Большой адронный коллайдер ЦЕРН: крупнейший ускоритель частиц в мире.

Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРН: крупнейший ускоритель частиц в мире. Открытие бозона Хиггса, исследования на энергии 3.5 ТэВ. Наука, физика.

27 мин чтения

100%

Источник: Large Hadron Collider — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Ускоритель частиц в ЦЕРН, Швейцария

Большой адронный коллайдер (LHC) – это крупнейший и самый мощный коллайдер частиц в мире. Он был построен Европейской организацией ядерных исследований (CERN) в период с 1998 по 2008 год в сотрудничестве с более чем 10 000 ученых и сотнями университетов и лабораторий из более чем 100 стран. Он расположен в туннеле длиной в окружность и на глубине, сопоставимой с расстоянием до границы между Францией и Швейцарией вблизи Женевы. Первые столкновения были достигнуты в 2010 году при энергии 3,5 тераэлектронвольта (ТэВ) на пучок, что примерно в четыре раза превышает предыдущий мировой рекорд. Об открытии бозона Хиггса на LHC было объявлено в 2012 году. В период с 2013 по 2015 год LHC был остановлен для модернизации; после этих обновлений он достиг 6,5 ТэВ на пучок (13,0 ТэВ общей энергии столкновения). В конце 2018 года он был остановлен для технического обслуживания и дальнейших модернизаций, а затем вновь запущен в апреле 2022 года, спустя более трех лет. Коллайдер имеет четыре точки пересечения, где сталкиваются ускоренные частицы. Вокруг этих точек расположены девять детекторов, каждый из которых предназначен для регистрации различных явлений. LHC в основном сталкивает протонные пучки, но он также может ускорять пучки тяжелых ионов, например, в столкновениях свинца со свинцом и протонов со свинцом. Цель LHC – предоставить физикам возможность проверить предсказания различных теорий физики частиц, включая измерение свойств бозона Хиггса, поиск большого семейства новых частиц, предсказанных суперсимметричными теориями, и изучение других нерешенных вопросов в физике частиц.

Предыстория

Термин "адрон" относится к субатомным составным частицам, состоящим из кварков, удерживаемых вместе сильным взаимодействием (аналогично тому, как атомы и молекулы удерживаются вместе электромагнитным взаимодействием). Наиболее известными адронами являются барионы, такие как протоны и нейтроны; адроны также включают мезоны, такие как пионы и каоны, которые были обнаружены в ходе экспериментов с космическими лучами в конце 1940-х и начале 1950-х годов. Коллайдер – это тип ускорителя частиц, который сводит вместе два встречных пучка частиц для их столкновения. В физике частиц коллайдеры, хотя и более сложные в строительстве, являются мощным исследовательским инструментом, поскольку они достигают гораздо более высокой энергии центра масс, чем установки с фиксированной мишенью.

