Большой адронный коллайдер (БАК) является крупнейшим и наиболее мощным ускорителем частиц, построенным в истории физики. Он расположен на границе Швейцарии и Франции в подземном тоннеле протяжённостью 26,7 км и эксплуатируется Европейской организацией по ядерным исследованиям (ЦЕРН). Конструкция коллайдера представляет собой кольцевой протон-протонный ускоритель, работающий при рекордных энергиях до нескольких тераэлектронвольт (ТэВ) на пучок.
Основная цель БАК — исследование фундаментальных свойств материи и проверка предсказаний Стандартной модели, а также поиск явлений за её пределами, включая бозон Хиггса, суперсимметричные частицы и другие гипотетические объекты.
Тоннель, в котором размещён коллайдер, имеет диаметр около 3,8 метра и располагается на глубине от 50 до 175 метров под землёй. Он был построен ещё в 1980-е годы для предыдущего ускорителя LEP (Large Electron-Positron Collider) и был переоборудован для нужд БАК.
Внутри тоннеля располагаются сверхпроводящие магниты, вакуумные камеры, криогенные системы и линии подачи энергии. Для обслуживания оборудования построены подземные залы и вертикальные шахты, обеспечивающие доступ к системе.
Ключевым элементом БАК является система дипольных и квадрупольных магнитов, обеспечивающих удержание и фокусировку протонных пучков. Всего в коллайдере установлено более 1200 дипольных магнитов длиной 15 метров каждый.
Магниты работают на сверхпроводимости при температуре 1,9 K, что достигается с помощью жидкого гелия в состоянии сверхтекучести. Это позволяет генерировать магнитные поля напряжённостью до 8,3 тесла, необходимые для отклонения протонов, движущихся почти со скоростью света, на кольцевой траектории.
Квадрупольные магниты, расположенные вдоль кольца, используются для фокусировки пучков и удержания их поперечного размера в пределах десятков микрометров.
Для стабильного движения пучков требуется ультравысокий вакуум порядка 10−10 мбар. Любое взаимодействие с остаточными молекулами газа приводило бы к потерям пучка и снижению эффективности эксперимента.
Вакуумная система состоит из труб из нержавеющей стали и меди, охлаждаемых до сверхнизких температур, что одновременно уменьшает газовыделение и увеличивает проводимость для электронов.
Протоны в БАК не вводятся напрямую, а проходят через каскад предварительных ускорителей:
Таким образом, основной коллайдер принимает уже сильно ускоренные протоны и доводит их энергию до номинальных значений в несколько ТэВ.
Работа БАК направлена не только на достижение максимальной энергии, но и на получение высокой светимости — величины, характеризующей частоту столкновений. Для этого пучки делятся на тысячи сгустков, каждый из которых содержит до 1011 протонов.
При встречном движении пучков достигается частота столкновений порядка 40 МГц, что даёт возможность зарегистрировать миллиарды событий в секунду. Средняя светимость БАК достигает величин 1034 см−2с−1, что является уникальным показателем.
На кольце коллайдера расположены четыре основные экспериментальные установки:
Каждый детектор весит десятки тысяч тонн и включает сложные системы регистрации: калориметры, трекеры, мюонные камеры и магнитные системы.
Поддержание сверхпроводимости магнитов требует уникальной криогенной инфраструктуры. БАК является крупнейшей в мире криогенной установкой, где циркулирует более 120 тонн жидкого гелия.
Система разделена на несколько секторов, каждый из которых охлаждается независимо, что позволяет проводить ремонт или диагностику без остановки всего кольца.
Работа БАК контролируется из главного центра управления ЦЕРН. Используются автоматизированные системы мониторинга, включающие датчики магнитного поля, температуры, давления и радиационного фона.
Особое внимание уделяется безопасности, так как энергия, запасённая в магнитах и пучках, огромна. Один полный пучок протонов обладает энергией, сопоставимой с энергией движущегося поезда, поэтому разработаны системы аварийного сброса и защиты оборудования.
С помощью БАК в 2012 году был экспериментально подтверждён бозон Хиггса, что стало фундаментальным открытием в физике элементарных частиц. Помимо этого, продолжаются исследования редких процессов, CP-нарушения, структуры протонов, а также поиск новых физических явлений, включая тёмную материю и дополнительные измерения.