Большой адронный коллайдер: раскрытие глубочайших секретов Вселенной

Большой адронный коллайдер (БАК) является самым мощным микроскопом человечества для исследования фундаментальных строительных блоков материи. Работает ЦЕРН около Женевы, Швейцария, это 27-километровое кольцо сверхпроводящих магнитов и ускоряющихся полостей сталкивалось с частицами при все более высоких энергиях с 2008 года. Помимо своего исторического открытия бозона Хиггса в 2012 году, БАК продолжает раздвигать границы Стандартной модели физики частиц. Он ищет ответы на непреходящие загадки: природа темной материи, дисбаланс между материей и антиматерией и возможность дополнительных измерений. Каждое столкновение воссоздает условия, невиданные с первых моментов Вселенной, позволяя физикам проверять законы физики на самых маленьких масштабах и самых высоких энергиях, когда-либо достигнутых.

Влияние БАК выходит далеко за рамки физики частиц. Он привел к инновациям в сверхпроводящих магнитах, криогенике и крупномасштабной обработке данных. Глобальное сотрудничество тысяч ученых и инженеров из более чем 100 стран является моделью совместных научных усилий. От подземных пещер до распределенной вычислительной сети, которая анализирует петабайт данных, БАК представляет собой вершину человеческого любопытства и технических достижений.

Как работает БАК: Марвел инженерии

БАК — коллайдер, то есть он ускоряет два пучка частиц в противоположных направлениях и разбивает их вместе в четырех точках взаимодействия. Большую часть времени пучки являются протонами, но в течение нескольких недель каждый год машина сталкивается с ионами свинца для изучения кварк-глюонной плазмы. Перед тем, как частицы попадают в основное кольцо, они проходят через цепочку меньших ускорителей: линейный ускоритель (Linac4) повышает их до 160 МэВ, затем Протонный синхротрон (PS) и Супер Протонный синхротрон (SPS) ускоряют их до 450 ГэВ. Затем они вводятся в кольцо БАК, где радиочастотные полости накачивают энергию до 6,8 ТэВ на пучок в Run 3 (общая энергия столкновения 13,6 ТэВ).

Лучи циркулируют в двух отдельных лучевых трубах в пределах одной магнитной структуры. Для направления и фокусировки частиц БАК опирается на 1232 сверхпроводящих дипольных магнита длиной 15 метров и 392 квадрупольных магнита. Эти магниты сделаны из ниобий-титановых кабелей и должны быть охлаждены до 1,9 Кельвина — более холодного, чем космическое пространство, — с использованием сверхтекучего гелия. При таких температурах магниты становятся сверхпроводящими, позволяя токам более 11 000 ампер создавать магнитные поля 8,3 Тесла. Вся криогенная система является крупнейшей в мире, требуя более 120 тонн гелия. Инженерная страница CERN предоставляет более подробную информацию о магнитной технологии .

БАК предназначен для создания столкновений высокой светимости, то есть высокой скорости взаимодействий в секунду. Во время работы каждый пучок содержит до 2 808 пучков протонов, каждая пучка содержит около 100 миллиардов частиц. Пучки сжимаются до ширины около 16 микрон в точках столкновения. При пиковой производительности БАК доставляет почти миллиард столкновений протонов каждую секунду. Эта огромная скорость необходима для изучения редких процессов, но она также производит огромный поток данных, который должен быть обработан, отфильтрован и сохранен.

Четыре флагманских детектора

В четырёх точках столкновения вокруг кольца массивные детекторы фиксируют обломки от каждого столкновения. Каждый детектор оптимизирован для разных физических целей, и вместе они дают комплексное представление о взаимодействиях частиц. Более 10 000 учёных из более чем 1000 учреждений сотрудничают в этих экспериментах.

