Кіріспе

CERN, Швейцариядағы бөлшектерді жылдамдатушы Үлкен адрондық коллайдер (LHC) – әлемдегі ең үлкен және ең жоғары энергиялы бөлшектер коллайдері. Оны 1998–2008 жылдар аралығында Еуропалық ядролық зерттеулер ұйымы (CERN) 10 000-нан астам ғалым мен 100-ден астам елдегі жүздеген университеттер мен зертханалардың бірлескен күштерімен құрды. Ол Женева маңындағы Франция–Швейцария шекарасының астында, 27 шақырымдық айналыммен және сол тереңдікте орналасқан. Алғашқы соқтығысулар 2010 жылы сәуле үшін 3,5 тераэлектронвольт (ТэВ) энергиясымен жүзеге асырылды, бұл бұрынғы әлемдік рекордтан төрт есеге жуық. 2012 жылы LHC-де Хиггс бозонының табылуы жарияланды. 2013–2015 жылдар аралығында LHC тоқтатылып, жаңартылды; жаңартудан кейін ол сәуле үшін 6,5 ТэВ-қа (жалпы соқтығысу энергиясы 13,0 ТэВ) жетті. 2018 жылдың соңында ол техникалық қызмет көрсету және одан әрі жаңарту үшін жабылды, үш жылдан кейін 2022 жылдың сәуірінде қайта ашылды. Коллайдерде жылдамдатылған бөлшектердің соқтығысатын төрт қиылысу нүктесі бар. Тоғыз детектор, әрқайсысы әртүрлі құбылыстарды анықтауға арналған, олар қиылысу нүктелерінің айналасында орналастырылған. LHC негізінен протондық сәулелерді соқтығыстырады, бірақ ол сондай-ақ ауыр иондардың сәулелерін де жылдамдата алады, мысалы, қорғасын–қорғасын және протон–қорғасын соқтығысуларында. LHC-нің мақсаты физиктерге бөлшектер физикасының әртүрлі теорияларының болжамдарын тексеруге мүмкіндік беру, Хиггс бозонының қасиеттерін өлшеу, суперсимметриялық теориялар болжаған жаңа бөлшектердің үлкен отбасын іздеу және бөлшектер физикасындағы басқа да шешілмеген мәселелерді зерттеу болып табылады.

Өмірбаян

Адрон термині күшті күшпен байланысқан кварктардан құралған субатомдық күрделі бөлшектерді білдіреді (электромагниттік күш атомдар мен молекулаларды байланыстырғандай). Ең белгілі адрондар – протондар мен нейтрондар сияқты бариондар; адрондарға сондай-ақ 1940-шы жылдардың соңы мен 1950-шы жылдардың басындағы ғарыш сәулелері эксперименттерінде ашылған пион және каон сияқты мезондар да жатады. Коллидер – екі қарама-қарсы бөлшек шоғын бір-біріне соқтығыстыратын бөлшектерді үдеткіштің бір түрі. Бөлшек физикасында коллидерлер жасауға қиын болғанымен, олар зерттеу үшін өте қуатты құрал болып табылады, себебі олар тұрақты нысаналы орнатуларға қарағанда әлдеқайда жоғары массалық энергияға жетеді.