Дизайн

Коллайдер находится в круговом туннеле с окружностью в , на глубине от подземного уровня. Изменение глубины было преднамеренным, чтобы уменьшить протяженность туннеля, проходящего под горами Юра, и избежать необходимости прокладки вертикального шахтного доступа в этой области. Выбор туннеля обусловлен стремлением избежать приобретения дорогостоящей земли на поверхности и использовать естественную защиту от фонового излучения, обеспечиваемую земной корой. Широкий бетонный туннель, построенный между 1983 и 1988 годами, ранее использовался для Большого электронно-позитронного коллайдера. Туннель пересекает границу между Швейцарией и Францией в четырех точках, при этом большая его часть расположена во Франции. В наземных зданиях размещено вспомогательное оборудование, такое как компрессоры, вентиляционные системы, управляющая электроника и холодильные установки. Туннель коллайдера содержит две смежные параллельные лучевые линии (или лучевые трубы), каждая из которых содержит пучок, движущийся в противоположном направлении по кольцу. Пучки пересекаются в четырех точках по окружности, где и происходят столкновения частиц. Около 1232 дипольных магнитов удерживают пучки на круговой траектории (см. изображение), а дополнительные 392 квадропольных магнитов используются для фокусировки пучков, причем более мощные квадропольные магниты расположены вблизи точек пересечения для максимизации вероятности взаимодействия при пересечении пучков. Магниты более высокого порядка мультипольности используются для коррекции небольших неточностей в геометрии поля. Всего установлено около 10 000 сверхпроводящих магнитов, при этом масса дипольных магнитов превышает 27 тонн. Для поддержания магнитов, изготовленных из ниобия-титана, покрытого медью, при их рабочей температуре требуется около 96 тонн сверхжидкого гелия-4, что делает БАК крупнейшим криогенным комплексом в мире при температуре жидкого гелия. В БАК используется 470 тонн сверхпроводника NbTi. Во время работы БАК площадка ЦЕРН потребляет около 200 МВт электроэнергии из французской энергосистемы, что, для сравнения, составляет примерно треть потребления энергии города Женевы; ускоритель и детекторы БАК потребляют около 120 МВт. Каждый день работы генерирует 140 терабайт данных. При работе с энергией 6,5 ТэВ на протон, один или два раза в день, когда протоны ускоряются с 450 ГэВ до 6,5 ТэВ, напряженность поля сверхпроводящих дипольных магнитов увеличивается с 0,54 до 7,7 Тесла (Тл). Каждый протон имеет энергию 6,5 ТэВ, что дает общую энергию столкновения 13 ТэВ. При этой энергии протоны имеют фактор Лоренца около 6930 и движутся со скоростью примерно , или примерно на медленнее скорости света (c). Протону требуется менее 90 микросекунд (мкс) для прохождения 26,7 км по главному кольцу. Это приводит к 11 245 оборотам в секунду для протонов, независимо от того, находятся ли частицы на низкой или высокой энергии в главном кольце, поскольку разница в скорости между этими энергиями превышает пятую десятичную долю. Вместо непрерывных пучков протоны группируются в до 2808 пучков, каждый из которых содержит 115 миллиардов протонов, так что взаимодействия между двумя пучками происходят через дискретные интервалы, в основном с интервалом 25 наносекунд (нс), обеспечивая частоту столкновений пучков 40 МГц. В первые годы работы использовалось меньшее количество пучков. Проектная светимость БАК составляет 1034 см−2с−1, которой впервые достигли в июне 2016 года. К 2017 году это значение было увеличено вдвое. Физическая программа БАК в основном основана на столкновениях протонов с протонами. Однако в течение более коротких периодов, обычно около месяца в год, в программу включаются столкновения тяжелых ионов. Хотя рассматриваются и более легкие ионы, основная схема предполагает использование ионов свинца (см. Эксперимент с Большим ионным коллайдером). Ионы свинца сначала ускоряются линейным ускорителем LINAC 3, а кольцо ионов низкой энергии (LEIR) используется для накопления и охлаждения ионов. Затем ионы ускоряются PS и SPS, прежде чем быть введены в кольцо БАК, где они достигают энергии 2,3 ТэВ на нуклон (или 522 ТэВ на ион), что выше, чем энергии, достигаемые Релятивистским коллайдером тяжелых ионов. Целью программы тяжелых ионов является исследование кварк-глюонной плазмы, существовавшей в ранней Вселенной.

