Большой адронный коллайдер многим не понятен, но очень интересен. Я сам как-то на слух воспринимал и говорил, не адронный, а андройный. А уж сколько было теорий и предположений, по поводу этого подземного кольца. Начиная с секретных экспериментов мирового правительства по установлению контроля над людьми. Или, то что это машина времени и может вызвать, так называемые туннели во времени по которым могут путешествовать люди. Страх, что после запуска БАКа, появится черная дыра и сожрет всю землю. А также другие опасения, интересные и не очень, что может произойти с нашим миром. Узнайте больше о большом адронном коллайдере, узнав научные цифры и факты. Зачем его строили и, что в нём делают.

Большой адронный коллайдер (БАК)

Большой адронный коллайдер, 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, 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; «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.

Главная задача Большого адронного коллайдера — достоверно обнаружить хоть какие-нибудь отклонения от Стандартной модели — 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.

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». 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, 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.

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. 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), и поиск её экспериментальных подтверждений является одной из главных задач работы БАК.

Бозон Хиггса

Вернуться к содержанию

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. Он является квантом так называемого поля Хиггса, при прохождении через которое частицы обретают свою массу. 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.

Бозо́н Хи́ггса, хи́ггсовский бозо́н, хиггсо́н (англ. Higgs boson) «частица Бога» — элементарная частица (бозон), квант поля Хиггса, с необходимостью возникающий в Стандартной модели физики элементарных частиц вследствие хиггсовского механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии. Его открытие завершает Стандартную модель. В рамках этой модели отвечает за инертную массу таких элементарных частиц, как бозоны. С помощью поля Хиггса объясняется наличие инертной массы частиц-переносчиков слабого взаимодействия[уточнить] (W- и Z-бозоны) и отсутствие массы у частицы-переносчика сильного (глюон) и электромагнитного взаимодействия (фотон). По построению хиггсовский бозон является скалярной частицей, то есть обладает нулевым спином.

Постулирован британским физиком Питером Хиггсом в его фундаментальных статьях, вышедших в 1964 году. После нескольких десятков лет поисков 4 июля 2012 года в результате исследований на Большом адронном коллайдере был обнаружен кандидат на его роль — новая частица с массой около 125—126 ГэВ/c². Имеются веские основания считать, что эта частица является бозоном Хиггса. В марте 2013 года появились сообщения от отдельных исследователей ЦЕРНа, что найденная полугодом ранее частица действительно является бозоном Хиггса.

Модель с хиггсовским бозоном позволила построить перенормируемую квантовую теорию поля.

Свойства бозона Хиггса

Вернуться к содержанию

В апреле 2014 года коллаборация CMS сообщила, что ширина распада этого бозона меньше 22 МэВ. Как любая элементарная частица, бозон Хиггса участвует в гравитационном взаимодействии. Бозон Хиггса обладает нулевыми спином, электрическим зарядом, цветным зарядом. Предварительно подтверждена на 125 ГэВ чётность +1. Есть 4 основных канала рождения бозона Хиггса: после слияния 2 глюонов (основной), слияние WW- или ZZ-пар, в сопровождении W- или Z-бозона, вместе с топ-кварками. Распадается на пару b-кварк-b-антикварк, на 2 фотона, на две пары электрон-позитрон и/или мюон-антимюон или на пару электрон-позитрон и/или мюон-антимюон с парой нейтрино.

На прошедшей в начале июля 2017 года конференции EPS HEP 2017 ATLAS и CMS сообщили, что они наконец-то начали видеть намёки на распад бозона Хиггса на b-кварк-антикварковую пару, что ранее невозможно было увидеть на практике (трудно отделить от фоновых процессов рождения тех же кварков другим образом); согласно Стандартной модели, этот распад самый частый: в 58% случаев. Как стало известно в начале октября 2017 года, ATLAS и CMS заявили в соответствующих статьях, что они наблюдают сигнал распада уверенно.

В феврале 2021 г. на БАК учёные ЦЕРН обнаружили очень редкий распад бозона Хиггса на два лептона и фотон с суммарной массой лептонов меньше 30 ГэВ (распад Далитца).

Предсказание открытия бозона Хиггса

Вернуться к содержанию

В теории при минимальной реализации механизма Хиггса должен возникать нейтральный бозон Хиггса (в научных работах такая частица называется бозон Хиггса Стандартной модели).

Впрочем, существуют модели, не требующие введения бозона Хиггса для объяснения масс наблюдаемых частиц Стандартной модели, так называемые бесхиггсовские модели. Отрицательный результат поисков бозона Хиггса послужил бы косвенным аргументом в пользу подобных моделей.

В расширенных моделях спонтанного нарушения симметрии может возникнуть несколько хиггсовских бозонов различной массы, в том числе и заряженные. Массы любых бозонов Хиггса, как не заряженных, так и заряженных, не предсказываются в теории.

Стандартная модель предсказывает существование поля (называемого Поле Хиггса), которое имеет ненулевую амплитуду в основном состоянии, то есть ненулевое вакуумное ожидаемое значение. Существование ненулевого вакуумного ожидаемого значения приводит к спонтанному нарушению электрослабой калибровочной симметрии.

Обнаружить бозон удалось, только хорошо зная его свойства.

Эксперименты по поиску и оценке массы хиггсовского бозона

Вернуться к содержанию

Поиски хиггсовского бозона в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) на Большом электрон-позитронном коллайдере (LEP) (в 1993 году эксперимент установил нижнюю границу массы бозона Хиггса >52 ГэВ, эксперимент завершён в 2001 году, энергия 104 ГэВ на каждый пучок, то есть суммарная энергия пучков в системе центра масс 208 ГэВ) не увенчались успехом: были зафиксированы три события-кандидата на детекторе ALEPH при массе 114 ГэВ, два — на DELPHI и одно — на L3. Такое количество событий приблизительно соответствовало ожидавшемуся уровню фона. Предполагалось, что вопрос о существовании бозона Хиггса прояснится окончательно после вступления в строй и нескольких лет работы Большого адронного коллайдера (БАК, LHC).

В 2004 году была проведена повторная обработка данных эксперимента D0 по определению массы t-кварка, проводившегося на синхротроне Тэватрон в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми, в ходе этой обработки была получена уточнённая оценка массы, что привело к переоценке верхней границы массы бозона Хиггса до 251 ГэВ.

В 2008—2009 гг. группой российских учёных Объединённого института ядерных исследований (ОИЯИ) и др. была представлена более точная оценка значения массы бозона Хиггса около 118(±2) ГэВ из данных по анизотропии реликтового излучения.

В 2010 году в ходе экспериментов на Тэватроне исследовательской группой DZero была обнаружена 1-процентная разница в числе образующихся при распаде В-мезона мюонов и антимюонов. Вскоре было объявлено о том, что причиной расхождения могло стать существование не одного, а пяти бозонов Хиггса — в рамках теории суперсимметрии могут существовать заряженные положительно и отрицательно, скалярные (лёгкий и тяжёлый) и псевдоскалярный бозоны. Ожидалось, что подтвердить или опровергнуть данную гипотезу помогут эксперименты на Большом адронном коллайдере.

В июле 2011 года коллаборации ATLAS и CMS выявили отклонение статистики в районе массы 130—150 ГэВ в результатах, представленных на конференции EPS-HEP’2011 в Гренобле, что, возможно, указывает на существование бозона Хиггса. Однако данные с Большого адронного коллайдера продолжали поступать, и была возможность, что последующая обработка нивелирует полученные отклонения. Между тем, на той же конференции был закрыт (с 3%-м отклонением) диапазон от 150 ГэВ до 400 ГэВ (за исключением небольших окон), где бозон Хиггса существовать не может.

В ноябре 2011 года коллаборации ATLAS и CMS сузили интервал масс возможного существования бозона до 114—141 ГэВ. Интервал от 141 до 443 ГэВ был исключён с вероятностью 99 % за исключением трёх узких окон между 220 и 320 ГэВ.

13 декабря 2011 года коллаборации ATLAS и CMS представили предварительные результаты обработки данных 2011 года, основной вывод состоял в том, что бозон Хиггса Стандартной модели, если он существует, скорее всего, имеет массу в интервале 116—130 ГэВ по данным эксперимента ATLAS, и 115—127 ГэВ — по данным CMS. Оба эксперимента наблюдают превышение сигнала над фоном в этих интервалах в различных предполагаемых каналах распада бозона Хиггса. Интересно то, что несколько независимых измерений указывали на область от 124 до 126 ГэВ. Было слишком рано говорить о том, что ATLAS и CMS открыли бозон Хиггса, но эти обновлённые результаты вызвали большой интерес в сообществе физики элементарных частиц. Тем не менее, для окончательных утверждений о существовании или несуществовании бозона Хиггса требовался больший объём данных, который ожидался в 2012 году.

2 июля 2012 года коллаборации D0 и CDF заявили, что по результатам анализа данных ускорителя Тэватрон имеется некоторый избыток, который может быть интерпретирован как вызванный бозоном Хиггса с массой в диапазоне 115—135 ГэВ со статистической значимостью 2,9 стандартных отклонения, что меньше порога в 5 сигм, необходимого для того чтобы заявить об открытии частицы.

