Информационный портал о карьере и работе для студентов и выпускников технических и естественнонаучных специальностей

Обратите внимание

События

02.05.18 : Ловись, частица новая

Чем занимается Большой адронный коллайдер после открытия бозона Хиггса

Большой адронный коллайдер, он же БАК, он же LHC — пожалуй, один из самых известных научных мегапроектов наших дней. Прошло уже чуть больше пяти лет с того момента, как с его помощью было подтверждено существование бозона Хиггса — частицы, которая завершила Стандартную модель. Но после этого физики не разъехались по домам и работа БАК не закончилась. Прямо сейчас коллайдер готовят к новым столкновениям — в 2018 году заканчивается второй «забег» ускорителя, в 21-м стартует третий. А что, собственно, теперь ищут физики при помощи БАК и что они намерены делать в будущем?

Так что теперь?

Если кратко, то теперь физики очень хотят найти что-то не предсказанное Стандартной моделью. Стандартная модель (обозначим ее, пожалуй, СМ для краткости) сама по себе очень хороша, но она не в состоянии описать множество интересных вещей, от темной материи до гравитации; более того, она формально допускает и некоторую свободу в отношении своего содержания.

Как несложно догадаться, для выхода за пределы СМ нужно найти что-то ранее неизвестное. А для этого, в свою очередь, нужна бóльшая светимость и бóльшая энергия частиц, чтобы обеспечить заметное число столкновений частиц с достаточной энергией. В ЦЕРН (Европейский центр ядерных исследований, где расположен БАК) уже приняли принципиальное решение провести на коллайдере еще одну серию экспериментов в 2021—2023 годах (так называемый Run 3), а потом провести капитальную модернизацию ускорителя. Светимость коллайдера после этого может вырасти в десять раз, но и уже к началу Run 3 ее рассчитывают поднять вдвое, достигнув того предела, на который указывают отвечающие за сверхпроводящие магниты инженеры.

Большая светимость позволит проверить, например, ряд гипотез о темной материи. Этой загадочной субстанции во Вселенной намного больше обычного вещества, но мы пока знаем о ней исключительно по косвенным признакам. Просто галактики ведут себя так, будто в них есть еще много чего-то тяжелого, но никто не знает, о чем же, собственно, идет речь. Это должны быть какие-то частицы, которые взаимодействуют с уже известными очень редко: в переводе на физический язык у темной материи малое сечение взаимодействия. Изучая редкие высокоэнергетические процессы, ученые могут напасть на следы этих загадочных частиц. И это — одна из фундаментальных задач БАК на ближайшие годы.

Другая большая теория, которая может быть проверена при помощи новых данных, — суперсимметрия. Ее суть заключается в том, что бозоны (ответственные за взаимодействие) и фермионы (кварки, лептоны и нейтрино) на самом деле могут иметь «двойников», причем двойниками известных бозонов будут неизвестные фермионы, а у открытых фермионов найдут бозонную пару. Теория суперсимметрии довольно детально проработана математически, но не подтверждена и не опровергнута на практике.

Кроме того, ряд теорий предсказывает новые долгоживущие частицы. Правда, слово «долгоживущие» следует понимать с поправкой на реалии физики частиц высоких энергий: то, что успеет на околосветовой скорости пролететь несколько метров, уже признается «долгожителем». Практического смысла во всех этих теориях пока немного, однако когда-то и расщеплением атома занимались исключительно в рамках фундаментальной науки.

Инженерный шедевр

Обеспечить сочетание «много частиц — высокие энергии» крайне сложно и перед инженерами ЦЕРН стоит целый ряд задач. Поместить в коллайдер возможно большое число сгустков протонов, направить частицы с большой энергией в нужное место, собрать и обработать всю информацию о столкновениях, найти безопасный способ быстро избавиться при необходимости от пучка с энергией летящего самолета — все это требует времени и сил. А ведь БАК уже, без преувеличения, настоящий шедевр инженерного искусства, одна из сложнейших технических систем в истории человечества.

Достичь заявленного роста параметров можно, лишь усовершенствовав целый комплекс устройств, и в первую очередь речь идет об отклоняющих частицы магнитах.

Кроме того, существующее оборудование потихоньку изнашивается из-за облучения отклонившимися от основного пучка частицами. Магниты, управляющие движением протонов, к концу Run 3 получат дозу в 30 миллионов грей (смертельная для человека — несколько грей). Даже для металла это не очень хорошо, поэтому после 2023 года коллайдер в любом случае надо будет ремонтировать.

Модернизация коллайдера затрагивает и детекторы, то есть установки, внутри которых происходят столкновения частиц (таких точек в БАК всего несколько, и только там траектории пучков пересекаются). Каждый детектор устроен по принципу слоеного пирога или рулета: в центре проходит вакуумная труба с летящими частицами, далее вокруг места пересечения пучков частиц выстраивается несколько слоев разных сенсоров. Такая схема позволяет поймать большую часть вылетевших при столкновении протонов, измерить их энергии, определить направление движения и таким образом добыть информацию о том процессе, который и породил эти частицы. 

Всего в БАК семь детекторов, из которых три специализированных и четыре больших, предназначенных для решения сразу нескольких задач. Большие — это ALICE, ATLAS, CMS и LHCb, они позволяют получать основные научные данные. Чтобы приспособить ATLAS и CMS к работе с большой светимостью, инженеры запланировали прокладку двух новых тоннелей длиной по 300 метров, сооружение десяти дополнительных зданий на поверхности и двух шахт, связывающих подземные залы коллайдера с поверхностью.

 

Решение всех этих задач может помочь не только физикам. Работа над сложнейшими системами сбора и анализа данных, создание сверхмощных магнитов, разработка датчиков для обнаружения частиц — все это приводит к появлению новых технологий. Достаточно сказать, что сами ускорители, бывшие когда-то сугубо научными инструментами, сегодня применяются по большей части в прикладных целях. Ими выжигают раковые опухоли, их используют для синтеза радионуклидов (опять-таки лучевая терапия и диагностика), с их помощью изготавливают микросхемы и проводят химические анализы. Модифицированные детекторы для элементарных частиц стали основой противопожарной сигнализации, ну, а компьютерная сеть ЦЕРН подарила миру технологию World Wide Web — интернет в привычном нам виде. То ли еще будет.

Вернуться в раздел "Новости науки и техники"