Большой адронный коллайдер снова запускают после капремонта. Ученые ждут от него переворота в физике

В эти выходные после более чем трехлетнего перерыва в работе Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН) собирается снова запустить Большой адронный коллайдер, пробитый в толще скальных пород под Альпийскими горами.

Теперь у БАК есть все шансы найти совершенно новые субатомные частицы. Ученые надеются, что коллайдер поможет сделать открытия, которые вызовут самую большую революцию в физике за последние сто лет.

Помимо попыток обнаружить новую, так называемую пятую силу природы, исследователи надеются найти доказательства существования "темной материи" - невидимой субстанции, образующей большую часть Вселенной.

В декабре 2018 года коллайдер был закрыт на профилактику и модернизацию.

Хотя закрытие было запланированным, запустить БАК по графику помешала пандемия Covid-19. Тем не менее, команда ЦЕРН сумела внести ряд изменений в ускоритель частиц.

Это уже третий запуск коллайдера - до этого он успешно функционировал в 2009-2013 и 2015-2018 годах.

Коллайдер разгоняет частицы до скоростей, близких к скорости света, при которых они сталкиваются друг с другом. Будучи самым мощным ускорителем в мире (его длина превышает 27 километров), БАК может генерировать сотни миллионов столкновений частиц каждую секунду.

Специалисты ЦЕРН увеличили мощность инжекторов БАК, которые подают в коллайдер пучки ускоренных частиц.

Согласно заявлению ЦЕРН, во время второго этапа работы, завершившегося в 2018 году, коллайдер мог ускорять пучки частиц до энергии 6,5 тераэлектронвольт. Теперь это значение увеличилось до 6,8 ТэВ.

Как сообщается в пресс-релизе ЦЕРН, чтобы добиться такого значительного увеличения энергии, тысячи сверхпроводящих магнитов в БАК, которые направляют протонные пучки, должны "научиться" приспосабливаться к более сильным токам. Для этой корректировки потребовалось около 12 тысяч отдельных тестов.

Увеличение мощности позволит БАК разгонять частицы до еще больших энергий. Потенциально результаты столкновения столь высокоэнергичных частиц могут помочь ученым обнаружить новые закономерности их поведения.

При экстремально высоких энергиях, которые может создать БАК, ученые могут исследовать загадочные явления, такие как темная материя и темная энергия, существование которых было предсказано учеными, но каких-либо доказательств этого пока не обнаружено.

Новые загадки

С помощью БАК в 2012 году ученые уже обнаружили бозон Хиггса - элементарную частицу, существование которой предсказано Стандартной моделью.

До сих пор все результаты экспериментов на БАК, включая бозон Хиггса, укладывались в Стандартную модель - общепринятую с 1970-х годов теорию физики частиц. Однако у этой модели есть ограничения: она не может объяснить некоторые из самых глубоких загадок физики, такие как природа темной материи.

Данные, собранные в ходе эксперимента LHCb на одном из четырех огромных детекторов частиц в ЦЕРНе, по-видимому, показывают поведение частиц, которое невозможно объяснить Стандартной моделью.

В эксперименте изучался распад частиц, называемых красивыми кварками, которые согласно существующим представлениям должны с одинаковой вероятностью распадаться на электроны и мюоны.

Однако оказалось, что "красивые кварки" превращаются в мюоны на 15% реже, что позволяет предположить наличие неизвестного фактора - возможно, нового вида фундаментальных взаимодействий.

Ученые ждут новых открытий

Паллаб Гош, корреспондент Би-би-си по вопросам науки

БАК расположился на швейцарско-французской границе, недалеко от Женевы. На расстоянии он выглядит ничем не примечательным комплексом - кварталы офисных зданий и общежитий, ухоженные газоны и извилистые улицы, названные в честь известных физиков.

Но на глубине 100 метров под землей это подлинный храм науки. Я смог попасть в самое сердце БАК, к одному из гигантских детекторов, который сделал одно из величайших открытий нашего поколения: обнаружил бозон Хиггса, субатомную частицу, без которой многие другие известные нам частицы не имели бы массы.

Детектор Atlas имеет длину 46 м и высоту 25 м. Это один из четырех главных инструментов БАК, с помощью которых анализируют результаты столкновений частиц, 7000 тонн металла, полупроводников, электроники и проводки, тщательно и точно соединенных вместе.

Инженеры потратили последние три года на модернизацию БАК, чтобы коллайдер мог производить больше столкновений частиц за более короткий промежуток времени. У модернизированного коллайдера гораздо больше шансов создать и обнаружить редко возникающие частицы, в том числе и те, о которых мы пока не знаем.

Новое программное обеспечение БАК автоматически выполняет поиск по всем собранным данным и, используя новейшие методы искусственного интеллекта, идентифицирует и сохраняет показания, которые могут представлять потенциальный интерес для ученых.

В конце этого года ЦЕРН будет отмечать десятую годовщину открытия бозона Хиггса. Но попутно юбилей привлекает внимание к тому обстоятельству, что на коллайдере стоимостью почти в 5 миллиардов долларов и требующем примерно миллиард долларов ежегодно, с тех пор не сделано по-настоящему больших открытий.

Многие надеялись, а некоторые ожидали, что самый мощный ускоритель частиц к настоящему времени обнаружит темную энергию, пятый тип фундаментальных взаимодействий или какую-то другую частицу, меняющую наши представления о физике.

Третий этап работы коллайдера продлится до 2024 года, после чего его вновь отключат.

Согласно отчету, опубликованному в журнале New Scientist, во время этого перерыва еще одна модернизация сузит протонные пучки коллайдеров, увеличив количество одновременных столкновений с 40 в 2018 году до 120-250.

Эти обновления в целом будут настолько значительными, что, возобновив работу в 2028 году, БАК получит новое имя - "Большой адронный коллайдер высокой светимости".