Большой адронный коллайдер снова запустили: что ученые надеются в нем найти?

Большой адронный коллайдер (БАК), самый мощный из существующих ускорителей элементарных частиц, был перезапущен после трехлетнего простоя из-за модернизации и технических работ. В результате на БАКе смогли увеличить светимость (поток частиц) практически в два раза, что приблизило преобразование в коллайдер высокой светимости (High Luminosity LHC, HL-LHC). Теперь ускорителю предстоит третья стадия научных экспериментов, в которой планируют провести масштабные исследования, превышающие по объемам полученных данных две предыдущие фазы. Исследование направлено на поиск и изучение сверхтяжелых элементарных частиц, например, бозона Хиггса и суперсимметричных партнеров частиц Стандартной модели. Кроме того, планируется осуществить столкновения протон-гелия для измерения частоты образования аналогов протонов из антивещества и столкновения ионов кислорода, которые расширят представления о кварк-глюонной плазме, появившейся сразу после Большого взрыва. «Лента.ру» рассказывает о долгожданном старте Большой адронного коллайдера и будущих исследованиях третьего запуска.

Большой адронный коллайдер относится к крупнейшей в мире лаборатории физики высоких энергий — Европейской организации по ядерным исследованиям, также известной как ЦЕРН (CERN). Ускоритель частиц располагается под землей на глубине около 100 метров на швейцарско-французской границе около Женевы, его протяженность исчисляется почти 27 километрами. На территории комплекса находятся различные технические и исследовательские корпуса и кампусы, а также целая система детекторов и других инструментов для наблюдений и экспериментов, которые суммарно составляют около семи тысяч тонн металла, кремния и электроники.

В строительстве коллайдера и научной работе принимают участие более десяти тысяч ученых и инженеров со всего мира, в том числе и из России. Ускоритель заряженных частиц на встречных пучках разработан для разгона и столкновения протонов и тяжелых ионов (например, свинца).

26,7 километра
составляет протяженность Большого адронного коллайдера

На БАКе располагаются четыре основных и три дополнительных детектора. Основной задачей коллайдера считается поиск отклонения от Стандартной модели (группа теорий, описывающих современное представление о фундаментальных частицах и их взаимодействиях). Эта модель объясняет многие явления в физике, однако не полностью: она не способна объяснить гравитацию, появление темной материи и темной энергии.

Кроме того, на БАКе планируют произвести поиск Новой физики (совокупность новых теорий, где Стандартная модель будет частью Новой физики), а также проверку других экзотических теорий, поиск суперсимметрии (предполагающей существование более тяжелого партнера у каждой элементарной частицы), исследование хиггсовского механизма нарушения электрослабого взаимодействия (через изучение бозона Хиггса), исследование топ-кварков (самой тяжелой элементарной частицы), изучение фотон-адронных и фотон-фотонных столкновений, а также эксперименты для изучения антиматерии.

Обнаруженные частицы

На данный момент на Большом адронном коллайдере завершено два исследовательских этапа, в рамках которых были обнаружены новые сложные частицы. Первый запуск ускорителя стартовал в сентябре 2008 года, однако из-за технических неполадок он был приостановлен и вновь запущен для работы спустя год.

После трех лет регулярных экспериментов, в июле 2012 года, в ЦЕРН заявили об обнаружении частицы, которая крайне похожа по своим характеристикам на бозон Хиггса, который был предсказан теоретически еще в 1964 году. Масса найденной частицы 125,36 ± 0,41, она не имеет электрического заряда и нестабильна. Эта частица наиболее характерно проявляла себя в распаде на два фотона и на два Z-бозона, которые впоследствии распадались на четыре лептона. В 2013 году некоторые сотрудники ЦЕРН подтвердили, что это действительно был бозон Хиггса. В том же году британскому ученому Питеру Хиггсу и бельгийцу Франсуа Энглеру была присуждена Нобелевская премия по физике за теоретическое обоснование существования бозона.

В июле 2021 года отечественные физики, работающие на Большом адронном коллайдере, объявили об открытии экзотического тетракварка Tcс+, который является новой формой материи. Тетракварк Tcс+ — единственная известная частица, которая состоит из четырех кварков, два из которых очарованные (с-кварки), однако она не включает в себя очарованные антикварки.

