Большой адронный коллайдер запущен. Большой адронный коллайдер. Будущее с новым коллайдером

Одно из первых столкновений 2017 года в детекторе ATLAS

23 мая в Большом адронном коллайдере прошли первые в 2017 году столкновения протонов в рамках научной программы коллайдера. Завершена калибровка детекторов и тысяч подсистем крупнейшего ускорителя в мире после зимнего перерыва. Ожидается, что в следующие шесть месяцев коллайдер удвоит объем статистики столкновений при энергии 13 тераэлектронвольт. Об этом сообщает пресс-релиз CERN.

Каждую зиму коллайдер прерывает свою работу для обновления и ремонта систем ускорителя и детекторов. Несколько недель уходит у инженеров на последующий запуск БАК. Так, в этом году первые протонные пучки появились в ускорителе 29 апреля - инженеры проверили работоспособность радиочастотных резонаторов, ответственных за ускорение частиц и постепенно подняли кинетическую энергию частиц до требуемых 6,5 тераэлектронвольт (в 6,5 тысяч раз больше, чем энергия покоя протона). Физики настроили магниты и коллиматоры, корректирующие форму и траекторию пучка и обеспечивающие столкновения между встречными пучками.

С 10 мая начались столкновения в точках пересечения пучков - основных детекторах БАК: ATLAS, LHCb, CMS и ALICE. Главная задача предварительных столкновений - проверка управляемости пучков и тестирование систем детекторов, в частности, корректировка положения точки, в которой пучки сталкиваются. Во время предварительных столкновений используются пучки, состоящие из небольшого количества сгустков (около десяти против более двух тысяч) и гораздо меньшего количества протонов, чем во время сбора научных данных.

Сейчас интенсивность пучков также невелика. Постепенно физики будут наращивать количество протонов в сгустках и делать сгустки плотнее - это ускорит темпы столкновений протонов и сбора статистики. В 2016 году ученые набрали интегральную светимость около 40 обратных фемтобарн - эта величина, согласно пресс-релизу организации, соответствует 6,5 миллионам миллиардов столкновений протонов. По плану на 2017 год ожидается интегральная светимость установки по меньшей мере в 45 обратных фемтобарн. Для сравнения, в 2015 году коллайдер обеспечил интегральную светимость около 4,2 обратных фемтобарн, а за 2012 год Run 1 - 23 обратных фемтобарн.

Одно из первых столкновений в детекторе CMS

В отличие от 2015 и 2016 года, в конце нового сезона работы ускорителя не будет сеанса столкновений с ионами свинца для генерации кварк-глюонной плазмы. Это состояние вещества, моделирующее первые минуты жизни Вселенной. Вместо этого детектор ALICE продолжит обработку данных прошлых лет и будет собирать информацию о протон-протонных столкновениях. Недавно физики о том, что несмотря на небольшую массу протонов, в их столкновениях тоже может образовываться кварк-глюонная плазма.

CMS и ATLAS продолжат исследования свойств бозона Хиггса, открытого в 2012 году. Эксперименты определят параметры рождения и каналов распада частицы, а также то, как она взаимодействует с другими частицами. Кроме того, вместе с экспериментом LHCb (наше интервью с руководителями коллаборации можно прочесть ), физики продолжат анализировать редкие и экзотические процессы в поисках следов Новой физики.

Увеличив объем статистики ученые смогут узнать природу необычных пиков высокоэнергетических событий, которые могут указывать на новые, еще не открытые частицы. К примеру, недавно ATLAS об избытке рождения пар бозон Хиггса-бозон слабого взаимодействия с суммарной энергией три тераэлектронвольта. Статистическая значимость события невелика - не превышает 3,3 сигма, но если его источником окажется реальная частица, то ее масса будет в десятки раз больше, чем у любой из известных элементарных частиц.

