В Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) готовят к запуску Большой Адронный Коллайдер после длительного периода модернизации. На усовершенствованном ускорителе планируется выяснить природу тёмной материи и проверить принцип суперсимметрии, но физики CERN ещё сами не знают, какие именно частицы и эффекты им удастся открыть при столкновениях протонов с возросшей энергией.

Самый мощный в мире ускоритель элементарных частиц был планово остановлен 14 февраля 2013 года, после чего для команды из сотен инженеров, техников, физиков, айтишников и менеджеров начался длительный период технического обслуживания всех узлов коллайдера и его подготовки ко второму трёхлетнему периоду.

Обновлённый БАК (панорамное фото: Daniel Dominguez / CERN).
Обновлённый БАК (панорамное фото: Daniel Dominguez / CERN).

Наиболее значимым результатом работы БАК до сих пор считается регистрация в эксперименте последней и самой трудноуловимой частицы, играющей ключевую роль в стандартной модели – кванта поля Хиггса – бозона с нулевым спином, отвечающего за инертную массу.

Именно благодаря экспериментами на БАК Питер Хиггс (Peter W. Higgs) и Франсуа Энглер (François Englert) получили нобелевскую премию по физике “за теоретическое описание механизма возникновения массы у субатомных частиц, подтверждённое в экспериментах ATLAS и CMS в ЦЕРН на Большом адронном коллайдере”.

Теоретическое предсказание этой частицы было сделано Питером Хиггсом ещё в середине шестидесятых годов прошлого века. Однако подтвердить её существование экспериментально не удавалось из-за низких значений энергии протонов, реально достижимых в ускорителях того времени.

Сварка секций обновлённого БАК (фото: cern.ch).
Сварка секций обновлённого БАК (фото: cern.ch).

Когда LHC перезапустят в этом году, энергия столкновений частиц будет увеличена до 13 ТэВ (или 6,5 ТэВ на пучок). В 2012 году перед закрытием БАК на модернизацию эти величины составляли 8 и 4 ТэВ соответственно. Повышение энергии пучка на 62,5% позволит приступить к поиску новых частиц и проверке современных расширений физических теорий.

За прошедшие годы в БАК были заменены из-за износа 18 сверхпроводящих дипольных магнитов. Более десяти тысяч электрических цепей между дипольными магнитами усилили, чтобы они смогли выдержать ток силой до 11 КА. Коллайдер также будет работать при более высоком напряжении, поэтому он оснащён новыми наборами электроники с повышенной электромагнитной и радиационной защитой. Дополнительно была модернизирована вакуумная и криогенные системы.

В новых экспериментах пучки протонов в ускорителе будут разделены периодом всего 25 нс (вместо паузы в 50 нс, применявшейся в исследованиях до 2012 года). Это вдвое увеличит плотность энергии на единицу времени и позволит достичь большего числа столкновений протонов за один эксперимент. Зафиксировать их помогут обновлённые детекторы на модулях ALICE, ATLAS, CMS и LHCb, которые уже прошли комплексные программы объединения и технического обслуживания.

Сварка цепей дипольных магнитов (фото:  Maximilien Brice / CERN).
Сварка цепей дипольных магнитов (фото: Maximilien Brice / CERN).

Огромной проблемой CERN была обработка больших данных, для которой помимо собственных серверов использовались компьютеры добровольцев в рамках проектов распределённых вычислений. Сейчас ИТ-отдел ЦЕРН доложил о полной модернизации. Всего было установлено более 100 петабайт дополнительной дисковой памяти и сотни вычислительных узлов, содержащих в сумме более 60 тыс. новых процессорных ядер. Также в ЦЕРН обновлена локальная сеть и установлены новые источники бесперебойного питания.

По мере выполнения астрономических наблюдений и экспериментов с элементарными частицами стало очевидно, что стандартная модель имеет ряд пробелов. В частности, она не объясняет существование некой субстанции с рабочим названием «темная материя», которая, как следует из данных астрофизиков, составляет большую часть вещества во Вселенной и слабо взаимодействует с обычной.

Одним из наиболее перспективных расширений стандартной модели стала гипотеза, связывающая бозоны и фермионы через принцип симметрии Ферми – Бозе. Эта гипотеза суперсимметрии допускает преобразование квантовых полей разной природы друг в друга. Проще говоря, в определённых условиях материя может переходить в излучение и наоборот.

Частицы в Стандартной модели (слева) и её суперсимметричном расширении (справа). Стрелкой показано глюино, поисками которого в CERN займутся в первую очередь (фото: cern.ch).
Частицы в Стандартной модели (слева) и её суперсимметричном расширении (справа). Стрелкой показано глюино, поисками которого в CERN займутся в первую очередь (фото: cern.ch).

Суперсимметрия стремится предложить более полное и современное представление о нашем мире. Согласно этой гипотезе, все известные калибровочные бозоны имеют более тяжёлых суперпартнёров. Эти гипотетические частицы относятся к фермионам и образуют класс гейджино. Например, фотино – суперпартнёр фотона, глюино – глюона, хиггсино – бозона Хиггса, и так далее. Предполагается, что при смешении гейджино могут образовывать нейтральные и заряженные сочетания частиц – нейтралино и чарджино. Первые из них рассматриваются как основные кандидаты на роль «тёмной материи» – тяжёлых и слабовзаимодействующих частиц, формирующих скрытую массу Вселенной.

Если гейджино действительно существуют, то у физиков ЦЕРН есть хорошие шансы обнаружить их экспериментально уже в ближайшее время при экспериментах на модернизированном ускорителе.

Одним из членов исследовательской группы ATLAS на LHC была Биата Хайнеманн (Beate Heinemann) – профессор физики Университета Калифорнии в Беркли. На ежегодной встрече с представителями Американской ассоциации содействия развитию науки она сказала, что пролить свет на природу тёмной материи, скорее всего, удастся уже в этом году.

Профессор Биата Хайнеманн, участник эксперимента ATLAS в CERN (фото: sanfordlab.org).
Профессор Биата Хайнеманн, участник эксперимента ATLAS в CERN (фото: sanfordlab.org).

“Может быть, мы обнаружим новые частицы антиматерии или суперсимметричные частицы, – добавила она. – Для меня это станет даже более значимым, чем регистрация бозона Хиггса”. Позже она пояснила это высказывание в интервью BBC: “Антиматерия была найдена в конце прошлого века. Возможно, теперь нам удастся найти суперсимметричную материю”.

Обнаружение новых частиц должно ускорить развитие Стандартной модели и помочь сформулировать «Теорию всего», объединяющую все известные состояния вещества и их взаимодействия.