Дизайн

Тездеткіш 26,7 шақырымдық айналма жолға ие цилиндрлі туннельде орналасқан, ал тереңдігі жер астында 175 метрден 50 метрге дейін ауыспайды. Тереңдіктің өзгеруі қасақана болды, мұнда тік кіру шахтасын қазудың қажеті жоқ, сондықтан Юра тауларының астында жатқан туннельдің көлемін азайту үшін. Жер бетіндегі қымбат жерді сатып алудан аулақ болу үшін және Жер қыртысының фондық сәулеленуіне қарсы қалқандаудың артықшылығын пайдалану үшін туннель таңдалды. 1983-1988 жылдары салынған 3,5 метрлік кең бетонды туннель бұрын Үлкен электронды-позитронды соқтығыстырғышты орналастыру үшін пайдаланылған. Бұл туннель Швейцария мен Франция арасындағы шекараны төрт жерден кесіп өтеді, оның көп бөлігі Францияда. Жер үсті ғимараттарында компрессорлар, желдету қондырғылары, басқару электроникасы және тоңазытқыш қондырғылары сияқты қосымша жабдықтар орналасады. Тездеткіш туннеліне екі қатарлас параллель сәуле желілері (немесе сәуле құбырлары) кіреді, олардың әрқайсысында сәуле бар, олар сақинаның айналасында қарама-қарсы бағытта жүреді. Бұл сәулелер сақинаның төрт нүктесінде қиылысады, бұл жерде бөлшектердің соқтығысуы орын алады. 1232 диполды магниттер сәулелерді дөңгелек жолмен ұстайды (суретті қараңыз), ал қосымша 392 төртполярлы магниттер сәулелерді шоғырландырып ұстауға қолданылады, екі сәуле қиылысатын жерде өзара әсерлесу мүмкіндігін арттыру үшін қиылысу нүктелеріне жақын төртполярлы магниттер қолданылады. Жоғары көпполюсті магниттер өрістің геометриясындағы кішігірім кемшіліктерді түзету үшін қолданылады. Жалпы алғанда, шамамен 10 000 суперөткізгіш магниттер орнатылған, диполдық магниттердің массасы 27 тоннадан асады. Мыспен қапталған ниобий титанынан жасалған магниттерді жұмыс температурасында ұстауға шамамен 96 тонна суперсұйық гелий қажет, бұл LHC-ді сұйық гелий температурасында әлемдегі ең үлкен криогендік қондырғыға айналдырады. LHC-де 470 тонна NbTi суперөткiзгiшi пайдаланылады. LHC операциялары кезінде CERN орны француз электр желісінен шамамен 200 МВт электр қуатын алады, бұл салыстыру үшін Женева қаласының энергия тұтынуының шамамен үштен бірі; LHC акселераторы мен детекторлары шамамен 120 МВт энергия алады. Оның жұмыс істеген әрбір күні 140 терабайт деректерді шығарады. Күнде бір немесе екі рет протонға 6,5 ТэВ энергиясын іске асырған кезде, протондар 450 ГеВ-тан 6,5 ТэВ-қа дейін жылдамдаған кезде, суперөткiзгiш дипол магниттерiнiң өрісі 0,54 -тен 7,7 [[Тесла (бірлік) ға дейін ұлғаяды. Протонның әрқайсысының энергиясы 6,5 ТэВ, сонда олардың жалпы соқтығысу энергиясы 13 ТэВ. Бұл энергияда протонның Лоренц коэффициенті шамамен 6,930 болады және шамамен 299 792 458 метр/секунд, немесе жарық жылдамдығынан 0,00011% ғана баяу қозғалады (c). Протонның негізгі сақинаны 26,7 км айналып өтуіне 90 микросекундтан аз уақыт кетеді. Бұл протонның секундына 11 245 айналуын құрайды, өйткені бұл бөлшектердің энергиясы бесінші ондықтан жоғары. Протондар үздіксіз сәулелер орнына, әр топтағы 115 миллиард протонмен, 2 808 топқа дейін топталады, сондықтан екі сәуле арасындағы өзара әрекеттесулер дискретті аралықтарда, негізінен 25 наносекунд (ns) аралығында өтеді, бұл 40 МГц-тің топтық соқтығысу жылдамдығын қамтамасыз етеді. Алғашқы жылдары азырақ топтамамен жұмыс істеді. LHC-нің жобалық жарықтылығы 1034 см-2s-1 болып табылады, ол алғаш рет 2016 жылдың маусым айында қол жеткізілді. 2017 жылы бұл көрсеткіш екі есеге артты. LHC физика бағдарламасы негізінен протон-протон соқтығысуларына негізделген. Алайда, қысқа мерзімде, әдетте жылына бір ай, бағдарламаға ауыр иондық соққылар кіреді. Жеңіл иондар да қарастырылса, бастапқы схема қорғасын иондарына қатысты (ірі ионлы коллайдер экспериментіне қараңыз). Қорғасын иондарын алдымен сызықтық LINAC 3 үдеткіші жылдамдатып, төмен энергиялы ионды сақина (LEIR) ионды сақтау және салқындату блогы ретінде қолданылады. Иондар одан әрі PS және SPS арқылы жылдамдатылады, содан кейін LHC сақинасына енгізіледі, онда олар 2.3 ТэВ энергиясына жетеді. Ауыр иондар бағдарламасының мақсаты - ғаламның алғашқы кезеңінде болған кварк-глюон плазмасын зерттеу.

Детektorлар

Тоғыз детектор үлкен қуыстарда, ҰЭЖ (LHC) қиылыс нүктелерінде қазылған. Олардың екеуі – ATLAS эксперименті және Compact Muon Solenoid (CMS) – көп мақсатты ірі бөлшектерді анықтағыштар.

Есептеу және талдау құралдары

LHC-де өндірілген деректер, сондай-ақ LHC-ге қатысты симуляциялар жылына 200 петабайтқа бағаланды. Осы үлкен дерек көлемін өңдеу үшін LHC жобасының бір бөлігі ретінде құрылды. Бұл халықаралық ынтымақтастық жобасы, бастапқыда 35 елдегі 140 есептеу орталығын (кейіннен 40-тан астам елдегі 170-тен астам) біріктіретін желілік компьютерлік инфрақұрылымды құрайды. CERN LHC эксперименттерінен алынған маңызды деректерді өңдеу үшін жобаланған, CERN-нен әлемдік академиялық институттарға деректерді беру үшін жеке оптикалық талшық байланыстары мен жоғары жылдамдықты Интернеттің қолданыстағы бөліктерін біріктіреді. LHC Computing Grid Еуропа, Азия-Тынық мұхиты және Америкадағы жаһандық федерациялардан тұрады. LHC құрылысын және калибрлеуін қолдау мақсатында LHC@home үлестірілген есептеу жобасы іске қосылды. Жоба BOINC платформасын пайдаланады, бұл Mac OS X, Windows немесе Linux жүйесінде жұмыс істейтін компьютері мен интернет байланысы бар кез келген адамға компьютерінің бос уақытын пайдаланып, бөлшектердің сәулелік құбырларда қалай қозғалатынын симуляциялауға мүмкіндік береді. Осы ақпаратты пайдаланып, ғалымдар магниттерді қалай калибрлеу керектігін анықтайды, соның арқасында сәулелер сақинада ең тұрақты "орбитада" болады. 2011 жылдың тамызында екінші қосымша (Test4Theory) іске қосылды, ол нәтижелердің сенімділік деңгейін анықтау үшін нақты сынақ деректерімен салыстыру үшін симуляциялар жүргізеді. 2012 жылға қарай 6 квадриллионнан астам (6) LHC протон-протон соқтығысу деректері талданды. 2012 жылы LHC есептеу желісі әлемдегі ең ірі есептеу желісіне айналды, онда 40-тан астам елдегі жаһандық желіде 170-тен астам есептеу орталықтары бар.

