагаемому " периоду обращения пучка) составляет 1100. Таким образом образуется 1100 "ячеек" куда можно инжектировать 1100 банчей, которые будут устойчиво ускоряться. Однако заполняется только каждая первая из пяти  ячеек. Делается это специально, чтобы впоследствии длина банча была намного короче расстояния между ними (чтобы увеличить скважность, если хотите). Если быть точным (вот тут весь и фокус!),  ускоритель наполняется не 220-мя банчами, как можно было бы, а 180 банчами. И заполняется по следующей схеме: Сперва идет цепочка из 10 банчей, с расстоянием между банчами 96нс (96нс = 5/52,05 МГц), то есть как и положено, заполнен каждый первый из пяти банчей. Нарисуем это вот так: *----*----*----*----*----*----*----*----*----*----, где "*" - банч, а "-" - это пустая ячейка, период  которой равен 1/52,05 МГц = 19,2123 нс. Потом идет ПУСТОЙ промежуток в 5 ячеек, где мы могли бы разместить еще один банч (согласно нашей стратегии заполнения каждой первой ячейки из пяти). Теперь нарисуем все это дело так: ББББББББББ_ - 10 банчей и промежуток после них, где "Б" = "*----" есть 1 банч и 4 пустых ячейки после него, а "_" = "0----" есть 5 пустых ячеек, причем нулем отмечено место, где мог бы быть еще один банч, то есть "0" тоже самое что и "-" - та же пустая ячейка. Такая штука называется "вагон". Обозначим ее как "В", т.е. "ББББББББББ_"= "В". Один вагон содержит 10 банчей. Далее из 6 вагонов собирается "поезд". При этом  это официальная терминология. Итак, "поезд" = "ВВВВВВ" = 6 вагонов по 10 банчей в каждом, т. е. 60 банчей в одном "поезде". После поезда следует промежуток в 25 пустых ячеек, где можно было бы разместить еще 5 банчей. То есть за поездом следует "0----0----0----0----0----" или все равно что "_ _ _ _ _", или  обозначим этот промежуток короче как "GAP" . Всего орбита протонного ускорителя HERA заполняется тремя такими поездами. То есть, как раз получается 180 банчей. Вот так: 1поезд(GAP)2поезд(GAP)3поезд. Ну а что же между третьим и первым поездом? Там пусто - промежуток в 75 ячеек или 1,5 мкс. Полная схема такая:  1поезд(GAP)2поезд(GAP)3поезд(GAP)(GAP)(GAP). Может быть картиночка, показанная на рис. 2, поможет разобраться.  То есть суть в том, что шаблон заполнения ускорителя очень несимметричный.

Теперь ВОПРОС: что же мы видим в реальности? Видим ли мы этот промежуток в ~1,5 мкс, 3 поезда, вагоны, отдельные банчи и т.д.?

ОТВЕТ: Прекрасно видим! Рассказываю как именно. На этом ускорителе проводится эксперимент HERA-B с неподвижной мишенью. За мишенью стоят, помимо всего прочего, сцинтиляционные годоскопы, которые фиксируют прохождение через них заряженных частиц с разрешением по времени около 1нс. Заряженные частицы появляются при реакциях протонов пучка с мишенью эксперимента.  Время возникновения вспышки фиксируется с помощью счетчика на кварцевом генераторе - в момент прихода импулься записывается текущее число на счетчике (период счетчика, кажется, доли наносекунды, как я помню). При прохождении одного банча возникает в среднем 5 реакций, а частиц и треков от них - десятки и сотни, так что если реакция произошла, то годоскопы точно ее засекут. Результаты этих измерений можно найти в файле Baki, страница 9."

Структура банчей согласно файлу Baki

В файле Baki говорится, что с помощью радиочастотной системы ускорителя банчи   ускоряются и сжимаются. 

Рис. 3.  Измеренная структура банчей (стр. 9 из файла Baki).

