Большой адронный коллайдер: устройство, эксперименты и открытия

Огромный подземный ускоритель, способный воссоздавать условия первых мгновений после рождения Вселенной, долгие годы окутан слухами и мифами. Одни пугали человечество искусственными чёрными дырами, другие предрекали конец света. На деле Большой адронный коллайдер стал инструментом величайших научных открытий, изменивших наше понимание фундаментальных законов природы.

Историческая веха в физике элементарных частиц

Тридцатого марта 2010 года в Европейской организации по ядерным исследованиям произошло событие, которое навсегда вошло в историю науки. После многолетней подготовки, нескольких неудачных попыток запуска и масштабных модернизаций крупнейший в мире ускоритель частиц начал полноценную работу. Предварительные испытания с протонными столкновениями на умеренных энергиях проходили в течение 2009 года без существенных сбоев. Всё было готово к главному эксперименту.

Принцип работы установки основан на столкновении двух встречных пучков протонов, разогнанных до околосветовых скоростей. При соударении протоны разрушаются, высвобождая колоссальную энергию и порождая новые элементарные частицы. Эти вновь рождённые частицы крайне нестабильны и существуют лишь ничтожные доли секунды. Сложнейшая аналитическая аппаратура фиксирует эти мимолётные события, позволяя учёным изучать процессы, происходившие в первые мгновения после Большого взрыва.

В тот знаменательный день два протонных пучка устремились навстречу друг другу по двадцатисемикилометровому кольцевому тоннелю. Разогнанные до скорости, составляющей 99,9999991 процента от световой, они столкнулись, и приборы зафиксировали энергию 7 тераэлектронвольт. Этот показатель стал мировым рекордом и открыл новую эру экспериментальной физики высоких энергий. Сегодня коллайдер работает на ещё более впечатляющих энергиях — в ходе третьего сеанса экспериментов, начавшегося в 2022 году, энергия столкновений достигла 13,6 тераэлектронвольт.

Архитектура подземного гиганта

Ускоритель расположен на глубине от пятидесяти до ста пятидесяти метров под землёй на границе Швейцарии и Франции близ Женевы. Для размещения гигантских детекторов были вырыты специальные подземные залы, по масштабам сопоставимые с готическими соборами. Четыре основных эксперимента — «ALICE», «ATLAS», «CMS» и «LHCb» — представляют собой ключевые направления научной программы установки.

Эксперимент «ALICE»

Название расшифровывается как «Большой экспериментальный ионный коллайдер». Это одна из шести экспериментальных установок, специально созданных для исследования столкновений тяжёлых ионов — ядер атомов свинца. При таких соударениях температура и плотность энергии достигают значений, достаточных для образования кварк-глюонной плазмы — особого состояния материи, в котором кварки и глюоны существуют в несвязанном виде. Именно в таком состоянии находилась Вселенная через несколько микросекунд после Большого взрыва.

Сердцем детектора служит внутренняя система слежения, состоящая из шести цилиндрических слоёв кремниевых датчиков. Они окружают точку столкновения пучков и с высочайшей точностью измеряют свойства и траектории рождающихся частиц. Благодаря этой системе учёные могут обнаруживать частицы, содержащие тяжёлые кварки, и изучать их поведение в условиях экстремальных температур и плотностей.

Детектор «ATLAS»

Крупнейший по габаритам детектор элементарных частиц в истории. Его длина составляет сорок четыре метра, диаметр достигает двадцати пяти метров, а масса приближается к семи тысячам тонн. Этот колосс предназначен для исследования протон-протонных столкновений и способен регистрировать все физические процессы, происходящие в момент соударения частиц и после него. Главная задача «ATLAS» — поиск и изучение частиц, которые ранее не удавалось обнаружить ни одной установке в мире.

Охота за бозоном Хиггса

Обнаружение и подтверждение существования бозона Хиггса стало первоочередной задачей коллайдера. Эта частица была предсказана теоретически ещё в 1964 году британским физиком Питером Хиггсом и несколькими другими учёными независимо друг от друга. Бозон Хиггса являлся последним недостающим элементом Стандартной модели — теории, описывающей все известные элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия между ними.

Четвёртого июля 2012 года научный мир облетела сенсационная новость: коллаборации «ATLAS» и «CMS» объявили об обнаружении новой частицы с массой около 125 гигаэлектронвольт. В марте 2013 года было подтверждено, что открытая частица действительно является бозоном Хиггса. Это открытие завершило построение Стандартной модели и принесло Питеру Хиггсу и Франсуа Энглеру Нобелевскую премию по физике в том же году.

