Кольцо накопления пучков столкновения — тип циклического ускорителя частиц, в котором хранятся и затем ускоряются два встречно вращающихся пучка заряженных субатомных частиц перед их лобовым столкновением друг с другом. Поскольку чистый импульс противоположно направленных пучков равен нулю, вся энергия сталкивающихся пучков доступна для создания очень высокоэнергетических взаимодействий частиц. Это отличается от взаимодействий в ускорителях частиц с фиксированной мишенью, в которых пучок ускоренных частиц ударяется о частицы в неподвижной мишени, и только часть энергии пучка преобразуется в энергию взаимодействия частиц. (Большая часть энергии пучка преобразуется в кинетическую энергию продуктов столкновения в соответствии с законом сохранения импульса). В коллайдере продукт или продукты могут находиться в состоянии покоя, поэтому практически вся совокупная энергия пучка доступна для создания новых частиц в соответствии с соотношением массы и энергии Эйнштейна. Поиски массивных субатомных частиц — например, W- и Z-переносчиков слабых сил или «верхнего» кварка — увенчались успехом благодаря созданию мощных кольцевых ускорителей частиц с накопителями пучков, таких как Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP) в Европейской организации ядерных исследований (CERN) в Женеве и Теватрон в Национальной ускорительной лаборатории Ферми (Fermilab) в Батавии, штат Иллинойс.
Основным конструктивным элементом большинства коллайдеров является кольцо синхротрона (ускорителя). Ранние проекты коллайдеров — например, протон-протонный коллайдер Intersecting Storage Rings (ISR), работавший в ЦЕРНе в 1970-х годах, — были построены для столкновения пучков одинаковых частиц, поэтому для приведения пучков к столкновению в двух или более точках требовались два синхротронных кольца, которые переплетались между собой. Два синхротронных кольца также требуются, если сталкивающиеся пучки содержат частицы разной массы, как, например, в электронно-протонном коллайдере, который начал работать в 1992 году в DESY (Немецкий электронный синхротрон) в Гамбурге, Германия.
Одно синхротронное кольцо может вмещать два пучка частиц, движущихся в противоположных направлениях, при условии, что оба пучка содержат частицы с одинаковой массой, но противоположным электрическим зарядом, то есть если пучки состоят из частицы и ее античастицы, например, электрона и позитрона или протона и антипротона. Пучки частиц каждого типа вводятся в кольцо синхротрона из источника предварительного ускорения. Когда в каждом пучке накапливается достаточно большое количество частиц, оба пучка ускоряются одновременно до достижения нужной энергии. Затем пучки сталкиваются в заранее определенных точках, окруженных детекторами частиц. Фактические взаимодействия между частицами происходят относительно редко (это один из недостатков систем со сталкивающимися пучками), и пучки обычно могут циркулировать, сталкиваясь в каждом контуре, в течение нескольких часов, прежде чем пучки будут «сброшены» и машина снова «заполнится».
В Фермилабе располагался Теватрон, самый высокоэнергетичный в мире протонно-антипротонный коллайдер, работавший с 1985 по 2011 год и выпускавший пучки частиц с энергией 900 гигаэлектронвольт (ГэВ) на пучок для получения общей энергии столкновений 1 800 ГэВ (эквивалентно 1,8 тераэлектронвольт, ТэВ). ЦЕРН управляет самым большим в мире кольцом коллайдеров, окружность которого составляет 27 км (17 миль). С 1989 по 2000 год в кольце находился коллайдер LEP, который мог достигать максимальной энергии 100 ГэВ на пучок. На смену коллайдеру LEP в 27-километровом кольце пришел гораздо более высокоэнергетичный коллайдер — Большой адронный коллайдер (БАК), испытания которого начались в ЦЕРНе в 2008 году. Проект БАК предназначен для создания столкновений между двумя пучками протонов или между пучками тяжелых ионов, таких как ионы свинца. В 2009 году БАК стал самым высокоэнергетичным ускорителем частиц, создав пучки протонов с энергией 1,18 ТэВ. Ожидается, что в качестве протон-протонного коллайдера БАК обеспечит полную энергию столкновений около 14 ТэВ. Большой 27-километровый синхротронный туннель занят сверхпроводящими магнитами и содержит две разделенные линии пучков с противоположными магнитными полями, чтобы обеспечить столкновения между пучками одинаковых частиц.
