Адронный коллайдер¶

Адронный коллайдер — это ускоритель заряженных частиц кольцевого типа, в котором встречные пучки адронов (протонов, ионов тяжёлых ядер) сталкиваются на определённых точках взаимодействия, где установлены детекторы физических экспериментов. Термин относится к классу кольцевых ускорителей с встречными пучками и применяется прежде всего к Большому адронному коллайдеру (БАК, LHC) — крупнейшему в мире физическому эксперименту, построенному в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) на границе Франции и Швейцарии.

¶Принцип работы

В адронном коллайдере заряженные частицы разгоняются в вакуумных трубах по замкнутой орбите под действием магнитных полей. Сверхпроводящие магниты удерживают частицы на заданной траектории, а радиочастотные системы ускоряют их на каждом обороте. В отличие от фиксированных мишеней, где пучок сталкивается с неподвижной мишенью, в коллайдере два встречных пучка сталкиваются, что позволяет в полной мере использовать энергию обеих частиц в центре масс системы.

Ключевые характеристики адронного коллайдера определяются энергией столкновений (измеряемой в электро-вольтах, обычно в тераэлектронвольтах — ТэВ), светимостью (интенсивностью пучков, определяющей частоту столкновений) и размером кольца. Столкновения происходят не постоянно, а в «свободных» точках кольца, где пучки пересекаются, а детекторы фиксируют продукты распада.

¶История

Идея встречных пучков была предложена в конце 1950-х годов. Первый кольцевой ускоритель с встречными пучками — спутниковый синхротрон VPSS — был запущен в 1963 году в Дубне (СССР). В 1960-х годах в ЦЕРНе был построен Интерсекторный накопительный синхротрон (ISR), работавший с 1971 года, где впервые были достигнуты энергии столкновений протонов, недостижимые для линейных ускорителей.

В 1980-х годах в ЦЕРНе работал Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP), а в 1990-х — ускорительный комплекс SPS, преобразованный в протон-антипротонный коллайдер. В 2000 году на месте LEP началось строительство Большого адронного коллайдера.

¶Большой адронный коллайдер

БАК расположен в тоннеле длиной около 27 километров на глубине до 175 метров под землёй. Тоннель был прорыт в 1980-х годах для LEP и переиспользован. Кольцо состоит из 1232 сверхпроводящих дипольных магнитов, работающих при температуре 1,9 K (ниже температуры кипения жидкого гелия), которые создают магнитное поле до 8,3 Тесла. Общая масса магнитов — около 7000 тонн.

Запуск БАК состоялся 10 сентября 2008 года, но через 9 дней произошла авария из-за плохого электрического контакта между сверхпроводящими элементами, приведшая к повреждению магнитов. После ремонта и модернизации коллайдер был вновь запущен 20 ноября 2009 года.

Пиковая энергия столкновений протонов составила 13 ТэВ (в центре масс — 13 ТэВ на пучок, суммарно 26 ТэВ в центре масс системы). В 2012 году на БАК были получены данные, приведшие к открытию бозона Хиггса — частицы, предсказанной Стандартной моделью физики элементарных частиц. Открытие было объявлено 4 июля 2012 года, а в 2013 году Франсуа Энглер и Питер Хиггс получили Нобелевскую премию по физике.

¶Детекторы

На БАК работают четыре основных эксперимента:

• ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) — универсальный детектор, предназначенный для широкого спектра исследований, включая поиск бозона Хиггса и новых частиц.
• CMS (Compact Muon Solenoid) — компактный магнитный детектор, работающий параллельно с ATLAS для перекрёстной проверки результатов.
• ALICE (A Large Ion Collider Experiment) — специализируется на изучении кварк-глюонной плазмы — состояния материи, существовавшего в первые микросекунды после Большого взрыва.
• LHCb — изучает распады b-мезонов для исследования нарушения CP-симметрии и материи-антоматерии.

Дополнительно работают эксперименты TOTEM, LHCf и MoEDAL.

¶Значение

БАК позволил подтвердить существование бозона Хиггса, уточнить параметры Стандартной модели, провести поиск суперсимметрии и дополнительных измерений пространства-времени. Эксперименты на коллайдере имеют значение для космологии, так как воспроизводят условия, близкие к условиям ранней Вселенной.

В 2020-х годах ЦЕРН планирует запуск ускорителя высокой энергии (HL-LHC) с увеличенной светимостью, а также рассматривает проект будущего коллайдера — FCC (Future Circular Collider) с кольцом длиной около 100 километров.

¶Интересные факты

• БАК — самый крупный и сложный научный прибор, когда-либо созданный человеком.
• Общая стоимость проекта оценивается в несколько миллиардов евро.
• В 2012 году в социальных сетях распространились слухи о том, что БАК создаст чёрную дыру, способную поглотить Землю; ЦЕРН опроверг эти утверждения, указав, что теоретически возможные микроскопические чёрные дыры должны мгновенно испаряться по предсказаниям теории Хокинга.

Источники:

• «Большой адронный коллайдер», ЦЕРН
• «Физика высоких энергий», учебное пособие
• «Открытие бозона Хиггса», Нобелевский комитет по физике, 2013