Большой адронный коллайдер

Большо́й адро́нный колла́йдер, сокращённо БАК (англ. Large Hadron Collider, сокращённо LHC) — ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в ЦЕРНе (Европейский совет ядерных исследований), находящемся около Женевы, на границе Швейцарии и Франции. БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 тысяч учёных и инженеров более чем из 100 стран[1], в том числе из России — 12 институтов и 2 федеральных ядерных центра (ВНИИТФ, ВНИИЯФ).

«Большим» назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м[2]; «адронным» — из-за того, что ускоряет адроны: протоны и тяжёлые ядра атомов; «коллайдером» (англ. collider — сталкиватель) — из-за того, что два пучка ускоренных частиц сталкиваются во встречных направлениях в специальных местах столкновения — внутри детекторов элементарных частиц[3].

Главная задача Большого адронного коллайдера — достоверно обнаружить хоть какие-нибудь отклонения от Стандартной модели[4] — совокупности теорий, составляющих современное представление о фундаментальных частицах и взаимодействиях. Несмотря на свои преимущества, она имеет и трудности: не описывает гравитационное взаимодействие, не объясняет существования тёмной материи и тёмной энергии. Коллайдер должен помочь ответить на вопросы, неразрешённые в рамках Стандартной модели[5].

Стандартная модель не даёт унифицированного описания всех фундаментальных взаимодействий и должна, по мнению теоретиков, быть частью некоторой более глубокой теории строения микромира, которая видна в экспериментах на коллайдерах при энергиях ниже 1 ТэВ. Главная задача Большого адронного коллайдера, где доступны бо́льшие энергии, — получить хотя бы первые намеки на то, что это за более глубокая теория. Разработано большое число кандидатов на такую теорию — их и называют «Новая физика»[6]. Говорят также об «экзотических моделях» — многочисленных необычных идеях относительно устройства мира, которые были выдвинуты в последние годы. К ним относятся теории с сильной гравитацией на масштабе энергий порядка 1 ТэВ, так называемые Теории великого объединения, модели с большим количеством пространственных измерений[прим. 1], преонные модели, в которых кварки и лептоны сами состоят из частиц, модели с новыми типами взаимодействия и новыми частицами. Все они не противоречат имеющимся экспериментальным данным, но во многом по причине ограниченности последних. Ожидается, что результаты, полученные на БАК, помогут подтвердить или опровергнуть предсказания различных теорий[6][7].

Один из путей объединения законов всех фундаментальных взаимодействий в рамках единой теории — гипотеза «суперсимметрии», в рамках которой предполагается существование более тяжёлого партнёра у каждой известной элементарной частицы[5]. Основанные на ней теории наиболее популярны в области «Новой физики» (в частности, именно суперсимметричные частицы рассматриваются в качестве кандидатов на роль гипотетических частиц тёмной материи[5]), и поиск её экспериментальных подтверждений является одной из главных задач работы БАК[6][7].

Важным моментом на пути к более полной, чем Стандартная модель, теории, является изучение хиггсовского механизма нарушения симметрии электрослабого взаимодействия. Его, в свою очередь, удобнее всего исследовать через открытие и изучение бозона Хиггса[7]. Он является квантом так называемого поля Хиггса, при прохождении через которое частицы обретают свою массу[5][8]. Существование хиггсовского бозона было предсказано в 1964 году, и его поиск стал одной из основных целей проекта БАК. После долгожданного объявления об открытии этой частицы в 2012 году научная программа LHC предполагает многочисленные задачи по доскональному изучению его свойств[5][7].

Топ-кварк — самый тяжёлый кварк и вообще самая тяжёлая из открытых пока элементарных частиц. Из-за своей большой массы (и, как следствие, энергии, необходимой для его рождения) до Большого адронного коллайдера он был получен лишь на одном ускорителе — Тэватроне[9], согласно последним (2016 год) результатам которого[10], масса топ-кварка составляет 174,30 ± 0,65 ГэВ/c². Тот факт, что это намного больше, чем для всех остальных кварков, говорит о вероятной важной роли топ-кварков в механизме нарушения электрослабой симметрии. Кроме того, топ-кварки служат и удобным рабочим инструментом для изучения хиггсовского бозона, одним из наиболее важных каналов рождения которого является ассоциативное рождение вместе с топ-кварк-антикварковой парой, и для того, чтобы надёжно отделять такие события от фона, также необходимо внимательное исследование свойств самих топ-кварков[7][9].