При работе на энергиях выше одного тераэлектронвольта элементарные частицы перестают сохранять свою структурную целостность. Детектор «ATLAS» специально сконструирован для регистрации короткоживущих частиц в те мгновения, когда они ещё существуют, прежде чем распадутся на более лёгкие компоненты.

Компактный мюонный соленоид

Детектор «CMS» представляет собой один из двух универсальных инструментов для изучения физики высоких энергий. Над его созданием и эксплуатацией трудятся около трёх с половиной тысяч учёных из более чем ста восьмидесяти научных учреждений тридцати восьми стран мира. Установка расположена под землёй в Цесси на территории Франции, недалеко от швейцарской границы.

Конструкция детектора напоминает слоёный пирог. Самый внутренний слой — кремниевый трекер — является крупнейшим в мире датчиком такого типа. Его площадь составляет двести пять квадратных метров (сопоставимо с теннисным кортом), а число каналов регистрации достигает семидесяти шести миллионов. Трекер отслеживает траектории заряженных частиц, движущихся в мощном магнитном поле.

На втором уровне располагается электромагнитный калориметр, измеряющий энергию электронов и фотонов. Следующий слой — адронный калориметр — определяет энергию адронов, образующихся при каждом столкновении.

Центральным элементом конструкции является гигантский соленоидный магнит длиной тринадцать метров и диаметром шесть метров. Он состоит из охлаждаемых катушек на основе ниобия и титана. Магнит создаёт сильнейшее поле, необходимое для отклонения заряженных частиц и измерения их импульса.

Внешний слой образуют мюонные детекторы и ярмо возврата магнитного поля. Детектор «CMS» предназначен для исследования самых разнообразных физических процессов — от проверки Стандартной модели до поиска явлений, выходящих за её рамки и указывающих на существование новой физики.

Рекордные энергии и научные достижения

При запуске коллайдера на полную мощность был зафиксирован беспрецедентный выброс энергии. Когда протонные пучки промчались по всей длине тоннеля и столкнулись на околосветовой скорости, приборы зарегистрировали максимальное значение, на которое была рассчитана установка в тогдашней конфигурации. Подобные энергии были характерны для Вселенной в первые доли секунды после её рождения.

Детектор «ALICE» зафиксировал параметры этого рекордного события во всех подробностях, что позволило учёным приступить к детальному анализу процессов рождения и гибели экзотических частиц.

За годы работы подобные эксперименты проводились тысячи раз. Чтобы оценить сложность задачи, можно привести сравнение: точность наведения протонных пучков сопоставима с выстрелом иголками с разных концов планеты так, чтобы они столкнулись где-то посреди океана. Главной целью этих экспериментов было и остаётся изучение фундаментальных свойств материи.

За время работы коллайдера открыто более шестидесяти новых субатомных частиц, включая экзотические пентакварки и тетракварки. Исследования продолжаются: учёные изучают свойства бозона Хиггса, ищут следы тёмной материи и проверяют различные теоретические модели, выходящие за пределы Стандартной модели.

Будущее крупнейшего ускорителя

Европейская организация по ядерным исследованиям готовит масштабную модернизацию установки. Проект получил название «Большой адронный коллайдер высокой светимости». Светимость — это показатель интенсивности столкновений частиц. Чем она выше, тем больше данных удаётся собрать за единицу времени. Модернизированный ускоритель увеличит этот параметр в десять раз по сравнению с нынешними значениями.

Работы планируется завершить к 2030 году, после чего установка проработает ещё минимум десять лет. Новые сверхпроводящие магниты на основе станнида триниобия позволят сильнее фокусировать протонные пучки, а обновлённые детекторы смогут обрабатывать лавинообразно возросший поток данных. Если сейчас коллайдер производит около трёх миллионов бозонов Хиггса в год, то после модернизации это число возрастёт до пятнадцати миллионов.

Интересный факт

Всемирная паутина — технология, без которой немыслима современная жизнь, — была изобретена именно в стенах Европейской организации по ядерным исследованиям. В 1989 году британский учёный Тим Бернерс-Ли, работавший над проблемой обмена данными между физиками разных стран, создал первый веб-сервер и браузер. Изначально это была сугубо внутренняя разработка для нужд коллаборации, но впоследствии технология изменила весь мир. Таким образом, помимо фундаментальных открытий в физике, исследовательский центр подарил человечеству один из важнейших инструментов информационной эпохи.