Пайдалану тарихы

LHC алғаш рет 2008 жылдың 10 қыркүйегінде іске қосылды, бірақ бастапқы сынақтар 2008 жылдың 19 қыркүйегінен 2009 жылдың 20 қарашасына дейін 14 айға кейінге шегерілді, себебі магниттік сөну оқиғасы салдарынан 50-ден астам суперотказғыш магниттерге, олардың бекіткіштеріне және вакуумдық құбырға кең ауқымды зақым келді. Алғашқы жұмыс істеу кезеңінде (2010–2013 жж.) LHC 4 тераэлектронвольтқа (4 ТэВ немесе 0,64 джоуль) дейін қарама-қарсы бағытта протондарды немесе 574 ТэВ (ядроға) немесе 2,76 ТэВ (нуклонына) жылдамдықпен қорғасын ядроларын соқтырыстырды. Оның алғашқы ашылуларының қатарында ұзақ іздеген Хиггс бозоны, χb (3P) ботондық күйі сияқты бірнеше күрделі бөлшектер (адрондар), кварк-глюон плазмасын алғаш рет жасау және Bs мезонының екі мюонға (Bs0 → μ+μ−) өте сирек ыдырауының алғашқы байқаулары болды, бұл қолданыстағы суперсимметрия модельдерінің дұрыстығына күмән тудырды.

Операциялық қиындықтар

LHC-нің мөлшері ерекше инженерлік қиындықтар тудырады, себебі магниттер мен сәулелерде сақталатын энергияның көлемі зор. Жұмыс істеп тұрғанда магниттердегі жалпы сақталған энергия және екі сәуленің тасымалдайтын жалпы энергияға жетеді. Сәуленің тек бір он миллиондық бөлігін (10−7) жоғалтуы бір суперөткізгіш магнитті өшіруге жеткілікті, ал екі сәуле сорғысы әрқайсысы осы энергияны сіңіруі керек. Бұл энергияны өте аз материал тасымалдайды: номиналды жұмыс жағдайында (2,808 шоғыр, 1.15×1011 протон шоғыр басына), сәуле құбырларында 1.0×10−9 грамм сутегі бар, ол стандартты температура және қысым жағдайында бір құм түйіршігінің көлемін толтырады.

Құны

7,5 миллиард евро (шамамен 9 миллиард доллар немесе 6,19 миллиард фунт стерлинг) бюджетпен LHC ең қымбат ғылыми құралдардың бірі болып табылады. Жобаның жалпы құны акселератор үшін 4,6 миллиард швейцариялық франк (шамамен 4,4 миллиард доллар, 3,1 миллиард евро немесе 2,8 миллиард фунт стерлинг) және эксперименттерге CERN-нің үлесі үшін 1,16 миллиард (шамамен 1,1 миллиард доллар, 0,8 миллиард евро немесе 0,7 миллиард фунт стерлинг) құрауы күтілуде. LHC құрылысын мақұлдау 1995 жылы 2,6 миллиард франк бюджетпен жасалды, ал эксперименттерге тағы 210 миллион франк бөлінді. Дегенмен, 2001 жылы өткізілген маңызды сараптамада акселератор үшін шамамен 480 миллион франк, ал эксперименттер үшін 50 миллион франк көлеміндегі шығындар бағаланды, сонымен қатар CERN бюджетінің қысқартылуы аяқталу мерзімін 2005 жылдан 2007 жылғы сәуірге ықпалдастырды. Суперөткізгіш магниттер шығындардың 180 миллион франкқа өсуіне жауапты болды. Сонымен қатар, «Compact Muon Solenoid» үшін құрылыс кезінде кездескен инженерлік қиындықтар, сондай-ақ жеткіліксіз берік болғандықтан бастапқы сынақтан өтпеген магниттік тіректер (2007) және магниттің өшуінен және сұйық гелийдің шығуынан (2008 жылғы бастапқы сынақ) зақымдану да болды. Электр энергиясының құны жазда төмен болғандықтан, LHC әдетте қыс айларында жұмыс істемейді, бірақ 2009/10 және 2012/2013 жылдары 2008 жылғы іске қосудың кешігуін өтеу және 2012 жылы ашылған жаңа бөлшектің өлшемдерінің дәлдігін арттыру мақсатында ерекше жағдайлар жасалды.

Құрылыс апаттары мен кідірулер

2005 жылдың 25 қазанында Хосе Перейра Лагес, техник, LHC-де тасымалданатын ажыратқыштың үстіне құлап, қаза тапты. 2007 жылдың 27 наурызында Фермилаб және КЭК жобалаған және ұсынған криогендік магнит тірегі, LHC ішкі үштігінің (фокус төртполюс) магнит құралымдарының біріне жасалған алғашқы қысым сынағы кезінде жыртылып кетті. Ешкім зардап шекпеді. Фермилаб директоры Пьер Оддон: «Бұл жағдайда біз күштердің өте қарапайым тепе-теңдігін қалай жіберіп алғанымызға таңғаламыз» деді. Ақау бастапқы жобада болған және келесі жылдары өткен төрт инженерлік сараптама кезінде де анықталмаған. Талдау көрсеткендей, жақсы оқшаулау үшін мүмкіндігінше жұқа жасалған конструкциясы, қысым сынағы кезінде туындайтын күштерге төтеп беруге жеткіліксіз болды. Толық мәліметтер Фермилабтың мәлімдемесінде бар, және CERN онымен келіседі. Бұзылған магнитті жөндеу және LHC пайдаланатын сегіз бірдей құрастырманы нығайту іске қосылу күнін кейінге жылдырды, ол 2007 жылдың қарашасына жоспарланған еді. 2008 жылдың 19 қыркүйегінде алғашқы сынақ кезінде электрлік қосылымның ақаулығы магниттің сөнуіне (жылыну немесе электр өрісінің әсерінен суперөткізгіштігінің кенеттен жоғалуына) әкелді. Магниттерді салқындатуға қолданылатын 6 тонна суперсалқытылған сұйық гелий қашып, жақын жердегі 10 тонналық магниттерді бекітілу орындарынан жұлып алып, вакуумдық түтікке елеулі зақым келтірді және ластады. Жөндеу жұмыстары мен қауіпсіздік тексерулері шамамен 14 айға созылды. 2009 жылдың шілдесінде екі вакуумдық ақаулық табылды, ал операциялардың басталуы 2009 жылдың қараша айының ортасына дейін кейінге шегерілді. CERN сондай-ақ Украинаның 2022 жылға арналған CERN-ге жасаған үлесін ұйымға бұрыннан аударылған сомаға дейін төмендететінін, осылайша үлестің екінші бөлігін тоқтатататынын мәлімдеді.

