Мерси — БАКу: какое будущее ждет Большой адронный коллайдер

Работа мощнейшего в мире ускорителя частиц приостановлена на четыре года. Его ждет серьезная модернизация, расширение возможностей и новое название. Мы приводим основные этапы прошлого Большого адронного коллайдера и заглядываем в будущее Большого адронного коллайдера высокой светимости.

Как создавали БАК

Предпроектные работы стартовали в 1984 году. В 1995-м был принят предложенный Европейской организацией по ядерным исследованиям (ЦЕРН) проект сооружения кольцевого ускорителя элементарных частиц в 15 км от Женевы, на французско-швейцарской границе. В сентябре 2008 года БАК заработал. Его дважды останавливали на ремонт. Нынешняя пауза — самая длительная, она нужна для глубокой модернизации электромагнитной системы и цепочки инжекторов, большинства экспериментальных станций и детекторных систем, а также реновации изотопной фабрики, нацеленной на создание новых химических элементов.

Почему он так называется

Коллайдеры — установки, в которых сталкивают встречные сфокусированные пучки элементарных частиц. Потоки летят навстречу друг другу с субсветовыми скоростями, в результате ядерных реакций образуются другие частицы, их и регистрируют громадные детекторы. В БАКе четыре основных детектора, и все высотой с пятиэтажный дом.

Адронным коллайдер называют потому, что он создан в первую очередь для ускорения адронов — элементарных частиц, отвечающих за сильные (внутриядерные) взаимодействия. Видов адронов несколько сотен, к ним относятся, к примеру, нейтрон и протон. Ну а большой он потому, что даже сейчас, спустя 18 лет после запуска, в мире нет ускорителя мощнее. Самый-самый он и по энергии сталкивающихся частиц (14 ТэВ), и по параметрам магнитной системы (длина каждого сверхпроводящего дипольного магнита — 15 м, масса — 35 т), и по протяженности главного тоннеля (27 км). Рядом с трубой ускорительного кольца проложена технологическая велодорожка, иначе инженерам и ученым пришлось бы топать от стартового линейного ускорителя до удаленной экспериментальной станции долгие часы.

Что на нем открыли

Главное достижение, с которым БАК вошел в историю, — обнаружение в 2012 году бозона Хиггса, фундаментальной частицы с нулевым спином, предсказанной еще в 1960-е годы, но никак не попадавшейся в сети экспериментаторов. Популяризаторы науки сулят появление бозонных интернет-систем мгновенного действия и суперкомпьютеров, мощнее квантовых.

Другое важное направление исследований — поиск и генерация антиматерии. Колоссальная мощность, выделяемая при аннигиляции, может стать неисчерпаемым источником энергии для человечества. В 2010 году на БАКе удалось получить антиматерию и удержать ее в течение 0,2 секунды. Чтобы побить этот рекорд, нужен коллайдер мощнее.

Впрочем, все это задачи даже не завтрашнего, а послезавтрашнего дня. А вот открытие в ходе экспериментов на БАКе восьми десятков адронов — несомненный успех физики. Среди них есть как возбужденные состояния известных ранее барионов и мезонов, так и экзотические субатомные структуры — тетракварки и пентакварки (комбинации из четырех и пяти кварков и антикварков).

Какие слухи о нем ходили

Как это бывает, запуск колоссальной установки сопровождался страшилками. Самая популярная — нажатие на кнопку «Вкл.» приведет к концу света. Разумеется, под этот сценарий подводилась солидная научная база: мол, если БАК взорвется, микроскопические черные дыры, образующиеся после столкновения протонов, схлопнутся в одну увесистую, и она засосет Землю, Солнце и, возможно, вообще весь Млечный Путь, но мы об этом уже не узнаем.

Опасались и так называемых страпелек — агрегаций материи из странных кварков. Пугали, что, окажись такая субстанция в обычной материи, начнется цепная реакция, превращающая планету в комок странной материи. Ни черные дыры, ни страпельки БАК не атаковали, а физики-теоретики отдельно обосновали невозможность появления на ускорителе как тех, так и других.

ЧП, конечно, были. И даже авария: через полторы недели после запуска коллайдера в вакуумную систему попали несколько тонн используемого для охлаждения магнитов жидкого гелия. Они вызвали первый длительный останов, на год.

Зачем нужна модернизация

Нынешний останов с поломками и отказами не связан. Модернизация плановая, направлена в первую очередь на увеличение светимости. Физика ускорителей заимствовала эту величину из фотометрии, где светимость означает световой поток, испускаемый с единицы поверхности. В ускорителях физический смысл примерно такой же, только светимость тут удобно использовать для описания интенсивности столкновений. При прочих равных чем выше светимость, тем чаще сталкиваются во встречных пучках частицы и тем выше шансы зарегистрировать в детекторах редкие процессы. К 2030 году светимость БАКа планируют увеличить примерно на порядок по сравнению с проектным значением. Для этого демонтируют около 1,2 км труб и кабелей, заменят часть магнитов и обновят инженерную инфраструктуру.

Что дальше

Следующая пауза запланирована на 2033 год, после чего БАК должен отработать без остановок семь лет. В конце 2030-х годов рядом начнут сооружать поистине исполинский Будущий кольцевой коллайдер (Future Circular Collider) с энергией частиц в пучке 100 ТэВ. Внутри ускорительного кольца диаметром около 100 км окажется вся Женева, часть тоннеля пройдет под Женевским озером. Запустить эту махину стоимостью около 20 млрд евро собираются в 2070-е годы.

Евгений Солдатов
Ведущий научный сотрудник кафедры физики элементарных частиц Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», участник экспериментов на БАКе

— Основной задачей Большого адронного коллайдера теперь становится не подтверждение, а расширение Стандартной модели физики элементарных частиц. За последние десятилетия появились некоторые экспериментальные факты, которые с ней не согласуются. Подразумевается, что ее расширение до более общей теории сможет эти факты объяснить. Но пока маловато экспериментальной базы. Считается, что увеличение светимости на самом мощном ускорителе в мире позволит найти больше отклонений от Стандартной модели и тем самым подскажет ученым, каким должен быть переход к более общей теории.