Помимо протон-протонных столкновений, программа работы Большого адронного коллайдера предполагает также (примерно в течение одного месяца в году) столкновения тяжёлых ионов. При столкновении двух ультрарелятивистских ядер образуется и затем распадается плотный и очень горячий комок ядерного вещества — кварк-глюонной плазмы. Понимание явлений, происходящих при переходе в это состояние, в котором находилось вещество в ранней Вселенной, и его последующем остывании, когда кварки становятся связанными, нужно для построения более совершенной теории сильных взаимодействий, полезной как для ядерной физики, так и для астрофизики[5][7].

Протон, будучи электрически заряженным, окружён электростатическим полем, которое можно рассматривать как облако виртуальных фотонов. Ультрарелятивистский протон порождает поток летящих рядом с ним почти реальных фотонов, который становится ещё сильнее в режиме ядерных столкновений. Эти фотоны могут столкнуться со встречным протоном, порождая типичные фотон-адронные столкновения, или даже друг с другом[7]. Таким образом, при исследовании столкновения протонов косвенно изучается и взаимодействие вещества с фотонами высоких энергий, представляющее большой интерес для теоретической физики[11].

Антиматерия должна была образоваться в момент Большого взрыва в таком же количестве, что и материя, однако сейчас во Вселенной её не наблюдается — этот эффект называется барионной асимметрией Вселенной. Эксперименты на Большом адронном коллайдере могут помочь объяснить его[5].

Ускоритель расположен в том же туннеле, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер. Туннель с длиной окружности 26,7 км проложен под землёй на территории Франции и Швейцарии. Подземное расположение продиктовано снижением стоимости строительства, минимизацией влияния на эксперименты элементов ландшафта, а также улучшением радиационной защиты. Глубина залегания туннеля — от 50 до 175 метров, причём кольцо туннеля наклонено примерно на 1,4 % относительно поверхности земли, что сделано в основном также из экономических соображений[5].

Ускорительное кольцо состоит из 8 дуг (так называемых секторов), и вставок между ними — прямых участков, на концах которых расположены переходные зоны. Единичным рабочим участком называется октант — область между серединами соседних дуг со вставкой в центре; кольцо содержит таким образом 8 октантов. Оно состоит из узкой вакуумной трубы, движение частиц в которой управляется с помощью электромагнитных устройств: поворотных и фокусирующих магнитов, ускоряющих резонаторов[5].

В секторах установлены поворотные дипольные магниты (154 в каждом секторе, всего 1232), благодаря полю которых сгустки протонов постоянно поворачиваются, оставаясь внутри ускорительного кольца[12]. Эти магниты представляют собой обмотку из кабеля, содержащего до 36 жил 15-миллиметровой толщины, каждая из которых состоит, в свою очередь, из очень большого числа (6000-9000) отдельных волокон диаметром 7 мкм. Совокупная длина кабелей — 7600 км, отдельных жил — 270000 км. Кабели сделаны из низкотемпературного сверхпроводника ниобий-титан и рассчитаны на работу при температуре 1,9 К (−271,3 °C), поддерживаемой с помощью сверхтекучего гелия. Каждый кабель может держать до 11,85 килоампер тока и создавать магнитное поле с индукцией 8,33 Тесла, перпендикулярное плоскости кольца — для этого обмотка осуществляется вдоль, а не вокруг вакуумной трубы ускорителя. Полная энергия, запасённая в одном магните, составляет примерно 10 МДж. Каждый дипольный магнит имеет длину 15 метров и весит около 35 тонн[5][13].

Специальные фокусирующие магниты (всего 392 квадрупольных магнита) сдерживают поперечные колебания протонов, не давая им задевать стенки узкой (диаметром 5 см) вакуумной трубы[5][12][14]. Особенно важна фокусировка пучков перед точками столкновений — до нескольких сотых долей миллиметра — поскольку это обеспечивает высокую светимость[en] коллайдера[5][13][14]. Квадрупольные магниты, в отличие от обычной оптической линзы, могут фокусировать пучок в вертикальной плоскости, дефокусируя его в горизонтальной, или наоборот, поэтому для фокусировки пучка в обоих направлениях требуется использовать комбинацию из нескольких квадрупольных магнитов разного действия. Эти магниты длиной свыше трёх метров создают внутри вакуумной трубы перепад магнитного поля 223 тесла/метр[13].