На рис. 3 а) и с)   приведена структура банчей в ускорителе HERA.   В файле Baki говорится, что   инжекция протонов производится при частоте поля, равной 52 МГц, а в процессе ускорения протонов амплитуда частоты 208,2 МГц увеличивается, а амплитуда частоты 52 МГц уменьшается (см. стр. 8   файла Baki ). Структура банчей в ускорителе HERA приведена также на рис. 4.  (см. стр. 15 файла Baki)

Рис. 4.  Первые два главных банча и субструктура (стр. 15 из файла Baki).

При этом  так называемые "боковые банчи" (side bunches), показанные на рис. 4 выше, приведены в файле Baki и дальше на рис. 5.

Рис. 5.  Спектр на выходе преобразователя "время-цифра" 4-й  пары счетчиков (стр. 21 из файла Baki ).

Но ни о каком обнаружении сверхсветовых скоростей на ускорителе HERA  до сих пор нигде не сообщалось.

Прежде всего рассмотрим, как формируется структура банчей, изображенная на рис. 3, согласно специальной теории относительности (СТО).

1. Работа цепочки укорителей LINAC-III - DESY-III - PETRA-II - HERA-P согласно СТО

Характеристики этих  ускорителей:

1) Линейный ускоритель протонов LINAC III длиной 32 м, ускоряющий протоны до кинетической энергии W=50 МэВ (полная энергия протонов Е = Ео + W = 0,988 ГэВ, где Eo = 0,938 ГэВ - энергия покоя протона).

2) Синхротрон DESY III, параметры которого  приведены в первой ссылке (rftabledesy3.ps) страницы http://desyntwww.desy.de/~minty/default_desy3.htm . Некоторые из этих параметров, важные для нас, приведены ниже в Таблице 1.

3) Синхротрон PETRA II, параметры которого приведены ниже в Таблице 2.

4) Синхротрон HERA-Р, параметры которого приведены ниже в Таблице 3.

ЗАМЕЧАНИЕ: Ни в одной таблице справочных сведений о параметрах синхротронов  DESY III, PETRA II и HERA-P  не приводятся значения индукции магнитного поля поворотных магнитов этих ускорителей.

Прежде всего протоны ускоряются в линейном ускорителе LINAC-III до кинетической энергии 50 МэВ. Поскольку энергия покоя протона равна Ео = 938 МэВ, то полная энергия протонов, имеющих кинетическую энергию 50 МэВ, будет равна Е = 988 МэВ = 0,988 ГэВ. Согласно формуле из СТО Е = Ео/sqrt(1 - V^2/Co^2) для зависимости полной энергии протона от его скорости при полной энергии протона, равной Е=0,988 ГэВ, скорость протона будет равна V/Co = 0,3141.

Разогнанные до скорости V/Co = 0,3141 в линейном ускорителе LINAC-III протоны (их кинетическая энергия при такой скорости равна 50 МэВ) запускаются в синхротрон DESY-III.

Параметры синхротрона DESY-III приведены ниже в Таблице 1.

Таблица 1. Параметры синхротрона DESY-III и пучка протонов в нем

Один банч протонов, имеющих скорость V/Co = 0,3141, при длине орбиты DESY-III, равной L=316,8 м, будет двигаться с периодом обращения T = L/V = 316,8/(0,3141*3*10^8) = 3364,23 нс или с частотой обращения F_rev = 297,245 кГц. При этом частота ускоряющего поля равна 3,27 МГц, а период ускоряющего поля равен То = 305,8нс. Поскольку Т/To = 3364,23/305,8 = 11, то на орбиту синхротрона DESY-III перед началом ускорения можно инжектировать 11 протонных банчей. Но практически из LINAC-III в DESY-III инжектируется не 11 банчей, а 10 банчей (чтобы получить структуру банчей, изображенную выше на рис.3).

