HL-LHC

HL-LHC (High Luminosity Large Hadron Collider, Большой адронный коллайдер высокой светимости) — это проект модернизации Большого адронного коллайдера (БАК), расположенного в ЦЕРНе (Европейская организация по ядерным исследованиям, Швейцария). Основная цель проекта — увеличить светимость коллайдера (интенсивность столкновений частиц) примерно в пять-семь раз по сравнению с номинальной проектной светимостью БАК, что позволит набрать значительно больший объём статистических данных для изучения редких процессов и проверки предсказаний Стандартной модели физики элементарных частиц, а также для поиска новой физики за её пределами.

История и предпосылки

Идея создания коллайдера с чрезвычайно высокой светимостью возникла вскоре после начала работы БАК. Первые серьёзные обсуждения проекта HL-LHC начались в 2010 году, когда стало ясно, что для достижения некоторых целей (например, точного измерения свойств бозона Хиггса, открытого в 2012 году) потребуется гораздо больше данных, чем может обеспечить исходная конфигурация коллайдера.

В 2013 году ЦЕРН официально утвердил проект HL-LHC как часть долгосрочной стратегии развития организации. Проект получил статус одного из приоритетных направлений, и началась фаза интенсивных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР). Разработка велась международным консорциумом, в который вошли десятки институтов и лабораторий по всему миру, включая ведущие российские научные центры (до 2022 года — Институт физики высоких энергий, Объединённый институт ядерных исследований в Дубне, Институт ядерной физики СО РАН и другие).

В 2018 году была завершена фаза разработки технического проекта, и началось изготовление ключевых компонентов. Сборка и установка оборудования на кольце БАК планируется в ходе так называемого «Долгого отключения 3» (Long Shutdown 3, LS3) в 2026–2028 годах. После этого HL-LHC должен начать работу и проработать в режиме высокой светимости примерно до 2041 года.

Цели и задачи

Основная научная задача HL-LHC — значительно расширить возможности БАК для изучения фундаментальных взаимодействий. Ключевые цели включают:

• Прецизионное изучение бозона Хиггса: HL-LHC позволит измерить константы связи бозона Хиггса с другими частицами (фермионами и калибровочными бозонами) с беспрецедентной точностью. Это необходимо для проверки предсказаний Стандартной модели и поиска возможных отклонений, указывающих на новую физику.
• Поиск редких процессов: Увеличение светимости даёт возможность регистрировать чрезвычайно редкие события, предсказываемые Стандартной моделью, такие как рождение двух бозонов Хиггса или распад бозона Хиггса на мюоны. Изучение этих процессов может выявить тонкие эффекты, не описываемые текущей теорией.
• Поиск новой физики: HL-LHC будет чувствителен к проявлениям частиц и взаимодействий, выходящих за рамки Стандартной модели. Это могут быть суперсимметричные частицы, частицы тёмной материи, дополнительные измерения, новые калибровочные бозоны и другие гипотетические объекты.
• Изучение свойств топ-кварка: Топ-кварк — самая тяжёлая из известных элементарных частиц. HL-LHC позволит проводить его прецизионные исследования, что важно для проверки квантовой хромодинамики и электромагнитных взаимодействий.

Устройство и ключевые технологии

Для достижения высокой светимости HL-LHC потребует замены или модернизации ряда ключевых систем БАК на участках взаимодействия пучков (вокруг детекторов ATLAS и CMS). Основные технологические новшества:

Магнитная система

• Квадрупольные линзы с большой апертурой: Вокруг точек столкновения будут установлены новые сверхпроводящие квадрупольные магниты с апертурой (внутренним диаметром) 150 мм (против 70 мм у существующих). Они изготовлены из ниобий-олова (Nb₃Sn), что позволяет создавать более сильное магнитное поле (до 12 Тл) и фокусировать пучки частиц в более узкий сгусток.
• Дипольные магниты: Для компенсации эффектов, связанных с взаимодействием пучков, потребуются новые сверхпроводящие дипольные магниты, также на основе Nb₃Sn.