ATLAS: всецело-целевой гигант

ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) — самый большой из когда-либо построенных детекторов частиц, длиной 46 метров, диаметром 25 метров, весом 7000 тонн. Это детектор общего назначения, предназначенный для захвата всех видимых частиц, образующихся при столкновениях. ATLAS состоит из нескольких концентрических слоев: внутреннего трекера для измерения путей заряженных частиц в магнитном поле, электромагнитного калориметра для идентификации электронов и фотонов, адронного калориметра для измерения адронов и мюонного спектрометра, который использует массивную систему тороидальных магнитов. Эта многослойная конструкция позволяет ATLAS с высокой точностью реконструировать события, что делает его идеальным для охоты на новые частицы и измерения известных. ATLAS был одним из двух экспериментов, которые объявили об открытии бозона Хиггса в 2012 году.

CMS: точность в компактном пакете

CMS (Compact Muon Solenoid) разделяет те же физические цели, что и ATLAS, но использует другой технический подход. Центральным элементом является сверхпроводящий соленоидный магнит 4-Tesla длиной 13 метров и диаметром 6 метров, который создает мощное магнитное поле для изгиба траекторий заряженных частиц. Внутренний трекер детектора изготовлен из кремниевых полос и пикселевых детекторов, обеспечивающих отличное пространственное разрешение. Окружающий это сцинтилляционный кристаллический электромагнитный калориметр (изготовленный из свинцового вольфрама) и медно-сцинтилляторный адронный калориметр. Внешние слои оснащены мюонными камерами. Несмотря на свое название, CMS не мала - она 21 метр в длину, 15 метров в диаметре и весит около 14 000 тонн. Независимое подтверждение результатов ATLAS и CMS является краеугольным камнем надежности БАК.

ALICE: изучение первичного супа

ALICE (Эксперимент с большим ионным коллайдером) разработан специально для столкновений тяжелых ионов. Когда ядра свинца сталкиваются при энергиях БАК, плотность энергии становится настолько высокой, что протоны и нейтроны «плавятся» в плазму кварков и глюонов — кварк-глюонная плазма (QGP). Это состояние вещества существовало через микросекунды после Большого взрыва. ALICE измеряет свойства QGP: его температуру (превышая несколько триллионов градусов Кельвина), его вязкость (чрезвычайно низкая, ведущая себя как почти идеальная жидкость) и то, как он расширяется и охлаждается. Детектор использует проекционную камеру времени для отслеживания, детекторы вершин кремния для идентификации тяжелых вкусов и калориметры для измерения энергии. ALICE также изучает реактивное гашение, где частицы высокой энергии теряют энергию, когда они пересекают QGP, обеспечивая понимание структуры плазмы.

LHCb: Охотник за красотой

LHCb (Красота Большого Адронного Коллайдера) фокусируется на частицах, содержащих нижние (красота) и очаровательные кварки. Он разработан как однорукий передний спектрометр, охватывающий область, близкую к линии луча, потому что эти частицы преимущественно производятся под небольшими углами. LHCb стремится понять, почему Вселенная состоит из материи, а не антиматерии, изучая нарушение CP - асимметрию между материей и поведением антиматерии. LHCb также ищет редкие распады, которые могут раскрыть новую физику. LHCb был исключительно продуктивным: он обнаружил пентакварки (частицы, состоящие из пяти кварков) в 2015 году и подтвердил многочисленные состояния тетракварк. Эти экзотические адроны бросают вызов нашему пониманию того, как кварки связываются вместе и открыли новое поле адронной спектроскопии. LHCb публичная страница детализирует эти экзотические открытия .

Бозон Хиггса: завершение стандартной модели

4 июля 2012 года учёные из ATLAS и CMS объявили об открытии новой частицы, соответствующей бозону Хиггса. Эта частица является квантовым возбуждением поля Хиггса, поля, которое придаёт массу другим элементарным частицам через механизм Брута — Энглерта — Хиггса. Сам бозон Хиггса имеет массу около 125 ГэВ/с2, распадается на пары фотонов, Z-бозонов, W-бозонов и фермионов, и не имеет электрического заряда или спина. Его открытие стало последним недостающим фрагментом Стандартной модели, и он сразу же получил Нобелевскую премию по физике за Питера Хиггса и Франсуа Энглерта в 2013 году. Резюме Нобелевской премии даёт дополнительные подробности.