После инжектирования на орбиту синхротрона DESY-III всех 10 банчей из линейного ускорителя LINAC-III в синхротроне DESY-III образуется "вагон" банчей. Протонные банчи этого вагона   движутся с той же скоростью V/Co = 0,3141, но междубанчевый временной промежуток в 11 раз меньше периода обращения одного "вагона" (то есть этот междубанчевый промежуток времени равен периоду ускоряющего поля 305,8нс). Расчет индукции магнитного поля поворотных магнитов для этого этапа по формуле из СТО В =(m_o·V·Г) / (e_o·R)   (при радиусе орбиты R = 50,42 м, скорости  V/Co = 0,3141, m_o = 1,67·10^-27  кг - масса покоя протона,  e_o = 1,6 ·10^{- 19} Кл - заряд протона) дает значение В =  0,0205 Тесла.

Затем начинается процесс ускорения протонов "вагона" в синхротроне DESY-III. В процессе этого ускорения частота ускоряющего поля плавно увеличивается до значения F_rf = 10,3289 МГц  и одновременно с увеличением частоты ускоряющего поля плавно увеличивается индукция магнитного поля. При  частоте ускоряющего поля F_rf = 10,3289 МГц его период равен T_rf= 1/F_rf = 96,82 нс. Период обращения "вагона"   протонных банчей при этом будет в 11 раз больше периода ускоряющего поля, и будет равен 1065 нс. При таком периоде обращения скорость "вагона" протонов будет равна V/Co = 0,9922. При такой скорости индукция магнитного поля поворотных магнитов  согласно СТО должна быть равна В =  0,4940 Тесла.

Разогнанный  в синхротроне DESY-III до скорости V/Co = 0,9922  "вагон" протонов (их полная  энергия при такой скорости равна 7,525 ГэВ, поскольку гамма-фактор Лоренца при такой скорости равен Г =8,022) запускаются в синхротрон PETRA-II. И таких "вагонов" из DESY-III в PETRA-II запускается ровно 6 штук.

Интересующие нас параметры синхротрона PETRA-II приведены ниже в Таблице 2.

Таблица 2. Параметры синхротрона PETRA II и пучка протонов в нем

Вагон протонов, движущийся со скоростью V/Co = 0,9922 по орбите синхротрона PETRA-II длиной 2304 м, имеет период обращения To=L/V = 2304/(0,9922*2,998*10^8)=7746нс (частота обращения 129,1 кГц). Радиус кривизны орбиты протонов равен 191,73м. При такой скорости и таком радиусе индукция магнитного поля поворотных магнитов синхротрона PETRA-II должна согласно СТО быть равна В = 0,1286 Тесла.

На орбиту инжектируется ровно 6 вагонов банчей, один за другим.

После этого "поезд" протонов, состоящий из 6 вагонов, ускоряется в синхротроне PETRA-II до кинетической энергии каждого протона, равной  Е = 40 ГэВ. При такой полной энергии протона гамма-фактор Лоренца будет равен Г=42,644. Такому гамма-фактору соответствует скорость "поезда", равная V/Co = 0,999725.  При такой скорости и радиусе орбиты R=191,73м индукция магнитного поля поворотных магнитов должна  согласно СТО быть равна В = 0,69624 Тесла.

После ускорения "поезд" протонных банчей инжектируется в синхротрон HERA-P. И таких "поездов" из синхротрона  PETRA-II в синхротрон HERA-P инжектируется ровно три штуки.

Параметры синхротрона HERA-P приведены ниже в Таблице 3.

Таблица 3. Параметры синхротрона HERA-P и пучка протонов в нем

Поезд протонов, движущийся  со скоростью V/Co = 0,999725, по орбите синхротрона HERA-P длиной L=6336м имеет период обращения, равный To=L/V = 6336/(0,999725*2,998*10^8)=21,140 мкс (частота обращения 47,3 кГц). Индукция магнитного поля поворотных магнитов синхротрона HERA-P должна согласно СТО быть равна В = 0,17125 Тесла.