4 июля 2012 года, на научном семинаре ЦЕРН, проходившем в рамках научной конференции ICHEP 2012 в Мельбурне, были изложены предварительные результаты экспериментов ATLAS и CMS по поиску бозона Хиггса за первую половину 2012 года. Оба детектора наблюдали новую частицу с массой около 125—126 ГэВ с уровнем статистической значимости в 5 сигм. Предполагается что данная частица — бозон, при этом она — самый тяжёлый из когда-либо обнаруженных бозонов. На семинар были приглашены физики Франсуа Энглер, Карл Хаген, Питер Хиггс и Джеральд Гуральник, которые являются одними из «авторов» механизма Хиггса.

В марте 2013 года в СМИ появились сообщения от отдельных участников исследований о том, что открытая ими в июле 2012 года частица действительно является бозоном Хиггса, так как она имеет совпадающую с ним чётность и измеренные вероятности распадов. Ещё в марте 2013 года исследователи с осторожностью отвечали на вопрос, является ли эта частица бозоном Хиггса, предсказанным Стандартной моделью, или это другой вариант бозона Хиггса, о котором говорят некоторые другие теории, выходящие за рамки Стандартной модели. Но уже к концу 2013 года обе коллаборации, обработав массив полученных данных, пришли к предварительным выводам: выявленный бозон Хиггса не выходит за пределы Стандартной модели и пока нет никаких экспериментальных указаний на физику за её пределами.

Нобелевская премия 2013 года по физике получена Франсуа Энглером и Питером Хиггсом за предсказание этого бозона.

В марте 2015 года коллаборации ATLAS и CMS уточнили предыдущие данные по массе бозона: 125,09±0,24 ГэВ, что примерно на 0,2 % точнее предыдущего значения.

В декабре 2015 года учёные из ЦЕРН объявили, что у них есть свидетельства существования другого бозона с массой около 700 ГэВ, который может оказаться вторым бозоном Хиггса, предсказываемым суперсимметричными расширениями Стандартной модели.

Также в декабре 2015 года со статистической значимостью 2,4σ физики ATLAS нашли возможное по интерпретации проявление заряженного бозона Хиггса с массой в районе 250—450 ГэВ.

На прошедшей в марте 2017 года серии конференций Moriond 2017 была представлена масса 125,26±0,20±0,08 ГэВ/c2, это по данным Большого адронного коллайдера 2016 года.

Бозон Хиггса в массовом сознании

Вернуться к содержанию

Бозон Хиггса — последняя найденная частица Стандартной модели. Частица Хиггса так важна, что в заголовке книги нобелевского лауреата Леона Ледермана «Частица Бога: если Вселенная это ответ, то каков вопрос? она названа «god particle» (частица бога или божья частица), а сам Ледерман изначально предлагал вариант «чёртова частица» (англ. goddamn particle), отвергнутый редактором. Это ироничное название широко употребляется средствами массовой информации. Многие учёные не одобряют это прозвище, считая более удачным «бозон бутылки шампанского» (англ. champagne bottle boson) — из-за игры образами, так как потенциал комплексного поля Хиггса напоминает донышко бутылки шампанского, а его открытие явно приведёт к опустошению не одной такой бутылки.

Изучение хиггсовского механизма нарушения электрослабой симметрии

Вернуться к содержанию

Изучение топ-кварков

Вернуться к содержанию

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, согласно последним (2016 год) результатам которого, 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.

Изучение хиггсовского механизма нарушения электрослабой симметрии

Вернуться к содержанию

Изучение кварк-глюонной плазмы

Вернуться к содержанию

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.

Изучение фотон-адронных и фотон-фотонных столкновений

Вернуться к содержанию

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. Таким образом, при исследовании столкновения протонов косвенно изучается и взаимодействие вещества с фотонами высоких энергий, представляющее большой интерес для теоретической физики.

Исследование антиматерии

Вернуться к содержанию

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.

Технические характеристики Большого адронного коллайдера

Конструкция

Вернуться к содержанию

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.

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.

Магнитная система

Вернуться к содержанию

В секторах установлены поворотные дипольные магниты (154 в каждом секторе, всего 1232), благодаря полю которых сгустки протонов постоянно поворачиваются, оставаясь внутри ускорительного кольца. 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.

Специальные фокусирующие магниты (всего 392 квадрупольных магнита) сдерживают поперечные колебания протонов, не давая им задевать стенки узкой (диаметром 5 см) вакуумной трубы. Особенно важна фокусировка пучков перед точками столкновений — до нескольких сотых долей миллиметра — поскольку это обеспечивает высокую светимость коллайдера. 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.

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.

Ускорение частиц в коллайдере

Вернуться к содержанию

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:

Протоны добываются из газообразного водорода посредством ионизации. Атомы свинца также ионизируются — с помощью электрического тока, находясь в состоянии пара, будучи нагретыми до 800 °C; при этом образуются различные зарядовые состояния, но больше всего ионов Pb29+, которые и отбираются для дальнейшего ускорения.
Низкоэнергетичный линейный ускоритель Linac 2 разгоняет протоны до энергии 50 МэВ, что соответствует скорости 0,314 c. Ионы свинца же сперва ускоряются другим линейным ускорителем, Linac 3, до 4,2 МэВ/нуклон, затем при прохождении через углеродную фольгу ионизируются далее до состояния Pb54+.
Производится инжекция протонов, сгруппированных в сгустки, в бустер протонного синхротрона (PS), в котором они приобретают энергию 1,4 ГэВ (0,916 c). Для пучка Pb54+ следующий этап ускорения перед попаданием в PS — до 72 МэВ/нуклон — реализуется в ионном кольце низких энергий.
В самом PS энергия протонов доводится до 25 ГэВ (что соответствует 0,9993 c), а ионов свинца — до 5,9 ГэВ/нуклон.
Ускорение частиц продолжается в кольцевом ускорителе SPS (протонный суперсинхротрон), где каждая из частиц сгустка протонов приобретает энергию 450 ГэВ (0,999998 c). Ионный пучок же, пройдя через вторую фольгу и ионизировавшись полностью до состояния Pb29+, ускоряется в SPS до 177 ГэВ/нуклон.
Затем протонный или ионный пучок переводится в главное 26,7-километровое кольцо — как в направлении по часовой стрелке, так и в обратном. Энергия протонов доводится до максимальных 7 ТэВ (0,999999991 c) в течение 20 минут — этот разгон происходит во время пролёта протонов сквозь несколько резонаторов, установленных в 4 октанте. Ионы же разгоняются в главном кольце до 2,56 ТэВ/нуклон.

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. Сгустки проходят полный круг ускорителя менее, чем за 0,0001 сек, совершая, таким образом, свыше 10 тысяч оборотов в секунду. В процессе ускорения протоны испытывают перегрузки ~1020 g. В каждом ионном сгустке же содержится по 70 миллионов ядер свинца, а их максимальное число в главном кольце — 700. 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. 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.

На БАК работают 4 основных и 3 вспомогательных детектора:

Вернуться к содержанию

ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)
CMS (Compact Muon Solenoid)
LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment)
TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement)
LHCf (The Large Hadron Collider forward)
MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC).

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.

С работой БАК связан также седьмой, совсем незначительный в плане бюджета и сложности, детектор (эксперимент) MoEDAL, 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.

Потребление энергии

Вернуться к содержанию

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.

Вопросы безопасности Большого адронного коллайдера

Вернуться к содержанию

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.

Стра́пелька (странная + капелька), странгле́т (от англ. strangelet ← strange + droplet) — гипотетический объект, состоящий из «странной материи», образованной либо адронами, содержащими «странные» кварки, либо не разделённым на отдельные адроны кварковым веществом с примерно одинаковым содержанием странных, верхних и нижних кварков. Странная материя рассматривается в космологии как кандидат на роль «тёмной материи». Русскоязычный термин страпелька предложен в 2005 году Сергеем Поповым как калька от англ. strangelet; вариант странглет (приблизительная фонетическая адаптация того же английского слова) существовал и ранее, его употребляют в русскоязычных физических статьях. Английский термин предложен в 1984 году E. Farhi и R. Jaffe.

Предполагается, что страпельки, в отличие от обычных атомных ядер, могут оказаться устойчивыми по отношению к спонтанному делению даже при больши́х массах[5][6]. Если это верно, то страпельки могут достигать макроскопических и даже астрономических размеров и масс.

Предполагается также, что столкновение страпельки с ядром какого-нибудь атома может вызывать его превращение в странную материю, которое сопровождается выделением энергии. В результате во все стороны разлетаются новые страпельки, что теоретически может приводить к цепной реакции.

Высказываются опасения, что данный процесс каталитического превращения обычной материи в «странную» может привести к превращению в странную всей материи, из которой состоит наша планета.

Поиск устойчивых страпелек в образцах лунного грунта завершился отрицательно. Таким образом, если устойчивые страпельки и существуют, то их массовая доля в обычной материи составляет менее 10 в минус 16 степени.

Некоторые специалисты, а также простые граждане, поднимают вопросы по безопасности Большого адронного коллайдера. Эти вопросы имеют заметный резонанс в средствах массовой информации.