Бастапқы төменгі магниттік токтар

Екі рет (2010-2012 және 2015 жылдары) LHC бастапқыда жоспарланған жұмыс энергиясынан төмен энергиямен жұмыс істеді, ал бірінші рет 2 x 4 ТэВ энергияға дейін және екінші рет 2 x 6,5 ТэВ энергияға дейін, 2 x 7 ТэВ жобалық энергиядан төмен. Бұл себебі, күшті өткізгіш магниттерге жоғары тоқтарды өздерінің суперөткізгіштік қабілетін жоғалтпай басқару үшін маңызды магниттік жаттығулар қажет, ал жоғары тоқтар протон энергиясын арттыру үшін қажет. "Жаттығу" процесі магниттерді төменгі тоқтармен бірнеше рет іске қосуды қамтиды, соның нәтижесінде кез келген сөну немесе ұсақ қозғалыстар туындауы мүмкін. Магниттерді олардың жұмыс температурасына, шамамен 1,9 К (абсолюттік нөлге жақын) дейін салқындатуға да уақыт керек. Уақыт өте келе магнит "бекіп", осы төменгі тоқтарда сөнуін тоқтатады және сөнусіз толық жобаланған тоққа төтеп бере алады; CERN медиасы магниттерді кристалдарындағы және бастапқыда жоспарланған тоқтарды басқару қабілетін шектеген орналасуларындағы кішкентай өндірістік ақауларды "қалшылдатып" шығарады деп сипаттайды. Магниттер уақыт өте келе және жаттығулар арқылы біртіндеп тоқтарды тоқтата алмай, толық жоспарланған тоқтарды қабылдауға қабілетті болады.

Басталу сынақтары (2008)

Бірінші сәуле 2008 жылдың 10 қыркүйегінде таңертеңгі уақытта коллайдер арқылы жіберілді. CERN протондарды үш километрлік кезеңдермен туннельдің ішінде сәтті айналдырды. Бөлшектер сағат тілімен үдеткішке жіберілді және жергілікті уақыт бойынша 10:28-де оны сәтті айналып өтті. Содан кейін CERN протондардың сәулесін сағат тіліне қарсы бағытта сәтті жіберді, криогендік жүйедегі мәселелерге байланысты бұл процеске бір жарым сағат уақыт кетті, ал толық айналым 14:59-да аяқталды.

Өшіру оқиғасы

2008 жылдың 19 қыркүйегінде 3-ші және 4-ші секторларда 100-ге жуық иілу магниттерінде магниттік сөну орын алды, нәтижесінде электрлік ақау салдарынан шамамен алты тонна сұйық гелий (магниттердің криогендік салқындатқышы) туннельге шығарылды. Қашқан бу жарылыс күшімен кеңейіп, 53 суперөткізгіш магнитті және олардың бекіткіштерін зақымдады, сондай-ақ вакуумдық құбырды ластады, ол вакуумдық жағдайын жоғалтты. Оқиғадан кейін көп ұзамай CERN екі магнит арасындағы электрлік байланыстағы ақаудың себеп болғанын хабарлады. Жөндеу жұмыстарына кем дегенде екі ай уақыт кететінін болжады, себебі зардап шеккен секторларды жылыту және оларды жұмыс температурасына дейін салқындатуға уақыт қажет болды. 2008 жылдың 5 желтоқсанында CERN аралық техникалық есеп пен толыққанды есеп жариялады. CERN жүргізген талдау электрлік ақаудың шынымен де себепкер болғанын растады. Ақаулы электрлік қосылым суперөткізгіш магниттерді қуаттандыратын электр жүйелерінің қауіпсіздік үшін қуатын тоқтатуына (дұрыс) әкелді, бірақ сонымен қатар суперсалқындатылған гелийдің қаптамасы мен вакуумдық оқшаулауының тұтастығын бұзған электр доғасын (немесе разрядты) тудырды, бұл салқындатқыштың температурасы мен қысымының қауіпсіздік жүйелерінің оны ұстап тұру мүмкіндігінен асып кетуіне себеп болды. Бұл оқиға CERN физигі Лусио Россидің 22 ақпандағы 2010 жылғы «Суперөткізгіш ғылым және технология» мақаласында жан-жақты талқыланды. LHC-ді іске қосудың бастапқы жоспарында 900 ГэВ орталық массалық энергиясында алғашқы «сәл» жоғары энергиялы соқтығысулар 2008 жылдың қыркүйегінің соңына дейін жүзеге асуы күтілді, ал LHC 2008 жылдың соңына дейін 10 ТэВ жылдамдығымен жұмыс істеуі күтілді. Алайда, оқиға салдарынан туындаған кешігуге байланысты коллайдер 2009 жылдың қарашасына дейін жұмыс істемеді. Кешігуге қарамастан, LHC ресми түрде 2008 жылдың 21 қазанында саяси лидерлер, CERN-нің 20 мүше мемлекетінің ғылым министрлері, CERN қызметкерлері және әлемдік ғылыми қауымдастықтың өкілдерінің қатысуымен ашылды. 2009 жылдың көп бөлігі сөну оқиғасынан туындаған зақымды жөндеуге және тексеруге, сондай-ақ 2009 жылдың шілдесінде анықталған екі қосымша вакуумдық ағып кетулерге жұмсалды, бұл сол жылдың қарашасына операцияларды бастауды ықпалдастырды.

1-ші сынақ: бірінші сынақ (2009-2013 жж.)