Вместе с тем продолжительность жизни найденного тетракварка в 10-500 раз больше, чем у частиц с похожей массой, что делает тетракварк Tcс+ самым долгоживущим из известных. В январе 2022 года на БАКе было доказано существование Х-частиц в кварк-глюонной плазме. Также за всю исследовательскую деятельность на коллайдере физики открыли около 60 ранее неизвестных адронов (сложные частицы, состоящие из различных комбинаций кварков), нейтральные слабые токи, легкие нейтрино и другие частицы.

Модернизация и долгожданный старт

В декабре 2018 года Большой адронный коллайдер закрылся для проведения плановых технических и ремонтных работ, оптимизации и модернизации. Изначально запуск был запланирован на 2021 год, во время которого должен был начаться период работы с постепенным повышением светимости, который занял бы до четырех лет. Однако в декабре 2020 года сотрудники ЦЕРН заявили, что вызванные из-за пандемии коронавирусной инфекции задержки по подготовке главных детекторов CMS и ATLAS откладывают третий запуск коллайдера, который в результате состоялся 22 апреля 2022 года.

В рамках программы по улучшению работы БАКа инженеры смогли увеличить мощность инжекторов, которые отвечают за поступление пучков ускоренных частиц. Во время второго запуска коллайдера он мог ускорять частицы только до 6,5 тераэлектронвольт, теперь он способен осуществлять движение частиц со скоростью до 6,8 тераэлектронвольта (один тераэлектронвольт равен примерно одному триллиону электрон-вольт).

Во время второй длительной остановки установки подверглись серьезной модернизации. Сам БАК был укреплен и теперь будет работать на более высокой мощности, а благодаря усовершенствованиям в инжекторном комплексе он будет передавать гораздо больше данных для новых экспериментов на БАК

Майк Ламонт
директор ЦЕРН по ускорителям и технологиям

Основные задачи по модернизации были сконцентрированы вокруг возможности БАКа производить больше столкновений частиц за более короткий промежуток времени, что увеличивает шансы на создание и нахождение редких новых частиц. Кроме того, были улучшены системы по получению и обработке данных.

После проведенных работ детекторы коллайдера способы собирать данные со скоростью 30 миллионов раз в секунду. Также было обновлено программное обеспечение БАК — теперь оно автоматически может найти полученные данные, идентифицировать и сохранить информацию, которая может составлять потенциальный интерес ученых для анализа, используя новейшие методы искусственного интеллекта.

Проведенные после запуска испытания с пучками частиц показали положительные результаты, но основные исследовательские работы начнутся через пару месяцев.

Первые столкновения показали успешный перезапуск ускорителя после долгого отключения. Эти пучки циркулировали с энергией инжекции и содержали относительно небольшое количество протонов. Высокоинтенсивные столкновения будут проводиться через пару месяцев

Родри Джонс
глава отдела ЦЕРН, отвечающего за пучки

Большие надежды

Третий запуск БАК, называемый Run 3, позволит исследовать беспрецедентное количество столкновений, что поможет физикам со всего мира изучить бозон Хиггса в мельчайших деталях и подвергнуть Стандартную модель различным испытаниям в рамках двух новых экспериментов — FASER и SND@LHC. Они включают в себя столкновения протон–гелия для измерения образования аналогов протонов из антивещества, а также столкновения ионов кислорода, которые позволят изучить физику космических лучей и кварк-глюонную плазму.

FASER будет использовать детектор, расположенный на расстоянии 480 метров от места столкновения, чтобы поймать неизвестные экзотические частицы, которые могут отлетать на большие расстояния, прежде чем распасться на интересующие ученых частицы — например, потенциальные слабо взаимодействующие массивные частицы, которые почти не взаимодействуют с веществом и могут представлять собой темную материю.

Физиков также волнует ответ на вопрос: почему все обнаруженные нейтрино были левосторонними, то есть их спин был направлен против движения. Теоретически правосторонние нейтрино должны существовать, но зафиксировать их до сих пор так и не удалось.

Сотрудники Большого адронного коллайдера будут работать круглосуточно для постепенного возобновления работы машины и безопасного наращивания энергии вплоть до 2024 года, когда должно произойти еще одно плановое отключение.