Процесс открытия был кропотливым. И ATLAS, и CMS самостоятельно искали Хиггса в нескольких каналах распада. Наиболее перспективными были дифотонный канал (H→γγ) и четырехлептонный канал (H→ZZ*→4l). Объединив данные 2011 и 2012 годов с энергиями столкновения 7 и 8 ТэВ, оба эксперимента увидели явные излишества событий над фоном при массе около 125 ГэВ. Значение превысило стандарт «5 сигма», необходимый для открытия. С тех пор БАК накопил больше данных, позволяющих физикам измерять свойства бозона Хиггса с возрастающей точностью: его время жизни, его связи с фермионами и калибровочными бозонами и его квантовые числа. Пока все измерения согласуются с предсказаниями Стандартной модели, но небольшие отклонения могут указывать на новую физику.

За пределами Хиггса: главные достижения и сюрпризы

Научный результат БАК выходит далеко за рамки Хиггса. Каждый эксперимент способствовал богатому и растущему объему знаний.

Экзотические адроны: новые формы материи

До БАК все известные адроны были либо мезонами (пары кварк-антикварк), либо барионами (три кварка). Стандартная модель допускает более сложные конфигурации, но ни один из них не был окончательно обнаружен. В 2014 году LHCb объявил об открытии состояния пентакварк, комбинации четырех кварков и одного антикварк. За этим последовало наблюдение тетракварков — частиц, состоящих из двух кварков и двух антикварков, но в компактном расположении, а не в виде слабо связанных «молекулов». Эти открытия имеют глубокие последствия для квантовой хромодинамики (КХД), теории сильной силы. Они показывают, что кварки могут связываться способами, которые ранее считались невероятными, и они обеспечивают новую лабораторию для тестирования КХД на границах заключения.

Кварк-глюонная плазма как идеальная жидкость

ALICE и другие эксперименты с тяжелыми ионами показали, что кварк-глюонная плазма ведет себя скорее как жидкость, чем как газ. Примечательно, что она почти не обладает вязкостью — это «идеальная» жидкость. Это открытие, сделанное в 2010 году при столкновениях свинца и свинца, перевернуло более ранние ожидания того, что QGP будет слабо взаимодействовать. Коллективные модели потока плазмы хорошо описаны гидродинамикой, и ALICE измерил ее температуру примерно в 5,5 триллиона Кельвинов. Реактивное гашение — подавление частиц с высоким импульсом — было использовано для исследования плотности плазмы и изучения того, как партоны теряют энергию при прохождении среды. Эти измерения помогают моделировать раннюю Вселенную и имеют последствия для ядерной физики и астрофизики.

Поиск темной материи и новых частиц

Несмотря на свои успехи, БАК еще не нашел прямых доказательств частиц темной материи или суперсимметрии. ATLAS и CMS искали слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP) через отсутствующие поперечные энергетические сигнатуры, где невидимая частица ускользает от детектора. Точно так же не было замечено убедительного сигнала. Аналогичным образом, поиски суперсимметрии - теории, которая обеспечила бы кандидата темной материи и решила бы несколько проблем - оказались пустыми для многих популярных моделей. Однако нулевые результаты ценны: они исключают большие области пространства параметров и направляют теоретиков к более тонким сценариям. Физики теперь думают, что новая физика может быть тяжелее, чем БАК может непосредственно производить, или она может появиться в редких процессах, а не в драматических новых частицах.