2009 жылдың 20 қарашасында оқиғадан кейін алғаш рет туннельде төмен энергиялы сәулелер айналымға түсті, ал көп ұзамай, 30 қарашада, LHC сәуле үшін 1,18 ТеВ-қа жетіп, әлемдегі ең жоғары энергиялы бөлшектер үдеткішіне айналды, бұл Tevatron-ның сегіз жыл бойы сақталған сәуле үшін 0,98 ТеВ-тың бұрынғы рекордын бұзды. 2010 жылдың басында сәуле энергиясының артуы және физиканың алғашқы тәжірибелері сәуле бойынша 3,5 ТеВ-қа дейін жалғасты. 2010 жылдың 30 наурызында LHC 7 ТеВ энергия деңгейінде протон сәулелерін соқтығыстырып, жоғары энергиялы соқтығысулар бойынша жаңа рекорд орнатты. Бұл күні жасалған үшінші әрекет болды, алдыңғы екі әрекет сәтсіз аяқталды, нәтижесінде протондарды үдеткіштен шығарып алып, жаңа сәулелерді енгізу қажет болды. Бұл сонымен қатар негізгі зерттеу бағдарламасының басталуын білдірді. Бірінші протондық цикл 2010 жылдың 4 қарашасында аяқталды. Қорғасын иондарымен жүргізілген цикл 2010 жылдың 8 қарашасында басталып, 2010 жылдың 6 желтоқсанында аяқталды, бұл ALICE экспериментіне Ұлы жарылыстан кейін туындаған экстремалды жағдайлардағы материяны зерттеуге мүмкіндік берді. CERN бастапқыда LHC-тің 2012 жылдың соңына дейін жұмыс істеуін жоспарлаған, ал 2011 жылдың соңында сәуле энергиясын сәуле бойынша 3,5-тен 4 ТеВ-қа дейін арттыру үшін қысқа үзіліс жасау көзделген. 2012 жылдың соңында, 2012 жылдың шілдесінде Хиггс бозонының табылуына байланысты, жабылу бірнеше аптаға 2013 жылдың басына шегерілді, бұл жабылу алдында қосымша деректер алуға мүмкіндік берді.

Ұзақ уақытқа тоқтату 1 (20132015)

LHC 2013 жылдың 13 ақпанында "Long Shutdown 1" (LS1) деп аталатын екі жылдық жаңарту үшін тоқтатылды, бұл жаңарту LHC-нің көптеген аспектілерін қамтуы тиіс еді: 14 ТэВ энергиясында соқтығысуларды іске қосу, оның детекторларын және алдын-ала үдеткіштерін (Протондық синхротрон және Суперпротондық синхротрон) жақсарту, сондай-ақ желдету жүйесін және алғашқы жұмысынан жоғары энергиялы соқтығысулар салдарынан зақымдалған кабельдерді ауыстыру. Жаңартылған коллайдер 2014 жылдың маусым айында ұзақ іске қосу және сынау процесін бастады, 2 маусымда Протондық синхротрон бустері іске қосылды, 18 маусымда магниттер арасындағы соңғы байланыс аяқталды, ал негізгі LHC супермагнит жүйесінің бірінші бөлігі бірнеше күннен кейін жұмыс температурасына жетті. Суперөткіш магниттерді «үйрету» процесінің баяу дамуына байланысты, екінші жұмыс іске қосылуды сәуле бойына 6,5 ТэВ энергиямен бастау туралы шешім қабылданды, бұл магниттегі 11 000 ампер токқа сәйкес келеді. LHC негізгі магниттерінің біріншісі 2014 жылдың 9 желтоқсанына дейін сәтті «үйретілді», ал қалған магнит секторларын үйрету 2015 жылдың наурызында аяқталды.

2-ші сынақ: екінші сынақ (2015-2018 жж.)

2015 жылдың 5 сәуірінде LHC екі жылдық үзілістен кейін қайта іске қосылды, осы кезеңде иілетін магниттер арасындағы электрлік жалғаулар 7 ТеВ-қа (14 ТеВ соқтығысу энергиясы) қажетті токпен қауіпсіз жұмыс істеу үшін жаңартылды. Дегенмен, иілетін магниттер бір сәуле үшін 6,5 ТеВ-қа дейін (13 ТеВ соқтығысу энергиясы) ғана «үйретілді», бұл 2015 жылдан 2018 жылға дейінгі жұмыс энергиясы болды. Жаңартулар 13 ТеВ энергиясымен протондардың соқтығысуымен аяқталды. Келесі айларда машина протон-протон соқтығысулары үшін пайдаланылды, ал қарашада қорғасын иондарының соқтығысуларына, ал желтоқсанда әдеттегі қысқы тоқтату басталды. 2016 жылы машина операторлары протон-протон соқтығысулары үшін жарықтылықты арттыруға баса назар аударды. Жобалық мән алғаш рет 29 маусымда қол жеткізілді. 2016 жылғы соқтығысулардың жалпы саны бірінші іске қосылымдағыдан асып түсті – соқтығысу энергиясы жоғары болды. Протон-протон іске қосылымын төрт апталық протон-қорғасын соқтығысулары жалғастырды. 2017 жылы жарықтылық одан әрі арттырылып, жобалық мәннен екі есеге жетті. Соқтығысулардың жалпы саны 2016 жылғыдан да жоғары болды.

Ұзақ уақытқа тоқтату 2 (2018-2022)

Ұзақ тоқтау 2 (LS2) 2018 жылдың 10 желтоқсанында басталды. Үлкен адрондық коллайдер (LHC) және бүкіл CERN үдеткіш кешені күтілді және жаңартылды. Жаңартулардың мақсаты жарықтықты 10 есеге арттыратын Жоғары жарықтықты Үлкен адрондық коллайдер (HL LHC) жобасын іске асыру болды. LS2 2022 жылдың сәуірінде аяқталды. 2020 жылдарығы Ұзақ тоқтау 3 (LS3) HL LHC жобасы аяқталуына дейін өтеді.