Владимир Королёв

Сегодня в подмосковной Дубне, в Объединенном институте ядерных исследований, дают старт новому научному мегапроекту - будет заложен первый камень в строительство сверхпроводящего коллайдера NICA. На символическую церемонию ожидают президента РАН Владимира Фортова, помощника президента России Андрея Фурсенко, губернатора Подмосковья Андрея Воробьева, иностранных послов и нобелевских лауреатов.

Как рассказал накануне директор Объединенного института ядерных исследований академик РАН Виктор Матвеев, коллайдер NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility) будет создан на базе уже существующего в ОИЯИ сверхпроводящего ускорителя Нуклотрон. На новой установке, которая относится к проектам mega-science, будут изучать переход ядерной материи при экстремальных условиях в новое состояние, называемое кварк-глюонной материей.

Намерение участвовать в создании коллайдера уже выразили Белоруссия, Болгария, Германия, Казахстан и Украина. А кульминационному событию этой недели предшествовал долгий процесс научных исследований, проектных разработок и организационных согласований. Момент символичен еще и потому, что как раз в эти дни коллектив ОИЯИ отмечает 60-летие с момента своего рождения в "оттепельном" марте 1956-го. Официальный статус сегодня - международная межправительственная научно-исследовательская организация. На правах постоянных членов ее поддерживают и делегируют в Дубну для работы своих ученых и специалистов 18 государств, включая Россию. Еще с шестью странами на правительственном уровне подписаны соглашения о сотрудничестве.

Создающийся комплекс NICA cостоит из трех крупных блоков: ускорительного, научно-исследовательского, инновационного. Ускорительный блок включает уже функционирующие источники ядер: линейный ускоритель и кольцевой ускоритель Нуклотрон. Причем Нуклотрон основан уже на криогенных технологиях XXI века, разработанных в Дубне, и является вторым сверхпроводящим ускорителем в Европе после Большого адронного коллайдера (LHC). Важно отметить и то, что при создании ускорительных и детекторных элементов комплекса NICA используется опыт, накопленный при подготовке экспериментов на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе, в научно-исследовательских лабораториях США и Европы.

Запуск в работу коллайдера NICA намечен на 2017 год, а первые результаты на нем ученые собираются получить в конце 2019-го - начале 2020 годов.

Завершилась на мажорной ноте. Несмотря на поздний запуск и проблемы с одной из вакуумных секций , преследовавшие техников практически весь год, коллайдер все же смог выполнить планы по набору данных и даже превысил их (рис. 1). Интегральная светимость, набранная за 2017 год, достигла 50 fb −1 в детекторах ATLAS и CMS и почти 2 fb −1 в специализированном детекторе LHCb. Полная статистика сеанса Run 2 приближается к отметке 100 fb −1 . Она, конечно, пока еще целиком не обработана, но первые предварительные результаты с учетом статистики 2017 года ожидаются уже этой весной.

Интересно сравнить ход набора данных в 2017 году по сравнению с графиками прошлых лет (рис. 2). Стараясь справиться с технической проблемой, ограничивавшей количество сгустков в пучках, специалисты научились фокусировать их еще сильнее: параметр beta* удалось уменьшить до 30 см. В результате пиковая светимость временами достигала 200% от номинальной. Это позволило физикам впервые реализовать в детекторах ATLAS и CMS такую опцию как «выравнивание светимости» (luminosity leveling). В таком режиме работы светимость коллайдера искусственно понижается в первые часы столкновений небольшим разведением пучков в стороны; она не задирается по максимуму, а держится на постоянном уровне (рис. 3). Это позволяет вести работу в более-менее одинаковых условиях на протяжении длительного времени и упрощает последующий анализ данных. Выравнивание светимости уже давно применяется в детекторе LHCb, но через несколько лет его придется делать и в основных детекторах ATLAS и CMS. Поэтому нелишним было опробовать такой режим уже сейчас, раз пиковая светимость это позволяет.

