Расположенный возле Женевы Большой адронный коллайдер (БАК) прекратил свою работу. Он будет проходить модернизацию в течение четырех лет, чтобы стать Коллайдером высокой светимости. Самый большой в мире ускоритель частиц станет гораздо более эффективным и обеспечит ученых огромными пластами информации об элементарной физике. Как изменится БАК и в чем ценность его работы — в материале «Известий».

Зачем закрыли адронный коллайдер?

• Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН) объявила, что Большой адронный коллайдер прекратил работу 29 июня. Ученые отключили ускоритель, чтобы начать третий длительный период простоя — так называется масштабная программа технического обслуживания и модернизации, которая преобразует объект в Коллайдер высокой светимости. Переоснащение БАК станет самым масштабным инженерным проектом ЦЕРН со времени постройки самого коллайдера.

• Запуск обновленного ускорителя в тестовом режиме планируется на 2028 год, а с 2030-го на нем начнется полноценная научная работа. Общая стоимость модернизации составит $1,5 млрд. Эта сумма будет покрыта за счет членских взносов ЦЕРН, а также вложений в натуральной форме от стран, не входящих в организацию, таких как США, Япония, Канада и Китай. Такой вклад в виде материальных ресурсов, оборудования, технологий или услуг составит до 15% от общей суммы затрат.

• Основной задачей модернизации станет увеличение светимости коллайдера. Это физический параметр, которым измеряют количество столкновений частиц в единицу времени. Коллайдер высокой светимости будет сталкивать в 10 раз больше частиц, чем было заложено в изначальном проекте БАК. Большее количество столкновений будет передавать ученым больше данных для изучения, а это повысит вероятность новых открытий в физике элементарных частиц.

Какие будут изменения?

• Модернизация БАК будет заключатьсяв полной замене компонентов на участке длиной 1,2 км из общего 27-километрового круглого туннеля, по которому разгоняются частицы. Для увеличения числа столкновений будут установлены новые сверхпроводящие магниты из сплава ниобий-олово. Они будут создавать более сильное магнитное поле, чем старый сплав ниобий-титан, использовавшийся в БАК.

• Коллайдер высокой светимости получит несколько новых технологий, разработанных специально для него. Например, так называемые крабовые резонаторы. Это устройства, которые наклоняют сгустки разогнанных частиц, чтобы они встречались друг с другом напрямую, а не под углом, что сделает эксперименты над ними более эффективными. Также планируется внедрение кристаллических коллиматоров, которые будут удалять случайные частицы, и новых высокотемпературных сверхпроводящих линий электропередачи.

• Так как коллайдер станет передавать в разы больше данных, потребуется обновление и его детекторов, которые собирают информацию о разгоне и столкновении частиц. За время простоя будут обновлены главные детекторы коллайдера ATLAS и CMS, каждый из которых имеет размеры многоэтажного дома. Детекторы будут интегрированы с искусственным интеллектом, чтобы облегчить ученым использование полученных данных.

• Обновление БАК уже потребовало создания новой инженерной инфраструктуры. Строительные работы для этого начались еще в 2018 году и продолжались четыре года. Для детекторов ATLAS и CMС, на которых фиксируются данные о разгоне и столкновении частиц, были вырыты новые шахты длиной 80 м и диаметром 10 м, подземные пространства для размещения оборудования и 300-метровые галереи для прокладки кабелей.

В чем значимость Большого адронного коллайдера?

• Большой адронный коллайдер был построен в 2008 годус целью изучения элементарных частиц. Его 27-километровый подземный туннель используется для разгона пучков протонов до скорости, близкой к скорости света, при помощи сверхпроводимых магнитов, охлажденных почти до абсолютного нуля. Разогнанные частицы сталкиваются, что позволяет создавать новые частицы и изучать их на самом глубинном уровне. Данные собираются с помощью четырех детекторов, расположенных вдоль туннеля.

• Уже в 2012 году БАК выполнил одну из своих главных функций — с его помощью обнаружили бозон Хиггса, особую частицу, которая отвечает за массу других частиц. Он был гипотетически определен еще в 1964 году, но экспериментально его существование было подтверждено только благодаря работе БАК. Обнаружение бозона Хиггса завершило описание так называемой Стандартной модели, которая описывает физику элементарных частиц. Кроме того, БАК позволил сделать еще множество открытий, имеющих значение для фундаментальной физики.

• Также коллайдер несет большую прикладную пользу. Разработанные для его работы технологии находят дальнейшее применение в электронике, вычислительной технике, информатике, медицине. Особенно ценными становятся открытия в области создания сверхпроводников, которые позволяют устойчиво передавать электроэнергию на большие расстояния.

Какие открытия позволит сделать новый коллайдер?

• За всё время работы БАК произвел около 55 млн бозонов Хиггса. Ожидается, что обновленный Коллайдер высокой светимости в течение десяти лет произведет уже 380 млн таких же частиц. В свою очередь, это приведет к еще большему числу их столкновений и предоставит ученым больше данных для интерпретаций экспериментов, причем более точных, чем мог дать БАК в старой конфигурации. На основе этой статистикиполучится точнее разгадывать природу некоторых аномалий и отклонений, которые пока не может объяснить Стандартная модель.

• От обновленного коллайдера также будут ждать разгадок темной материи. Более частое столкновение протонов теоретически может показать ученым ее частицы. До сих пор физикам не удавалось ее обнаружить, хотя ее существование доказано благодаря ее гравитационному влиянию. С учетом того что из темной материи состоит около 27% Вселенной, ее обнаружение станет прорывом в физике.

• Создаваемые коллайдером условия при разгоне частиц также позволят проверить на практике теорию струн, которая предполагает существование дополнительных измерений за пределами тех четырех, уже известных человечеству. Если даже новые измерения не будут обнаружены с помощью Коллайдера высокой светимости, у ученых может сузиться поле для их поиска.