Наконец, в месте инжекции протонов в кольцо LHC (2 и 8 октанты), а также в точке сброса пучка (6 октант) стоят специальные магниты — кикеры (англ. kickers) и септумы (англ. septa). В ходе нормальной работы БАК они выключены, а включаются только в тот момент, когда очередной сгусток протонов вбрасывается в коллайдер из предварительного ускорителя или же когда пучок выводится из ускорителя. Главная особенность этих магнитов в том, что они включаются примерно за 3 микросекунды — это намного меньше, чем время полного оборота пучка по LHC. Например, в случае обнаружения системой слежения за пучком его выхода из-под контроля, эти магниты включаются в 6 октанте и быстро выводят пучок из ускорителя[13].

Ускоритель рассчитывался на столкновения протонов с суммарной энергией 14 ТэВ в системе центра масс налетающих частиц, а также на столкновения ядер свинца с энергией 1150 ТэВ или 10 ТэВ на каждую пару сталкивающихся нуклонов. Разгон частиц до таких больших энергий достигается в несколько этапов[5][12][15]:

Далее пучки могут циркулировать в основном кольце LHC в нормальном режиме в течение часов, сгустки в них располагаются в постоянных позициях относительно друг друга. Два встречных пучка протонов при полном заполнении могут содержать 2808 сгустков каждый, в свою очередь, в каждом сгустке — по 100 миллиардов протонов[5][14]. Сгустки проходят полный круг ускорителя менее, чем за 0,0001 сек, совершая, таким образом, свыше 10 тысяч оборотов в секунду[12]. В процессе ускорения протоны испытывают перегрузки ~1020 g[17]. В каждом ионном сгустке же содержится по 70 миллионов ядер свинца, а их максимальное число в главном кольце — 700[15]. В заданный момент времени встречные пучки отклоняются так, чтобы сталкиваться в той или иной точке кольца, таким образом, чтобы она находилось внутри нужного детектора[⇨], регистрирующего образованные в результате столкновений частицы[5][14]. Для предупреждения негативных последствий отклонения частиц в поперечной плоскости от идеальной траектории формирующееся при этом гало пучка механически отсекается с помощью коллиматоров — эти системы чистки пучка установлены в октантах 3 и 7. В октанте 6 расположена система сброса пучка: в ней размещены быстрые магниты, которые при необходимости включаются на очень короткое время (порядка нескольких микросекунд) и слегка отклоняют пучок, в результате чего протоны сходят с круговой орбиты, затем пучок дефокусируется, по специальному каналу уходит от ускорителя и в отдельном зале безопасно поглощается массивными карбон-композитными блоками. Сброс пучка необходим как в экстренном случае — сбоя в управляющей магнитной системе или слишком сильного отклонения траектории пучка от расчётной — так и в штатном режиме каждые несколько десятков часов при нормальной работе ускорителя, когда пучок ослабевает[12].

ATLAS, CMS, ALICE, LHCb — большие детекторы, расположенные вокруг точек столкновения пучков. Детекторы TOTEM и LHCf — вспомогательные, находятся на удалении в несколько десятков метров от точек пересечения пучков, занимаемых детекторами CMS и ATLAS соответственно, и будут использоваться попутно с основными.

Детекторы ATLAS и CMS — детекторы общего назначения, предназначены для поиска бозона Хиггса и «нестандартной физики», в частности тёмной материи, ALICE — для изучения кварк-глюонной плазмы в столкновениях тяжёлых ионов свинца, LHCb — для исследования физики b-кварков, что позволит лучше понять различия между материей и антиматерией, TOTEM — предназначен для изучения рассеяния частиц на малые углы, таких, которые происходят при близких пролётах без столкновений (так называемые несталкивающиеся частицы, forward particles), что позволяет точнее измерить размер протонов, а также контролировать светимость коллайдера, и, наконец, LHCf — для исследования космических лучей, моделируемых с помощью тех же несталкивающихся частиц[18].

С работой БАК связан также седьмой, совсем незначительный в плане бюджета и сложности, детектор (эксперимент) MoEDAL[19], предназначенный для поиска медленно движущихся тяжёлых частиц.

Во время работы коллайдера столкновения проводятся одновременно во всех четырёх точках пересечения пучков, независимо от типа ускоряемых частиц (протоны или ядра). При этом все детекторы одновременно набирают статистику.

Во время работы коллайдера расчётное потребление энергии составит 180 МВт. Предположительные энергозатраты всего ЦЕРН на 2009 год с учётом работающего коллайдера — 1000 ГВт•ч, из которых 700 ГВт•ч придётся на долю ускорителя. Эти энергозатраты — около 10 % от общего годового энергопотребления кантона Женева. Сам ЦЕРН не производит энергию, имея лишь резервные дизельные генераторы.

