Большой адронный коллайдер
Большо́й адро́нный колла́йдер (БАК; англ. Large Hadron Collider, LHC), кольцевой коллайдер Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН), в котором ускоряются и сталкиваются пучки протонов и/или ядер свинца. Слово «адронный» в названии коллайдера относится к ускоряемым частицам – адронам. БАК предназначен для получения и исследования известных, а также открытия новых элементарных частиц и состояний материи. Кольцо БАК имеет длину 26 659 м и расположено на глубине от 50 до 175 м под территориями Франции и Швейцарии. БАК запущен в 2008 г. и на 2022 г. является самым большим ускорителем заряженных частиц в мире, превосходящим остальные по энергии и частоте столкновений.
Идея создания БАК возникла в 1977 г., когда был опубликован проект Большого электрон-позитронного коллайдера (Large Electron Positron Сollider, LEP). Предлагалось в будущем использовать туннель и инфраструктуру LEP для размещения элементов адронного коллайдера. Подземный туннель для LEP был построен в 1983–1988 гг. В течение 1980–1990-х гг. разрабатывались технические проекты БАК и детекторов частиц, необходимые для исследований, а также программа исследований. В 2000 г. LEP был остановлен, начался его демонтаж и подготовка к строительству БАК. В 2005–2008 гг. был произведён монтаж кольца и детекторов БАК в туннеле. 10 сентября 2008 г. коллайдер был запущен. Однако 19 сентября 2008 г. произошла авария в одном из магнитов, которая привела к длительному простою; ремонтные работы продлились до ноября 2009 г. В создании БАК принимали участие более 10 000 учёных и технических специалистов из более чем 100 стран, в том числе из России.
Рис. 1. Схема расположения Большого адронного коллайдера (LHC). Кольцо коллайдера расположено в тоннеле под землёй на средней глубине 100 м. На схеме также показаны 4 основных детектора (ALICE, ATLAS, CMS и LHCb) и 3 предварительных ускорителя (Booster, PS и SPS).БАК представляет собой синхротрон с двумя кольцами, в которых частицы циркулируют в противоположных направлениях и сводятся вместе в четырёх точках, где непосредственно происходят столкновения частиц (точки встречи пучков) (рис. 1). Из-за недостатка места в туннеле 2 вакуумные трубы, в которых движутся частицы, расположены в одной общей трубе с объединёнными магнитами и единым криостатом (рис. 2).
Рис. 2. Фрагмент 27-километрового кольца Большого адронного коллайдера (БАК). Внутри кольца по центру расположены 2 вакуумные камеры, по которым в противоположных направлениях летят пучки заряженных частиц (на рисунке красная и синяя линии). Вакуумные камеры окружены управляющими устройствами, например сверхпроводящим поворотным, или дипольным, магнитом, показанным в разрезе на рисунке и предназначенным для горизонтального поворота пучков частиц. Длина одного магнита 15 м, рабочая температура –271 °С, масса 28 т; всего на БАК установлено 1232 таких магнита.
До попадания в БАК пучки частиц предварительно ускоряются с помощью нескольких линейных и кольцевых ускорителей. Управление пучками в БАК осуществляется с помощью сверхпроводящих магнитов, в которых в качестве сверхпроводника используется ниобий-титановый сплав. Рабочая температура магнитов 1,9 К, максимальная индукция магнитного поля 8,33 Тл. Проектная энергия пучков протонов, ускоряемых в БАК, составляет 7 ТэВ, ядер свинца – 2,76 ТэВ/нуклон, что соответствует полным энергиям столкновения 14 ТэВ и 5,52 ТэВ/нуклон в системе центра масс.
Вокруг точек встречи пучков расположены детекторы частиц, регистрирующие новые частицы, возникающие в результате столкновений. На БАК имеется 4 основных детектора: ALICE (A Large Ion Collider Experiment) предназначен для изучения кварк-глюонной плазмы, ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) и CMS (Compact Muon Solenoid) – детекторы общего назначения, позволяющие независимо проверять результаты экспериментов, LHCb (LHC beauty experiment) предназначен для изучения физики b-кварков (в частности, нарушения CP-инвариантности) (рис. 3–6). Кроме того, вблизи точек встречи пучков расположены 3 вспомогательных детектора. Столкновения во всех четырёх точках встречи пучков происходят одновременно, также одновременно проводятся все измерения.
Рис. 3. Детектор ALICE (A Large Ion Collider Experiment – большой ионный коллайдерный эксперимент) предназначен для изучения кварк-глюонной плазмы, образующейся при столкновении пучков ионов свинца внутри детектора. Температура вещества при этом может в 100 000 раз превышать температуру в центре Солнца. Масса детектора 10 000 т, размеры – 26 м в длину и 16 м в диаметре.События, регистрируемые детекторами частиц, вначале проходят автоматический отбор с помощью триггерных систем, затем обрабатываются с помощью глобальной системы распределённых вычислений БАК (WLCG, Worldwide LHC Computing Grid), использующей грид-технологии. Объём данных, генерируемый экспериментами на БАК, оценивается в 50–70 Пб/год (петабайт/год; 1 Пб = 1024 Тб, или около миллиона Гб). На 2020 г. WLCG является крупнейшей распределённой системой вычислений в мире, в неё входят около 170 вычислительных центров из более чем 40 стран.
Расписание работы БАК состоит из многолетних рабочих сеансов, разделённых двухлетними остановками для модернизации. На 2020 г. было проведено 2 рабочих сеанса – с 2010 по 2013 гг. и с 2015 по 2018 гг., во время которых энергии пучков протонов достигли 4 ТэВ и 6,5 ТэВ соответственно. Достичь проектной энергии 7 ТэВ планируется во время 3-го рабочего сеанса в 2022–2023 гг.
Целью создания БАК является, во-первых, прецизионная экспериментальная проверка положений и следствий Стандартной модели (СМ) сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий элементарных частиц, в том числе для уточнения стандартных параметров модели, поиска бозона Хиггса, изучения t-кварков и кварк-глюонной плазмы. Во-вторых, в задачи БАК входят поиск отклонений от СМ и проверка других физических теорий, в том числе теории суперсимметрии и более экзотических теорий, включающих дополнительные пространственные измерения или гипотетические частицы, составляющие кварки и лептоны. Несмотря на беспрецедентную точность и предсказательную силу, СМ не объясняет такие явления, как гравитация, асимметрия материи и антиматерии (барионная асимметрия Вселенной), тёмная материя и тёмная энергия и т. д. Обнаружение отклонений от СМ может привести к объяснению этих явлений и более глубокому пониманию природы.
По состоянию на 2022 г. наиболее важный научный результат, полученный на БАК, – открытие бозона Хиггса, последней элементарной частицы, предсказываемой СМ. Это открытие экспериментально подтвердило справедливость механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии Браута – Энглера – Хиггса (механизм БЭХ). Авторы теории – П. Хиггс и Ф. Энглер – в 2013 г. получили Нобелевскую премию по физике.
В дальнейшем исследования, выполненные на БАК при большей энергии столкновений и на основе анализа существенно большего объёма данных, позволили провести детальные измерения спина, чётности, сечений рождения бозона Хиггса в различных каналах, парциальных вероятностей различных мод его распада. Все полученные результаты на сегодняшний день с высокой точностью подтверждают предсказания СМ для свойств бозона Хиггса.
Также на БАК была открыта частица нового класса, состоящая из пяти кварков – пентакварк.