В середине июля 2014 года на ускорительном комплексе Большого адронного коллайдера (Large Hadron Collider, LHC) в Центре европейских ядерных исследований (ЦЕРН) после почти полуторагодового перерыва снова начались эксперименты.

В середине июля 2014 года на ускорительном комплексе Большого адронного коллайдера (Large Hadron Collider, LHC) в Центре европейских ядерных исследований (ЦЕРН) после почти полуторагодового перерыва снова начались эксперименты.

Идут ремонтные работы в туннеле Большого адронного коллайдера. Фото: Anna Pantelia. CERN.

Столь длительный перерыв связан с тем, что с 14 февраля 2013 года на комплексе идут работы по его модернизации и ремонту, которые должны завершиться в 2015 году. В ходе этих работ заменят почти 1000 км повреждённых радиацией кабелей, поменяют и модернизируют значительную часть узлов ускорителей (некоторые работают с 1959 года), детекторов и электроники, капитально отремонтируют систему вентиляции.

Главная задача работ — устранение конструктивных недостатков LHC, которые привели к аварии при его запуске в 2008 году и задержали на год ввод коллайдера в строй. Причинами аварии стали дефект электрического соединения, из-за которого возник дуговой разряд, и неудачно спроектированная система безопасности электропитания. После ремонта исследования пришлось вести с частицами, ускоренными до энергий, не превышающих 8 ТэВ (1 ТэВ = 10¹² эВ), при проектной мощности коллайдера 14 ТэВ. Это существенно изменило планы работ на LHC, хотя и на таких энергиях удалось получить немало выдающихся результатов. Например, обнаружить неуловимый бозон Хиггса (см. «Наука и жизнь» № 10, 2012 г., статья «Долгожданное открытие: бозон Хиггса»).

Модернизация должна довести энергию столкновений частиц практически до проектной. Работа на мощности 13 ТэВ позволит повысить точность измерений и, возможно, получить новые результаты. В два раза должна возрасти и так называемая светимость коллайдера — число столкновений частиц в единицу времени. Чем их больше, тем чаще происходят те редкие события, которые интересуют исследователей.

За полтора года, прошедшие со дня остановки LHC, вскрыли все сверхпроводящие магниты в 27-километровом туннеле коллайдера, проверили все 10 170 соединений и более половины их перепаяли, чтобы они надёжно проводили ток до 13 000 А. Установлено 27 000 шунтов, которые отведут часть тока, если какое-либо соединение потеряет сверхпроводящие свойства. Это позволит избежать повторения ситуации 2008 года.

В настоящее время первый из восьми секторов LHC уже охлаждают до рабочей температуры 1,9 К (–271^оС). Запустить коллайдер планируют в январе 2015 года, в феврале — марте его протестируют на максимальной энергии пучков. Однако светимость будет наращиваться постепенно, так что полноценные эксперименты начнутся лишь во втором полугодии.

Помимо LHC в систему коллайдера входит так называемый инжекционный комплекс — несколько ускорителей меньшего размера, предназначенных для предварительного ускорения частиц перед их впрыскиванием («инжекцией») в кольцо LHC и для проведения самостоятельных экспериментов. Ускорители комплекса протестируют и запустят в 2014 году. На ускорителях Linac2 (линейном) и PS Booster (PSB, бустер протонного синхротрона) работы уже завершены, что позволило в июле ввести в строй протонный синхротрон (PS), который использует протоны, предварительно ускоренные Linac2 и PSB.

В конце июля возобновила работу установка ISOLDE на пучке протонов от PSB. В этом эксперименте получают и исследуют радиоактивные ядра в интересах широкого круга наук — от атомной и молекулярной физики до биофизики и астрофизики.

Протоны из PS направляются на мишень, где они производят вторичные частицы, например нейтроны, используемые в первую очередь в эксперименте nToF по изучению их взаимодействия с ядрами и в ряде других. Эти исследования важны для изучения свойств ядер, звёздного термоядерного синтеза, использования ускорителей для управления ядерными реакторами и применения вызванных нейтронами реакций в ядерных технологиях, включая трансмутацию ядерных отходов, реализацию вечной мечты алхимиков о превращении одного элемента в другой.

PS будет использован и для работ по проекту AIDA, в котором разрабатывают новые детекторы для ускорителей. Их будут проверять в условиях, аналогичных существующим внутри ускорителей. Для этого строят новые установки IRRAD и CHARM, которые войдут в строй в середине сентября.

Протоны от PS получает и второй по величине ускоритель комплекса — суперпротонный синхротрон (SPS), пуск которого ожидается в середине октября.

В конце августа начал работу замедлитель антипротонов (AD), на котором проводят эксперименты по изучению антиматерии. На сентябрь запланирован эксперимент CLOUD, исследующий связь космических лучей с образованием облачности. В нём физику ускорителей высоких энергий впервые используют для изучения атмосферы и климата.

До конца года должны закончиться и работы на всех четырёх основных детекторах LHC (ATLAS, CMS, ALICE и LHCb). Но уже сейчас проходит тестирование детекторов с помощью частиц космических лучей.

Пауза в работе LHC дала физикам возможность сосредоточиться на анализе накопленных данных. В день остановки коллайдера ЦЕРН объявил, что его центр обработки данных за последние двадцать лет зарегистрировал более 100 ПБ (1 петабайт = 10¹⁵ байт) физических данных. Это эквивалентно 700 годам видео высокого разрешения. Более половины их принадлежит LHC, который производит до 25 ПБ информации в год.

Новые результаты исследований все коллаборации LHC обнародовали на 37-й Международной конференции по физике высоких энергий (ICHEP), проходившей 2—9 июля в Валенсии (Испания). Были представлены наиболее полные, точные и всесторонние измерения массы топ-кварка, бозона Хиггса и короткоживущих адронов, их время жизни и схемы распада, результаты поисков суперсимметрии и тёмной материи, новые измерения сильных взаимодействий с участием W- и Z-бозонов (которые важны для поиска новых явлений), ряд новых результатов по исследованию кварк-глюонной плазмы, асимметрии материи — антиматерии.

Исследователи с энтузиазмом ожидают начала очередного трёхлетнего периода работы LHC, после которого планируется ещё одна его модернизация, чтобы к 2020 году увеличить светимость коллайдера в 10 раз. Они продолжат поиски частиц тёмной материи, дополнительных измерений пространства Минковского, явлений, выходящих за рамки Стандартной модели, экспериментально проверят различные теории, в первую очередь теорию суперсимметрии, попытаются узнать причину отсутствия антиматерии во Вселенной. Всё это позволит не только лучше понять, как устроен наш мир, но и, возможно, прояснить вопросы происхождения Вселенной.

Статьи по теме

• Новая перспектива ЦЕРНа: опять коллайдер, но очень большой
• Хиггс открыт. Что дальше?
• Долгожданное открытие: бозон Хиггса
• «Лоб в лоб» на скорости света

№9, 2014