3-ші сынақ: үшінші сынақ (2022)

LHC 2022 жылдың 22 сәуірінде 6,8 ТэВ (13,6 ТэВ соқтығысу энергиясы) жаңа ең жоғары сәуле энергиясымен қайтадан жұмыс істеуге кірісті, бұл 25 сәуірде алғаш рет қол жеткізілді. Физикалық эксперименттердің 3-ші кезеңі 2022 жылдың 5 шілдесінде ресми түрде басталды. Бұл кезеңнің 2026 жылға дейін жалғасады деп күтілуде. Жоғары энергиямен қатар, LHC жарықтылығының артуы да күтілуде, ал 3-ші кезеңнен кейін HL LHC-ге жаңарту жасау арқылы бұл көрсеткіш одан да артады деп болжануда.

Операциялардың уақыт кестесі

Күн оқиғасы 10 қыркүйек 2008 жылы ЦЕРН алғашқы протондарды бүкіл туннельдік схема бойынша сәтті атты. 19 қыркүйек 2008 жылдың 3-ші және 4-ші секторларында 100 магнит бүгіліп, 6 тонна сұйық гелий жоғалды. 30 қыркүйек 2008 Жұмысқа жоспарланған, бірақ апатқа байланысты кейінге қалдырылған алғашқы "жай" жоғары энергиялы соқтығыстар. 15 желтоқсан 2009 АЛИС детекторында 284 соқтығысу тіркелгендегі алғашқы ғылыми нәтижелер. 30 наурыз 2010 Екі сәуле 7 ТэВ энергиямен (ағаштық уақыт бойынша сағат 13:06-да) соқтығысты, бұл LHC зерттеу бағдарламасының басталуын білдірді. 8 қараша 2010 Жекемен бірінші рет жүгіру басталды. 6 желтоқсан 2010 Жекеулікпен жүгірудің соңы. 2011 жылдың басына дейін тоқтату. 13 наурыз 2011 Протондық сәулелермен 2011 жылғы жүгірудің басталуы. 21 сәуір 2011 LHC әлемдегі ең жоғары жарықшылдығы бар адрондық акселераторға айналды, 4,67·1032 см−2с−1 жарықшылдығына жетті, бұл Tevatron-ның бір жыл бойы сақтаған 4·1032 см−2с−1 бұрынғы рекордын ұтып алды. 24 мамыр 2011 ALICE бұрынғы қорғасынмен соқтығысулар арқылы кварк-глюон плазмасы алынғанын хабарлады. 17 маусым 2011 Жоғары жарықшылдығы бар эксперименттер ATLAS және CMS 1 fb−1 жиналған деректерге жетті. 14 қазан 2011 LHCb жиналған деректердің 1 fb−1-ге жетті. 23 қазан 2011 Жоғары жарықшылдығы бар эксперименттер ATLAS және CMS 5 fb−1 жиналған деректерге жетті. 2011 жылдың қарашасы Қорғасын иондарымен екінші жүгіру. 22 желтоқсан 2011 Протон-протон соқтығысулары кезінде байқалған χb (3P) боттоний мезоны – алғашқы жаңа композиттік бөлшек. 5 сәуір 2012 Жылдық қысқы тоқтатудан кейін 2012 жылы тұрақты сәулелермен алғашқы соқтығысулар. Энергия сәулесіне қатысты 4 ТэВ-қа дейін (соқтығысу кезінде 8 ТэВ) көтерілді. 4 шілде 2012 Жаңа элементарлық бөлшек табылды, ол теориялық Хиггс бозонымен "сәйкес келеді". (Қазір бұл Higgs бозонының өзі екені расталды.) 8 қараша 2012 Bs мезонының екі мюонға (Bs0 → μ+μ−) өте сирек ыдырауының алғашқы байқалуы – суперсимметрия теориясының маңызды тесті, нәтижелері 3,5 сигмада Стандартты модельге, оның көптеген суперсимметриялық варианттарына қарағанда сәйкес келеді. 20 қаңтар 2013 Протон мен қорғасын иондарымен алғашқы соқтығысу басталды. 11 ақпан 2013 Протон мен қорғасын иондарымен алғашқы соқтығысудың соңы. 14 ақпан 2013 Колайдерді жоғары энергия мен жарықшылдыққа дайындау үшін алғашқы ұзақ тоқтату басталды. Ұзақ тоқтату 1 7 наурыз 2015 2-ші жүгіруге дайындау үшін инъекциялық сынақтар, протондар LHCb және ALICE-ке жіберілді. 5 сәуір 2015 Екі сәуле де колайдерде айналымға келді. 20 мамыр 2015 Протондар LHC-де 13 ТэВ рекордтық соқтығысу энергиясымен соқтығысты. 3 маусым 2015 Жинақталған физикалық деректерді жеткізу басталды, колайдерді қайта іске қосуға кеткен екі жылдан кейін. 13 желтоқсан 2015 2015 жылғы иондық соқтығысулар аяқталды. 23 сәуір 2016 2016 жылғы деректерді алу басталды. 29 маусым 2016 LHC 1.0 · 1034 см−2с−1 жарықшылдығына жетті, бұл оның жобалық мәні. 17 сәуір 2018 2018 жылғы протон-протон соқтығысулары басталды. 12 қараша 2018 ЦЕРН-дегі 2018 жылғы протондық операциялар аяқталды. 3 желтоқсан 2018 2018 жылғы қорғасын иондарымен жүгіру аяқталды.

Табылдылар мен жаңалықтар

Ғылыми зерттеулердің бастапқы мақсаты – физиканың Стандартты моделінің маңызды құрауы, теориялық тұрғыдан болжанған, бірақ жоғары массасы мен ұстау қиындығынан бұрын байқалмаған Хиггс бозонының болу мүмкіндігін зерттеу болды. CERN ғалымдары Стандартты модель дұрыс болған жағдайда, LHC әр минут сайын бірнеше Хиггс бозонын жасайтынын болжады, бұл физиктерге Хиггс бозонының бар екенін нақты растауға немесе оның жоқтығын дәлелдеуге мүмкіндік беретін еді. Бұдан өзге, LHC физиканың әлі белгісіз салалары саналатын суперсимметриялық бөлшектер мен басқа да гипотетикалық бөлшектерді іздеуге де жағдай жасады.