На орбиту инжектируется 3 таких поезда   с интервалом между поездами, равным 5*96нс=480нс.

После этого 3 "поезда" протонов ускоряются в синхротроне HERA-P до значения кинетической энергии каждого протона, равного Е = 920 ГэВ. При такой полной энергии протона гамма-фактор Лоренца будет равен Г=980,81. Такому гамма-фактору соответствует скорость, равная V/Co = 0,99999948.  При такой скорости и радиусе орбиты R=779 м индукция магнитного поля поворотных магнитов должна  согласно СТО быть равна В = 3,9398 Тесла.

Именно так согласно СТО формируется структура протонных банчей, изображенная на рис. 3.

2. Возможно ли, что при справедливости НРТПВ скорости протонов в ускорителях HERA никогда НЕ превышают скорость света в вакууме?

Сначала мы рассматриваем возможность того, что из-за запрета  движения частиц со сверхсветовой скоростью со стороны СТО, экспериментаторы разгоняют частицы только до скоростей, не превышающих скорость света в вакууме. В этом разделе мы считаем, что скорости движения протонов, не превышающие скорость света в вакууме Со, являются физически измеримыми скоростями движения протонов, которые в НРТПВ обозначаются латинской буквой u.

Разбираться нужно со всей цепочкой ускорителей, подающей протоны на орбиту  ускорителя HERA-p длиной 6336 м.

Формирование банчевой структуры цепочкой ускорителей
LINAC III - DESY III - PETRA II - HERA-Р согласно НРТПВ если предположить, что скорости протонов не превышают скорость света в вакууме

Рассмотрим , как формируется изображенная на рис. 2 структура банчей в цепочке ускорителей LINAC III - DESY III - PETRA II - HERA-Р в предположении, что НРТПВ справедлива, но протоны разгоняются до скоростей, не превышающих скорость света в вакууме Со.

Формирование 10-банчевого "вагона" в синхротроне DESY III

Осуществив ровно 10 инжекций протонов из линейного ускорителя LINAC III, в синхротроне DESY III формируется так называемый "вагон" банчей, имеющий 10-банчевую структуру вида *----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0----, где звездочка (*) обозначает наличие протонного банча, а тире (-) или ноль (0) обозначают отсутствие протонного банча, а каждое знакоместо представляет из себя ячейку, в которую (в принципе) может быть помещен протонный банч.

Таблица 1а. Параметры синхротрона DESY III и пучка протонов в нем

Эта 10-банчевая структура *----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0---- "вагона" формируется на орбите ускорителя DESY III так. 

Сначала в синхротрон DESY III запускается один банч протонов с кинетической энергией 50 МэВ, движущийся со скоростью 0,3141·Со. Разделив длину орбиты L=316,8 м (см. табл. 1) на скорость движения банча протонов 0,3141·Со (соответствующую кинетической энергии протонов, равной 50 МэВ), получим период обращения этого банча по орбите ускорителя DESY III, равный 3367 нс. При частоте ускоряющего поля, равной 3,26 МГц, период этого ускоряющего поля равен 305,8 нс, т.е. в 11 раз меньше периода обращения банча по орбите ускорителя DESY III. Разделив период обращения протонного банча в 3367 нс на период ускоряющего поля в 305,8 нс, получим так называемую кратность ускорения  для DESY III, равную 11.

Затем к существующему уже банчу в 1-ой ячейке из линейного ускорителя LINAC III запускается поочередно еще 9 банчей в ячейки с номерами 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10 так, что между двумя соседними банчами образуется временной промежуток, равный 305,8 нс.   В одиннадцатую ячейку банч не инжектируется.

В результате инжекции десяти банчей в первые 10 ячеек на орбиту DESY III и образуется указанная структура протонных банчей *----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0----, которая движется по орбите со скоростью 0,3136·Со.

