Большой адронный коллайдер. Досье
ТАСС-ДОСЬЕ. 10 сентября 2008 года был запущен Большой адронный коллайдер (Large hadron collider, БАК, LHC) — самый мощный в мире ускоритель заряженных частиц. БАК был построен Европейской организацией по ядерным исследованиям (CERN).
Общие сведения, история
БАК расположен в подземном кольцевом тоннеле окружностью 26 659 м неподалеку от Женевы на границе Швейцарии и Франции на глубине 100–175 м. Первоначально в этом тоннеле находился Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP), построенный CERN в 1989 году. LEP позволял разгонять пучки частиц до энергий в 209 гигаэлектронвольт (ГэВ). К середине 1990-х одной из главных задач физики стало уточнение или опровержение Стандартной модели элементарных частиц. Наиболее важным было экспериментальное доказательство существования бозона Хиггса, предсказанное в 1963 году группой ученых во главе с британским физиком Питером Хиггсом (род. в 1929 году). За счет бозона Хиггса, согласно Стандартной модели, создается вся масса Вселенной. Существующей мощности LEP было недостаточно для обнаружения данной частицы. Поэтому в декабре 1994 года совет CERN решил строить в тех же тоннелях БАК с мощностью пучка протонов в 4 тераэлектронвольта (ТэВ).
Проект БАК — крупномасштабная международная программа. В работе по сооружению и экспериментах на ускорителе участвовали около 100 тыс. человек из 44 стран мира, в том числе из России.
Адронным коллайдер называется потому, что в его детекторах осуществляются столкновения адронов (класс элементарных частиц, состоящих из кварков).
Строительство коллайдера началось в 1998 году и завершилось в 2008 году. Первое испытание состоялось 10 сентября 2008 года, однако вскоре БАК был остановлен на несколько месяцев из-за аварии. В 2010 году мощность пучков была доведена до 3,5 ТэВ, что стало официальным началом исследовательской программы. 4 июля 2012 года в CERN объявили, что в результате экспериментов на БАК был обнаружен еще неизвестный вид частиц, предположительно, являющийся бозоном Хиггса. Эти данные вскоре подтвердились.
Читайте также
Большой адронный коллайдер: какие открытия он принес и чего ждать от перезапуска?
14 февраля 2013 года коллайдер был приостановлен для двухлетней модернизации. После ее завершения в 2015 году мощность пучка на БАК возросла до 13 ТэВ. В декабре 2018 года эксперименты на коллайдере были приостановлены для еще одной модернизации. После ее завершения в апреле 2023 года мощность пучка достигла 13,6 ТэВ.
Частицы в БАК попадают из каскада дополнительных ускорителей, разгоняющих протоны до 0,45 ТэВ. Коллайдер представляет собой две трубы, которые почти на всей своей протяженности идут параллельно в кольцевом тоннеле и пересекаются в местах расположения детекторов столкновений. В детекторах частицы, разогнанные с помощью сверхпроводящих магнитов, сталкиваются на скорости 99,9999991% от скорости света, составляющей 299 792 458 м в секунду. Всего на БАК установлено семь детекторов столкновений частиц. Один из них — ATLAS — предназначен для поиска сверхтяжелых элементарных частиц, таких как бозон Хиггса. Длина этого детектора — 46 м, диаметр — 26 м. Весит он порядка 8 тыс. тонн.
Стоимость строительства БАК составляла около 7,5 млрд евро (без учета дальнейших модернизаций), он являлся самым дорогим научным экспериментом в истории человечества. Ежегодно при функционировании ускоритель потребляет около 1,3 тераватт-часов электроэнергии, столько же, сколько город с населением около 1 млн человек.
Планируется как минимум еще одна модернизация БАК. Предполагается, что в конце 2020-х — начале 2030-х годов мощность коллайдера достигнет 14 ТэВ, а обновленные детекторы позволят регистрировать в два раза больше частиц.
Результаты
Помимо обнаружения бозона Хиггса на БАК работают над уточнением его параметров. Так, в 2023 году было обнаружено свидетельство распада бозона Хиггса на Z-бозон (электрически нейтральный носитель слабого взаимодействия) и фотон (носитель электромагнетизма). Ученые предполагают, что распад этот происходит не непосредственно, а через промежуточный этап, причем считается, что частицы, которые появляются и исчезают в этом процессе, пока науке неизвестны.
В июле 2015 года было объявлено, что с помощью БАК было экспериментально подтверждено существование пентакварков.
Читайте также
На Большом адронном коллайдере впервые зафиксировали рождение "троек" псионов
Включая их и бозон Хиггса всего при помощи Большого адронного коллайдера было обнаружено более 60 новых субатомных частниц.
В целом главной задачей экспериментов на БАК является уточнение Стандартной модели элементарных частиц, поиск ответа на вопрос о том, что представляла собой Вселенная в первые мгновения после Большого взрыва, чем является темная материя и "темная энергия" и почему во Вселенной незначительный объем антиматерии.
Участие России
В создании и эксплуатации БАК принимали участие 12 российских институтов и научных центров. В частности, ускоряющая структура коллайдера с ячейками связи и трубками дрейфа (CCDTL) была разработана Институтом ядерной физики им. Г.И. Будкера (ИЯФ Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск) и Всероссийским научно-исследовательским институтом технической физики им. Е.И. Забабахина (г. Снежинск, Челябинская область).
В середине июня 2022 года совет CERN принял решение не продлевать международные договоры о сотрудничестве с Белоруссией и Россией после истечения сроков действия текущих соглашений в июне и декабре 2024 года. Этот шаг совет объяснил своим негативным отношением к проводимой Россией на Украине специальной военной операции. В настоящее время российские научные учреждения продолжают участвовать в научных экспериментах на БАК.