Бірінші рет (мәліметтер 2009-2013 жылдар аралығында алынған)

ALICE детекторда 284 соқтығысу тіркелген LHC-ден алынған алғашқы физикалық нәтижелер 2009 жылдың 15 желтоқсанында жарияланды. Деректерді жинаудың алғашқы жылынан кейін, LHC эксперименталдық коллаборациялары протон-протон соқтығысуларында Стандартты модельден тыс жаңа физиканы іздеуге қатысты алдын ала нәтижелерін жариялауға кірісті. 2010 жылғы деректерде жаңа бөлшектердің болуы анықталған жоқ. Осының нәтижесінде Стандартты модельдің әртүрлі кеңейтімдерінің рұқсат етілген параметрлік кеңістігіне шектеулер қойылды, мысалы, үлкен қосымша өлшемдері бар модельдер, Минималды суперсимметриялық Стандартты модельдің шектеулі нұсқалары және тағы да басқалары. 2011 жылдың 24 мамырында LHC-де кварк-глюон плазмасы (қара тесіктерден басқа ең тығыз материя деп есептелетін) жасалғаны туралы хабарланды. және Мумбай қалаларында. Соңғы конференцияда, бұрынғы деректерде Хиггс сигналының көрінуіне қарамастан, ATLAS және CMS коллаборациялары 95% сенімділік деңгейінде (CLs әдісін қолдана отырып) 145 және 466 ГэВ арасындағы массалық аймақтың көп бөлігінде Стандартты модельдің болжаған қасиеттеріне ие Хиггс бозонының болуын жоққа шығарды. Жаңа бөлшектерді іздеу де нәтиже бермеді, бұл Стандартты модельдің әртүрлі кеңейтімдерінің, оның ішінде оның суперсимметриялық кеңейтімдерінің параметрлік кеңістігін одан әрі шектеуге мүмкіндік берді. 2011 жылдың 13 желтоқсанында CERN Стандартты модельдегі Хиггс бозонының, егер ол бар болса, 115–130 ГэВ аралығында массасы болуы мүмкін екенін хабарлады. CMS және ATLAS детекторлары да 124–125 ГэВ диапазонында интенсивтілік шыңдарын көрсетті, бұл фондық шумен немесе Хиггс бозонының байқалуымен сәйкес келеді. 2011 жылдың 22 желтоқсанында χb (3P) бонтоний күйіндегі жаңа композиттік бөлшектің байқалғаны туралы хабарланды. 2013 жылдың 14 наурызында CERN байқалған бөлшектің нақтыда болжанған Хиггс бозоны екенін растады. 2012 жылдың 8 қарашасында LHCb тобы физикадағы суперсимметрия теориясын сынаудың "алтын" стандарты ретінде қарастырылған эксперимент туралы хабарлады. Бұл нәтиже кейіннен CMS коллаборациясымен расталды. 2013 жылдың тамызында LHCb тобы стандартты модельмен болжауға болмайтын B мезонының ыдырау өнімдерінің бұрыштық үлестіріліміндегі аномалияны анықтады; бұл аномалияның статистикалық маңыздылығы 4,5 сигманы құрады, ресми түрде ашылу ретінде тану үшін қажетті 5 сигмадан сәл кем. Бұл аномалияның себебі белгісіз, бірақ Z' бозоны мүмкін кандидат ретінде ұсынылды. 2014 жылдың 19 қарашасында LHCb эксперименті екі жаңа ауыр субатомдық бөлшектің табылуын жариялады. Олардың екеуі де бір төменгі, бір төмен және бір таңғажайып кварктан тұратын бариондар. Олар төменгі Xi барионының қозған күйлері. LHCb коллаборациясы 1-ші қанағаттандыру деректерінде бірнеше экзотикалық адрондарды, мүмкін пентакварктар немесе тетракварктарды байқады. 2014 жылдың 4 сәуірінде коллаборация 13,9 сигмадан жоғары маңыздылығы бар Z(4430) тетракварк кандидатының бар екенін растады. 2015 жылдың 13 шілдесінде төменгі Ламбда бариондарының (Λ) ыдырауында пентакварк күйлеріне сәйкес келетін нәтижелер туралы хабарланды. 2016 жылдың 28 маусымында коллаборация төрт тетракварк сияқты бөлшектердің J/ψ және φ мезонына ыдырауын жариялады, олардың біреуі ғана бұрын жақсы анықталған (X(4274), X(4500), X(4700) және X(4140)). 2016 жылдың желтоқсан айында ATLAS Tevatron-да жасалған талдаулардың дәлдігін зерттеу үшін W бозонының массасын өлшеу нәтижелерін ұсынды.

Екінші рет (2015-2018 жж.)

Шілдеде өткен EPS HEP 2015 конференциясында серіктестер бірнеше бөлшектердің жоғары соқтығысу энергиясындағы бірінші көлденең қима өлшемдерін ұсынды. 2015 жылдың 15 желтоқсанында ATLAS және CMS эксперименттері 13 ТэВ протондық соқтығысу деректерін пайдалана отырып, Хиггс физикасы, суперсимметрия (SUSY) іздеулері және экзотикалық іздеулер бойынша бірқатар алдын ала нәтижелер туралы хабарлады. Екі экспериментте де екі фотонның инвариантты массалық спектрінде шамамен 750 ГэВ шамасында орташа артық байқалды, бірақ эксперименттер 2016 жылдың тамызындағы есепте гипотетикалық бөлшектің бар екенін растамады. 2017 жылдың шілдесінде 2016 жылы жиналған үлкен деректер жиынтығына негізделген көптеген талдаулар көрсетілді. Хиггс бозонының қасиеттері егжей-тегжейлі зерттелді және көптеген басқа нәтижелердің дәлдігі жақсартылды. 2021 жылдың наурызына дейін LHC эксперименттері алғашқы екі рет жиналған деректерде 59 жаңа адронды тапты. 2022 жылдың 5 шілдесінде LHCb зарядталған B мезондарының ыдырауын талдау барысында байқалған шарм кварк пен шарм антикварктан, сондай-ақ жоғары, төмен және ерекше кварктан тұратын жаңа типті пентакварктың ашылғанын хабарлады.

