Большой адронный коллайдер и его эксперименты

Структура и принципы работы Большого адронного коллайдера

Большой адронный коллайдер (БАК, LHC — Large Hadron Collider) является крупнейшим и наиболее мощным ускорителем элементарных частиц в истории физики. Он расположен в 27-километровом кольцевом туннеле на границе Швейцарии и Франции, на глубине до 175 метров под землёй. LHC разработан и эксплуатируется Европейской организацией по ядерным исследованиям (ЦЕРН).

Основная задача БАК — создание условий, близких к тем, что существовали в первые доли секунды после Большого взрыва, путём столкновения ускоренных до околосветовых скоростей протонов или тяжёлых ионов (например, ионов свинца). Благодаря этому физики могут исследовать фундаментальные взаимодействия и структуру материи на мельчайших масштабах.

Инжекционная цепочка. Перед попаданием в главный кольцевой ускоритель, протоны проходят несколько ступеней ускорения: линейный ускоритель (Linac2 и его замена Linac4), Бустер протонного синхротрона (PSB), Протонный синхротрон (PS), и Суперпротонный синхротрон (SPS). Только после этого пучки направляются в основной кольцевой туннель БАК.

Сверхпроводящие магниты. Чтобы направлять и фокусировать пучки, БАК использует более 1200 дипольных магнитов, охлаждаемых жидким гелием до температуры 1,9 K. Это позволяет добиться сверхпроводящего состояния, необходимого для создания магнитных полей величиной до 8,3 Тл.

Коллизионные точки. В четырёх основных точках кольца расположены детекторы ATLAS, CMS, ALICE и LHCb. Именно здесь пучки сталкиваются, и происходит регистрация продуктов реакций.

Системы вакуума и радиочастотного ускорения. Пучки частиц циркулируют в условиях ультравысокого вакуума (около 10−13 атм), чтобы минимизировать взаимодействие с молекулами газа. Ускорение осуществляется при помощи радиочастотных (RF) резонаторов, синхронизированных с обращением пучка.

Основные эксперименты LHC

ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)

ATLAS — универсальный детектор, созданный для изучения широкого спектра явлений в высокоэнергетических pp-столкновениях. Это крупнейший по габаритам детектор LHC: 46 метров в длину и 25 метров в высоту.

Ключевые компоненты:

  • Внутренний трекер, окружённый магнитным полем, позволяет точно измерять траектории заряженных частиц;
  • Калориметры, разделённые на электромагнитные и адронные, обеспечивают измерение энергии фотонов, электронов, адронов;
  • Мюонная система, расположенная по периметру, измеряет мюоны, которые проходят сквозь весь детектор.

Физическая программа ATLAS включает:

  • Поиск новых частиц (например, суперсимметричных);
  • Изучение механизма нарушения электрослабой симметрии;
  • Прецизионные измерения параметров Стандартной модели;
  • Исследование тёмной материи и экзотических сценариев.

CMS (Compact Muon Solenoid)

CMS — компактный, но тяжёлый детектор (его масса превышает 14 000 тонн), сконструированный для решения задач, аналогичных ATLAS. Его уникальной особенностью является сверхпроводящий соленоид с магнитным полем 3,8 Тл.

Главные особенности конструкции:

  • Трековая система на основе кремниевых пиксельных и стриповых детекторов;
  • Высокогранулярный электромагнитный калориметр на основе кристаллов PbWO₄, обеспечивающий точные измерения фотонов и электронов;
  • Компактная и чувствительная мюонная система, интегрированная с торцевыми и радиальными слоями детектора.

CMS также принимал ключевое участие в открытии бозона Хиггса в 2012 году, совместно с ATLAS.

ALICE (A Large Ion Collider Experiment)

ALICE оптимизирован для изучения столкновений тяжёлых ионов, при которых формируется кварк-глюонная плазма — состояние вещества, в котором кварки и глюоны находятся в свободном, не связанном состоянии.

Структура детектора:

  • Центральный баррель, включающий систему отслеживания (TPC, ITS) и калориметры;
  • Форвардные детекторы, фиксирующие поток частиц вдоль направления пучка;
  • Магнитное поле до 0,5 Тл, обеспечиваемое соленоидом.

Цели ALICE:

  • Исследование свойств кварк-глюонной плазмы: температуры, плотности, времени жизни;
  • Изучение явлений коллективного движения (флоу, джет-кваченинг);
  • Определение степени химического равновесия в ранней Вселенной.

LHCb (LHC beauty experiment)

LHCb сосредоточен на прецизионных измерениях нарушений CP-симметрии и распадах тяжёлых кварков, в особенности b-кварков. Он расположен в асимметричной геометрии, адаптированной к форвардной кинематике, где наблюдается повышенная продукция b-адронов.

Ключевые модули:

  • Вертексный детектор (VELO) для точного измерения точек распада;
  • Рич-детекторы для идентификации частиц;
  • Трекеры и калориметры обеспечивают полный спектр измерений кинематических параметров.

Физическая программа LHCb включает:

  • Точные измерения CKM-матрицы;
  • Исследование редких распадов и отклонений от Стандартной модели;
  • Поиск признаков новой физики через петлевые процессы и аномальные асимметрии.

Инфраструктура обработки данных

Объём данных, производимых детекторами LHC, достигает десятков петабайт в год. Для обработки этих данных используется всемирная распределённая вычислительная система WLCG (Worldwide LHC Computing Grid), включающая в себя центры различных уровней (Tier 0–3), объединённые высокоскоростными каналами связи. Центральный узел (Tier 0) находится в ЦЕРН.

Потоки данных проходят через этапы триггерной фильтрации:

  • Аппаратный триггер (L1) уменьшает частоту событий до порядка 100 кГц;
  • Программный триггер (HLT) дополнительно отбирает события для записи и хранения, оставляя ~1 кГц.

Достижения и научное значение

Наиболее знаковым достижением LHC стало открытие бозона Хиггса в 2012 году. Это событие подтвердило механизм спонтанного нарушения симметрии в Стандартной модели. Помимо этого, LHC стал источником множества других фундаментальных результатов:

  • Ограничения на параметры суперсимметрии и экзотических моделей (например, ADD-модели дополнительных измерений);
  • Прецизионные измерения массы топ-кварка, углов Вайнберга, параметров слабого тока;
  • Наблюдение новых состояний в адронной спектроскопии, включая тетракварки и пентакварки;
  • Изучение свойств кварк-глюонной плазмы, её вязкости, температурных характеристик и поведения в экстремальных условиях.

Будущее БАК: программы High-Luminosity LHC и Beyond

После фазы Run 2 БАК был остановлен на длительную модернизацию в рамках проекта HL-LHC (High Luminosity LHC). Основные цели этой программы:

  • Увеличение светимости в 10 раз по сравнению с исходным уровнем;
  • Повышение точности измерений и чувствительности к редким процессам;
  • Возможность наблюдения эффектов за пределами Стандартной модели.

Также обсуждаются проекты Future Circular Collider (FCC) и Compact Linear Collider (CLIC) как потенциальные преемники LHC, способные достичь более высоких энергий и разрешающих способностей в исследовании микромира.

Оглавление