Программа протонных столкновений завершилась в 2017 году двумя специальными сеансами. Первый - столкновения с расфокусированными пучками, в которых протоны движутся с исключительно малыми поперечными импульсами. Такая конфигурация открывает возможности для изучения мягких адронных процессов. Второй специальный сеанс - это столкновения на пониженной энергии 5,02 ТэВ против обычных 13 ТэВ, который будет полезен для сравнения ядерных столкновений с протонными. Во время этого сеанса, между прочим, специалисты из коллаборации LHCb продемонстрировали чудеса коллайдерной эквилибристики. Они впрыснули прямо в вакуумную трубу , по которой летают протоны, небольшую порцию газообразного ксенона. В результате детектор умудрялся наблюдать одновременно и обычные протон-протонные столкновения, и соударения протонов с неподвижной мишенью - ядрами ксенона.

Изюминкой 2017 года стал короткий сеанс столкновений ядер ксенона. До сих пор LHC работал только с протонами и ядрами свинца. Однако для изучения ядерных эффектов при сверхвысоких энергиях полезно проверить и ядра промежуточных масс. Такой сеанс прошел 12 октября , он продлился восемь часов, и в ходе него все четыре основных детектора регистрировали результаты столкновений (рис. 4).

Рекордами похвастался и IT-отдел ЦЕРНа. Полный объем сырых данных о столкновениях на LHC, накопленный за все время его работы, уже превысил 200 петабайт, которые хранятся на магнитных лентах для более надежной сохранности. Темп поступления данных тоже колоссальный: за один только октябрь поступило 12 петабайт информации о столкновениях.

Наконец, ЦЕРН напоминает, что его исследования не замыкаются на одном лишь Большом адронном коллайдере. В видеоролике CERN in 2017: a year in images пресс-отдел ЦЕРНа собрал воедино самые впечатляющие научные и технические достижения лаборатории в минувшем году.

Опубликовано 15.05.17 13:53

Исследователи не исключают апокалиптичного развития событий на фоне испытаний Большого адронного коллайдера.

По мнению ученых, конец света может наступить уже 15 мая 2017 года после испытаний адронного коллайдера, запуск которого намечен на сегодняшний день.

Мнения участвующих в работе ускорителя заряженных частиц специалистов, в свою очередь, разделились: одни прогнозируют невероятный скачок в развитии науки и открытие ранее неизведанных областей, а другие предупреждают о том, что разгон атомных частиц может создать инткббэч настоящую черную дыру, которая поглотит не только Землю, но и всю Солнечную систему.

Некоторые утверждают, что запуск коллайдера буквально разрушит стену между реальным миром и потусторонним. Самые пессимистично настроенные эксперты опасаются, что 15 мая будут открыты "врата ада", параллельный ммир, через который к людям выйдет вся нечисть.

Специалисты отмечают, что уже сейчас при работе андронного коллайдера над Европой происходят различные аномальные явления. Они уверены, что даже при старом ускорители Linac 2 начинают происходить изменения на Земле. Когда же заработает Linac 4, ситуация может вообще выйти из-под контроля.

Так, в минувшем году совершил самоубийство доктор Эдвард Мантилла. Он трудился в CERN, но перед смертью решил уничтожить все свои наработки, хранившиеся в памяти компьютера.

«Сегодня мы стоим на пороге величайшего открытия или все-таки конца мира? Что ж, завтра это будет известно, а пока мы можем только надеяться на лучшее, на Высшие силы, которые в очередной раз простят глупость человечества и не допустят Апокалипсиса на Земле», - написал он в своем посмертном письме.

Ранее знаменитый британский астрофизик Стивен Хокинг говорил о том, что ученые могут случайно создать мироскопическую черную дыру на Большом адронном коллайдере, причем лично он ждет это открытие.

В 2008 году был запущен один из самых дорогостоящих научных проектов мира — Большой Адронный Коллайдер. Мощность, потребляемая от сети, этого коллайдера просто невообразима – достаточно сказать, что Франция, по чьей территории проходит часть этого коллайдера (другая часть проходит по территории Швейцарии), предоставила в распоряжение физикам мощность одной из своих АЭС для работы.

Цена этой машины кажется фантастической – она составляет более 10 млрд.долларов. Строился же этот самый большой в мире коллайдер целых 24 года.

