Большой адронный коллайдер будет светить ярче

Сотрудник CERN настраивает коллиматор (от collimo, искажение правильного, лат. collineo — направляю по прямой линии), устройство для получения параллельных пучков лучей света или частиц. © 2018 CERN

В текущем 2018 году началась реализация проекта по модернизации БАК/LHC и вывода его на более высокую светимость. Цель дорогостоящего предприятия, завершение которого планируется на 2026 год, состоит в качественном повышении степени производительности этого, наверное, самого большого в истории науки, прибора в надежде вырвать у природы её самые сокровенные, а потому хорошо припрятанные, тайны.

Что такое БАК?

Ускоритель заряженных частиц БАК (Большой адронный коллайдерВнешняя ссылка) — это двойной подземный закольцованный туннель диаметром в 27 км и протяжённостью около 100 км. Под землёй в качестве составных элементов коллайдера смонтированы четыре огромных, высотой со средневековый собор, детектора элементарных частиц. Именно поэтому коллайдер и назван «Большим».

«Адронным» же он называется потому, что он ускоряет адроны, то есть протоны и тяжёлые ядра атомов. Ну, а само понятие «коллайдер» является производным от англ. слова collider — сталкиватель, поскольку внутри БАК происходит направленное и запланированное столкновение пучков ускоренных частиц. Сталкиваются они во встречных направлениях, результаты столкновений фиксируются и анализируются в уже упомянутых детекторах. Зачем нужно все это фиксировать и анализировать? 

Дело в том, что только таким образом учёные могут смоделировать и изучить то, что происходило в первые наносекунды после так называемого Большого взрыва, в результате которого, как считается, более 13 млрд лет назад возникла наша Вселенная. Кроме того, БАК позволяет получать ранее немыслимые результаты в рамках изучения особенностей физики элементарных частиц, приближаясь к разгадке таких феноменов, как «тёмная материя», «тёмная энергия» и «антиматерия».

Именно в рамках всех их прорывных исследований учёным в CERNВнешняя ссылка в 2012 году впервые удалось доказать наличие так называемого «бозона Хиггса», который, в свою очередь, помогает понять, откуда берут свою массу элементарные частицы, лежащие в основании материи как таковой.

Панорама региона на швейцарско-французской границе, под поверхностью которой смонтирован БАК (LHC), на фоне Альпийских гор и Женевского озера. © 2008-2018 CERN (License: CC-BY-SA-4.0)

Как работает БАК?

В коллайдере происходит направленное и запланированное столкновение пучков ускоренных частиц, причём сталкиваются они во встречных направлениях. Скорость частиц в БАК близка к скорости света в вакууме. Разгон частиц до таких больших энергий достигается в несколько этапов. 

На первом этапе низкоэнергетические линейные ускорители Linac 2 и Linac 3 производят инжекцию (вброс) протонов и ионов свинца для их дальнейшего ускорения. Затем частицы попадают в протонный синхротрон, двигаясь уже со скоростью, близкой к световой. После этого ускорение частиц продолжается в протонном супер-синхротроне. Затем сгусток протонов направляют в основное кольцо БАК. События, происходящие в точках столкновения, регистрируются детекторами. 

В БАК смонтированы четыре больших детектора (ATLAS, CMS, ALICE, LHCb), которые расположены вокруг точек столкновения пучков. Вспомогательные детекторы TOTEM и LHCf находятся на удалении в несколько десятков метров от этих точек. Детекторы ATLAS и CMS были специально предназначены для поиска бозона Хиггса и тёмной материи. Детектор ALICE используется для изучения кварк-глюонной плазмы в столкновениях тяжёлых ионов свинца. 

Детектор LHCb нужен для исследования физики b-кварков, что позволит лучше понять различия между материей и антиматерией. Детектор TOTEM предназначен для изучения рассеяния частиц на малые углы при близких пролётах без столкновений, что позволяет точнее измерить размер протонов, а также контролировать светимость коллайдера. Наконец, детектор LHCf построен для исследования космических лучей, моделируемых с помощью тех же несталкивающихся частиц.

Зачем потребовалось повышать производительность БАК?

Физики надеются, что увеличение производительности Большого Адронного коллайдера позволит повысить число столкновений заряженных частиц, что, в свою очередь, повысит вероятность совершения новых открытий. Производительность складывается из двух параметров. 

Первый — энерговооружённость. Она является для БАК одним из самых важных параметров. Ускоритель рассчитывался на столкновения протонов с суммарной энергией 14 тераэлектронвольт. По состоянию на конец 2016 года БАК, еще не выйдя на проектную мощность, тем не менее, уже заметно превосходил предыдущего рекордсмена, а именно, протон-антипротонный коллайдер Тэватрон Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми в США, который достигал показателя в 13 тераэлектронвольт.

На сайте CERN можно прочитатьВнешняя ссылка, что энергияВнешняя ссылка в 1,0 тераэлектронвольт равна энергии полета комара, однако особенность БАК состоит в том, что он способен поместить эту энергию в пространство, которое в миллиард раз этого самого комара меньше. Учёные рассчитывают, что энергия в 14 тераэлектронвольт будет на базе БАК достижима уже в 2020 году, но это был бы уже предел, обусловленный техническими параметрами ускорителя.