Значительная доля внимания со стороны представителей общественности и СМИ связана с обсуждением катастроф, которые могут произойти в связи с функционированием БАК. Наиболее часто обсуждается опасность возникновения микроскопических чёрных дыр с последующей цепной реакцией захвата окружающей материи, а также угроза возникновения страпелек, гипотетически способных преобразовать в страпельки всю материю Вселенной[20].

27-километровый подземный тоннель, предназначенный для размещения ускорителя БАК

Идея проекта Большого адронного коллайдера родилась в 1984 году и была официально одобрена десятью годами позже. Его строительство началось в 2001 году, после окончания работы предыдущего ускорителя — Большого электрон-позитронного коллайдера[21].

19 ноября 2006 года закончено строительство специальной криогенной линии для охлаждения магнитов[21].

27 ноября 2006 года в туннеле был установлен последний сверхпроводящий магнит[21].

К середине сентября 2008 года была успешно завершена первая часть предварительных испытаний[22]. Команде БАК удалось запустить и непрерывно удерживать циркулирующий пучок.[23] Запущенные пучки протонов успешно прошли весь периметр коллайдера по и против часовой стрелки[24]. Это позволило 10 сентября объявить об официальном запуске коллайдера.[25][26] Однако менее чем через 2 недели после этого в ходе испытаний магнитной системы 19 сентября произошла авария — квенч, в результате которой БАК вышел из строя[27]. Один из электрических контактов между сверхпроводящими магнитами расплавился под действием возникшей из-за увеличения силы тока электрической дуги, которая пробила изоляцию гелиевой системы охлаждения (криогенной системы), что привело к деформации конструкций, загрязнению внутренней поверхности вакуумной трубы частичками металла, а также выбросу около 6 тонн жидкого гелия в туннель. Эта авария заставила остановить коллайдер на ремонт, который занял остаток 2008 и бо́льшую часть 2009 года.

В 2009—2013 годы коллайдер работал на пониженной энергии. Сначала протон-протонные столкновения проводились на весьма скромной по меркам БАК энергии 1180 ГэВ на каждый пучок[28], что тем не менее позволило БАК побить предыдущий рекорд, принадлежавший ускорителю Тэватрон. Вскоре после этого энергия пучков была поднята до 3,5 ТэВ[29], а потом, в 2012 году, энергия пучков достигла 4 ТэВ[30]. Кроме рекорда по энергии протонов в пучках, попутно на БАК был установлен мировой рекорд пиковой светимости для адронных коллайдеров — 4,67⋅1032 см−2•сек−1; предыдущий рекорд также был установлен на Тэватроне[31]. Наиболее известным научным результатом работы коллайдера за этот период стало открытие Бозона Хиггса[32][33][34].

Этапы набора статистики в протон-протонных столкновениях чередовались с периодами столкновения тяжёлых ионов (ионов свинца)[35][36]. Также коллайдер проводил протон-ионные столкновения[37].

Практически целиком 2013—2014 годы заняла модернизация коллайдера, в ходе которой столкновения не проводились.

В 2015 году протоны были разогнаны до 6,5 ТэВ и начался сбор научных данных на полной энергии столкновений 13 ТэВ. С ежегодными перерывами на зиму, собирается статистика протон-протонных столкновений. Конец года принято отдать физике тяжелых ионов. Так, в ноябре и начале декабря 2016 г. около месяца проводились столкновения протонов с ядрами свинца[38]. Осенью 2017 года прошёл пробный сеанс столкновений ядер ксенона[39], а в конце 2018 года в течение месяца проводились столкновения ядер свинца[40].

До 2018 года БАК будет набирать статистику на энергии 13—14 ТэВ, план набора интегральной светимости 150 фб−1. Далее следует остановка на 2 года для модернизации каскада предварительных ускорителей с целью повышения доступной интенсивности пучков, в первую очередь SPS, а также проведение первой фазы апгрейда детекторов, что позволит повысить светимость коллайдера вдвое. С начала 2021 года до конца 2023 года следует набор статистики на энергии 14 ТэВ объёмом 300 фб−1, после чего планируется остановка на 2,5 года для значительной модернизации как ускорителя, так и детекторов (проект HL-LHC — High Luminocity LHC[41][42]). Предполагается повысить светимость ещё в 5—7 раз, за счёт увеличения интенсивности пучков и значительного усиления фокусировки в месте встречи. После запуска HL-LHC в 2026 году набор светимости продлится в течение нескольких лет, заявленная цель — 3000 фб−1.

