Большой адронный коллайдер¶

Большой адронный коллайдер (БАК, англ. Large Hadron Collider, LHC) — крупнейший в мире ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов и изучения продуктов их столкновений. Расположен в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) на границе Швейцарии и Франции, в туннеле бывшего коллайдера LEP. БАК является самой сложной и дорогой экспериментальной установкой в истории физики, а его строительство и эксплуатация — примером международной научной кооперации.

¶Устройство и принцип работы

Коллайдер представляет собой кольцевой синхротрон длиной 26,7 километра, расположенный на глубине от 50 до 175 метров. Основным элементом являются 1232 сверхпроводящих дипольных магнита, создающих поле напряжённостью до 8,3 тесла для удержания пучков на круговой орбите. Магниты охлаждаются жидким гелием до температуры 1,9 К (−271,25 °C), что делает БАК крупнейшей криогенной системой в мире.

Пучки частиц движутся в двух встречных вакуумных трубах и пересекаются в четырёх точках, где расположены детекторы. Ускорение происходит в несколько этапов: протоны из источника проходят через линейный ускоритель LINAC 4, бустер, протонный синхротрон (PS) и суперпротонный синхротрон (SPS), после чего инжектируются в основное кольцо. Проектная энергия столкновения составляет 14 ТэВ (тераэлектронвольт) в системе центра масс, что соответствует скорости частиц, отличающейся от скорости света на 3,1 м/с.

¶Ключевые эксперименты

В кольце коллайдера работают четыре основных детектора, каждый из которых представляет собой самостоятельную экспериментальную установку:

• ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) — многоцелевой детектор, один из двух крупнейших, 46 метров в длину и 25 в высоту. Спроектирован для поиска бозона Хиггса, суперсимметрии и дополнительных измерений.
• CMS (Compact Muon Solenoid) — второй многоцелевой детектор, более компактный, но с более сильным магнитным полем (3,8 Тл). Выполняет задачи, аналогичные ATLAS, что позволяет перекрёстно проверять результаты.
• ALICE (A Large Ion Collider Experiment) — специализирован на изучении столкновений тяжёлых ионов (ядер свинца) для исследования кварк-глюонной плазмы — состояния материи, существовавшего в первые микросекунды после Большого взрыва.
• LHCb (Large Hadron Collider beauty) — изучает распады B-мезонов, содержащих b-кварк, для исследования различий между материей и антиматерией.

¶История создания

Идея строительства кольцевого коллайдера на энергию в несколько ТэВ обсуждалась в ЦЕРНе с 1980-х годов. В 1994 году проект был одобрен Советом ЦЕРНа, а строительство началось в 2001 году. Первоначальная смета составляла около 4,6 миллиарда швейцарских франков, однако из-за технических сложностей, включая аварию в 2008 году, финальная стоимость превысила 7,5 миллиарда (около 10 миллиардов долларов США). В проекте участвовали более 10 тысяч учёных и инженеров из 100 стран мира.

Запуск состоялся 10 сентября 2008 года. Однако через девять дней произошла серьёзная авария: из-за дефектного электрического соединения расплавился магнит, и коллайдер был остановлен на ремонт более чем на год. Полноценная работа на энергии 7 ТэВ началась в марте 2010 года. В 2012 году на энергии 8 ТэВ был открыт бозон Хиггса — последняя недостающая частица Стандартной модели, за что Питер Хиггс и Франсуа Энглер получили Нобелевскую премию по физике в 2013 году.

¶Научные результаты

Главным достижением БАК стало экспериментальное подтверждение механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии. Открытый бозон Хиггса имеет массу около 125 ГэВ, что согласуется с предсказаниями теории. За время работы коллайдера также были получены следующие результаты:

• измерены массы и свойства W- и Z-бозонов с высокой точностью;
• обнаружены новые адроны, включая пентакварки в 2015 году и тетракварки;
• исследованы свойства топ-кварка — самой тяжёлой известной элементарной частицы;
• получены данные о подавлении струй в столкновениях тяжёлых ионов, подтверждающие образование кварк-глюонной плазмы;
• установлены строгие ограничения на параметры суперсимметрии, дополнительных измерений и других теорий за пределами Стандартной модели.

Несмотря на интенсивные поиски, признаки новой физики за пределами Стандартной модели пока не обнаружены, что ставит перед теоретиками вопрос о необходимости пересмотра существующих моделей.

¶Модернизация и перспективы

Работа коллайдера проходит в несколько этапов с длительными остановками для модернизации. Первый этап (Run 1, 2010–2013) — энергия 7–8 ТэВ. Второй (Run 2, 2015–2018) — энергия 13 ТэВ, на которой было накоплено рекордное количество данных. Третий этап (Run 3) начался в 2022 году после технической паузы и продолжается по настоящее время.

К 2029 году планируется завершение модернизации до проекта «HL-LHC» (High Luminosity LHC), которая увеличит светимость (количество столкновений в единицу времени) в пять-семь раз. Это позволит накопить статистику, достаточную для измерения редких процессов, таких как распад бозона Хиггса на мюонные пары, и повысит чувствительность к отклонениям от Стандартной модели.

¶Научное и социальное значение

БАК является не только инструментом фундаментальной науки, но и источником технологических инноваций. Разработки для коллайдера (сверхпроводящие магниты, детекторы, системы сбора данных) находят применение в медицине (адронная терапия рака), информатике (компьютерная графика, обработка больших данных) и промышленности. Обработка данных экспериментов привела к созданию вычислительной сети GRID — прообраза современных облачных технологий.

Всемирная паутина (WWW) была изобретена в ЦЕРНе в 1989 году именно для нужд обмена данными между учёными, работающими над ускорительными экспериментами. Таким образом, коллайдер продолжает традицию, связывающую фундаментальные исследования с практическими применениями.