Большой адронный коллайдер

Большой адронный коллайдер (сокр. БАК, англ. Large Hadron Collider, LHC) — крупнейший в мире ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. Расположен в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы. Представляет собой кольцевой тоннель длиной 26 659 метров, проложенный на глубине от 50 до 175 метров. БАК является самой высокоэнергетической ускорительной установкой в истории: проектная энергия столкновения протонов составляет 14 ТэВ (тераэлектронвольт) в системе центра масс, а светимость — до 10³⁴ см⁻²·с⁻¹.

История создания

Идея создания коллайдера нового поколения возникла в 1980-х годах в рамках обсуждения будущего физики высоких энергий. Предшественником БАК был Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP), работавший в том же тоннеле с 1989 по 2000 год. После завершения программы LEP тоннель был переоборудован для протон-протонных столкновений.

Проект Большого адронного коллайдера был официально одобрен Советом ЦЕРН в декабре 1994 года. Первоначальная смета составляла около 2,6 миллиарда швейцарских франков. Строительство началось в 1998 году и включало модернизацию инфраструктуры, создание новых магнитов и детекторов. В проекте участвовали более 10 000 учёных и инженеров из 100 стран мира, включая Россию. Российские институты (Объединённый институт ядерных исследований в Дубне, Институт ядерной физики СО РАН, Институт теоретической и экспериментальной физики и другие) внесли значительный вклад в создание магнитов, детекторов и программного обеспечения.

Первый пучок протонов был запущен по кольцу 10 сентября 2008 года. Однако 19 сентября того же года произошла серьёзная авария: из-за дефекта электрического соединения между сверхпроводящими магнитами произошёл разрыв криогенной системы, что привело к выбросу нескольких тонн жидкого гелия и повреждению 53 магнитов. Ремонт и модернизация заняли более года. Официальный запуск научной программы состоялся 30 марта 2010 года, когда были зарегистрированы первые столкновения протонов с энергией 7 ТэВ.

В 2012 году коллайдер работал на энергии 8 ТэВ, а с 2015 года — на проектной энергии 13 ТэВ (с небольшим перерывом на модернизацию). В 2018 году завершился второй сеанс работы (Run 2), после чего последовала длительная остановка (Long Shutdown 2) для подготовки к третьему сеансу (Run 3), начавшемуся в 2022 году. В настоящее время планируется переход к проекту HL-LHC (High-Luminosity LHC) — коллайдеру с повышенной светимостью, запуск которого ожидается в конце 2020-х годов.

Устройство и принцип работы

Ускорительный комплекс

БАК не является изолированным ускорителем. Он представляет собой последнюю ступень в цепочке предварительных ускорителей ЦЕРН. Процесс разгона протонов включает несколько этапов:

1. Линейный ускоритель LINAC 4 (до 2018 года — LINAC 2) разгоняет ионы водорода (протоны) до энергии 50 МэВ.
2. Бустер (PSB) — кольцевой ускоритель, повышающий энергию до 1,4 ГэВ.
3. Протонный синхротрон (PS) — кольцо диаметром 628 метров, разгоняющее протоны до 26 ГэВ.
4. Супер-протонный синхротрон (SPS) — кольцо длиной 7 км, доводящий энергию до 450 ГэВ.
5. Основное кольцо БАК — два встречных пучка разгоняются до финальной энергии (до 6,5 ТэВ на пучок в Run 2).

Для тяжёлых ионов (свинца) используется отдельная цепочка, включающая линейный ускоритель LINAC 3 и ионный бустер LEIR.

Магнитная система

Ключевым элементом БАК являются сверхпроводящие магниты. Для удержания пучков на круговой траектории используются дипольные магниты (1232 штуки), создающие поле напряжённостью до 8,33 Тл (тесла). Магниты работают при температуре 1,9 К (−271,25 °C), что достигается с помощью жидкого гелия. Квадрупольные магниты (около 400 штук) фокусируют пучки, предотвращая их рассеяние. Магниты изготовлены из ниобий-титанового сплава и являются одними из самых мощных в мире.

Вакуумная система

Для предотвращения столкновений частиц с молекулами газа внутри камеры поддерживается сверхвысокий вакуум — давление порядка 10⁻¹⁰ мбар (10⁻⁸ Па). Это достигается с помощью криогенных насосов и многоступенчатой откачки.

Система управления пучками

Пучки движутся в противоположных направлениях в двух отдельных вакуумных камерах. В четырёх точках пересечения (так называемых точках взаимодействия) пучки сталкиваются. Частота столкновений — до 40 миллионов раз в секунду. Для синхронизации и коррекции орбиты используются радиочастотные резонаторы (400 МГц), которые ускоряют частицы и компенсируют потери энергии на излучение.

Детекторы

Вокруг четырёх точек взаимодействия расположены основные детекторные установки, каждая из которых представляет собой сложный многослойный прибор, регистрирующий продукты столкновений.

ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)

Один из двух универсальных детекторов. Имеет размеры 46×25×25 метров и массу около 7000 тонн. Состоит из внутреннего трекера (пиксельные и кремниевые детекторы), калориметров (электромагнитного и адронного) и мюонной системы. ATLAS спроектирован для поиска новых частиц и изучения свойств бозона Хиггса.

CMS (Compact Muon Solenoid)

Второй универсальный детектор, более компактный (21×15×15 метров, масса 14 000 тонн). В основе — мощный соленоидальный магнит (поле 4 Тл). CMS также включает трекер, калориметры и мюонную систему. Несмотря на разные конструкции, ATLAS и CMS имеют схожие цели и взаимно проверяют результаты друг друга.