Некоторые специалисты и представители общественности высказывают опасения, что существует вероятность выхода проводимых в коллайдере экспериментов из-под контроля и развития цепной реакции, которая при определённых условиях теоретически может уничтожить всю планету. Из-за подобных настроений БАК иногда расшифровывают как Last Hadron Collider («Последний адронный коллайдер»). Аргументы скептиков, сомневающихся в безопасности БАК, изложены на соответствующих сайтах. Многие ученые считают недостаточно обоснованным обзор безопасности CERN «Review of the Safety of LHC Collisions» группы безопасности (LHC safety assessment group (LSAG)), представленной физиками-теоретиками Джоном Эллисом (John Ellis), Джианом Гуидче (Gian Giudice), Микеланджело Мангано (Michelangelo Mangano), Игорем Ткачёвым и Урсом Видеманном (Urs Wiedemann), и требуют прекратить эксперименты на коллайдере и рассмотреть все аспекты безопасности экспериментов на коллайдере независимой междисциплинарной комиссией. В связи с опасностью экспериментов на БАК наиболее часто упоминается теоретическая возможность появления в коллайдере микроскопических чёрных дыр, а также теоретическая возможность образования сгустков антиматерии и магнитных монополей с последующей цепной реакцией захвата окружающей материи.

Английский физик-теоретик Эдриан Кент опубликовал научную статью с критикой норм безопасности, принятых CERN, поскольку ожидаемый ущерб (то есть произведение вероятности события на число жертв) является, по его мнению, неприемлемым.

В качестве основных аргументов в пользу необоснованности катастрофических сценариев приводятся ссылки на то, что Земля, Луна и другие планеты постоянно бомбардируются потоками космических частиц с гораздо более высокими энергиями. Такие природные частицы, энергии которых эквивалентны (и даже на порядки выше) энергиям на БАК, обнаруживают в космических лучах.

Часто в качестве гарантии безопасности упоминается успешная работа ранее введённых в строй коллайдеров RHIC и Теватрон. Но концентрация протонов и тяжелых ионов в БАК будет на порядок выше, чем в этих ускорителях. Поэтому коллайдеры, подобные LHC, могут представлять глобальную опасность, как реакционные системы, генерирующие уже не единичные явления, а экстремальные процессы, отсутствующие в земных условиях.

Возможность образования микроскопических чёрных дыр не отрицается специалистами CERN, однако при этом заявляется, что в нашем трёхмерном пространстве такие объекты могут возникать только при энергиях, на 16 порядков больших энергии пучков в БАК. Гипотетически микроскопические чёрные дыры могут появляться в экспериментах на БАК в предсказаниях теорий с дополнительными пространственными измерениями. Такие теории пока не имеют каких-либо экспериментальных подтверждений. Однако, даже если чёрные дыры будут возникать при столкновении частиц в БАК, предполагается, что они будут чрезвычайно неустойчивыми вследствие излучения Хокинга и будут практически мгновенно испаряться в виде обычных частиц. И для того, чтобы это произошло, микродыра должна разрастись до большого размера.

Указанные в критике теоретические возможности были рассмотрены специальной группой CERN, подготовившей соответствующий доклад, в котором все подобные опасения признаются необоснованными. По их расчётам максимальная верхняя оценка вероятности катастрофического сценария на БАК составляет 10 в минус 31 степени.

По информации издания New Scientist, профессор, д. ф.-м. н. Ирина Арефьева и член-корреспондент РАН, д. ф.-м. н. Игорь Волович полагают, что этот эксперимент может привести к появлению кротовых нор, которые при некоторых условия создают гипотетическую возможность путешествий во времени. Они считают, что протонные столкновения могут породить пространственно-временны́е «кротовые норы».

Противоположных взглядов придерживается заведующий отделом НИИ ядерной физики МГУ д. ф.-м. н. Эдуард Боос, отрицающий возникновение в коллайдере макроскопических чёрных дыр, а следовательно, «кротовых нор» и путешествий во времени.

21 марта 2008 года в федеральный окружной суд штата Гавайи (США) был подан иск Уолтера Вагнера Луиса Санчо, в котором они, обвиняя CERN в попытке устроить конец света, требуют запретить запуск коллайдера до тех пор, пока не будет гарантирована его безопасность. Вскоре иск отклонили.

26 августа 2008 года группа европейских учёных обратилась в Европейский суд по правам человека, иск также был отклонён.

Хронология истории Большого адронного коллайдера

Вернуться к содержанию

5 апреля 1976 года были запущены первые пучки протонов в новый 7-километровый ускоритель в ЦЕРНе — Протонный суперсинхротрон (SPS). Протоны разгонялись в нём до рекордной энергии 400 ГэВ и направлялись на неподвижные мишени. SPS продолжал успешно работать и в эру LEP, и даже в XXI веке. Начиная с 2010 года основная функция SPS — предварительный разгон и поставка протонов в Большой адронный коллайдер (LHC).

18 августа 1977 года был опубликован первый проект Большого электрон-позитронного коллайдера (LEP) в ЦЕРНе, который будет установлен в специальном кольцевом туннеле длиной почти 30 км. Тогда же была высказана и мысль, что в будущем в том же туннеле можно будет разместить и адронный коллайдер, который, возможно, будет работать одновременно с LEP. Поэтому туннель для LEP проектировали с учетом и такой возможности.

1981 г. начало работ над магнитами

Начались разработки магнитов для LHC — основы будущего коллайдера. Магниты должны держать поле порядка 10 Тесла, а значит, их необходимо делать сверхпроводящими, но при этом они должны уместиться в тесном пространстве подземного туннеля. Основной упор делался на конфигурацию «два в одном» (две отдельные вакуумные трубы для встречных протонных пучков, помещенные в единый криостат), но рассматривались и другие варианты. Конфигурация «два-в-одном» стала впоследствии эмблемой LHC.

Январь 1983 – январь 1988, создание 27-километрового туннеля

В течение пяти лет в ЦЕРНе ведутся экскавационные работы по прокладе кольцевого 27-километрового туннеля. В нём будет расположен Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP), а по окончании его работы, в 2000-е годы, в том же туннеле будет смонтирован и Большой адронный коллайдер (LHC). Прокладка туннеля стала крупнейшим на то время экскавационным проектом в Европе (рекорд был побит в 1988 году, когда начались работы по прокладке подземного туннеля под Ламаншем.) Стоимость этих работ составила более половины всего бюджета LEP. Подробнее про раннюю историю LEP см. в лекции Стива Майера (1990 год).

Апрель 1983 LHC Note 1

В ЦЕРНе опубликован технический отчет, содержащий предварительные оценки того, как мог бы работать адронный коллайдер в туннеле LEP. Отчет вышел под номером «LEP Note 440», и впоследствии он получил также номер «LHC Note 1».

3 июля 1983 Тэватрон

В Национальной лаборатории им. Э. Ферми в США начал свою работу Тэватрон — протон-антипротонный коллайдер, сталкивающий частицы на энергии 512 ГэВ (в дальнейшем энергия частиц была поднята до 980 ГэВ). В 1990-2000-е годы на Тэватроне было сделано много работ по физике сильных и электрослабых взаимодействий, включая открытие топ-кварка. В 2010-2012 годах Тэватрон будет оставаться главным конкурентом LHC в поиске хиггсовского бозона.

21 марта 1984 Конференция по LHC в Лозанне

ЦЕРН совместно с Европейским комитетом по будущим ускорителям организовал с 21 по 27 марта 1984 года рабочую конференцию по LHC в Лозанне (Швейцария). На ней были представлены результаты изучения разных путей для создания коллайдера, а также общие наброски детекторов для LHC. Разработки магнитной системы ускорителя ориентировались на энергию протонов от 5 до 9 ТэВ; обсуждались возможности сталкивать ядра тяжелых ионов, а также проект электрон-протонного коллайдера (при одновременной работе LEP и LHC, смонтированных друг над другом).

Декабрь 1984 Нобелевская премия за W- и Z-бозоны

Нобелевская премия по физике за 1984 год была вручена Карло Руббиа и Симону ван-дер-Мееру за их ключевую роль в открытии в экспериментах на SPS частиц-переносчиков слабого взаимодействия — W- и Z-бозонов. Это открытие, подтвердившее теорию электрослабой симметрии, стало возможным благодаря тому, что в 1981 году SPS превратился из протонного ускорителя в протон-антипротонный коллайдер.

14 июля 1987 Проект LAA

В ЦЕРНе начинает работу проект LAA, задачей которого является выработка общих принципов, по которым будут проектироваться детекторы для будущего адронного коллайдера.

22 апреля 1988 Повышенная светимость

Специальная комиссия, созданная в 1987 году, изучила возможности увеличения светимости LHC по сравнению с первоначальными планами и в своем отчете от 22 апреля 1988 года дала положительное заключение. Ориентиром светимости для LHC стало значение 10³⁴см^–2с^–1.

июнь 1988 первые магниты

Протестированы самые первые небольшие модели сверхпроводящих магнитов длиной, изготовленные итальянской фирмой Ansaldo Componenti в сотрудничестве с ЦЕРНом. Магнитное поле удалось поднять до 8,5 Тесла без срыва сверхпроводимости. В последующие годы было достигнуто магнитное поле напряженностью 10,2 Тесла. Сравнение разных вариантов магнитов и оптимизация их конструкции продолжались еще несколько лет.

март 1989 WWW

Сотрудник ЦЕРНа Тим Бернерс-Ли предложил новую гипертекстовую систему обработки информации, из которой затем вырос WWW.

14 июля 1989 LEP заработал

14 июля 1989 года в Большой электрон-позитронный коллайдер LEP были запущены первые электроны и позитроны. Месяц спустя начались первые столкновения. В последующие одиннадцать лет LEP выполнил большую программу исследований по изучению Стандартной модели физики элементарных частиц.

4 октября 1990 Конференция в Ахене по LHC

Европейский комитет по будущим ускорителям организовал в Ахене (ФРГ) конференцию, посвященную LHC. На ней были представлены, среди прочих докладов, и проекты двух разных детекторов для LHC.