Точные испытания стандартной модели

БАК не только для открытия; это еще и прецизионная машина. АТЛАС и CMS измерили массу верхнего кварка с точностью до 0,3%, массу W-бозона с точностью до 0,01%, а массу бозона Хиггса с точностью до 0,1%. Эти измерения чувствительны к квантовым петлям, содержащим гипотетические новые частицы. Пока что они согласуются с предсказаниями Стандартной модели, ограничивая возможности физики за пределами Стандартной модели. LHCb выполнил чрезвычайно точные измерения редких распада B-мезонов, таких как Bs→μ+μ−, которые крайне подавлены в Стандартной модели. Любое отклонение будет явным признаком новой физики. Текущие данные согласуются со Стандартной моделью, но границы отклонения сужаются.

Технологические спин-оффы от LHC

Инженерные проблемы БАК привели к инновациям, которые приносят пользу обществу. Технология сверхпроводящих магнитов, разработанная для БАК, в настоящее время используется в медицинских машинах магнитно-резонансной томографии (МРТ) и в системах терапии частиц для лечения рака. Необходимость обработки и хранения данных о столкновении БАК — около 30 петабайт в год — привела к созданию всемирной вычислительной сети БАК (WLCG). Эта распределенная вычислительная инфраструктура, включающая более 170 вычислительных центров в 42 странах, повлияла на развитие облачных вычислений и аналитики больших данных. Опыт CERN в криогенике, вакуумных технологиях и радиационно-твердой электронике нашел применение в промышленных и медицинских устройствах. Кроме того, БАК обучил тысячи молодых ученых и инженеров, многие из которых продолжают карьеру в области технологий, промышленности и исследований.

Будущее: высокая светимость и за ее пределами

БАК сейчас находится в своем третьем пробеге (Run 3), сталкиваясь с протонами на 13,6 ТэВ и собирая данные с большей скоростью, чем когда-либо прежде. Но настоящий скачок придет с БАК высокой светимости (HL-LHC), который должен начать работу около 2029 года. HL-LHC увеличит число столкновений в десять раз, используя новые сверхпроводящие магниты с более сильной фокусировкой и новую систему «полости краба», чтобы увеличить перекрытие двух пучков. Это обновление позволит БАК изучать редкие процессы с беспрецедентной статистикой, такие как самосоединение Хиггса и чрезвычайно подавленные распады. Ожидается, что он будет работать до по крайней мере 2041 года, обеспечивая самые строгие испытания Стандартной модели еще.

За пределами HL-LHC ЦЕРН изучает Будущий круговой коллайдер (FCC), новое кольцо с окружностью 90–100 км. Первой фазой будет электронно-позитронный коллайдер (FCC-ee), действующий как завод Хиггса, производящий чистые образцы бозонов Хиггса и измеряющий их свойства с изысканной точностью. Вторая фаза (FCC-hh) столкнется с протонами при температуре до 100 ТэВ, увеличив энергетическую границу в семь раз по сравнению с БАК. Такая машина сможет напрямую производить новые частицы в диапазоне масс до десятков ТэВ и обеспечит наиболее чувствительные зонды темной материи и дополнительных размеров. FCC — это долгосрочный проект, решение которого ожидается в 2025–2030 годах, и операции, потенциально начинающиеся в 2050-х годах. HL-LHC страница в ЦЕРН.

Заключение

Большой адронный коллайдер уже переписал учебники физики элементарных частиц. Он подтвердил существование поля Хиггса, открыл зоопарк экзотических частиц и нарисовал подробную картину кварк-глюонной плазмы. Тем не менее, он также углубил тайну того, что лежит за пределами Стандартной модели. Нулевые результаты для суперсимметрии и темной материи привели теоретиков к более творческим идеям, в то время как точные измерения продолжают бросать вызов нашему пониманию. Наследие БАК заключается не только в его открытиях, но и в совместной научной культуре, которую он воплощает - глобальное сообщество, объединенное желанием понять фундаментальную природу реальности. По мере того, как БАК входит в свою эпоху высокой светимости и планы по созданию еще более крупных машин, поиск понимания Вселенной на ее самом базовом уровне продолжается, движимый тем же любопытством, которое построило БАК в первую очередь.