Также обсуждается возможность проведения столкновений протонов и электронов (проект LHeC)[43]. Для этого потребуется пристроить линию ускорения электронов. Обсуждаются два варианта: пристройка линейного ускорителя электронов и размещение кольцевого ускорителя в том же тоннеле, что и LHC. Ближайшим из реализованных аналогов LHeC является немецкий электрон-протонный коллайдер HERA. Отмечается, что в отличие от протон-протонных столкновений, рассеяние электрона на протоне — это очень «чистый» процесс, позволяющий изучать партонную структуру протона намного внимательнее и аккуратнее.

Считается что с учётом всех модернизаций LHC проработает до 2034 года, но уже в 2014 году в ЦЕРНе было принято решение проработать варианты дальнейшего развития в области физики высоких энергий. Начато изучение возможности строительства коллайдера периметром до 100 км[44][45]. Проект получил название FCC (Future Circular Collider), он объединяет последовательное создание электрон-позитронной машины (FCC-ee) с энергией 45—175 ГэВ в пучке для изучения Z-, W-, Хиггс-бозонов и t-кварка, а затем, в том же тоннеле, адронного коллайдера (FCC-hh) на энергию до 100 ТэВ[46].

Для управления, хранения и обработки данных, которые будут поступать с ускорителя БАК и детекторов, создаётся распределённая вычислительная сеть LCG (англ. LHC Computing GRID), использующая технологию грид. Для определённых вычислительных задач (расчет и корректировка параметров магнитов путём моделирования движения протонов в магнитном поле) задействован проект распределённых вычислений LHC@home. Также рассматривалась возможность использования проекта LHC@home для обработки полученных экспериментальных данных, однако основные сложности связаны с большим объёмом информации, необходимым для передачи на удаленные компьютеры (сотни гигабайт). В рамках проекта распределенных вычислений LHC@Home 2.0 (Test4Theory) производится моделирование столкновений пучков протонов с целью сопоставления полученных модельных и экспериментальных данных.

Благодаря большей энергии по сравнению с предшествовавшими коллайдерами, БАК позволил «заглянуть» в недоступную ранее область энергий и получить научные результаты, накладывающие ограничения на ряд теоретических моделей.

Также, были предприняты попытки обнаружить следующие гипотетические объекты[64]:

Несмотря на безуспешный итог поиска указанных объектов, были получены более строгие ограничения на минимально возможную массу каждого из них. По мере накопления статистики, ограничения на минимальную массу перечисленных объектов становятся жестче.

В 2001 году ожидалось, что общая стоимость проекта составит около 4,6 млрд швейцарских франков (3 млрд евро) за сам ускоритель (без детекторов) и 1,1 млрд швейцарских франков (700 млн евро) составит доля ЦЕРН в проведении экспериментов (то есть в строительстве и обслуживании детекторов)[74].

Строительство БАК было одобрено в 1995 году с бюджетом 2,6 млрд швейцарских франков (1,6 млрд евро) и дополнительными 210 млн швейцарских франков (140 млн евро) на эксперименты (то есть детекторы, сбор и обработку данных). В 2001 году эти расходы были увеличены на 480 млн франков (300 млн евро) в части ускорителя и 50 млн франков (30 млн евро) в части экспериментов (расходы, относящиеся непосредственно к ЦЕРН), что вследствие сокращения бюджета ЦЕРН привело к сдвигу планируемых сроков введения с 2005 года на апрель 2007 года[75].

Бюджет проекта по состоянию на ноябрь 2009 года составил 6 млрд долл. для строительства установки, которое продолжалось семь лет. Ускоритель частиц создавался под руководством ЦЕРН. В проекте было задействовано примерно 700[76] специалистов из России, которые участвовали в разработке детекторов БАК[77]. Общая стоимость заказов, которые получили российские предприятия, по некоторым оценкам достигала 120 млн долл[78].

Официальная стоимость проекта БАК не включает стоимость ранее существовавших в ЦЕРН инфраструктуры и наработок. Так, основное оборудование БАК смонтировано в тоннеле ранее существовавшего коллайдера LEP, при этом использовалось многокилометровое кольцо SPS в качестве предварительного ускорителя. Если бы БАК пришлось строить с нуля, его стоимость оказалась бы заметно выше.[источник не указан 1975 дней]