май 1991 Технический проект LHC

Опубликован 212-страничный отчет («The Pink Book») группы, изучавшей возможность создания LHC. Планируемая энергия протонов — 7,7 ТэВ.

20 декабря 1991 Совет ЦЕРНа поддержал LHC

В резолюции, утвержденной Советом ЦЕРНа, констатируется, что LHC — подходящий проект для ЦЕРНа после завершения работы коллайдера LEP. Конкурентом LHC был проект линейного электрон-позитронного коллайдера.

5 марта 1992 Физическая программа

С 5 по 8 марта 1992 года в Эвиан-ле-Бен (Франция) прошла конференция, после которой начала в деталях вырисовываться физическая программа исследований на LHC.

15 марта 1992 LHCC

По результатам мартовской конференции в Эвиан-ле-Бен (Франция) в ЦЕРНе был сформирован Комитет по экспериментам на LHC (LHCC). Первое заседания комитета состоялось 23 октября 1992 года.

5 ноября 1992 Четыре детектора для LHC

В ноябре 1992 года Комитету по экспериментам на LHC были представлены заявки (Letter of Intent) на создание трех крупных детекторов: ATLAS (который образовался из слияния двух ранних проектов EAGLE и ASCOT), CMS и L3P. В 1993 году Комитет поддержал заявки ATLAS и CMS и отклонил заявку L3P. В марте 1993 года также была представлена заявка на создание детектора ALICE, а в августе 1995 года — заявка детектора LHCb.

1993 Лин Эванс

Линдон Эванс назначен руководителем проекта LHC и остается им по сей день. В 1990-х годах он сыграл огромную роль не только в разработке магнитной системы коллайдера, но и в привлечении к проекту LHC новых стран и, как следствие, дополнительного финансирования.

21 октября 1993 SSC

Конгресс США отказался продолжать финансирование американского суперколлайдера SSC, рассчитанного на энергию протонов 20 ТэВ. Проекту был выделен последний денежный транш в размере 640 млн. долларов для сворачивания работ. В последующие годы американские физики начали присоединяться к группам, работающим над LHC.

15 декабря 1994 Технические проекты детекторов ATLAS и CMS

Комитету по экспериментам на LHC представлены технические проекты (Technical Proposal) детекторов ATLAS и CMS.

16 декабря 1994 LHC официально утвержден

Совет ЦЕРНа официально утвердил проект по созданию LHC как один из ключевых проектов ЦЕРНа. Проект предусматривал создание ускорителя в два этапа (энергия протонов 4,5 ТэВ к 2004 году и 7 ТэВ к 2008 году), с возможностью пересмотра стратегии в 1997 году.

декабрь 1994 – декабрь 1998 Прототип «String 1» — ячейка длиной 42 м

Создание и тестирование ячейки String 1 — прототипа участка LHC длиной 42 м, который состоял из четырех магнитов, поддерживаемых при температуре 1,9 К.

14 июня 1996 Соглашение ЦЕРН-Россия

ЦЕРН заключил взаимовыгодное соглашение о сотрудничестве с Министерством науки РФ. В рамках этого соглашения в России будут изготавливаться и поставляться в ЦЕРН компоненты как для ускорительного комплекса LHC, так и для детекторов. Таким образом Россия получает в ЦЕРНе статус государства-наблюдателя со всеми его преимуществами, но оплачивает свое участие не деньгами, а готовой техникой. В 1997 году был в дополнение к этому подписан отдельный протокол об участии ОИЯИ (Дубна) в создании LHC. Подробнее о взаимодействии ЦЕРНа и СССР/России в эти годы см. в книге Николаса Кульберга «ЦЕРН и институты России».

20 декабря 1996 LHC в один этап

Благодаря дополнительному финансированию от новых стран-участников проекта, Совет ЦЕРНа принял решение реализовать строительство LHC не в два, а сразу в один этап. Завершение строительства ожидалось в 2005 году.

Ноябрь 1997 Первый 15-метровый дипольный магнит

В ЦЕРН из Италии прибыл первый прототип 15-метрового поворотного магнита, изготовленный по улучшенной технологии с учетом результатов String-1.

8 декабря 199 Соглашение ЦЕРН-США

Представители США и ЦЕРНа подписали соглашение об участии США в строительстве Большого адронного коллайдера. Финансовый вклад США в постройку ускорителя и детекторов ATLAS и CMS оценивается в 531 млн долларов.

Апрель 1998 – июнь 2002 Подземные залы для ATLAS и CMS

В апреле 1998 года начинаются экскавационные работы в «точке 1» — роют подземный зал, в котором будет размещен детектор ATLAS, и две широкие шахты, соединяющие его с поверхностью. В августе 1998 начинаются такие же работы в противоположной точке ускорительного кольца, где будет установлен детектор CMS.

Апрель 1999Первые компоненты детекторов

В ЦЕРН начинают прибывать первые компоненты детекторов.

Июнь 1999 – ноябрь 2001 Туннель для линии доставки

В ЦЕРН прибыл «туннеллер» — машина для прокладки двух туннелей длиной несколько километров, соединяющих старый протонный ускоритель SPS с главным ускорительным кольцом LHC. В этих двух туннелях будут установлены линии доставки пучков из SPS в LHC. Прокладка туннелей была закончена к ноябрю 2001 года.

Октябрь 1999 – 3 сентября 2008 сооружение детектора CMS

Строительство детектора CMS началось в ноябре 1999 года с монтажа массивного магнитного ярма. Пока готовился подземный зал, все работы велись в наземных помещениях. Детектор был полностью собран в 2006 году, протестирован, разобран на отдельные блоки, только после этого спущен под землю, и там собран вновь. Детектор был окончательно закрыт 3 сентября 2008 года, за неделю до запуска пучков.

Ноябрь 1999 – май 2003 первые партии дипольных магнитов

В рамках пре-индустриального этапа изготавливаются три партии по 30 дипольных магнитов для LHC, причем технология изготовления продолжает оттачиваться прямо в процессе производства.

2 ноября 2000 – 12 февраля 2002 остановка и демонтаж LEP

2 ноября 2000 года, после 11 лет работы, был остановлен Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP). В декабре начался демонтаж аппаратуры и поднятие ее на поверхность; последний дипольный магнит LEP был поднят 12 февраля 2002 года. За 14 месяцев работы их туннеля было вывезено 40 тыс. тонн аппаратуры.

апрель 2001 – июнь 2003 String 2 — ячейка длиной 107 м

Монтаж и тестирование LHC Test String 2 — прототипа полноценной 107-метровой ячейки LHC (шесть поворотных магнитов, прямая секция, криогенная и электрическая система).

август 2001 магниты из Новосибирска

В ЦЕРН прибыл последний из 540 магнитов, собранных в Новосибирском ИЯФе. Эти магниты будут установлены в линии доставки пучков из предварительного ускорителя SPS в основное кольцо LHC.

20 сентября 200 GRID

Совет ЦЕРНа утвердил IT-проект LHC Computing GRID как часть общего проекта LHC.

Ноябрь 2001 – ноябрь 2003 туннель подготавливается для установки LHC

В туннеле, освобожденном от всех компонентов предыдущего ускорителя (LEP), начинаются разметочные работы. В течение двух лет предстоит нанести 7 тысяч меток, относительно которых в дальнейшем будут устанавливаться магниты LHC.

Январь 2002 – май 2008 сооружение детектора ALICE

В подземном зале ведется сооружение детектора ALICE.

Март 2002 доставлены тороидальные магниты ATLAS

В ЦЕРН по частям поставляются огромные тороидальные магниты для детектора ATLAS.

Октябрь 2002 железное ярмо CMS

С 1999 по 2002 год в ЦЕРНе велся монтаж самого тяжелого компонента детектора CMS — массивного возвратного ярма. Благодаря нему сильное магнитное поле удерживается во всём поперечнике детектора.

Январь 2003 – июль 2008 сооружение детектора LHCb

В уже готовом подземном зале, оставшемся со времен LEP, ведется сооружение детектора LHCb.

21 января 2003 первый магнит из США

В ЦЕРН прибыл первый американский сверхпроводящий магнит. Всего в ускорительном кольце LHC будут задействованы тысячи сверхпроводящих магнитов.

Февраль 2003 линии доставки

Начинается установка магнитов в две линии передачи, соединяющие по дуге предварительный ускоритель SPS и главным ускорительным кольцом LHC.

Март 2003 экскавационные работы закончены

Все подземные экскавационные работы, длившиеся несколько лет, закончены.

Июль 2003 – ноябрь 2006 массовое изготовление дипольных магнитов

Три европейские фирмы — Alstom MSA-Jeumont (Франция), Ansaldo Superconduttori (Италия), Babcock Noell Nuclear (Германия), — выигравшие тендер на изготовление дипольных магнитов, приступили к массовому их производству и постепенно поставляют магниты в ЦЕРН. В самом ЦЕРНе магниты тестируются и проходят процедуру «тренировки».

Строительство и эксплуатация

Вернуться к содержанию

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.

Руководитель проекта — Линдон Эванс.

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

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

2008 год

11 августа 2008 года успешно завершена первая часть предварительных испытаний. Во время испытаний пучок заряженных частиц прошёл чуть более трёх километров по одному из колец БАК. Таким образом, учёным удалось проверить работу синхронизации предварительного ускорителя, так называемого протонного суперсинхротрона (SPS), и системы правой доставки луча. Эта система передаёт в основное кольцо разогнанные пучки таким образом, что они начинают двигаться по кольцу по часовой стрелке. В результате испытаний удалось оптимизировать работу системы.