Родился БАК или, как его называют на Западе, LHC – Large Hadron Collider появилась в 1984 году. Строительство его началось почти сразу, еще до того момента, как в 1994 году Европейский Совет одобрил создание этого проекта (при такой стоимости сразу же стало очевидно, что ни одна страна в мире подобный ускоритель «не потянет», возможно только мировое сотрудничество). Длина LHC (эл-эйч-си) 26.7 километров и расположен он на месте предыдущего одного из самых больших мировых ускорителей – LEP (Large Lepton Collider). Из названия видно, что поменялся тип ускоряемых частиц. Если в LEP ускорялись электроны (одни из легчайших лептонов, т.е. частиц, участвующих в электромагнитном и слабом взаимодействиях), то в LHC будут ускоряться адроны, т.е. частицы, участвующие в сильном взаимодействии (протоны).

Всего в мире существует четыре типа взаимодействий: гравитационное, которое удерживает наши планеты на месте, сильное, которое удерживает как одно целое ядра атомов, электромагнитное, вызывающее притягивание полюсов магнита или зарядов разных знаков, и, наконец, слабое, которое вызывает распад частиц «самих по себе», что приводит, например, к существованию так называемой бета-радиоактивности, когда из распадающегося изотопа атома вылетает электрон или позитрон.

Энергия протонов LHC будет самой высокой в мире – 14 ТэВ (14 тераэлектрон вольт или 14 000 000 000 000 эВ) и сталкиваться они будут с ядрами свинца, которые в свою очередь будут разогнаны до энергии 5.5 ГэВ (5.5 гигаэлектронвольт или 5 500 000 000). Это на порядок больше, чем самый высокоэнергетичный ускоритель сегодняшнего дня — Тэватрон, который расположен в Национальной лаборатории им. Ферми в Брукхейвене (США).

LHC расположен чуть наклонно на естественной скальной плите, проходящей по территории Франции и Швейцарии. Это позволяет обеспечить высокую сейсмическую стабильность работы ускорителя, для выставки многотонных магнитов которого относительно друг друга требовалась точность лучше 5 микрон. Глубина туннеля 100 метров.

«Владельцем» LHC является Центр Европейских Ядерных Исследований (ЦЕРН или CERN от французского Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire).

Слова «ускоритель» и «коллайдер» означают, что на данной установке будет реализован так называемый метод встречных пучков, разработанный в США и СССР одновременно. При этом первые пучки одного знака заряда – электрон-электронные впервые встретились в США, в то время как пучки разных знаков заряда, т.е. материя и антиматерия впервые встретились на ускорителе ВЭП-1, созданном в Институте Ядерной Физики в г.Новосибирске.

Суть метода в том, что пучок частиц «летает» со скоростью, всего лишь на миллионные и миллиардные доли отличающейся от скорости света, внутри ваккуумной камеры ускорителя и сталкиваются в одном месте. При этом вещество и антивещество аннигилируют, и их энергия полностью переходит в энергию для рождения новых частиц. Так изучается мир элементарных частиц. Позже оказалось, что можно встречать любые частицы одного типа (главное, чтобы они были заряженными) с любыми другими частицами (тоже заряженными). После этого начали ускорять протоны, антипротоны и просто ядра различных элементов, у которых полностью или частично «ободраны» электронные оболочки, так что остается только ядро атома.

Главная научная задача LHC и четырех его детекторов (тоже самых больших в мире) – поиск так называемых суперсимметричных частиц. Известно, что еще в начале 20 века была выдвинута гипотеза, что все четыре типа взаимодействия когда-то были едины (эта гипотеза называется теория единого поля), но, по мере остывания Вселенной, стали постепенно «расходиться» друг от друга так, что сейчас осталось четыре разных типа.

Уже доказано, что электромагнитное и слабое взаимодействия связаны между собой – об этом говорит так называемая теория Вайнберга-Салама, которая и описывает электрослабое взаимодействие. Существует и дальнейшая гипотеза (названная Стандартной Моделью) о том, что сильное взаимодействие объединено с электрослабым и именно этот факт призван доказать свежепостроенный ускоритель.

