Большой адронный коллайдер остановлен до 2029 года: что даст апгрейд до HL-LHC

Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН) объявила о плановой остановке Большого адронного коллайдера (БАК) до 2029 года для масштабного апгрейда до состояния High-Luminosity LHC (HL-LHC). Этот проект увеличит количество столкновений частиц в десять раз, что позволит учёным изучать редкие процессы и, возможно, выйти за пределы Стандартной модели. За время работы с 2010 года коллайдер подтвердил существование бозона Хиггса и собрал более 1000 терабайт данных, превзойдя все ожидания. Теперь предстоит заменить около 1,2 километра магнитов и других ключевых компонентов, что станет самой сложной инженерной задачей в истории ускорителя.

Итоги работы БАК и подготовка к новому этапу

Большой адронный коллайдер, расположенный в 27-километровом тоннеле на границе Швейцарии и Франции, завершил третий сеанс работы (Run 3), который начался в 2022 году. За это время было получено более 1000 терабайт данных, а число зарегистрированных событий столкновений превысило 100 миллиардов. Установка подтвердила существование бозона Хиггса, открытого в 2012 году, и позволила изучить его свойства с беспрецедентной точностью. По словам представителей ЦЕРН, коллайдер не только выполнил, но и перевыполнил все поставленные научные задачи.

Остановка продлится до 2029 года и включает демонтаж старых магнитов, криогенного оборудования и вакуумных систем. На их место установят новые сверхпроводящие магниты, способные выдерживать более высокие токи и создавать более сильное магнитное поле. Это необходимо для повышения светимости — ключевого параметра, определяющего количество столкновений в единицу времени.

Предыстория и контекст модернизации

Идея модернизации БАК до HL-LHC возникла ещё в начале 2010-х годов, когда стало ясно, что для дальнейших открытий нужно больше статистики. Первоначальный проект коллайдера был рассчитан на 10 лет работы, но благодаря успешной эксплуатации и множеству открытий его продлили. Увеличение светимости в десять раз позволит изучать редкие процессы, такие как распады бозона Хиггса на мюоны или тау-лептоны, а также искать отклонения от Стандартной модели.

Технически апгрейд включает не только замену магнитов, но и установку новых коллайдерных секций, улучшенных детекторов и систем охлаждения. Общий бюджет проекта оценивается в 1,5 миллиарда швейцарских франков. ЦЕРН уже провёл успешные испытания прототипов магнитов в 2023 году.

Почему замена магнитов — самая сложная часть апгрейда?

Магниты БАК — это сверхпроводящие электромагниты, работающие при температуре 1,9 Кельвина (около –271 °C). Для HL-LHC потребуются магниты с полем 11–12 тесла вместо нынешних 8,3 тесла. Замена 1,2 км магнитов означает демонтаж десятков тонн оборудования в условиях радиационной зоны. Каждый магнит весит около 30 тонн, и их установка требует высокой точности. Новые магниты уже изготовлены и проходят тестирование в лабораториях ЦЕРН.

Технические подробности апгрейда: как изменится коллайдер

Основное изменение — переход на режим HL-LHC, который предусматривает увеличение светимости с нынешних 1×10^34 до 5×10^34 см⁻²с⁻¹, а затем до 7,5×10^34 после дополнительных улучшений. Это будет достигнуто за счёт более мощных магнитов и новой системы фокусировки пучков. В частности, будут установлены так называемые крабовые полости — устройства, которые наклоняют пучки частиц перед столкновением, чтобы максимизировать перекрытие.

Кроме того, планируется модернизация детекторов ATLAS и CMS, которые будут оснащены новыми кремниевыми трекерами и системами считывания данных, способными обрабатывать до 200 миллионов столкновений в секунду. Это потребует значительного увеличения вычислительных мощностей и разработки новых алгоритмов триггеров.

Кого затронет остановка и апгрейд?

Прежде всего, остановка БАК затронет научное сообщество: физики элементарных частиц со всего мира, работающие на ЦЕРН, временно лишатся данных. Однако это плановая пауза, и многие исследователи переключатся на анализ уже накопленной информации. Для российских и белорусских учёных ситуация осложняется санкциями, введёнными после 2022 года: ЦЕРН приостановил сотрудничество с институтами из этих стран, хотя отдельные учёные могут участвовать в проектах на индивидуальной основе.

Для производителей оборудования и IT-компаний апгрейд открывает новые контракты: от поставки магнитов до разработки систем охлаждения и программного обеспечения. Инвесторы в научные технологии также могут рассчитывать на долгосрочные заказы.

Что будет дальше?

После завершения апгрейда в 2029 году БАК возобновит работу в режиме HL-LHC. Ожидается, что новый этап продлится до 2041 года. ЦЕРН уже обсуждает следующие проекты: Future Circular Collider (FCC) — 100-километровый коллайдер, который может стать преемником БАК. Однако его строительство потребует ещё большего финансирования и международного согласия.

Параллельно с апгрейдом БАК ЦЕРН продолжает работу над другими проектами, включая протонный синхротрон и нейтринную программу. Остановка коллайдера не означает заморозку всей деятельности организации: в ближайшие годы будут проводиться эксперименты на других ускорителях и в лабораториях.

Итог

Остановка Большого адронного коллайдера для апгрейда — важнейший этап в развитии физики высоких энергий. Замена 1,2 км магнитов и переход к HL-LHC позволит учёным заглянуть за пределы Стандартной модели и, возможно, открыть новые частицы. Хотя до 2029 года коллайдер будет молчать, накопленные данные и подготовка к новому этапу обещают революционные результаты. Следить за проектом стоит всем, кто интересуется фундаментальной наукой и технологическими прорывами.