Итак, чтобы получить 10-банчевую структуру *----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0---- протонов в ускорителе DESY III, необходимо осуществить ровно 10 инжекций протонов из линейного ускорителя LINAC III. После инжекции последнего (десятого) банча протонов на орбиту ускорителя DESY III промежуток времени между моментами прохода каждым из банчей одной и той же точки орбиты равен 305,8 нс.

Затем синхротрон DESY III переводится в режим ускорения этих банчей до скорости протонов, равной 0,9922·Со.  В процессе ускорения частота ускоряющего поля плавно изменяется от 3,27 МГц до 10,3289 МГц, а индукция магнитного поля в поворотных магнитах плавно увеличивается от минимального значения в начале цикла ускорения до максимального значения в конце цикла ускорения. При этом период обращения этой 10-банчевой структуры по орбите синхротрона DESY III плавно уменьшается от значения 3367 нс  в начале цикла ускорения до значения 1065 нс в конце цикла ускорения (когда  протоны достигают скорости, равной 0,9922·Со). Временную продолжительность одной ячейки (междубанчевый временной промежуток) после ускорения можно определить, если разделить период обращения структуры в 1065 нс на 11. Получим междубанчевый временной промежуток 96,82 нс.

После ускорения  протонов до скорости 0,9922·Со эта 10-банчевая структура с междубанчевым временным промежутком, равным 96,82 нс, инжектируется   в синхротрон PETRA II.

И таких 10-банчевых "вагонов" инжектируется из DESY III на орбиту PETRA II ровно 6 штук.

Рассмотрим теперь, что происходит с протонами в синхротроне PETRA II.

Формирование "поезда" из 6  "вагонов" в синхротроне PETRA II

Сначала в ускоритель PETRA II инжектируется первый "вагон" банчей со структурой *----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0----, движущийся со скоростью 0,9922·Со (именно до такой скорости протоны были разогнаны в ускорителе DESY III).

Таблица 2а. Параметры синхротрона PETRA II и пучка протонов в нем

При  скорости 0,9922·Со "вагон" протонов движется по орбите синхротрона PETRA II (длиной L=2304 м) с периодом, равным 7740 нс. Междубанчевый промежуток времени внутри "вагона" по-прежнему равен 96,82 нс.

Период ускоряющего поля в синхротроне PETRA II равен 19,21 нс (1/52,05 МГц). Разделив период обращения 7740 нс на период ускоряющего поля 19,21 нс, получим 403 ячейки. Первые 55 ячеек (из всех 403 ячеек) занимаются первым "вагоном", имеющим структуру   *----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0---- .

Затем из синхротрона DESY III инжектируется еще 5 "вагонов". Все 6 "вагонов" банчевой структуры, стало быть, займут 6·55 = 330 первых ячеек (из всех  403 ячеек). Остальные 73 ячейки останутся незаполненными. Стало быть, после инжектирования в PETRA II всех 6 "вагонов" банчей на орбите PETRA II образуется "поезд" банчей (из 6 "вагонов") со структурой *----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0----0----0----0----0----0----0----0----0----0----0----0----0----0----0----0--.

После этого протонные банчи ускоряются до скорости 0,999725*Со. В процессе ускорения протонных банчей частота ускоряющего поля не меняется, а индукция магнитного поля поворотных магнитов изменяется от минимального значения 162 Гаусс (0,0162 Тесла) до максимального значения 163,23 Гаусс (0,016323 Тесла). Обозначив структуру *----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0---- буквой "В" (первая буква слова "вагон"), банчевая структура протонов после ускорения в ускорителе PETRA II будет иметь вид ВВВВВВ (первых 330 ячеек) продолжительностью 330·19,21 нс = 6340 нс. Далее будет незаполненный банчами промежуток в (7680 - 6340) нс   =  1340 нс = 1,34 мкс. Структура ВВВВВВ из 6 вагонов, образующая "поезд", инжектируется затем в ускорительн HERA-P. Всего из синхротрона PETRA II в синхротрон HERA-P инжектируется 3 поезда.

