Большой адронный коллайдер. Досье

ТАСС-ДОСЬЕ. 10 сентября 2008 года был запущен Большой адронный коллайдер (Large hadron collider, БАК, LHC) — самый мощный в мире ускоритель заряженных частиц. БАК был построен Европейской организацией по ядерным исследованиям (CERN).

Общие сведения, история

БАК расположен в подземном кольцевом тоннеле окружностью 26 659 м неподалеку от Женевы на границе Швейцарии и Франции на глубине 100–175 м. Первоначально в этом тоннеле находился Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP), построенный CERN в 1989 году. LEP позволял разгонять пучки частиц до энергий в 209 гигаэлектронвольт (ГэВ). К середине 1990-х одной из главных задач физики стало уточнение или опровержение Стандартной модели элементарных частиц. Наиболее важным было экспериментальное доказательство существования бозона Хиггса, предсказанное в 1963 году группой ученых во главе с британским физиком Питером Хиггсом (род. в 1929 году). За счет бозона Хиггса, согласно Стандартной модели, создается вся масса Вселенной. Существующей мощности LEP было недостаточно для обнаружения данной частицы. Поэтому в декабре 1994 года совет CERN решил строить в тех же тоннелях БАК с мощностью пучка протонов в 4 тераэлектронвольта (ТэВ).

Проект БАК — крупномасштабная международная программа. В работе по сооружению и экспериментах на ускорителе участвовали около 100 тыс. человек из 44 стран мира, в том числе из России.

Адронным коллайдер называется потому, что в его детекторах осуществляются столкновения адронов (класс элементарных частиц, состоящих из кварков).

Строительство коллайдера началось в 1998 году и завершилось в 2008 году. Первое испытание состоялось 10 сентября 2008 года, однако вскоре БАК был остановлен на несколько месяцев из-за аварии. В 2010 году мощность пучков была доведена до 3,5 ТэВ, что стало официальным началом исследовательской программы. 4 июля 2012 года в CERN объявили, что в результате экспериментов на БАК был обнаружен еще неизвестный вид частиц, предположительно, являющийся бозоном Хиггса. Эти данные вскоре подтвердились.

14 февраля 2013 года коллайдер был приостановлен для двухлетней модернизации. После ее завершения в 2015 году мощность пучка на БАК возросла до 13 ТэВ. В декабре 2018 года эксперименты на коллайдере были приостановлены для еще одной модернизации. После ее завершения в апреле 2023 года мощность пучка достигла 13,6 ТэВ.

Частицы в БАК попадают из каскада дополнительных ускорителей, разгоняющих протоны до 0,45 ТэВ. Коллайдер представляет собой две трубы, которые почти на всей своей протяженности идут параллельно в кольцевом тоннеле и пересекаются в местах расположения детекторов столкновений. В детекторах частицы, разогнанные с помощью сверхпроводящих магнитов, сталкиваются на скорости 99,9999991% от скорости света, составляющей 299 792 458 м в секунду. Всего на БАК установлено семь детекторов столкновений частиц. Один из них — ATLAS — предназначен для поиска сверхтяжелых элементарных частиц, таких как бозон Хиггса. Длина этого детектора — 46 м, диаметр — 26 м. Весит он порядка 8 тыс. тонн.

Стоимость строительства БАК составляла около 7,5 млрд евро (без учета дальнейших модернизаций), он являлся самым дорогим научным экспериментом в истории человечества. Ежегодно при функционировании ускоритель потребляет около 1,3 тераватт-часов электроэнергии, столько же, сколько город с населением около 1 млн человек.

Планируется как минимум еще одна модернизация БАК. Предполагается, что в конце 2020-х — начале 2030-х годов мощность коллайдера достигнет 14 ТэВ, а обновленные детекторы позволят регистрировать в два раза больше частиц.

Результаты

Помимо обнаружения бозона Хиггса на БАК работают над уточнением его параметров. Так, в 2023 году было обнаружено свидетельство распада бозона Хиггса на Z-бозон (электрически нейтральный носитель слабого взаимодействия) и фотон (носитель электромагнетизма). Ученые предполагают, что распад этот происходит не непосредственно, а через промежуточный этап, причем считается, что частицы, которые появляются и исчезают в этом процессе, пока науке неизвестны.

В июле 2015 года было объявлено, что с помощью БАК было экспериментально подтверждено существование пентакварков.

Включая их и бозон Хиггса всего при помощи Большого адронного коллайдера было обнаружено более 60 новых субатомных частниц. 

В целом главной задачей экспериментов на БАК является уточнение Стандартной модели элементарных частиц, поиск ответа на вопрос о том, что представляла собой Вселенная в первые мгновения после Большого взрыва, чем является темная материя и "темная энергия" и почему во Вселенной незначительный объем антиматерии.

Участие России

В создании и эксплуатации БАК принимали участие 12 российских институтов и научных центров. В частности, ускоряющая структура коллайдера с ячейками связи и трубками дрейфа (CCDTL) была разработана Институтом ядерной физики им. Г.И. Будкера (ИЯФ Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск) и Всероссийским научно-исследовательским институтом технической физики им. Е.И. Забабахина (г. Снежинск, Челябинская область).

В середине июня 2022 года совет CERN принял решение не продлевать международные договоры о сотрудничестве с Белоруссией и Россией после истечения сроков действия текущих соглашений в июне и декабре 2024 года. Этот шаг совет объяснил своим негативным отношением к проводимой Россией на Украине специальной военной операции. В настоящее время российские научные учреждения продолжают участвовать в научных экспериментах на БАК.