Сегодня, 15 июня, начались работы по созданию Большого адронного коллайдера высокой светимости (High Luminosity LHC, HL-LHC) — обновленной версии БАК, способной по меньшей мере в десять раз быстрее набирать статистику столкновений протонов, чем имеющееся устройство. Апгрейд коллайдера продлится до 2026 года и позволит исследовать редчайшие процессы физики элементарных частиц, способные пролить свет на Физику за пределами хорошо проверенной, но не полной Стандартной модели. Об этом сообщили представители CERN на сегодняшней пресс-конференции, подробности можно прочитать на сайте организации.
Коллайдеры — ускорители, в которых сталкиваются пучки разогнанных до околосветовой скорости элементарных частиц. К примеру, в БАК сталкиваются встречные пучки протонов, разогнанных до энергии 6,5 тераэлектронвольт, а в новосибирском ВЭПП-4М — электроны и позитроны (с гораздо меньшими энергиями). Задача этих устройств — проверить работоспособность существующих физических теорий и расширить границы их применимости.
Наиболее точно описывает экспериментальные результаты Стандартная модель (включает в себя сильное, слабое и электромагнитное взаимодействие между частицами), но она все еще не позволяет объяснить огромный избыток материи в нашей Вселенной по сравнению с антиматерией или указать на происхождение темной материи. БАК, с одной стороны, подтвердил Стандартную модель, благодаря открытию на нем предсказанного ранее бозона Хиггса, с другой стороны, эксперименты на крупнейшем в мире ускорителе ищут и отклонения от этой теории. Проще всего эти отклонения заметить в редких, с точки зрения Стандартной модели, процессах. Если какая-то новая физика предсказывает, что некоторые события будут происходить чаще, чем в Стандартной модели, то это будет легко заметить.
Однако все процессы в физике элементарных частиц — вероятностные, то есть система случайно будет развиваться по одному из возможных путей распада. Более того, то, каким образом будут распадаться те или иные частицы, зависит от исходной энергии системы (чем больше энергия, тем больше разных вариантов распадов). Поэтому чтобы исследовать редкие процессы надо набирать огромную статистику процессов — триллионы распадов прелестных мезонов или событий рождения бозонов Хиггса. Чтобы эксперименты могли лучше «дотянуться» до конкретного процесса нужно либо ускорять набор статистики, либо изменять вероятность процесса распада изменяя полную энергию системы.
Стартовавшие сегодня работы по усовершенствованию Большого адронного коллайдера до HL-LHC реализуют первый вариант — ускорение набора статистики распадов. Для этого необходимо увеличить частоту протон-протонных столкновений в ускорителе. Здесь стоит отметить, что встречные пучки из сгустков протонов правильнее представлять себе скорее как сталкивающиеся разреженные облачка газов, чем как столкновение двух твердых объектов. Большинство протонов в сгустке при этом пролетают мимо друг друга, не заметив столкновения. Один из способов увеличить вероятность столкновения частиц — увеличить плотность этого облака.
Протоны — частицы заряженные, поэтому на их траектории легко влиять с помощью магнитов. Для обновленного коллайдера будут изготовлены около 130 новых сверхпроводящих магнитов — к примеру, 24 новых квадрупольных фокусирующих магнитов и четыре дипольных магнита, поле которых достигнет 11,5 тесла. Сейчас в ускорителе используются магниты с индукцией «всего» 8,3 тесла (примерно в 250 тысяч раз больше, чем поле Земли).
Модификация затронет и систему электропитания систем коллайдера — будут построены новые полости и технологические туннели, чтобы облегчить обслуживание БАК и увеличить рабочее время ускорителя. Также будет установлено новое криогенное оборудование и системы вентиляции. В сумме работы затронут более 1,2 километра ускорителя из 27 километров кольца. Усовершенствование систем займет почти десять лет — в это время коллайдер продолжит набор научных данных, а все вмешательства в его основные системы будут проводиться во время остановок на техническое обслуживание. За период 2026-2036 года HL-LHC наберет в десять раз больше данных, чем за время работы БАК.
