Ранние этапы работы LHC

Поэтапный запуск коллайдера

Очевидно, что такая сложная установка, как LHC, не будет сразу же запущена на максимальную мощность. Производительность LHC будет повышаться постепенно, в несколько этапов, и займет это около трех лет. В течение этого времени, и особенно в первые месяцы, изучение научных вопросов будет перемежаться с сеансами тестирования, отладки и сбора чисто технической информации. Весь этот комплекс процедур называется «запуском» (по-английски «commissioning») ускорителя.

В ходе запуска и отладки ускорителя будут поэтапно меняться следующие параметры:

• энергия протонов,
• количество протонов в сгустке и количество сгустков в пучке,
• размеры сгустков.

Все эти параметры влияют на «производительность» коллайдера (то есть количество «интересных» событий в секунду). Чем больше сгустков циркулирует в пучке и чем больше протонов запасено в каждом сгустке, а также чем плотнее собраны протоны в сгустках, тем выше светимость коллайдера, то есть тем чаще происходят столкновения протонов. Чем выше энергия протонов, тем больше в них кварков и глюонов с высокой энергией, достаточной для рождения новых тяжелых частиц, а значит, тем больше вероятность породить «интересное» событие в протон-протонном столкновении (см. подробности на странице Эксперименты на адронных коллайдерах).

Ожидаемые параметры LHC в максимуме производительности таковы: энергия протонов 7 ТэВ, в каждом из двух пучков будет 2808 сгустков по 100 млрд протонов в каждом сгустке, а сами сгустки будут следовать друг за другом с интервалом 25 нс. Для сравнения, начинать отладку коллайдера предполагается с такими параметрами: энергия протонов равна энергии инжекции из предварительного ускорителя (0,45 ТэВ), в пучке 1 сгусток, содержащий порядка 10 млрд протонов.

Запуск LHC будет состоять из четырех стадий, которые подробно описаны на странице LHC Commissioning with Beam.

• Стадия A (первый месяц-два):
  • Несколько дней на то, чтобы добиться стабильной циркуляции сгустков в коллайдере (сначала с одним пучком, потом с двумя); при этом будут также проверены системы наблюдения и управления пучками.
  • Несколько дней технических тестов для режима с несколькими сгустками в пучке.
  • Один день на пробные столкновения пучков на энергии инжекции (450 ГэВ) в режиме 1 или несколько сгустков на пучок (см. текущие планы этого этапа).
  • Повышение энергии пучков до некоторой промежуточной энергии и несколько дней тестов в таким режиме. До какого именно значения будет повышена энергия, будет зависеть от готовности поворотных магнитов. В августе 2009 года было принято решение подниматься до энергии 3,5 ТэВ, но, по-видимому, в ноябре-декабре из-за соображений безопасности будет достигнута лишь энергия 1,1 ТэВ (то есть чуть выше, чем энергия Тэватрона). На энергию 3,5 ТэВ пучки выйдут лишь в начале 2010 года, после того, как будут закончены проверки магнитов во всех секторах.
  • Затем в течение нескольких недель будут чередоваться «научные сеансы» работы и технические сеансы тестирования и отладки. Количество сгустков в пучке будет повышено до 4, потом до 12, потом до 43. Сами сгустки будут постепенно сжиматься. Подробности см. на страничке Pilot Physics Run.
• Стадия B: поэтапное увеличение сгустков в пучке до 432 и увеличение количества протонов в сгустке. Цель этого этапа — выйти на режим, при котором сгустки будут следовать друг за другом с интервалом 50 нс. Энергия протонов при этом должна быть поднята как минимум до 5 ТэВ. Ожидается, что этот этап будет пройден в 2010 году.
• Стадии C и D, при которых будет вначале достигнуто максимальное количество сгустков, а затем — максимальное сжатие сгустков. Не исключено, впрочем, что детальная программа работы на этих стадиях еще будет пересмотрена.

Что можно будет изучить на LHC за первый год работы?

Во время стадии A будет накоплена интегральная светимость порядка 0,1  pb^–1. Этого будет достаточно для обнаружения и измерения ключевых процессов Стандартной модели: рождение и распад W- и Z-бозонов, t-кварк-антикварковых пар, тяжелых мезонов и т. д. Все эти процессы были уже изучены ранее, в частности на коллайдере Тэватрон. Наблюдение всех нужных частиц с измеренными ранее параметрами — важный шаг в проверке того, что детекторы работают правильно, что всё собрано и откалибровано должным образом.

На стадии B будет накоплена интегральная светимость порядка 100 pb^–1. Этого достаточно для набора примерно миллиона W-бозонов, 100 тысяч Z-бозонов и 10 тысяч топ-кварковых пар. Такая статистика позволит детально изучить свойства этих процессов и, возможно, улучшить некоторые результаты Тэватрона. При такой светимости станут возможными первые поиски хиггсовского бозона и других явлений.