Вторая задача ускорителя – изучение частиц, содержащих так называемый «топ-кварк» (t-кварк). Если все вещество состоит из атомов, а те в свою очередь из ядра и электронов, то ядро состоит из нуклонов – протонов и нейтронов. Существуют и другие тяжелые частицы, похожие на протоны и нейтроны. Объединяет их то, что состоят они из шести типов кварков (и 6 антикварков им соответствующих). Самый тяжелый кварк до сих пор не поддавался изучению в силу того, что для его рождения у нас было недостаточно энергии. Существуют прогнозы того, что топ-кварк будет способствовать рождению так называемых Хиггсовских бозонов, которые и будут прямым подтверждением суперсимметричной теории и Стандартной Модели. Распад Хиггсовского бозона может подсказать направления дальнейшего исследования мира, в частности попытки объединения всех четырех взаимодействий в одно целое – состояние, которое было во Вселенной только в момент Большого Взрыва.

Третья задача ускорителя – изучение так называемой кварк-глюонной плазмы, т.е состояния, когда ядерное вещество практически слипается в один невероятно плотный и горячий комок. Понимание процессов, происходящих там, будут способствовать построению теории сильного взаимодействия, которой до сих пор не существует в удовлетворяющем физиков состоянии математической строгости. Это может существенно продвинуть нас в понимании как ядерных процессов и физики образования различных тяжелых элементов во Вселенной, так и астрофизических процессов.

Четвертая задача ускорителя – изучение фотон-фотонных столкновений. Дело тут вот в чем. Фотоны, наравне с электронами и позитронами, участвуют как в электромагнитных, так и в электрослабых взаимодействиях. При этом они не имеют заряда, поэтому оказываются как бы лучшими инструментами проникновения вглубь материи (они не испытывают отталкиваний или притяжений). В ситуации, когда начнут сталкиваться ядра и ядерная материя, поток фотонов будет чрезвычайно большим и это повысит их вероятность столкнуться со встречным таким же фотоном до измеряемых величин. Мы сможем изучать как взаимодействия фотонов с адронами, так и взаимодействия самих фотонов высокой энергии друг с другом, что до сих пор также не поддавалось изучению из-за низкой вероятности взаимодействия и трудностей получения высокоэнергетических плотных пучков фотонов.

Еще одна задача коллайдера – экзотические процессы, в том числе и рождение микроскопических черных дыр, которые не несут никакой угрозы миру, вопреки предсказаниям дилетантов разных мастей. Дело в том, что существующие гипотезы об объединении всех четырех взаимодействий предсказывают, что, если черная дыра может образоваться в подобном столкновении, то она тоже распадется (и прекратит свое существование), породив огромный поток частиц. Его можно пробовать искать и наблюдать и, если что-то похожее увидят детекторы, можно будет сделать какие-то выводы в пользу тех или иных гипотез теории единого поля.

Для обработки данных, которые будут поступать с четырех детекторов пришлось придумать новый протокол обмена данными (как когда-то в аналогичной задаче на LEP пришлось придумать протокол http) и распределенную вычислительную сеть LCG (LHC Computing GRID). Информация пойдет по почти 100 млн. каналам данных, что дает невозможность прямой обработки данных. На все эти события накладываются несколько «масок», т.е. требований на одновременное свершение нескольких действий (например, нас интересуют все события, где появилось четыре трека из центра и два – насквозь детектора), остальные отбрасываются. Такая обработка называется триггерной и триггер детекторов LHC будет состоять из 3-4 ступеней. Обработка данных на последней, уже оффлайновой ступени будет идти не только на тысячах компьютеров ЦЕРНа, связанных в одну цепь, но и на машинах многих научных центров мира. Это и называется распределенная вычислительная сеть (GRID), которая уже будет объединять десятки тысяч машин по всему миру (это потребовало создание нового протокола обмена данными и так называемого «Интернета-2»).