High-Luminosity LHC

High-Luminosity LHC (HL-LHC) — это проект модернизации Большого адронного коллайдера (LHC), крупнейшего в мире ускорителя заряженных частиц, расположенного в ЦЕРНе (Европейская организация по ядерным исследованиям), на границе Швейцарии и Франции. Основная цель HL-LHC — значительное увеличение светимости ускорителя, что позволит собирать в 5–10 раз больше данных о столкновениях протонов и ионов по сравнению с исходной конфигурацией LHC. Проект направлен на изучение редких процессов, проверку Стандартной модели физики элементарных частиц и поиск новой физики за её пределами.

История и предпосылки

Идея модернизации LHC возникла вскоре после начала его работы в 2008 году. Первоначальный LHC, спроектированный для достижения светимости около 1×10³⁴ см⁻²с⁻¹, успешно подтвердил существование бозона Хиггса в 2012 году, что принесло Нобелевскую премию по физике. Однако для дальнейшего изучения свойств этой частицы, а также для поиска редких распадов и гипотетических частиц (например, тёмной материи) требовалось накопление статистически значимых данных. Увеличение светимости стало логичным шагом.

Официальное одобрение проекта HL-LHC было дано Советом ЦЕРНа в 2016 году. Строительство и установка нового оборудования начались в 2018 году, а первый запуск модернизированного коллайдера планируется на 2029 год. Бюджет проекта оценивается в несколько миллиардов швейцарских франков, при этом основное финансирование обеспечивают страны-участницы ЦЕРНа, включая Россию (до приостановки сотрудничества в 2022 году) и другие государства.

Устройство и принцип работы

HL-LHC не является новым коллайдером, а представляет собой глубокую модернизацию существующего LHC. Ключевые изменения затрагивают несколько компонентов.

Магнитная система

Основное нововведение — использование сверхпроводящих магнитов нового поколения на основе ниобий-олова (Nb₃Sn). В отличие от магнитов LHC, выполненных из ниобий-титана (NbTi), магниты HL-LHC способны создавать поле напряжённостью до 11–12 Тл (против 8,3 Тл в LHC). Это позволяет сильнее фокусировать пучки частиц в точках столкновения, что критически важно для увеличения светимости. Установка таких магнитов потребовала замены около 1,2 км туннеля ускорителя.

Крабовые резонаторы

Для компенсации эффекта «крабового» разворота пучков (когда частицы сталкиваются под углом, снижая эффективность) в HL-LHC используются сверхпроводящие радиочастотные резонаторы. Они «наклоняют» сгустки частиц перед столкновением, обеспечивая их максимальное перекрытие. Это позволяет увеличить число взаимодействий на один сгусток.

Коллиматоры и защита

При высокой светимости возрастает радиационная нагрузка на оборудование. Для защиты детекторов и магнитов разработаны новые коллиматоры — устройства, поглощающие рассеянные частицы. Они выполнены из материалов с высокой теплопроводностью (например, алмазоподобных покрытий) и оснащены системами активного охлаждения.

Детекторы

Модернизация затрагивает и детекторы — ATLAS и CMS, которые регистрируют продукты столкновений. Для работы в условиях высокой загрузки (до 200 событий на одно столкновение сгустков) они оснащаются новыми трекерами, калориметрами и системами триггеров. Например, в CMS заменяется весь кремниевый трекер, а в ATLAS — часть мюонных камер.

Характеристики

HL-LHC рассчитан на достижение пиковой светимости 5×10³⁴ см⁻²с⁻¹, что в 5 раз выше проектной светимости LHC. Интегрированная светимость (общее количество данных) за 10–12 лет работы должна составить около 3000 фб⁻¹ (фемтобарн⁻¹), что в 10 раз больше, чем планировалось для LHC за весь его срок службы. Энергия столкновений остаётся прежней — 14 ТэВ для протонов и 2,76 ТэВ для ионов свинца.

Применение и научные задачи

Основные цели HL-LHC связаны с фундаментальной физикой.

Изучение бозона Хиггса

HL-LHC позволит измерить константы связи бозона Хиггса с другими частицами с беспрецедентной точностью (до 1–2%). Это важно для проверки предсказаний Стандартной модели, а также для поиска отклонений, указывающих на новую физику. Например, планируется изучение редкого распада H→μμ (хиггс на два мюона) и самодействия хиггса (H→HH).

Поиск тёмной материи

Хотя HL-LHC не может напрямую обнаружить частицы тёмной материи, он способен зафиксировать их косвенные проявления — например, недостаток энергии-импульса в событиях. Увеличение статистики повышает шансы увидеть сигналы от гипотетических слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMP) или других кандидатов.

Проверка Стандартной модели

HL-LHC будет исследовать редкие процессы, такие как распад B-мезонов на мюоны или аномальные магнитные моменты. Любое отклонение от предсказаний может указать на существование новых частиц или сил.

Исследование кварк-глюонной плазмы

При столкновениях ионов свинца HL-LHC позволит изучать свойства кварк-глюонной плазмы — состояния материи, существовавшего в первые микросекунды после Большого взрыва. Увеличение светимости даст возможность наблюдать редкие процессы, такие как рождение фотонов высокой энергии.

Критика и вызовы

Проект HL-LHC сталкивается с рядом технических и финансовых трудностей. Создание магнитов из Nb₃Sn потребовало разработки новых технологий производства, что привело к задержкам в поставках. Кроме того, высокая радиационная нагрузка сокращает срок службы оборудования, требуя частой замены компонентов. Критики отмечают, что стоимость проекта (около 1,5 миллиарда швейцарских франков на 2023 год) могла бы быть направлена на другие научные направления, такие как нейтринная физика или астрофизика. Однако сторонники HL-LHC подчёркивают, что без него невозможно проверить многие гипотезы, выходящие за рамки Стандартной модели.

Интересные факты

• Для охлаждения магнитов HL-LHC используется жидкий гелий при температуре 1,9 К (−271 °C), что делает коллайдер одним из самых холодных мест во Вселенной.
• В проекте участвуют более 1000 учёных из 30 стран, включая Россию (до 2022 года — Институт ядерной физики СО РАН и другие организации).
• HL-LHC станет последним этапом эксплуатации LHC: после завершения его работы в 2040-х годах ЦЕРН планирует перейти к проекту Future Circular Collider (FCC) — ещё более мощному ускорителю.

Источники

• CERN. «High-Luminosity LHC». Официальный сайт проекта.
• Evans, L. (ed.). «The Large Hadron Collider: A Marvel of Technology». EPFL Press, 2009.
• Brüning, O., et al. «LHC Design Report». CERN, 2004.
• Rossi, L. «Superconducting Magnets for the HL-LHC». CERN Courier, 2018.
• ATLAS Collaboration. «Technical Design Report for the ATLAS Phase-II Upgrade». CERN, 2017.
• CMS Collaboration. «Technical Proposal for the CMS Phase-II Upgrade». CERN, 2015.