"Жоғары жарықтылық" жаңарту

Бірнеше жыл жұмыс істегеннен кейін, кез келген бөлшектер физикасы эксперименті әдетте өнімділігінің төмендеуіне ұшырайды: құрылғыға қолжетімді негізгі нәтижелер аяқталып қалғанда, кейінгі жылдарғы жұмыс алдыңғы жылдармен салыстырғанда пропорционалды түрде аз табыс әкеледі. Көбінесе бұл құрылғыларды жаңарту арқылы шешіледі, әдетте соқтығысу энергиясын, жарықтылығын арттау немесе детекторларды жақсарту жолымен. 14 ТэВ-қа дейін соқтығысу энергиясын арттыру мүмкіндігімен қатар, 2018 жылдың маусым айында басталған LHC жарықтылығын жаңарту – Жоғары Жарықтылықтағы Үлкен Адрондық Коллайдер – 2027 жылдан бастап физикадағы жаңа ашылымдарға жеделдеткіштің мүмкіндіктерін арттырады. Жаңартутың мақсаты машинаның жарықтылығын 10 есеге арттыру, 1035 см−2с−1 дейін жеткізу, бұл сирек процестерді байқау мүмкіндігін жақсартады және статистикалық мағынасы шектеулі өлшемдердің дәлдігін арттырады.

Бөлшектердің соқтығысу қауіпсіздігі

Үлкен адрондық коллайдердегі тәжірибелер бөлшектердің соқтығысуының қасіретті құбылыстарға, тұрақты микроскопиялық қара тесіктердің пайда болуына немесе «странгелеттер» деп аталатын гипотетикалық бөлшектердің тууына әкелуі мүмкін деген қауіпті тудырды. CERN тапсырысымен жасалған екі қауіпсіздік сараптамасы осы алаңдаушылықтарды қарастырып, LHC-дегі тәжірибелердің ешқандай қауіп төндірмейтіні және алаңдауға негіз жоқ деген қорытындыға келді, бұл қорытынды Америка физикалық қоғамымен бекітілді. Бұл есептерде сондай-ақ, LHC және оған ұқсас эксперименттердегі физикалық жағдайлар мен соқтығысу оқиғалары ғаламда зиянсыз салдарларсыз табиғи және үнемі жүріп жатқаны, 2022 жылға қарай YouTube-та 8 миллионнан астам қаралымға жеткені айтылды. «Les Horribles Cernettes» тобы CERN-дегі әйелдер құрған. Атауының бас әріптері LHC-тің бас әріптерімен сәйкес келу үшін таңдалды. National Geographic Channel-дың «World's Toughest Fixes» телешоуының 2-ші маусымындағы (2010) 6-шы бөлімі «Атомды ұрып-соғушы» деген тақырыпта 2008 жылғы өшіру оқиғасынан кейін коллайдерді жөндеу кезінде соңғы суперөткізгіш магнит бөлімін ауыстыруды көрсетті. Бұл бөлімде жөндеу орталығынан коллайдердің ішкі бөлігіне дейінгі нақты түсірілімдер, сондай-ақ LHC-нің функциясы, инженериясы және мақсаты туралы түсіндірмелер бар. The Fray тобының 2012 жылғы «Scars & Stories» студиялық альбомынан шыққан «Munich» әні LHC-ге шабыттандырды. Топтың жетекші әншісі Айзек Слэйд The Huffington Post сайтына берген сұхбатында: «Швейцарияда ғалымдарға гравитация мен массаның неден тұратынын анықтауға көмектесетін үлкен бөлшектер соқтығыстырғышы бар. Өте маңызды сұрақтар туындап жатыр, тіпті Эйнштейн ұсынған, ондаған жылдар бойы қабылданып келген кейбір идеялар да күмәндануға ұшырап жатыр. Олар, негізінен, бәрін байланыстыратын «Құдай бөлшегін» іздеп жатыр. Бұл ән біздің барлығымыздың не үшін осында екеніміз және бізді бірге ұстап тұрған нәрсе туралы ойларға толы» деді. Үлкен адрондық коллайдер 2012 жылғы «Decay» атты студенттік фильмнің негізгі тақырыбы болды, ол CERN-нің техникалық қызмет көрсету туннельдерінде түсірілді.

Көркем әдебиет

Дэн Браунның "Фарештәлер мен жындар" романында Ватиканға қарсы қару ретінде пайдалану үшін LHC-де жасалған антиматерия туралы сөз болады. Оған жауап ретінде CERN "Шындық па, әлде қиял ма?" атты мақала жариялады, онда кітаптағы LHC, CERN және жалпы бөлшектер физикасының бейнеленуінің дәлдігі талқыланды. Кітаптың фильмге түсірілген нұсқасында LHC-дегі эксперименттердің бірінде түсірілген кадрлар бар; режиссер Рон Ховард оқиғадағы ғылымды дәлдеу үшін CERN сарапшыларымен кездесті. Роберт Дж. Сойердің "Флешфорвард" романы LHC-де ХИГГС бозонын іздеумен айналысады. CERN "Ғылым және фантастика" бетінде Сауермен және физиктермен кітап пен оған негізделген телесериал туралы сұхбат жүргізді.