Не менее важной для БАК является и второй параметр, так называемая «светимость». В экспериментальной физике элементарных частиц «светимостью» называют параметр ускорителя, характеризующий интенсивность столкновения частиц пучка с частицами фиксированной мишени. Светимость Большого Адронного коллайдера во время первых недель работы пробега была не более 1 029 частиц/см²·с, но она продолжает постоянно повышаться. Целью является достижение номинальной светимости в 1,7·1034 частиц/см²·с. 

Это позволит увеличить объем информации, получаемой в результате столкновения частиц, почти на порядок. Тем самым в будущем БАК сможет куда более сильно и яснее «освещать» материю и, соответственно, получать более точные и более многочисленные результаты исследований. «Большая светимость — то есть большее число столкновений заряженных частиц — поможет нам более точно определить, что же там, в глубинах материи, все-таки находится», — говорит Луцио России (Lucio Rossi), руководитель проекта повышения светимости БАК (HL-LHC).

Апрель 2018 года: начало строительных работ в рамках проекта модернизации БАК/LHC на более высокую светимость. Завершение проекта намечено на 2026 год. © 2018 CERN

Какие в итоге результаты надеются получить учёные CERN?

Повышение производительности БАК позволит лучше, то есть точнее, изучить особенности бозона ХиггсаВнешняя ссылка, понять, как возникает эта частица, как и почему она распадается и как взаимодействует с другими частицами. Учёные CERN утверждают, что повышение «светимости» БАК позволит получать в год 15 млн Бозонов Хиггса — на фоне 3 млн, полученных в 2017 году, это будет и в самом деле огромным шагом вперёд. Кроме того, «прокачанный» БАК позволит учёным более предметно и подробно приняться за изучение самых сложных проблем физики.

Среди них т.н. суперсимметрия (гипотетическое преобразование, которое способно переводить вещество во взаимодействие, или в излучение, и наоборот), теория струн (основана на гипотезе о том, что все элементарные частицы и их фундаментальные взаимодействия возникают в результате колебаний и взаимодействий ультрамикроскопических квантовых «струн») или вопрос так называемых «квантовых суперпозиций», в центре которого стоит проблема одновременного существования взаимоисключающих состояний. Решение этого вопроса может приблизить человечество к созданию т.н. квантовых компьютеровВнешняя ссылка.

В конечном счёте все это поможет решить главную задачу Большого Адронного коллайдера, а именно, достоверно обнаружить хоть какие-нибудь отклонения от Стандартной модели, то есть существующей и признанной учёными теоретической конструкции, описывающей электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Стандартная модель не является «теорией всего», так как она не описывает и не учитывает тёмную материю, тёмную энергию и не включает в себя гравитацию. Новый БАК поможет сделать шаг в сторону расширения и совершенствования Стандартной модели. 

Специалист CERN настраивает «крабовые резонаторы». © 2017-2018 CERN

Как учёные намерены повысить «светимость» БАК?

Как мы уже говорили, в экспериментальной физике «светимостью» называют параметр, характеризующий интенсивность столкновения разогнанных частиц с частицами фиксированной мишени. Отсюда ясно, что увеличение светимости коллайдера потребует увеличения интенсивности пучков и повышения степени и точности их фокусировки. В противном случае частицы будут просто пролетать мимо друг друга, не взаимодействуя. 

Специально разработанные «крабовые резонаторыВнешняя ссылка» будут «наклонять» пучки протонов так, чтобы увеличить периметр зоны, в границах которой возможны их столкновения. Большое значение при этом уделяется магнитному полю. В настоящий момент БАК оснащён большим количеством магнитов, но лишь небольшая их часть действительно занимается ускорением частиц, остальные просто удерживают частицы внутри коллайдера. Поэтому, чтобы увеличить светимость коллайдера, следует качественно усилить магнитное поле, иначе частицы будут просто вылетать из ускорителя. 

Внутри коллайдера планируется дополнительно установить 130 магнитов с повышенной мощностью (индукцией). Они будут смонтированы на основе сверхпроводящего материала станнид триниобия (Nb3Sn), а этот материал гораздо сложнее в обращении и дороже, чем традиционный титанат ниобия (NbTi). Работу этих магнитов будут поддерживать 15 «крабовых резонаторов», установленных в специальных «норах».

Насколько велик предстоящий объём работ и какая от всего этого польза обществу?

В общей сложности техническое перевооружение и модернизация затронут примерно 1,2 км от общей протяженности БАК. Строительные работы будут проводиться на двух площадках в Швейцарии и двух во Франции, предстоит возвести новые здания, проложить дополнительные шахтные ходы, обустроить подземные производственные помещения. 

Цена вопроса достигнет примерно 1,2 млрд шв. франков или 1,0 млрд евро. Участие в проекте принимают 29 партнёров из 13 стран. БАК будет продолжать все это время работать в обычном режиме, с двумя перерывами в 2019-2020 гг. и 2024-2026 гг. Что же касается утилитарной, прикладной пользы, то в средне- и долгосрочной перспективе она очевидна.

Наряду с расширением горизонта познания и обучением нового поколения инженеров и экспериментальных физиков работа модернизированного БАК позволит заложить основы качественно новых технологий в сферах сверхпроводимости и вакуума. Материалы со сверхпроводимостью могут найти, и уже сейчас находят, применение в медицинской диагностике и лечении онкологических заболеваний. 

Кроме того, сверхпроводящие провода на основе диборида магния, применяемые сейчас в рамках проекта модернизации БАК, могут в будущем еще более широко использоваться для создания, например, магниторезонансных томографов в качестве замены проводов из традиционного низкотемпературного ниобий-титана.

Перевод на русский и адаптация: Игорь Петров