24 августа прошёл второй этап испытаний. Была протестирована инжекция протонов в ускорительное кольцо БАК в направлении против часовой стрелки.

10 сентября был произведён официальный запуск коллайдера. В 12:24:30 по московскому времени (по официальной информации, в 12:28 по московскому времени) запущенный пучок протонов успешно прошёл весь периметр коллайдера по часовой стрелке. В 17:02 по московскому времени запущенный против часовой стрелки пучок протонов также успешно прошёл весь периметр коллайдера.

12 сентября, примерно в 00:30 по московскому времени, команде БАК удалось запустить и непрерывно удерживать циркулирующий пучок в течение 10 минут. Чуть позже пучок был запущен вновь и циркулировал уже непрерывно, прерываясь лишь в случае необходимости. На этом задача по установлению циркулирующего пучка завершилась, и физики приступили к подробным тестам магнитной системы.

12 сентября 2008 года группа хакеров из Греции взломала компьютерную систему CERN. Компьютерным взломщикам удалось получить доступ к серверам, управляющим компактным мюонным соленоидом (Compact Muon Solenoid, CMS), который занимается отслеживанием данных в ходе столкновения элементарных частиц в ускорителе БАК.

В результате кибер-атаки, хакеры повредили один из файлов CERN, а сайт cmsmon.cern.ch перестал быть доступным для пользователей.

19 сентября, в 14:05 по московскому времени, в ходе тестов магнитной системы сектора 3-4 (34) произошёл инцидент, в результате которого БАК вышел из строя. Согласно данным предварительного расследования, подтверждённым и детализированным позднее, 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 выбросу около 6 тонн жидкого гелия в туннель и, как следствие, резкому росту температуры. Для восстановления криогенной системы потребуется вернуть этот участок ускорителя к комнатной температуре, а после ремонта — охладить его снова до рабочей температуры.

23 сентября официальный представитель ЦЕРНа сообщил, что БАК возобновит работу не раньше весны 2009 года.

16 октября ЦЕРН распространил пресс-релиз, в котором описываются промежуточные результаты расследования инцидента, произошедшего 19 сентября. Подробная техническая информация представлена в четырёхстраничном отчёте.

21 октября состоялась торжественная церемония официального открытия (инаугурация) БАК.

29 октября, в ходе восьмого заседания Комиссии по работе LHC (LHC Performance Committee), Роберто Сабан (Roberto Saban) озвучил подробности, касающиеся сектора 3-4 ускорительного кольца LHC, который пострадал во время сентябрьской аварии. Докладчик показал схему повреждённого участка ускорительного кольца, на которой было отмечено, насколько сместились те или иные магниты во время аварии. Новый анализ показал, что поднимать на поверхность для ремонта потребуется в 2-3 раза больше магнитов, чем было заявлено первоначально (речь уже идёт как минимум о полусотне магнитов и так называемых коротких прямых участков). Был разработан план действий для того, чтобы к концу декабря 2008 года поднять на поверхность все магниты, требующие ремонта. Кроме того, оказалось, что на внутренних стенках вакуумных труб осели частички металлов (прежде всего, меди и нержавеющей стали) и некоторых других материалов (стекловолокна), выброшенные в вакуумную трубу в момент аварии. Они достаточно крупные, размером в десятки микронов, и от них необходимо избавиться, поскольку они будут мешать движению протонных пучков. Прошла чистка и были разработаны более надёжные крепления к полу и новая сеть клапанов, предотвращающих слишком сильный рост давления внутри криостатов в случае аварийной ситуации. Именно из-за резко возросшего давления, в конечном счёте, и произошло повреждение магнитов. По последним данным, при благоприятном исходе ремонтных работ возобновление работы БАК произойдёт в июле 2009 года.

На следующем этапе испытаний будут производиться одновременные запуски пучков навстречу друг другу, чтобы наблюдать, что происходит при их «лобовых» столкновениях. Затем частицы будут сталкиваться на более высоких энергиях. Выход на энергию 14 ТэВ протон-протонного столкновения намечен на 2009 год.

2009 год

9 февраля 2009 года состоялось заседание директората ЦЕРНа, на котором был одобрен план работы БАК в 2009—2010 годах. В соответствии с утверждённым расписанием, коллайдер будет охлаждён до рабочей температуры в августе, пучки начнут циркулировать в конце сентября, столкновения протонов начнутся в октябре. Но в середине июля 2009 года в секторах 8-1 и 2-3 обнаружена новая неисправность — недостаточная герметичность гелиевой криогенной системы. Поскольку все остальные ремонтные работы ведутся в срок, сейчас ожидается, что коллайдер будет готов к работе в середине ноября 2009 года. Главный пункт утверждённого плана: БАК будет работать непрерывно вплоть до осени 2010 года, в том числе и в течение зимы (не считая небольшой рождественской паузы). В 2010 году также возможно выделение времени и для экспериментов по столкновению ядер.

6 августа 2009 года появилось официальное сообщение, в котором говорится, что коллайдер заработает на энергии в 3,5 ТэВ на протон. Таким образом, полная энергия протон-протонных столкновений поначалу составит 7 ТэВ, что ниже не только проектной энергии 14 ТэВ, но и обсуждавшейся в последнее время первоначальной энергии 10 ТэВ.

16 октября 2009 года завершено охлаждение всех восьми секторов коллайдера, их температура установилась на отметке 1,9 К.

23-25 октября 2009 года — впервые с момента аварии были проведены испытания БАК. Пучки протонов и ионов свинца были запущены в ускорительное кольцо, по которому прошли несколько километров. Ожидается, что к 19 ноября все испытания будут завершены и протонные пучки пройдут уже по всему кольцу. Энергия пучков составит 3,5 ТэВ на протон, что составляет примерно половину от максимально возможной.

17 ноября 2009 года — последние тесты сверхпроводящих магнитов, системы безопасности и всей инфраструктуры. 98 % всех сильноточных электрических цепей уже прошли испытания для работы на энергии протонов 1,2 ТэВ — именно такой энергией физики планируют ограничиться в 2009 году.

20 ноября 2009 года — впервые после аварии 19 сентября 2008 года пучок протонов успешно прошёл по всему кольцу Большого адронного коллайдера.

23 ноября 2009 года — Европейский центр ядерных исследований объявил о том, что впервые на БАК было проведено столкновение пучков протонов, двигающихся со скоростями, близкими к скорости света, с суммарными энергиями порядка 900 ГэВ.

В ночь с 29 на 30 ноября учёные довели энергию каждого из пучков протонов до значения 1180 ГэВ. Таким образом, БАК стал самым мощным ускорителем протонов в мире.

Утром 7 декабря БАК был остановлен из-за проблем в системе охлаждения.

9 декабря 2009 года — столкновения пучков протонов на рекордной энергии — 2,36 ТэВ.

16 декабря 2009 года — БАК остановлен на период рождественских каникул.

Сеанс Run 1: 2010—2012 годы

Сеанс Run 1 был начат на половинной энергии протонов — 3,5 ТэВ вместо семи

2010 год

4 января 2010 года — возобновились технические работы на БАК после рождественских каникул.

28 февраля 2010 года — после окончания некоторых технических и профилактических работ в коллайдере, работа возобновилась на пониженных энергиях (порядка 450ГэВ).

18 марта энергия пучка протонов доведена до 3,5 ТэВ.

30 марта состоялись столкновения протонов с суммарной энергией 7 ТэВ. Начался первый длительный сеанс научной работы БАК.

На 22 апреля 2010 года собрана статистика, позволяющая уточнить для случая недоступной ранее энергии протон-протонных столкновений ряд параметров, плохо вычислимых из первых принципов. В частности, оценено количество заряженных частиц, рождающихся в столкновении, а также их распределение по псевдобыстроте. Эти данные позволят более эффективно наладить анализ данных, поступающих с детекторов.

24 июня показано отсутствие асимметрии протонов и антипротонов.

19 августа получено ограничение на энергию возбуждённых состояний кварков для моделей, где такие состояния существуют.

19 сентября эксперимент LHCb представил первые данные по рождению прелестных мезонов.

22 сентября обнаружен новый физический эффект, не предсказанный существующей теорией. Среди сотен частиц, которые рождаются при столкновении протонов, обнаружились пары, движения которых связаны друг с другом. Тем не менее данный эффект не стал для экспериментаторов полной неожиданностью, поскольку очень похожий эффект был обнаружен в 2007 году в столкновении ядер на коллайдере RHIC. В случае столкновений ядер предлагается следующее объяснение. Летящие с околосветовой скоростью ядра сильно сплющиваются в продольном направлении и выглядят скорее «блинами», чем «шариками». В первый момент после столкновения два ядра-«блина» пролетают друг сквозь друга, но столкновение не проходит для них незаметным, и в пространстве между ними возникает совершенно особое состояние материи, которое получило название «глазма», glasma (англ.), и из которого затем получается комок кварковых и глюонных полей. Теоретические расчёты показывают, что в «глазме» глюонные силовые поля формируются между двумя пролетевшими ядрами в виде продольных трубок. Каждая такая трубка растянута в большом диапазоне по полярным углам, но имеет фиксированный азимутальный угол. Эта трубка получается вытянутой вдоль потому, что именно в этом направлении движутся частицы. Когда она распадётся на частицы, то они в момент рождения оказываются автоматически скоррелированными по азимутальному углу.