Рассмотрим теперь, что происходит  с банчевой структурой в ускорителе HERA-P.

Формирование трех "поездов" в синхротроне HERA-P

Сначала в синхротрон HERA-P инжектируется один "поезд", состоящий из 6 "вагонов". Этот поезд имеет структуру

*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0----0----0----0----0----0----.

Таблица 3а. Параметры синхротрона HERA-P и пучка протонов в нем

Затем в синхротрон HERA-P инжектируются еще 2 "поезда", каждый из которых состоит из 6 "вагонов", причем так, что между поездами образуется пустой (не заполненный банчами) промежуток  (GAP). В обозначении "ВВВВВВ(GAP)ВВВВВВ(GAP)ВВВВВВ(GAP)(GAP)(GAP)" буква В есть структура "вагона" "*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0----", а (GAP) есть структура "0----0----0----0----0----", причем каждое знакоместо в обеих последних структурах - это промежуток времени, равный 19,2 нс. Стало быть (GAP) имеет длительность 25·19,2 = 480 нс, а вагон В имеет длительность   55·19,2 нс = 1056 нс. А структура из трех поездов "ВВВВВВ(GAP)ВВВВВВ(GAP)ВВВВВВ(GAP)(GAP)(GAP)" имеет длительность 18·1056нс +5·480нс = 21408 нс или 21,4 мкс. Временной промежуток между банчами равен 5·19,2нс = 96 нс.

Структура из трех поездов "ВВВВВВ(GAP)ВВВВВВ(GAP)ВВВВВВ(GAP)(GAP)(GAP)", стало быть, равносильна структуре

*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0----0----0----0----0----0----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0----0----0----0----0----0----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0----0----0----0----0----0----0----0----0----0----0----0----0----0----0----0----.

Сравнивая последние две строки таблиц 1а, 2а и 3а между собой, можно видеть, что при справедливости НРТПВ и разгоне протонов в ускорителях HERA до скоростей, не превышающих скорости света в вакууме, мы должны считать, что создаваемая в поворотных магнитах индукция магнитного поля существенно меньше [в Г раз меньше, где Г = 1/sqrt(1 - V²/Co²) - гамма-фактор из преобразований Лоренца], чем это следует из формул СТО. На этом основании мы вынуждены признать, что первое наше исходное предположение (что скорости частиц во всех   ускорителях рассмотренной нами цепочки DESY-PETRA-HERA не превышают скорости света в вакууме) справедливо только в том случае, если   калибровка величин индукции магнитного поля в поворотных магнитах ускорителей осуществляется по формулам СТО так, что при фактических значениях индукции приведенных в таблицах 1а, 2а и 3а (рассчитанных по формулам НРТПВ) эти значения объявляются ОШИБОЧНО равными значениям, приведенным в таблицах 1, 2 и 3 (из-за неправильной калибровки индукции магнитного поля по формулам СТО).

ПОЯСНЕНИЕ

При ускорении протонов до скоростей, близких к скорости света в вакууме, величина индукции поперечного магнитного поля, рассчитанная по формуле СТО для отклонения частиц в поперечном магнитном поле по траектории с заданным радиусом орбиты и приведет к ОШИБОЧНЫМ (очень сильно завышенным) значениям индукции магнитного поля.

3. Возможно ли, что при справедливости НРТПВ скорости протонов в ускорителях HERA превышают скорость света в вакууме?

Теперь рассмотрим  возможность получения с позиций НРТПВ структуры банчей, показанной на рис. 2,  в предположении, что скорости протонов в ускорителях могут превышать скорость света в вакууме.

Из линейного ускорителя в ускоритель DESY III протоны инжектируются со скоростью 0,3136 Со (при этом кинетическая энергия каждого протона равна 50 МэВ).