Система коллимации

• Улучшенные коллиматоры: Для защиты сверхпроводящих магнитов от потери частиц пучка, вызванной сильной фокусировкой и высокой интенсивностью, будет установлена новая, более эффективная система коллимации. Она включает коллиматоры из новых материалов (например, с использованием сплавов меди и вольфрама) и активное охлаждение.

Ускорительная техника

• Крабовые резонаторы: Для увеличения эффективности столкновений пучки будут «наклоняться» друг к другу с помощью специальных сверхпроводящих радиочастотных резонаторов (крабовых резонаторов). Это позволит увеличить геометрическое перекрытие сгустков и, следовательно, светимость.
• Новые источники пучков: Для обеспечения высокой интенсивности потребуется модернизация инжекционного комплекса ЦЕРНа, включая линейный ускоритель Linac4 и протонный синхротрон PS.

Детекторы

Для работы в условиях высокой загрузки (до 200 столкновений за один оборот пучка) детекторы ATLAS и CMS будут подвергнуты серьёзной модернизации. Это включает замену трековых систем, калориметров и мюонных детекторов на более быстрые и радиационно-стойкие версии. Детекторы LHCb и ALICE также будут модернизированы.

Ожидаемые результаты и значение

HL-LHC станет самым мощным ускорителем частиц в мире на период до середины 2040-х годов. Ожидается, что за 10–12 лет работы он накопит интегральную светимость около 3000 фбн⁻¹ (фемтобарн в минус первой степени), что примерно в 10 раз больше, чем планировалось набрать за весь срок службы исходного БАК.

Этот объём данных позволит:

• Уточнить параметры Стандартной модели с точностью до долей процента.
• Исключить или подтвердить целые классы моделей новой физики.
• С высокой вероятностью обнаружить или установить строгие ограничения на свойства частиц тёмной материи.
• Получить новые знания о структуре вакуума и механизме нарушения электрослабой симметрии.

Проект HL-LHC является важнейшей частью долгосрочной стратегии развития физики высоких энергий в мире. Он обеспечит преемственность исследований после завершения программы БАК и заложит основу для будущих, ещё более мощных коллайдеров, таких как FCC (Future Circular Collider).

Критика и вызовы

Проект HL-LHC не лишён критики и технических вызовов. Основные замечания касаются:

• Стоимости: Общая стоимость проекта оценивается в несколько миллиардов швейцарских франков. Критики утверждают, что эти средства можно было бы направить на другие научные проекты или на решение прикладных задач.
• Технической сложности: Разработка и изготовление сверхпроводящих магнитов из Nb₃Sn и крабовых резонаторов представляют собой серьёзные инженерные задачи. Возможны задержки и перерасход средств.
• Отсутствия гарантированных открытий: Существует риск, что HL-LHC не обнаружит никаких явных отклонений от Стандартной модели, что может быть воспринято как неудача, хотя и даст важные ограничения на теории.
• Энергопотребления: Работа HL-LHC потребует значительных объёмов электроэнергии, что вызывает вопросы об экологической устойчивости.

Источники

• CERN. (2015). High-Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC): Technical Design Report V. 0.1. CERN-ACC-2015-0140.
• CERN. (2018). The HL-LHC Project. CERN-Brochure-2018-001-Eng.
• Cerutti, F., et al. (2019). Collimation system for the HL-LHC. Journal of Instrumentation, 14(10), P10007.
• Todesco, E., et al. (2020). The HL-LHC magnets: a new generation of superconducting magnets for a new era of particle physics. Reviews of Accelerator Science and Technology, 11, 1–24.
• CERN Courier. (2021). HL-LHC: the path to high luminosity. CERN Courier, 61(3), 15–20.
• Zimmermann, F. (2018). The High-Luminosity LHC: a new era of precision physics. Nature Reviews Physics, 1(1), 16–17.