ALICE (A Large Ion Collider Experiment)

Детектор, специализированный на изучении столкновений тяжёлых ионов (свинец-свинец). Его задача — исследование кварк-глюонной плазмы — состояния вещества, существовавшего в первые мгновения после Большого взрыва. ALICE оптимизирован для регистрации большого числа частиц (до 20 000 на одно событие).

LHCb (Large Hadron Collider beauty)

Детектор, изучающий физику b-кварков (прелестных кварков). Он асимметричен и расположен только с одной стороны точки взаимодействия. LHCb исследует CP-нарушение (разницу между материей и антиматерией) и редкие распады частиц.

Помимо четырёх основных, существуют более мелкие экспериментальные установки: TOTEM (изучение полного сечения протон-протонных взаимодействий), LHCf (моделирование космических лучей), MoEDAL (поиск магнитных монополей) и FASER (поиск лёгких и слабо взаимодействующих частиц).

Научные результаты

Открытие бозона Хиггса (2012)

Главное достижение БАК — экспериментальное подтверждение существования бозона Хиггса, предсказанного в 1964 году Питером Хиггсом и другими физиками. 4 июля 2012 года коллаборации ATLAS и CMS объявили об обнаружении новой частицы с массой около 125 ГэВ/c². В 2013 году Нобелевская премия по физике была присуждена Питеру Хиггсу и Франсуа Энглеру за теоретическое предсказание механизма, объясняющего происхождение массы элементарных частиц. Открытие бозона Хиггса завершило построение Стандартной модели физики элементарных частиц.

Исследование кварк-глюонной плазмы

Эксперименты ALICE и другие детекторы подтвердили существование кварк-глюонной плазмы — состояния, в котором кварки и глюоны не связаны в адроны. Были измерены её свойства (температура, плотность, вязкость), что позволило лучше понять раннюю Вселенную.

Поиск новой физики

Несмотря на ожидания, БАК пока не обнаружил убедительных доказательств за пределами Стандартной модели (например, суперсимметрии, дополнительных измерений, тёмной материи). Однако были получены важные ограничения на параметры многих гипотетических теорий. В 2021 году коллаборация LHCb сообщила о возможных аномалиях в распадах B-мезонов (так называемый «аномальный магнитный момент мюона»), которые могут указывать на новую физику, но статистическая значимость пока недостаточна.

Измерение свойств частиц

БАК позволил с высокой точностью измерить массы и константы связи многих частиц, включая топ-кварк, W- и Z-бозоны. Были открыты новые адроны, в том числе пентакварки (2015) и тетракварки (2014–2020), что расширило понимание сильного взаимодействия.

Критика и проблемы

Безопасность

На этапе строительства и запуска БАК высказывались опасения, что столкновения частиц могут привести к образованию микроскопических чёрных дыр, которые, якобы, могли бы поглотить Землю. ЦЕРН и независимые эксперты (включая группу LHC Safety Assessment Group) неоднократно опровергали эти опасения, указывая, что энергия столкновений (14 ТэВ) на много порядков ниже энергий, достигаемых в космических лучах, которые сталкиваются с атмосферой Земли миллиарды лет без последствий. Никаких аномалий, угрожающих безопасности, за время работы коллайдера не зафиксировано.

Финансовые затраты

Строительство и эксплуатация БАК стоят миллиарды швейцарских франков. Критики (в том числе некоторые учёные) утверждают, что эти средства можно было бы направить на более прикладные исследования (медицина, энергетика). Сторонники отвечают, что фундаментальная наука приносит долгосрочные технологические выгоды (например, развитие сверхпроводников, компьютерных сетей, медицинской томографии).

Отсутствие прорывных открытий

После открытия бозона Хиггса БАК не обнаружил явных признаков новой физики. Это привело к разочарованию части научного сообщества и к дискуссиям о необходимости коллайдеров следующего поколения.

Будущее проекта

В 2022 году начался третий сеанс работы (Run 3) с энергией 13,6 ТэВ. Планируется, что он продлится до 2025 года. После этого последует длительная остановка (Long Shutdown 3) для модернизации детекторов и ускорителя в рамках проекта HL-LHC (High-Luminosity LHC). HL-LHC увеличит светимость в 5–10 раз, что позволит набрать гораздо больше статистики для редких процессов. Ожидается, что HL-LHC проработает до середины 2030-х годов.

В долгосрочной перспективе ЦЕРН рассматривает проекты будущих коллайдеров: FCC (Future Circular Collider) — кольцо длиной 100 км, и CLIC (Compact Linear Collider) — линейный коллайдер. Решение о строительстве FCC ожидается в середине 2020-х годов.

Источники

• ЦЕРН. «The Large Hadron Collider» (официальная документация).
• Evans, L. (ed.). «The Large Hadron Collider: A Marvel of Technology». EPFL Press, 2009.
• ATLAS Collaboration. «Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC». Physics Letters B, 2012.
• CMS Collaboration. «Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC». Physics Letters B, 2012.
• LHCb Collaboration. «Observation of pentaquark states in Λb0 → J/ψpK− decays». Physical Review Letters, 2015.
• ALICE Collaboration. «Elliptic flow of charged particles in Pb-Pb collisions at √sNN = 2.76 TeV». Physical Review Letters, 2010.
• LHC Safety Assessment Group. «Review of the Safety of LHC Collisions». Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics, 2008.
• «Большой адронный коллайдер: руководство для начинающих». CERN Courier, 2010.