Таблица 1б. Параметры синхротрона DESY III и пучка протонов в нем

При этом 10-банчевая структура *----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0---- "вагона" формируется так.  В синхротрон DESY III инжектируется один банч протонов с кинетической энергией 49,83 МэВ, движущийся со скоростью 0,3136 Со.   Период обращения этого банча по орбите ускорителя DESY III равен 3367 нс. Период ускоряющего электрического поля равен 305,8 нс, т.е. в 11 раз меньше периода обращения банча по орбите ускорител DESY III. Длительность периода делится на 11 временных ячеек , продолжительность каждой из которых равна 3367 нс/11 = 306 нс.

Затем к существующему уже банчу в 1-ой ячейке из линейного ускорителя LINAC III инжектируется еще 9 банчей в ячейки с номерами 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10 так, что между двумя соседними банчами образуется временной промежуток, равный 306 нс.   В результате запуска на орбиту 10 банчей в указанные ячейки и образуется структура банчей *----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0----, которая движется по орбите со скоростью 0,3136 Со.

Затем синхротрон DESY III переводится в режим ускорения этих банчей.  До какой скорости ускоряются протоны в DESY III ? До скорости, равной  7,9372·Со (по НРТПВ)?  Маловероятно, потому что согласно СТО  такой скорости быть не может. Поэтому единственный вариант - в DESY III протоны ускоряются от скорости 0,3136 Со (с которой они инжектируются в DESY III ) до скорости 0,99215 Со.   Причем эта скорость u = 0,99215 Со   является физически измеримой скоростью движения протонов после ускорения (то есть она является скоростью движения протонов и по НРТПВ).

В процессе ускорения частота ускоряющего поля плавно изменяется от 3,27 МГц до 10,3289 МГц. А индукция магнитного поля в поворотных магнитах плавно увеличивается от минимального значения до максимального значения, указанного в таблице 1б. При этом период обращения этой 10-банчевой структуры по орбите синхротрона DESY III при достижении протонами скорости, равной   0,99215 Со , будет равен 1065 нс. Междубанчевый промежуток времени после ускорения можно определить, если разделить период  обращения структуры в 1065 нс на 11. Получим 96,82 нс.  

После ускорения  протонов до скорости 0,99215 Со  эта 10-банчевая структура инжектируется   в синхротрон PETRA II. И таких 10-банчевых "вагонов" инжектируется из DESY III на орбиту PETRA II ровно 6 штук.

Поскольку скорости протонов с выхода ускорителя DESY III контролируются и поскольку конролёры считают, что сверхсветовых скоростей быть не может, то реальные скорости протонов и не могут превосходить скорость света в вакууме.

Рассмотрим теперь, что происходит далее с протонами в синхротроне PETRA II.

Инжектируемые в ускоритель PETRA II протоны  имеют скорость 0,99215 Со. Скорости протонов с выхода ускорителя PETRA II  тоже контролируются и контролёры тоже считают, что сверхсветовых скоростей движения не может быть в принципе. Поэтому и на выходе ускорителя PETRA II сверхсветовые скорости даже если и появляются, то контролёры  от них избавляются, считая, что допускаются ошибки измерения. Поэтому скорости движения протонов по СТО, равные 0,999725 Со, измеряемые на выходе ускорителя PETRA II и необходимые для организации требуемой структуры банчей в ускорителе HERA-P, являются реальными физически измеряемыми и по НРТПВ скоростями движения протонов.

Таблица 2б. Параметры синхротрона PETRA II и пучка протонов в нем

При  скорости 0,99215 ·Со "вагон" протонов движется по орбите синхротрона PETRA II (длиной L=2304 м) с периодом, равным 7740 нс. Междубанчевый промежуток времени внутри "вагона"  равен  19,2 нс.

