Главный инструмент мировой физики элементарных частиц ушел на затяжные «каникулы». Большой адронный коллайдер полностью остановил работу, чтобы превратиться в супермашину высокой светимости, способную разгадать самые глубокие тайны бозона Хиггса и обнаружить трещины в Стандартной модели.
Глубоко под франко-швейцарской границей наступила тишина. Самый мощный в истории ускоритель частиц временно прекратил сталкивать протоны. Но это затишье обманчиво: пока пучки частиц не циркулируют по 27-километровому кольцу, тысячи инженеров, физиков и техников разбирают ключевые узлы установки. Началась подготовка к одной из самых амбициозных модернизаций в истории экспериментальной науки — созданию Большого адронного коллайдера высокой светимости (HL-LHC).
Поддержать нас на Boosty
Поддержать нас на Дзен
Когда обновленный ускоритель снова запустят, он будет генерировать колоссальные объемы данных. За время своей работы проект позволит зафиксировать примерно в семь раз больше столкновений, чем оригинальный коллайдер, открывший бозон Хиггса. Для исследователей микромира этот технологический прыжок сравним с переходом от старой техники к сверхсовременным цифровым детекторам.
Почему энергии недостаточно и нужна «яркость»
В массовой культуре возможности коллайдера часто оценивают по энергии столкновения частиц. Однако для поиска новой физики этого показателя уже мало. Настоящий вызов сегодняшнего дня — не сила удара пучков, а частота соударения частиц, то есть светимость ускорителя.
Многие загадки Вселенной скрываются в невероятно редких процессах. Чтобы зафиксировать их, физикам нужно колоссальное количество попыток. Модернизированный HL-LHC сожмет протонные пучки сильнее, сделав их намного плотнее и «ярче».
Профессор Даниэла Бортолетто, руководитель направления физики элементарных частиц в Оксфордском университете, сравнивает это обновление с заменой камеры: вместо аппарата, делающего один кадр в секунду, ученые получают устройство, способное делать семь кадров. Каждый снимок по отдельности выглядит почти так же, но вместе они раскрывают детали, которые иначе остались бы незамеченными. С момента запуска БАК в 2008 году на нем было получено около 55 миллионов бозонов Хиггса. Модернизированная установка за время своей работы произведет около 380 миллионов этих частиц.
Неуловимый бозон и бреши в картине мира
Открытие бозона Хиггса подтвердило механизм, который дает элементарным частицам их массу. Бозон стал последней недостающей деталью в Стандартной модели физики элементарных частиц. Эта теория блестяще описывает фундаментальные кирпичики материи и три из четырех сил природы. Но у нее есть огромные недостатки: она не объясняет гравитацию, не раскрывает природу темной материи и не дает ответа на вопрос, почему в нашей Вселенной вещество полностью победило антивещество.
Бозон Хиггса — это идеальный инструмент для поиска ответов. Ученые ищут мельчайшие отклонения в том, как он взаимодействует с другими частицами. Если обнаружится хотя бы крошечное несовпадение с теоретическими расчетами, это станет прямым указанием на существование новой, еще не открытой физики.
Особый интерес вызывают редкие сценарии распада бозона Хиггса, которые пока находятся на грани чувствительности приборов:
- Распад на два мюона. Мюон — тяжелый и нестабильный «родственник» электрона. Фиксация такого распада критически важна для проверки того, как бозон Хиггса взаимодействует со вторым поколением лептонов.
- Распад на очарованные кварки. Это измерение считается одним из самых сложных в современной физике, так как полезный сигнал буквально тонет в колоссальном фоновом шуме обычных столкновений.
Экстремальная модернизация детекторов
Увеличение светимости создает новую проблему для регистрирующей аппаратуры. При каждом пересечении пучков в HL-LHC будет происходить до 200 одновременных протон-протонных столкновений. Это порождает невероятно плотную лавину вторичных частиц.
Чтобы распутать этот хаос, детекторы ATLAS и CMS также переживают глубокую модернизацию. Прежние кремниевые трекеры заменяют на принципиально новые системы, способные выдерживать колоссальные дозы радиации, которые мгновенно уничтожили бы старую электронику.
Группа физиков под руководством Бортолетто занимается сборкой новых кремниевых пиксельных модулей для внутреннего трекера эксперимента ATLAS. Недавно ученым удалось собрать первое готовое пиксельное кольцо — сложнейшую микроструктуру, объединяющую кремниевые датчики и ультрабыструю электронику.
Еще одним технологическим прорывом станет добавление четвертого измерения — сверхточного времени. Специальные детекторы (такие как High Granularity Timing Detector в ATLAS) смогут определять время пролета частиц с точностью до десятков триллионных долей секунды (пикосекунд). Поскольку даже одновременные на макроуровне столкновения на самом деле происходят с микроскопическим сдвигом во времени, эта технология позволит сопоставить каждую частицу с конкретным событием соударения и очистить редкие сигналы распада бозона Хиггса от фонового шума.
На пороге новой эры
Физики подчеркивают, что БАК сейчас находится лишь в начале своего пути. К моменту остановки ученые проанализировали лишь около 10% от того объема данных, который коллайдер способен собрать за весь свой жизненный цикл. Основная часть открытий еще впереди.
Сборка сложнейших детекторов HL-LHC ведется силами научных коллабораций по всему миру. Примечательно, что в создании новых приборов активно участвуют студенты и аспиранты. Именно этому поколению молодых физиков предстоит провести большую часть своей карьеры за анализом данных, которые начнет поставлять обновленный суперколлайдер в следующем десятилетии.
Часто задаваемые вопросы (FAQ)
- Почему Большой адронный коллайдер отключили на четыре года?
БАК приостановил работу ради масштабной модернизации оборудования. Специалистам предстоит заменить около 1,2 километра инфраструктуры кольца ускорителя, установив более мощные фокусирующие магниты и полностью обновив детекторы частиц. - Что такое светимость коллайдера и зачем ее повышать?
Светимость — это показатель, определяющий количество столкновений частиц на единицу площади за секунду. Повышение светимости позволяет генерировать больше данных. Это необходимо для обнаружения редких физических процессов (например, редких распадов бозона Хиггса), которые невозможно зафиксировать при обычной интенсивности пучков. - Какие редкие распады бозона Хиггса хотят изучить физики?
В приоритете ученых — изучение распада бозона Хиггса на пару мюонов и на очарованные кварки. Эти процессы позволяют детально проверить Стандартную модель и понять, как поле Хиггса взаимодействует с более легкими поколениями элементарных частиц. - Как изменятся детекторы частиц ATLAS и CMS после модернизации?
Детекторы получат радиационно-стойкие кремниевые трекеры и инновационные системы измерения времени пролета частиц с точностью до пикосекунд. Это позволит физикам разделять до 200 независимых столкновений, происходящих практически одновременно при каждом пересечении протонных пучков.
Источник:
- Оригинальная колонка Даниэлы Бортолетто в издании The Conversation
Поддержать нас на Boosty
Поддержать нас на Дзен
Читайте также: На Большом адронном коллайдере нашли самую убедительную на сегодня физическую аномалию