Третий запуск Большого адронного коллайдера

В конце апреля на Большом адронном коллайдере начался третий сеанс работы – пауза между этим и предыдущим запуском длилась около 3,5 лет. Мы поговорили с Лидией Николаевной Смирновой, доктором физико-математических наук, профессором кафедры общей ядерной физики, чтобы выяснить подробности нового запуска.

Зачем вообще коллайдер останавливают?

Такие паузы продиктованы необходимостью обновления оборудования, перенастройки систем. Всё это строго соответствует графику работы коллайдера, правда в этот раз пауза длилась на год дольше из-за COVID-19.

За время паузы модернизировались как детекторы, так и сам коллайдер. Основных детекторов на коллайдере четыре, все они отработали уже более 10 лет в условиях жёсткой радиационной нагрузки. Электроника имеет свой срок жизни, а во время остановки коллайдера она совершенствуется и заменяется. Необходимые изменения сперва проектируются и изготавливаются несколько лет, а в момент остановки коллайдера уже размещаются в подземной шахте. Даже само размещение является сложной конструкторской задачей, которая требует много времени.

Конечно, во время активной фазы работы коллайдера ремонтировать его уже невозможно: установка герметично закрыта, там радиация, высокие напряжения, газы, очень строгий доступ даже в пункт управления. Это значит, что в том состоянии, в котором детектор сейчас запустится, он должен проработать четыре года без дополнительного вмешательства. Всё это объясняет такой длительный перерыв на ремонт и модернизацию установки.

В чём состоит улучшение?

Если говорить упрощённо, то основная цель модернизации детекторов – регистрировать больше столкновений и одновременно уменьшить число неинтересных событий. А основная цель модернизации коллайдера – выход на бóльшие энергии столкновений пучков и увеличение светимости (частоты событий).

Улучшение нужно для стабильной работы экспериментов в условиях высокой частоты столкновения протонов при высоких радиационных нагрузках на детекторы, для эффективной системы отбора полезных событий за счет снижения вклада фоновых процессов. Поэтому в установках обновляют системы электроники, добавляют новые детекторы в структуру установок, совершенствуют компьютерные системы моделирования и анализа данных.

Каких показателей планируется достигнуть?

Будет увеличена энергия соударения протонных пучков. К июлю этого года планируется достичь энергии пучков 6,8 ТэВ, что приведет к энергии соударения протонов 13,6 ТэВ! Увеличение энергии откроет дорогу наблюдению новых реакций. Важность этого определяется задачами физики фундаментальных взаимодействий. В прошлом запуске энергия соударения протонов составляла 13 ТэВ, а максимальная энергия работы коллайдера (которую планируется достичь в четвёртом запуске) составляет 14 ТэВ.

А вот в следующем, четвёртом сеансе также планируется достигнуть рекордной светимости (частоты соударений пучков). Это важно, потому что чем больше соударений зафиксировано, тем больше данных для анализа собрано. Четвёртый сеанс будет называться «Сеанс большой светимости», а текущий запуск – часть подготовки к этому процессу, на третьем сеансе коллайдер ещё технически не готов к такому повышению светимости.

Что было исследовано в предыдущих запусках коллайдера?

Первый этап работы коллайдера был в 2010-2013 годах. В 2012 году работа коллайдера привела к открытию новой частицы с массой 125 ГэВ в 2012г., кандидата в бозон Хиггса. К этому времени коллайдер достиг энергии соударения протонов 8 ТэВ (при плановой, то есть максимально возможной энергии 14 ТэВ).

В период 2015-2018гг. БАК работал при энергии столкновения протонов 13 ТэВ. Собранные в этот период данные позволили исследовать свойства открытой частицы и установить, что она действительно является бозоном Хиггса. Это была совсем новая область исследований. По результатам второго сеанса удалось впервые наблюдать новые процессы совместного рождения нескольких тяжелых частиц, таких как топ кварк, W и Z бозоны, их рождение вместе с бозоном Хиггса. Например, наблюдалось рождение 4х топ кварков или трех W бозонов в одном протонном соударении.

Чтобы изучить подобные процессы, нужна большая статистика событий. В третьем запуске планируется собрать данных больше, чем собрано в двух предыдущих сеансах.

Коллайдер и Стандартная модель

Открытие бозона Хиггса завершило структуру единой теории электромагнитных, слабых и сильных фундаментальных взаимодействий, именуемую Стандартной моделью. Результаты экспериментов БАК подтверждают эту теорию.

Однако появилось несколько проблем, которым эта теория не дает решения. Например, не удается объяснить наличие массы у нейтрино, нет объяснения природы скрытой материи вселенной, не удается включить гравитацию в общую теорию взаимодействии и так далее. Решение этих проблем сейчас относят к области новой физики, которую нужно обнаружить. Модернизация коллайдера и экспериментальных установок выполняет задачу лучшего соответствия условий экспериментов для возможного наблюдения новой физики и более точной проверки Стандартной модели.

📍 Страница кафедры общей ядерной физики ВКонтакте: https://vk.com/open_msu_nuclear_club

📍 А ещё есть прекрасная группа с научно-популярным контентом, которую ведёт Евгений Вадимович Широков, заместитель заведующего кафедрой общей ядерной физики, кандидат физико-математических наук. Группа называется «От кварка до квазара», подписывайтесь: https://vk.com/quark_quasar.