Период ускоряющего поля в синхротроне PETRA II равен 19,21 нс (1/52,05 МГц). Разделив период обращения 7740 нс на период ускоряющего поля 19,21 нс, получим 403 ячейки. Первые 55 ячеек (из всех 403 ячеек) занимаются первым "вагоном", имеющим структуру   *----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0---- .

Затем из синхротрона DESY III инжектируется еще 5 "вагонов". Все 6 "вагонов" банчевой структуры, стало быть, займут 6·55 = 330 первых ячеек (из всех  403 ячеек). Остальные 73 ячейки останутся незаполненными. Стало быть, после инжектирования в PETRA II всех 6 "вагонов" банчей на орбите PETRA II образуется "поезд" банчей (из 6 "вагонов") со структурой *----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0----0----0----0----0----0----0----0----0----0----0----0----0----0----0----0--.

После этого протонные банчи ускоряются до скорости 0,999725*Со. В процессе ускорения протонных банчей частота ускоряющего поля не меняется, а индукция магнитного поля поворотных магнитов изменяется от минимального значения 162 Гаусс (0,0162 Тесла) до максимального значения 163,23 Гаусс (0,016323 Тесла). Обозначив структуру *----*----*----*----*----*----*----*----*----*----0---- буквой "В" (первая буква слова "вагон"), банчевая структура протонов после ускорения в ускорителе PETRA II будет иметь вид ВВВВВВ (первых 330 ячеек) продолжительностью 330·19,21 нс = 6340 нс. Далее будет незаполненный банчами промежуток в (7740 - 6340) нс   =  1400 нс = 1,4 мкс. Структура ВВВВВВ из 6 вагонов, образующая "поезд", инжектируется затем в ускорительн HERA-P. Всего из синхротрона PETRA II в синхротрон HERA-P инжектируется 3 поезда.

Рассмотрим теперь, что происходит  с банчевой структурой в ускорителе HERA-P.

В ускоритель HERA-P протоны инжектируются при скорости протонов, равной 0,999725*Со. Скорости протонов на выходе HERA-P  не контролируются (нет необходимости, поскольку в HERA-P  формируется окончательная трехпоездная структура банчей). Как показывает анализ, проведенный здесь , после ускорения протонов в HERA-P протоны движутся со скоростью, примерно в 70 раз превышающей скорость света в вакууме. Поэтому в приведенной ниже таблице 3б мы рассчитаем параметры синхротрона и пучка протонов в нем именно для скорости, в 70 раз большей скорости света в вакууме.

После формирования трехпоездной структуры банчей (что осуществляется последовательным инжектированием  трех "поездов" банчей из ускорителя PETRA II) производится ускорение сформированной структуры подачей ускоряющих напряжений в РЧ резонаторы на 52 МГц и на 208 МГц при неизменной частоте РЧ напряжений и плавным увеличением индукции магнитного поля в поворотных магнитах.

Таблица 3б. Параметры синхротрона HERA-P и пучка протонов в нем

Расчеты величин индукции поворотных магнитов  по формулам СТО и НРТПВ дают существенно различные значения. Величины индукции, рассчитанные по формулам СТО, существенно превышают величины, рассчитанные по формулам НРТПВ. Поэтому если НРТПВ верна, при эксплуатации всех ускорителей цепочки DESY III - PETRA II - HERA-P должна наблюдаться ничем не объясняемая по СТО значительная экономия электроэнергии по сравнению с расчетным значением. К сожалению такой информации на сайте  http://www-hera-b.desy.de/ найти не удалось. Не удалось найти на этом сайте и значения индукции поворотных магнитов во время работы ускорителей. Впрочем, если калибровка индукции, создаваемой этими магнитами, производится по формулам СТО для отклонения частиц с известной скоростью в этом магнитном поле, то никаких вопросов не возникает - все будет в полном соответствии с СТО!   И все это нынче называется НАУКОЙ? Это было бы смешно, если бы не было так ...

Последняя редакция: 17 января 2008 г.