27-километровый подземный туннель, предназначенный для размещения ускорителя БАК

24 сентября на детекторе CMS впервые зарегистрировано парное рождение Z-бозонов. Это событие может быть связано с бозоном Хиггса, который может образовываться в ходе столкновений протонов. Он должен распадаться на ряд других частиц, в частности Z-бозоны, которые могут быть зарегистрированы детекторами коллайдера. Непосредственно Z-бозоны детекторы зафиксировать не могут из-за чрезвычайно короткого времени жизни этих элементарных частиц (около 3⋅10−25 секунды), однако они могут «поймать» мюоны, в которые превращаются Z-бозоны. CMS зарегистрировал рождение четырёх мюонов. Тем не менее, как отмечают учёные, одного подобного события недостаточно, чтобы делать определённые выводы: чтобы доказательно говорить о рождении бозона Хиггса, необходимо зарегистрировать множество событий рождения пар Z-бозонов.

4 октября начались эксперименты с 200 сгустками на пучок. Светимость БАКа в таком режиме работы превысила 6⋅1031 см−2с−1, то есть возросла в 10 000 раз с момента первых столкновений на полной энергии 7 ТэВ.

4 ноября закончились эксперименты в 2010 году в режиме протон-протонных столкновений. В течение последней недели октября эксперименты велись с 368 сгустками на пучок. Пиковая светимость достигала значений 2⋅1032 см−2с−1, а за один ночной сеанс набора данных накапливалась интегральная светимость около 6 пикобарн−1. Полная интегральная светимость, накопленная в основных детекторах коллайдера к ноябрю, составляет примерно 50 пикобарн−1, в то время как первые научные данные, представленные в июле на ICHEP-2010 (главной конференции года по физике элементарных частиц), базировались на светимости 0,2 пикобарн−1. Накопленная к настоящему времени статистика обрабатывается, и соответствующие научные результаты будут представлены на зимних и весенних конференциях 2010—2011. Сразу после завершения протон-протонных столкновений БАК переключился на столкновения тяжёлых ионов (ионов свинца); в таком режиме он проработает примерно до рождественских каникул, затем последует остановка, а в январе 2011 года возобновятся эксперименты с протонными пучками. Первые тестовые запуски ионных сгустков начались во второй половине дня.

7 ноября зарегистрированы столкновения ядер с полной энергией 5,74 ТэВ в трёх основных детекторах — ATLAS, CMS и специально адаптированном под ядерные столкновения детекторе ALICE.

14 ноября количество сгустков в каждом из двух встречных ионных пучков доведено до 121 (проектная величина — 592), а мгновенная светимость достигла 2⋅1025 см−2с−1 (2 % от проектной величины). Столь быстрый рост количества сгустков (за неделю) связан с тем, что магнитная система ускорителя и система безопасности были тщательно настроены и отлажены во время протонных сеансов работы. С другой стороны, не столь высокий уровень светимости по сравнению с протон-протонным режимом работы не является критичным для тех вопросов, которые будут изучаться в режиме ядерных столкновений. Самой важной характеристикой является частота интересных столкновений. В протонных столкновениях интересные события происходят редко и имеют сечение меньше нанобарна, что при светимости 1032 см−2с−1 даёт не более нескольких событий в минуту, но для изучения кварк-глюонной плазмы в ядерных столкновениях достаточно почти каждого прямого соударения двух ядер, имеющего сечение примерно 8 барн, поэтому частота интересных событий достигает десятка в секунду.

18 ноября в arXiv.org появились две статьи коллаборации ALICE. В этих статьях изложены первые результаты, полученные в столкновениях ядер свинца. В одной из них речь идёт об общем количестве частиц, рождавшихся в столкновениях ядер «лоб в лоб», а в другой изучается эффект, возникающий при нецентральном столкновении ядер, — эллиптический поток, позволяющий лучше понять свойства кварк-глюонной плазмы. Обнаружение эллиптического потока в эксперименте свидетельствует о том, что в столкновении ядер образовывается некоторое текучее состояние, то есть кварк-глюонная плазма. Как и в любом сплошном веществе, это состояние характеризуется тем, что его частицы постоянно сталкиваются друг с другом, а не «пролетают» мимо. Это означает, что для такого вещества можно приблизительно определить температуру, энтропию, вязкость и другие гидродинамические и термодинамические величины, изучать фазовые переходы при остывании и т. д.

2 декабря в ЦЕРНе прошла презентация первых результатов, полученных в столкновении ядер свинца. Три экспериментальные группы (коллаборации экспериментов ATLAS, CMS и ALICE) выступили с докладами. Коллаборация ATLAS рассказала об обнаруженном дисбалансе адронных струй, который свидетельствует о «гашении струй» (англ. jet quenching) в кварк-глюонной плазме. Коллаборация CMS также представила данные по дисбалансу струй и, кроме того, изложила результаты по рождению тяжёлых мезонов (J/ψ и Υ), а также Z-бозонов, которые до этого никогда не регистрировались в столкновении ядер. Коллаборация ALICE, детектор которой оптимизирован именно для ядерных столкновений, представила гашение струй несколько иначе — через распределение рождённых адронов по поперечному импульсу. Представлены также данные по эллиптическому потоку и первые измерения физических параметров (объём, время жизни до остывания, вязкость) внутри сгустка кварк-глюонной плазмы. Кроме того, детектор ALICE «увидел» некоторые лёгкие антиядра — антидейтерий, антитритий, антигелий-3.

6 декабря состоялся последний в 2010 году сеанс работы с пучками. Коллайдер остановлен на рождественские и новогодние праздники, работы возобновятся 24 января 2011 года, а протонные пучки будут вновь запущены в ускоритель в середине февраля.

17 декабря в ЦЕРНе состоялась конференция, на которой представлены доклады коллабораций всех шести детекторов коллайдера, посвящённые результатам работы Большого адронного коллайдера в 2010 году. С технической точки зрения работа коллайдера единодушно признана успешной, поскольку были достигнуты все цели, поставленные на 2010 год: выход на светимость выше 1032 см−2с−1, успешная работа с несколькими сотнями сгустков, хорошо отлаженный цикл работы коллайдера. Важным достижением стала корректная настройка систем безопасности и мониторинга пучков: суммарная энергия всех протонов, циркулирующих в ускорителе, достигала 28 мегаджоулей, что на порядок превышает предыдущее достижение[59]. Коллаборация CMS представила первые предварительные результаты по поиску суперсимметричных частиц. Свидетельств в пользу существования этих частиц в набранной статистике не обнаружено.

2011 год

В начале февраля появились сообщения о том, что детектор LHCb обнаружил два новых распада Bs-мезонов, то есть мезонов, имеющих в своём составе как «странный кварк» (s-кварк), так и «прелестный кварк» (b-кварк). Интерес к ним обусловлен тем, что в их распаде можно наблюдать CP-нарушение, а возможно, и следы новых частиц или взаимодействий.

13 марта на Большом адронном коллайдере возобновлены столкновения стабильных протонных пучков с рабочей энергией 3,5 ТэВ на пучок и светимостью чуть выше ⋅1030 см−2с−1.

22 апреля на БАК установлен мировой рекорд пиковой светимости для адронных коллайдеров — 4,67⋅1032 см−2·сек−1. Предыдущий рекорд был установлен ускорителем Тэватрон в 2010 году, тогда светимость составила 4,02⋅1032см−2·сек−1.

17 июня светимость, набранная ATLAS и CMS за 2010—2011 годы, превысила 1 фбн−1.

В результате обработки данных эксперимента OPERA, набранных с 2008 по 2011 год в лаборатории Гран-Сассо (англ. Laboratori Nazionali del Gran Sasso) совместно с ЦЕРН, сообщается о статистически значимом указании на превышение скорости света мюонными нейтрино. Сообщение об этом, сопровождавшееся публикацией в архиве препринтов, сделано 23 сентября 2011 года в ЦЕРНе. Полученные результаты подвергаются сомнению, поскольку они не согласуются не только с теорией относительности, но и с другими экспериментами с нейтрино. Планируется перепроверить полученные результаты в экспериментах MINOS (Fermilab, США) и T2K (англ.) (Камиока, Япония) (кроме Гран-Сассо, только две лаборатории в мире способны на это). Имеется предположение, что «сверхсветовая скорость» была вызвана неучтенными релятивистскими эффектами движения спутников GPS относительно пучка нейтрино.

30 октября закончена программа протонной физики на 2011 год. На момент закрытия программы светимость составила почти 6 фбн−1 (светимость 5 фбн−1 была достигнута 18 октября).

15 ноября начаты столкновения ионов свинца. При 170 сгустках в пучке пиковая светимость составляет 1,5⋅1026 см−2·сек−1, что в 5 раз выше прошлогодних показателей.

7 декабря завершена программа ионной физики. При столкновении 358 сгустков пиковая светимость составила 5,0⋅1026 см−2·сек−1. В результате экспериментов в 2011 году накоплена интегральная светимость 163,6 мкбн−1 (ATLAS), 143,6 мкбн−1 (ALICE) и 149,6 мкбн−1 (CMS)[75].

21 декабря объявлено об открытии новой элементарной частицы, состоящей из b- и анти-b-кварка (кварконий).

Моделирование процесса рождения бозона Хиггса в детекторе CMS

2012 год

14 марта завершено охлаждение всех магнитов, в коллайдере появились первые пучки. Энергию пучков решено увеличить до 4 ТэВ[77].

16 марта протоны впервые разогнаны до энергии 4 ТэВ[77].

