Большой адронный коллайдер завершает работу: что придёт на смену и как изменится физика частиц

Большой адронный коллайдер (БАК) завершает свою 18-летнюю миссию. Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН) официально объявила о планах по выводу из эксплуатации самого мощного ускорителя частиц в мире. На смену ему придёт коллайдер высокой светимости (High-Luminosity LHC, HL-LHC), который должен начать работу в 2029 году и открыть новую эру в физике частиц. Это событие знаменует переход от эпохи открытий к эпохе прецизионных измерений, где учёные смогут изучать редкие процессы и искать отклонения от Стандартной модели с беспрецедентной точностью.

Прощание с БАК: 18 лет открытий

Запущенный в 2008 году, Большой адронный коллайдер стал символом современной физики. Именно на нём в 2012 году был открыт бозон Хиггса — частица, подтверждающая механизм, отвечающий за массу элементарных частиц. Это открытие принесло Нобелевскую премию Питеру Хиггсу и Франсуа Энглеру. За годы работы БАК также подтвердил Стандартную модель физики частиц, изучил свойства кварк-глюонной плазмы и провёл множество экспериментов по поиску новой физики, включая тёмную материю и суперсимметрию. Однако, несмотря на впечатляющие результаты, коллайдер достиг пределов своей производительности. Энергия протонных пучков была доведена до 6,5 ТэВ, что близко к проектным 7 ТэВ, а интенсивность столкновений ограничена возможностями существующих магнитов и систем фокусировки.

Предыстория и контекст

Решение о завершении работы БАК было принято в рамках долгосрочного плана ЦЕРН по модернизации ускорительной базы. Коллайдер высокой светимости, известный как HL-LHC, представляет собой глубокую модернизацию существующего тоннеля. Главное отличие — увеличение светимости, то есть числа столкновений частиц в секунду, примерно в десять раз. Это позволит учёным собирать гораздо больше данных и исследовать редкие процессы, которые были недоступны на БАК. Проект HL-LHC был одобрен ещё в 2016 году, и его строительство уже идёт полным ходом. Ожидается, что за первые 12 лет работы HL-LHC соберёт объём данных, равный всему массиву данных БАК за 18 лет.

Почему БАК устарел?

Основная причина — физический предел энергии и интенсивности пучков. БАК разгонял протоны до энергии 6,5 ТэВ на пучок, что близко к проектным 7 ТэВ. Дальнейшее увеличение энергии требует слишком больших затрат и новых технологий. Кроме того, многие ключевые эксперименты, такие как поиск бозона Хиггса, уже выполнены, и для дальнейшего продвижения нужна статистика, которую может обеспечить только коллайдер высокой светимости. Увеличение светимости позволяет изучать редкие распады частиц, которые происходят раз в миллиарды событий, и искать тонкие отклонения от предсказаний Стандартной модели.

Технические подробности: что изменится в HL-LHC

High-Luminosity LHC будет использовать те же 27-километровые кольца, но с новыми сверхпроводящими магнитами и более мощными системами фокусировки пучка. Ключевое новшество — крабовые резонаторы, которые поворачивают пучки для более эффективного столкновения. Это позволит увеличить число событий в секунду с нынешних 1 миллиарда до 10 миллиардов. Новые магниты на основе ниобий-олова (Nb3Sn) способны создавать более сильное магнитное поле, что обеспечивает более плотную фокусировку пучков. В результате за первые 12 лет работы HL-LHC соберёт объём данных, равный всему массиву данных БАК за 18 лет. Это даст возможность изучать процессы с очень малой вероятностью, такие как распад бозона Хиггса на мюоны или поиск частиц тёмной материи.

Кого затронет и как

Для физиков всего мира переход на HL-LHC означает новые возможности для открытий. Особенно это важно для учёных, изучающих редкие распады частиц и ищущих отклонения от Стандартной модели. Российские и постсоветские научные группы, участвующие в экспериментах ATLAS, CMS, ALICE и LHCb, также будут вовлечены в работу нового коллайдера. Однако для некоторых исследователей, работавших с уникальными особенностями БАК, переход может потребовать адаптации к новым условиям и методам обработки данных. Увеличение объёмов данных требует более мощных вычислительных ресурсов и новых алгоритмов анализа. Тем не менее, для большинства учёных это долгожданный шаг вперёд, который позволит проверить многие гипотезы, оставшиеся нерешёнными после работы БАК.

Какие открытия ожидаются от HL-LHC?

Ожидается, что HL-LHC позволит более точно измерить свойства бозона Хиггса, проверить его взаимодействия с другими частицами и искать новые частицы за пределами Стандартной модели. В частности, учёные надеются обнаружить суперсимметричные частицы или другие кандидаты на роль тёмной материи. Также HL-LHC сможет изучать редкие распады B-мезонов, которые могут указать на новую физику. Если в данных появятся отклонения от предсказаний, это станет ключом к пониманию того, что лежит за пределами Стандартной модели.

Что будет дальше

ЦЕРН планирует завершить работу БАК в 2025 году, после чего начнётся трёхлетний этап монтажа оборудования HL-LHC. Первые пучки в новом коллайдере ожидаются в 2028 году, а полноценные эксперименты стартуют в 2029-м. Параллельно ЦЕРН продолжает разработку ещё более амбициозного проекта — Future Circular Collider (FCC) с длиной окружности 100 км, который может быть построен в 2040-х годах. FCC будет иметь энергию столкновений до 100 ТэВ, что позволит напрямую рождать частицы, недоступные современным ускорителям. Таким образом, физика частиц не останавливается, а переходит на новый уровень.

Итог

Завершение работы Большого адронного коллайдера знаменует конец целой эпохи в физике элементарных частиц. Однако это не остановка, а закономерный шаг вперёд: HL-LHC обещает дать ответы на вопросы, которые БАК не смог решить. Следить за развитием событий стоит всем, кто интересуется фундаментальной наукой — возможно, именно в ближайшие десятилетия мы узнаем, что лежит за пределами Стандартной модели. Новый коллайдер откроет окно в неизведанное, и каждое новое столкновение может стать ключом к пониманию устройства Вселенной.