Европейская организация ядерных исследований завершила двухлетний апгрейд самого большого в мире ускорителя элементарных частиц. В минувшее воскресение пучки протонов вновь стали разгонять в кольцевом тоннеле длиной почти 27 километров. Пока пуск БАК выполняется только в пробном режиме, а энергия пучков едва достигает 450 ГэВ. После дополнительных тестов их энергию постепенно увеличат до 6,5 тераэлектронвольт на пучок.

Если в БАК велосипедист собьёт роллера, в ЦЕРН даже не удивятся (фото: rte.ie).
Если в БАК велосипедист собьёт роллера, в ЦЕРН даже не удивятся (фото: rte.ie).

Напомним, что в Большом адронном коллайдере используется конструктивная хитрость, позволяющая получить двукратный выигрыш энергии за счёт принципа относительности: до столкновения пучки протонов на ультрарелятивистских скоростях движутся навстречу друг другу. Новые эксперименты с использованием протон-протонных столкновений, где пиковые значения энергии достигнут удвоенной величины (13 ТэВ), подготовят к лету.

Руководитель лучевого отдела ЦЕРН профессор Поль Кольер (Paul Collier, не путать с известным британским экономистом) в своём докладе высоко оценил уровень модернизации БАК и рассказал о некоторых любопытных деталях.

Поль Кольер в ЦЕРН (фото: STFC / Stuart Boreham).
Поль Кольер в ЦЕРН (фото: STFC / Stuart Boreham).

В ходе двухлетней модернизации коллайдера расчётную энергию протонных пучков удалось повысить на 62,5%, а длительность пауз между их генерацией сократить ровно вдвое – с 50 до 25 нс. Для этого были объединены и усилены около десяти тысяч соединений между магнитами, добавлены новые защитные механизмы, повышена мощность криогенных систем и вакуумных камер.

Нарушить работу самого сложного в мире устройства может любая мелочь, для поиска и устранения которой иногда приходится использовать нетривиальные методы. К примеру, блок дипольных магнитов общей протяжённостью в шесть километров долго не удавалось запустить в штатном режиме. Только 21 марта инженеры ЦЕРН локализовали проблемный участок и выяснили, что на нём происходит короткое замыкание.

Диодные сборки одного из множества сверхпроводящих электромагнитов закоротило какими-то мелкими токопроводящими фрагментами – вероятно, тонкой проволокой или даже металлическими опилками. Быстро удалить их механически было практически невозможно. Для этого потребовалось бы демонтировать и разбирать весь блок, что из-за бюрократии сдвинуло бы график работ минимум на пару недель. Поэтому инженеры просто расплавили созданные посторонними металлическими фрагментами паразитные мостики кратковременным импульсом тока силой в 400 ампер.

Модернизация БАК заняла два года и обошлась в $2,8 млрд (фото: theverge.com).
Модернизация БАК заняла два года и обошлась в $2,8 млрд (фото: theverge.com).

Такое решение стало возможным, поскольку основные цепи БАК рассчитаны на куда большую пиковую силу тока. Это необходимо для разгона протонов до скоростей, близких к световой. При максимальной энергии пучка в 6,5 ТэВ протоны в нём движутся со скоростью 99,99999896% от скорости света в вакууме. Лоренц-фактор для них оказывается ≈ 6930, поэтому собственное время протонов уменьшается почти в семь тысяч раз относительно координатного. Это справедливо (с поправкой на потери энергии) и для короткоживущих частиц, образующихся при соударении протонов. Их время жизни оказывается существенно больше, чем для таких же частиц, находящихся в состоянии покоя.

Наблюдая за результатом протон-протонных столкновений с разным уровнем энергии, физики пытаются получить экспериментальное подтверждение положениям стандартной модели и её перспективным дополнениям.

Вычисление скорости протонного пучка относительно скорости света.
Вычисление скорости протонного пучка относительно скорости света.

Ещё в шестидесятых годах на основании работ Ландау и Гинзбурга была предложена теория, которая описывает возникновение инертной массы. Она получила название «Хиггсовский механизм», хотя независимо от Питера Хиггса к схожим выводам пришли Роберт Браут, Франсуа Энглер и другие исследователи. В двух словах теория описывает возникновение инертной массы как процесс взаимодействия частиц, обладающих полуцелым значением спина (фермионов), со скалярным полем, вызывающим спонтанное нарушение симметрии вакуума. Оно получило название хиггсовского, а квант этого поля стали называть бозоном Хиггса. Вплоть до экспериментального подтверждения на БАК он считался гипотетической частицей, пока не был зарегистрирован в 2012 году в ходе ключевых экспериментов ЦЕРН – ATLAS и CMS.

Предполагается, что взаимодействию с полем Хиггса подвержены все фундаментальные частицы – кварки и лептоны (включая нейтрино), но оно не затрагивает глюоны (переносчики сильного взаимодействия) и фотоны (переносчики электромагнитного взаимодействия), поэтому у глюонов и фотонов нет инертной массы.

Моделирование протонных столкновений в эксперименте CMS (изображение: CERN / AFP).
Моделирование протонных столкновений в эксперименте CMS (изображение: CERN / AFP).

Теперь предстоит выяснить, как обстоят дела с гейджино – классом гипотетических частиц, существование которых постулирует теория калибровочной инвариантности (с её помощью пытаются связать все наблюдаемые типы взаимодействий) и теория симметрии Ферми – Бозе (допускающая взаимное преобразование вещества в излучение).

Парные частицы, или так называемые “суперпартнёры” предсказаны для всех калибровочных бозонов: фотона, глюона, W- и Z-бозонов, а также бозона Хиггса. Для дальнейшего развития стандартной модели не столь важно, будут ли они обнаружены (хотя на это возлагается много надежд). Регистрация каких-то других частиц или отсутствие экспериментального подтверждения их существования на БАК тоже станет значимым результатом.

Выполняемые командой ЦЕРН исследования интересны и тем, что они воссоздают не встречающиеся на Земле условия. Например, характерные для атмосферы звёзд или начальных периодов Большого взрыва. С их помощью физики приближаются к разгадке возникновения привычной нам барионной материи, проливают свет на природу «тёмной» материи и пытаются создать «теорию всего», объединяющую накопленные знания в единой модели устройства мира. Первые эксперименты на обновлённом коллайдере начнутся в уже в мае.