Большой адронный коллайдер готовится к крупнейшему обновлению: что изменится в физике

Большой адронный коллайдер (БАК), самый мощный ускоритель частиц в мире, остановлен для проведения крупнейшей модернизации с момента его запуска. Работы, которые продлятся несколько лет, направлены на увеличение светимости и энергии столкновений, что позволит ученым исследовать новые области физики за пределами Стандартной модели. Эта модернизация, известная как High-Luminosity LHC (HL-LHC), обещает стать поворотным моментом в поиске ответов на фундаментальные вопросы о природе Вселенной.

Крупнейшая модернизация в истории БАК

ЦЕРН объявил о начале фазы модернизации, известной как High-Luminosity LHC (HL-LHC). Это четвертая и самая амбициозная модернизация коллайдера, которая обойдется примерно в 1,5 миллиарда швейцарских франков. Основная цель — увеличить светимость ускорителя в 5–10 раз по сравнению с первоначальной конструкцией. Светимость — это мера количества столкновений частиц в секунду, и ее повышение позволит накопить больше данных за меньшее время.

В ходе модернизации будет заменено множество ключевых компонентов, включая магниты, криогенную систему и детекторы. Новые сверхпроводящие магниты на основе ниобия-олова смогут создавать более мощные поля, что увеличит энергию столкновений до 14 ТэВ (тераэлектронвольт) в центре масс, а в перспективе — до 16 ТэВ. Также будет установлен новый коллайдер для протонов и ионов, который позволит проводить более точные измерения.

Предыстория и контекст

Большой адронный коллайдер был запущен в 2008 году и сразу стал главным инструментом физики высоких энергий. Его самым знаменитым открытием стало обнаружение бозона Хиггса в 2012 году, которое подтвердило механизм, ответственный за массу элементарных частиц. Однако Стандартная модель, описывающая фундаментальные взаимодействия, остается неполной. Она не объясняет темную материю, темную энергию или гравитацию на квантовом уровне.

Модернизация БАК — это ответ на необходимость выйти за рамки Стандартной модели. Предыдущие обновления, такие как Run 1, Run 2 и Run 3, позволили увеличить энергию и светимость, но HL-LHC станет настоящим прорывом. Ожидается, что он позволит изучать редкие процессы и искать новые частицы, которые могут быть ключом к пониманию темной материи.

Почему светимость так важна для физики высоких энергий?

Светимость — это ключевой параметр ускорителя, определяющий количество столкновений в секунду. Чем выше светимость, тем больше данных ученые могут собрать за короткий период. Например, если стандартный БАК производит около 1 миллиарда столкновений в секунду, то HL-LHC сможет генерировать до 10 миллиардов. Это критически важно для наблюдения редких событий, которые происходят с вероятностью один на триллион столкновений. Без высокой светимости такие события просто невозможно зарегистрировать в статистически значимом количестве.

Повышение светимости также позволяет ученым проводить более точные измерения уже известных процессов, таких как распад бозона Хиггса. Это может выявить небольшие отклонения от предсказаний Стандартной модели, которые укажут на новую физику. Например, если распад Хиггса на два фотона происходит немного чаще или реже, чем ожидается, это может быть признаком существования новых частиц.

Технические детали модернизации

Основные изменения затронут магниты и криогенику. Текущие магниты на основе ниобия-титана работают при температуре 1,9 К (-271,25 °C) и создают поле 8,3 Тл. Новые магниты из ниобия-олова будут создавать поле до 11 Тл, что позволит удерживать протоны на более высокой энергии. Также будет установлена система коллиматоров для защиты от рассеянных частиц.

Кроме того, планируется модернизация детекторов ATLAS и CMS — двух крупнейших экспериментов на БАК. Они получат новые трекеры и калориметры, способные обрабатывать гораздо больший поток данных. Ожидается, что объем данных, собираемых за год, вырастет с текущих 50–100 петабайт до 1 эксабайта. Для обработки таких объемов потребуются новые вычислительные мощности и алгоритмы машинного обучения.

Кого затронет и как

Модернизация БАК имеет значение для всего научного сообщества. Физики-теоретики получат новые данные для проверки гипотез, таких как суперсимметрия или дополнительные измерения. Экспериментаторы будут работать с новыми детекторами и методами анализа. Для российских и стран СНГ ученых, участвующих в проектах ЦЕРН, это означает новые возможности для исследований, хотя политические ограничения могут затруднить сотрудничество.

Для индустрии модернизация стимулирует развитие технологий: сверхпроводники, криогеника, высокопроизводительные вычисления — все это находит применение в медицине, энергетике и ИТ. Например, технологии обработки данных, разработанные для БАК, используются в финансовом секторе и в анализе больших данных.

Что будет дальше

Планируется, что модернизация завершится к 2029 году, после чего начнется новый этап работы — HL-LHC Run 4. Он продлится до 2035 года и станет последним в жизни БАК. После этого ЦЕРН рассматривает строительство нового коллайдера — Future Circular Collider (FCC), который будет иметь окружность 100 км и сможет достигать энергий до 100 ТэВ. Однако это проект далекого будущего, и его реализация зависит от финансирования и политических решений.

В ближайшие годы ученые будут анализировать данные, полученные в предыдущих раундах, и готовиться к новым открытиям. Возможно, именно HL-LHC даст ответы на вопросы о природе темной материи или обнаружит новые частицы, которые перевернут наше понимание Вселенной.

Итог

Модернизация Большого адронного коллайдера — это не просто техническое обновление, а шаг к новой эре в физике. Увеличение светимости и энергии столкновений откроет окно в неизведанные области, которые могут изменить наши представления о фундаментальных законах природы. Следите за развитием событий: возможно, мы стоим на пороге открытий, которые войдут в учебники истории.