5 апреля начаты первые столкновения протонных пучков на энергии 4 ТэВ[78].

10 апреля Яндекс запустил поиск для ЦЕРНа для использования в LHCb[79].

26 апреля коллаборацией CMS объявлено об обнаружении теоретически предсказанной частицы Ξb*0 с разностью массы 14,84 ± 0,74 ± 0,28 МэВ по сравнению с суммой масс Ξb− и π+ в результате обработки статистики 5,3 фбн−1.

15 мая коллабораций LHCb объявлено об обнаружении частиц 5912 и 5920 в ходе обработки статистики 1,0 фбн−1.

4 июля коллаборации ATLAS и CMS объявили о нахождении бозона массой 125.3 ± 0.6 ГэВ. Характеристики этой частицы довольно точно соответствуют предсказанному ранее бозону Хиггса. Является ли эта частица бозоном Хиггса, пока остаётся под вопросом.

17 декабря завершена программа протонной физики в 2012 году, детекторами ATLAS и CMS набрано по 23,27 фбн−1 интегральной светимости.

Техническая пауза LS1: 2013–2015 годы

2013 год

14 февраля коллайдер остановлен для планового апгрейда ускорителя и детекторов. К концу 2014 года ожидается рост энергии ускоряемых пучков протонов с 4 до 6.5-7 ТэВ.

15 февраля завершен сеанс протон-ионных столкновений, в результате которого была набрана интегральная светимость около 31 нбн−1 на детекторах ATLAS, CMS и ALICE и 2,1 нбн−1 на LHCb.

Коллайдер проработал до февраля 2013-го года, когда был закрыт на долговременный ремонт. Ремонт и улучшение заняли[⇨] два года (остаток 2013 года и весь 2014 год).

2014 год

В конце ноября 2014 года начались проверочные пуски протонов в детекторе LHCb

Сеанс Run 2: 2015—2018 годы

За сеанс Run 2 планируется набрать как минимум 120 fb-1 в детекторах ATLAS и CMS.

2015 год

Планировалось, что в марте 2015 года коллайдер будет перезапущен, учёные собираются сконцентрироваться на поисках частиц тёмной материи и суперсимметрии, но 21 марта в ходе тестов по подаче напряжения на сверхпроводящие магниты обнаружилось, что в цепи электропитания одного из магнитов присутствует замыкание на «землю», возникшее из-за мельчайшего металлического обломка, проблема решается.

11 апреля протоны разогнаны до 6,5 ТэВ, техники продолжат проверки оборудования и управляемость пучков.

21 мая произошло столкновение встречных пучков протонов с энергией 6,5 ТэВ, была настройка коллиматоров, обеспечивающих параллельность пучков.

3 июня начался сбор научных данных на полной энергии столкновений 13 ТэВ, что начало новый этап работы коллайдера Run 2.

14 июля LHCb заявил об открытии класса частиц, известного как пентакварки.

2 ноября закончилась работа в режиме протонных столкновений.

2016 год

25 марта после остановки на зиму протонные пучки запущены в коллайдер.

С перерывом на зиму, сбор статистики протон-протонных столкновений прошел до октября 2016 года, после чего коллайдер в ноябре и начале декабря около месяца проводил столкновения протонов с ядрами свинца. Далее коллайдер снова был остановлен на зиму (долгая остановка на ремонт и обновление).

Столкновение частиц

2017 год

Технические работы займут первую половину года. Сбор статистики начнётся лишь в начале лета и пройдёт до зимы. Повышения энергии протонов в пучках (с 13 ТэВ до 14 ТэВ) не будет в 2017 и 2018 годах, так как переход к 14 ТэВ потребует более длительной кампании по тренировке магнитов и запланирован только в сеансе Run 3. Вопреки наметившейся традиции, согласно которой ежегодно выделяется месяц на ядерные столкновения, они в этом году проводиться не будут.

18 апреля была подтверждена проблема с лептонной универсальностью.

Как стало известно 29 августа, в ячейке ускорительного кольца с кодовым номером 16L2 (16 ячеек влево от точки 2) вот уже три недели случаются эпизоды, когда из пучков вдруг начинают выбывать протоны, из-за чего происходит резкое энерговыделение, и система безопасности коллайдера даёт сигнал на сброс пучка.

В октябре впервые сталкивались ядра ксенона для исследования кварк-глюонной плазмы: определение критической энергии, необходимой для её образования.

За 2017 год было открыто 5 адронов.

2018 год

Планируется накопить в 2018 году в детекторах ATLAS и CMS интегральную светимость как минимум 50 fb-1.

В конце года выделен месяц на ядерные столкновения.

Техническая пауза LS2: 2019–2020 годы

Техническая пауза Long Shutdown 2 — второй длительный перерыв на оптимизацию ускорителя и повышение энергии протонов до проектных 7 ТэВ

Декабрь 2018 — февраль 2021

LS2 Long Shutdown 2 — второй длительный перерыв на оптимизацию ускорителя и повышение энергии протонов до проектных 7 ТэВ.

Март 2021–декабрь 2023

Сеанс работы Run 3. Третий сеанс работы коллайдера. Энергия протонов будет поднята до 7 ТэВ, цель по светимости — 300 fb–1.

После перезапуска коллайдера весной 2015 года учёные собираются сконцентрироваться на поисках частиц тёмной материи и суперсимметрии. Этот этап планируется до декабря 2017 года. С января по декабрь 2018 года планируется остановка на оптимизацию ускорителя. Далее, после набора действующим LHC интегральной светимости 300 фб−1, ориентировочно с начала 2024 года начнётся, собственно, модернизация коллайдера по проекту HL-LHC, которая займёт 2.5 года. Заявленная цель модернизированного коллайдера — набор 3000 фб−1 за 10 лет. Считается, что проект проработает до 2034 года, но уже в 2014 физики ЦЕРНа начали подготовку к реализации иных коллайдеров, их мощность будет в 10 раз больше. Начато изучение возможности строительства коллайдера периметром до 100 км. 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.

На 2019 год Россия и Церн заинтересованы в участии России в модернизации коллайдера.

На Большом адронном коллайдере впервые измерили время жизни бозона Хиггса

Вернуться к содержанию

Физики, работающие на детекторе CMS Большого адронного коллайдера, впервые измерили время жизни бозона Хиггса. В рамках экспериментальной погрешности результат измерений совпал с предсказанием Стандартной модели. Препринт работы опубликован‎ на официальной странице коллаборации CMS.

Бозон Хиггса — одна из важнейших составляющих Стандартной модели элементарных частиц, потому что это квант скалярного поля, взаимодействие с которым дает массу всем элементарным частицам, включая и сам бозон Хиггса. Для обнаружения и изучения этой частицы в основном и строили Большой адронный коллайдер, а открыли бозон Хиггса в 2012 году на детекторах CMS и ATLAS. Масса бозона оказалась равна приблизительно 125 гигаэлектронвольт.

Бозон Хиггса, как и многие другие элементарные частицы, нестабилен и может распадаться на другие частицы. Предсказанное Стандартной моделью время его жизни равно приблизительно 1,6 × 10-22 секунд. Это время так мало, что рожденный на коллайдере бозон Хиггса успевает пролететь слишком маленькое расстояние для того, чтобы его можно было непосредственно измерить в детекторе, а потому такое измерение может дать только ограничение сверху на эту величину, которое в настоящее время примерно на девять порядков больше предсказания Стандартной модели. Время жизни частицы, однако, можно найти не только наблюдая за ее движением, но и из формы амплитуды ее распада на другие частицы.

Эксперимент ALICE ЦЕРНа участвует в исследовании кварк-глюонной плазмы

В 2021 году физики, работающие на детекторе CMS Большого адронного коллайдера, измерили время жизни бозона Хиггса, проанализировав его распад на два нейтральных векторных Z-бозона, которые затем распадались на четыре заряженных лептона или два заряженных лептона и два нейтрино. Величина амплитуды распада бозона Хиггса существенно зависит от того, превышает ли инвариантная масса рождающихся при распаде Z-бозонов сумму их физических масс или нет, или, как говорят физики, лежат ли они на массовой оболочке. Сравнивая амплитуды распада для этих двух интервалов инвариантных масс, можно найти время жизни частицы, что и сделали исследователи. Стандартная модель предсказывает, что около 10 процентов всех событий распада бозона Хиггса на тяжелые векторные бозоны соответствуют Z-бозонам, не лежащим на массовой оболочке.

В этом исследовании физики изучали амплитуду распада пары Z-бозонов на два заряженных лептона и два нейтрино, а данные по распаду на четыре заряженных лептона они взяли из более раннего исследования. Экспериментаторы анализировали данные, которые набирались во время второго сезона работы Большого адронного коллайдера с 2016 по 2018 годы. Бозон Хиггса рождался в столкновениях протонов с суммарной энергией, равной 13 тераэлектронвольт в системе центра масс, а полная набранная светимость была равна 138 обратных фемтобарн. Нейтральные Z-бозоны могут рождаться не только в интересовавших физиков распадах бозона Хиггса, но и в других процессах, амплитуды которых необходимо было вычесть из полной измеренной амплидуты.

Измеренное время жизни бозона Хиггса лежит в интервале от 1,2 × 10-22 до 4,4 × 10-22 секунд с наиболее вероятным значением 2,1 × 10-22, что в рамках экспериментальной погрешности совпадает с предсказанием Стандартной модели. То, что распады бозона Хиггса проходили только через Z-бозоны на массовой оболочке исключено с вероятностью более 99,9 процента (3,6 стандартного отклонения).

