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 коллайдер) — 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 CERN 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.
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 прочитать, что энергия 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).
Какие в итоге результаты надеются получить учёные CERN?
Повышение производительности БАК позволит лучше, то есть точнее, изучить особенности бозона Хиггса, 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 компьютеров.
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.