Исследователи надеются, что анализ данных, которые будут собраны во время третьего и четвертого сезонов работы Большого адронного коллайдера, позволит существенно снизить погрешность измерения времени жизни бозона Хиггса, более точно проверив правильность предсказаний Стандартной модели.

Профессор ТПУ рассказал, как образовалась обнаруженная в адронном коллайдере Х-частица

Вернуться к содержанию

Профессор Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Томского политехнического университета (ТПУ) Александр Фикс рассказал «Известиям», как образовалась X-частица, открытая коллаборацией CMS на Большом адронном коллайдере (БАК).

Эксперт пояснил, что многие исследования, которые проводятся на БАКе, направлены на то, чтобы понять, как была образована Вселенная. На сегодняшний день в качестве основного сценария ее возникновения рассматривается так называемый сценарий Большого взрыва, в результате которого возникли пространство, время и сама материя.

Постепенное охлаждение Вселенной привело к появлению первых элементарных частиц — кварков и глюонов. Дальнейшее уменьшение температуры привело к объединению кварков и глюонов в нуклоны, которые, в свою очередь, стали объединяться в ядра. Постепенно возникли частицы и взаимодействия, образующие мир.

«Предполагается, что Х-частица, открытая недавно коллаборацией CMS на БАКе, могла образовываться в кварк-глюонной плазме в результате столкновения ее конституентов, то есть этих самых кварков и глюонов. Поэтому обнаружение и исследование свойств этой частицы — это своего рода возможность посмотреть на нашу Вселенную на самом раннем этапе ее жизни. Можно сказать, что эксперимент CMS — это симуляция, позволяющая понять, какие процессы в принципе могли происходить в первые мгновения с начала Большого взрыва», — подчеркнул Фикс.

По словам ученого, открытые Х-частицы имеют невообразимо малое время жизни, поэтому их невозможно «поймать». Единственный способ их «увидеть» — поймать продукты их распада. Для решения этой задачи в коллаборации CMS был разработан метод машинного обучения, позволивший компьютеру из бесчисленного множества данных выбрать именно те, которые относятся к распаду Х-частицы. Таким способом удалось идентифицировать 100 событий.

При этом Фикс добавил, что, несмотря на открытие самой частицы, ее природа по-прежнему не разгадана.

Ранее, 19 января 2022, в журнале Physical Review Letters была опубликована статья физиков Массачусетского технологического института (MIT), которые обнаружили доказательства существования Х-частиц в кварк-глюонной плазме, производимой на БАКе. Исследователи использовали методы машинного обучения, чтобы выделить примерно сотню частиц X (3872) — разновидности Х-частиц, которая получила свое обозначение благодаря расчетной массе.

В марте 2021 года сообщалось, что ученые из Московского физико-технического института (МФТИ), Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» и Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) провели эксперимент на БАКе, в результате которого им удалось открыть орбитальное возбуждение «прелестно-странного бариона» (официальное название частицы. — Ред.). Эксперимент длился два года, а новая частица была обнаружена с «большой статистической значимостью».

Робот внутри Большого адронного коллайдера

Вернуться к содержанию

ЦЕРН (Европейская организация по ядерным исследованиям) разработала специальных роботов TIM для обследования Большого адронного коллайдера. Они будут перемещаться по монорельсу и заменят специалистов-людей, сообщает сайт организации.

TIM – роботизированные инспекторы, специально созданные, чтобы следить за безопасностью крупнейшего на планете ускорителя частиц. Название расшифровывается как Train Inspection Monorail – перемещаться роботы-инспекторы будут по монорельсу внутри коллайдера.

Создатели отмечают, что монорельс установили еще при строительстве LEP – Большого электрон-позитронного коллайдера, который был предшественником БАК и работал в 1989-2000 годах. С помощью монорельса перемещали грузы и перевозили рабочих. Однако когда LEP в 2001 году демонтировали, монорельс решили оставить.

Длина трека для перемещения роботов внутри кольца коллайдера составляет 27 км. Первые два робота-инспектора уже запущены сюда и готовы к работе в тестовом режиме. Передвигаясь со скоростью до 4,8 км/ч (это соответствует скорости пешехода), они смогут отслеживать температуру и содержание кислорода внутри тоннеля. Кроме того, роботы способны определить уровень радиации и отправить оператору традиционные и инфракрасные снимки определенной области БАК.

Финансирование проекта

Вернуться к содержанию

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).

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.

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 специалистов из России, которые участвовали в разработке детекторов БАК. Общая стоимость заказов, которые получили российские предприятия, по некоторым оценкам достигала 120 млн доллпров.

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.

Отражение в искусстве

Вернуться к содержанию

В книге фантаста Макса Острогина «Большая Красная Кнопка» рассказывается о наступлении апокалипсиса после включения на полную мощность коллайдера.

В ЦЕРН есть филк-группа Les Horribles Cernettes, аббревиатура которой совпадает с аббревиатурой БАК (LHC). Первая песня этого коллектива «Collider» была посвящена парню, который забыл о своей девушке, будучи увлечён созданием коллайдера.

В четвёртом сезоне научно-фантастического телесериала «Лексс» главные герои оказываются на Земле. Обнаруживается, что Земля относится к планетам «типа 13» на последней стадии развития. Планеты типа 13 всегда уничтожают себя сами, в результате войн или неудачного опыта по определению массы бозона Хиггса на сверхмощном ускорителе элементарных частиц.

В сериале Флеш.

В шестой серии тринадцатого сезона мультсериала «Южный парк» с помощью магнита из Большого адронного коллайдера была достигнута сверхсветовая скорость на конкурсе Дерби соснового леса (Pinewood Derby).

В книге Дена Брауна «Ангелы и демоны» антивещество из Большого адронного коллайдера было украдено, и похитители хотели взорвать с помощью него Ватикан.

В фильме «Конец света» (производства Би-би-си) последним из четырёх наиболее вероятных сценариев апокалипсиса являлся взрыв при запуске новейшего ускорителя элементарных частиц, повлёкший за собой образование чёрной дыры. Но приглашённые эксперты утверждают, что вероятность катастрофы раздута «жёлтой прессой», в то время как вероятность образования цунами, падения астероида или смертельной эпидемии гораздо выше.

В 13 серии 1 сезона научно-фантастического сериала «Одиссея 5» главные герои попадают в ЦЕРН, где местные учёные и сотрудники уверяют, что БАК полностью безопасен, основываясь на предварительных расчётах. Однако, как выяснилось позже, одна из форм киберразума взломала и проникла в главный компьютер ЦЕРН и подделала общие расчёты. Выяснив это, основываясь на новых верных расчётах, учёные выясняют, что существует большая вероятность появления страпелек в коллайдере, что неизбежно приведёт к концу света.

В испанском телесериале «Ковчег» и его российском варианте «Корабль» из-за взрыва БАК все континенты ушли под воду. В одной из серии мультсериала «Американский папаша», тоже может случится конец света из-за адронного коллайдера, но ни одна суша при этом не затонет.

В визуальной новелле, аниме и манге «Steins;Gate» несколько раз упоминался БАК; также упоминался ЦЕРН как разработчик машины времени.

В мультсериале «Футурама» профессор Фарнсворт покупает коллайдер в «ПИкее». Через некоторое время он заявляет: «суперколлайдер супервзорвался(в иных случаях планета бы погибла „простым щелчком“)».

В книге Джо Холдемана «Бесконечный мир» описывается, в том числе, процесс создания гигантского ускорителя, запуск которого должен привести к большому взрыву, который породит новую вселенную, уничтожив при этом существующую.

В компьютерной игре «Эврика!» одной из целей является возвращение БАК на Землю.

В 2009 году Николай Полисский вместе с Никола-Ленивецкими промыслами сделал в центральном пространстве Музея современного искусства Люксембурга MUDAM инсталляцию из дерева и лозы, названную им «Большой адронный коллайдер».

Адронный коллайдер можно построить в игре «Rise of Nations».

БАК упоминался в первой серии пятого сезона сериала «Во все тяжкие».

В телесериале «Теория Большого взрыва» главные герои-физики часто упоминают БАК как место, где они очень хотели бы побывать. Причем нескольким всё-таки удалось побывать в Швейцарии и увидеть его.

В градостроительном симуляторе Cities: Skylines адронный коллайдер появляется в качестве монумента.

В видеоклипе на песню Redshift британской группы Enter Shikari БАК является создателем чёрной дыры.

Четырнадцатый студийный альбом американской метал группы Megadeth носит название Super Collider, также БАК изображен на обложке альбома.

Научно-популярные фильмы

Вернуться к содержанию

«BBC: Машина Большого Взрыва» (англ. The Big Bang Machine) — научно-популярный фильм, Би-би-си, 2008 год.

«Большой адронный коллайдер. Братство кольца» — научно-популярный фильм, 5 канал, 2010 год.

«BBC. Horizon: Охота за бозоном Хиггса — спецвыпуск» / (англ. The Hunt for the Higgs — A Horizon Special) — научно-популярный фильм, 2012 год.

«Наука 2.0. Точка взаимодействия. ЦЕРН» — научно-популярный фильм, ВГТРК, 2012 год.

«Страсти по частицам / Particle Fever» — документальный фильм, 2013 год.

«Наука 2.0. За гранью. Коллайдер» — документальный фильм, 2017 год.

Google Street View в сентябре 2013 года получил панорамные снимки коллайдера.