The collider is contained in a circular tunnel, with a circumference of , at a depth ranging from underground. The variation in depth was deliberate, to reduce the amount of tunnel that lies under the Jura Mountains to avoid having to excavate a vertical access shaft there. A tunnel was chosen to avoid having to purchase expensive land on the surface and to take advantage of the shielding against background radiation that the Earth's crust provides. The wide concrete lined tunnel, constructed between 1983 and 1988, was formerly used to house the Large Electron–Positron Collider. The tunnel crosses the border between Switzerland and France at four points, with most of it in France. Surface buildings hold ancillary equipment such as compressors, ventilation equipment, control electronics and refrigeration plants. The collider tunnel contains two adjacent parallel beamlines (or beam pipes) each containing a beam, which travel in opposite directions around the ring. The beams intersect at four points around the ring, which is where the particle collisions take place. Some 1,232 dipole magnets keep the beams on their circular path (see image), while an additional 392 quadrupole magnets are used to keep the beams focused, with stronger quadrupole magnets close to the intersection points in order to maximize the chances of interaction where the two beams cross. Magnets of higher multipole orders are used to correct smaller imperfections in the field geometry. In total, about 10,000 superconducting magnets are installed, with the dipole magnets having a mass of over 27 tonnes. About 96 tonnes of superfluid helium 4 is needed to keep the magnets, made of copper clad niobium titanium, at their operating temperature of , making the LHC the largest cryogenic facility in the world at liquid helium temperature. LHC uses 470 tonnes of Nb–Ti superconductor. During LHC operations, the CERN site draws roughly 200 MW of electrical power from the French electrical grid, which, for comparison, is about one third the energy consumption of the city of Geneva; the LHC accelerator and detectors draw about 120 MW thereof. Each day of its operation generates 140 terabytes of data. When running an energy of 6.5 TeV per proton, once or twice a day, as the protons are accelerated from 450 GeV to 6.5 TeV, the field of the superconducting dipole magnets is increased from 0.54 to 7.7 [[Tesla (unit). The protons each have an energy of 6.5 TeV, giving a total collision energy of 13 TeV. At this energy, the protons have a Lorentz factor of about 6,930 and move at about , or about slower than the speed of light (c). It takes less than 90 microseconds (μs) for a proton to travel 26.7 km around the main ring. This results in 11,245 revolutions per second for protons whether the particles are at low or high energy in the main ring, since the speed difference between these energies is beyond the fifth decimal. Rather than having continuous beams, the protons are bunched together, into up to 2,808 bunches, with 115 billion protons in each bunch so that interactions between the two beams take place at discrete intervals, mainly 25 nanoseconds (ns) apart, providing a bunch collision rate of 40 MHz. It was operated with fewer bunches in the first years. The design luminosity of the LHC is 1034 cm−2s−1, which was first reached in June 2016. By 2017, twice this value was achieved. The LHC physics programme is mainly based on proton–proton collisions. However, during shorter running periods, typically one month per year, heavy ion collisions are included in the programme. While lighter ions are considered as well, the baseline scheme deals with lead ions (see A Large Ion Collider Experiment). The lead ions are first accelerated by the linear accelerator LINAC 3, and the Low Energy Ion Ring (LEIR) is used as an ion storage and cooler unit. The ions are then further accelerated by the PS and SPS before being injected into LHC ring, where they reach an energy of 2.3 TeV per nucleon (or 522 TeV per ion), higher than the energies reached by the Relativistic Heavy Ion Collider. The aim of the heavy ion programme is to investigate quark–gluon plasma, which existed in the early universe.

Детекторы

Девять детекторов были построены в больших кавернах, вырытых в точках пересечения Большого адронного коллайдера. Два из них – эксперимент ATLAS и компактный мюонный соленоид (CMS) – являются крупными универсальными детекторами частиц.

Вычислительные и аналитические средства

Данные, полученные на Большом адронном коллайдере (БАК), а также связанные с ним моделирования, оценивались в 200 петабайт в год. Сеть вычислений БАК была построена как часть проекта БАК для обработки огромных объемов данных, ожидаемых в результате столкновений частиц. Это международный совместный проект, представляющий собой компьютерную сетевую инфраструктуру на основе грид-технологий, первоначально соединяющую 140 вычислительных центров в 35 странах (более 170 в более чем 40 странах). Она была разработана CERN для обработки значительного объема данных, генерируемых экспериментами на БАК, с использованием как частных оптоволоконных линий связи, так и высокоскоростных каналов общедоступного Интернета для обеспечения передачи данных из CERN в научные учреждения по всему миру. Сеть вычислений БАК состоит из глобальных федераций в Европе, Азиатско-Тихоокеанском регионе и Америке. Проект распределенных вычислений LHC@home был запущен для поддержки строительства и калибровки БАК. Проект использует платформу BOINC, позволяющую любому пользователю с доступом к Интернету и компьютером под управлением Mac OS X, Windows или Linux использовать время простоя своего компьютера для моделирования траекторий частиц в лучевых трубах. Эта информация позволяет ученым определить оптимальную калибровку магнитов для обеспечения наиболее стабильной орбиты пучков частиц в кольце. В августе 2011 года была запущена вторая программа (Test4Theory), выполняющая моделирование для сравнения с реальными данными испытаний и определения достоверности результатов. К 2012 году были проанализированы данные более 6 квадриллионов (6) столкновений протонов и протонов на БАК. В 2012 году сеть вычислений БАК стала крупнейшей в мире вычислительной сетью, объединяющей более 170 вычислительных центров в глобальной сети, охватывающей более 40 стран.

Эксплуатационная история

Впервые Большой адронный коллайдер (БАК) начал работу 10 сентября 2008 года, но первоначальные испытания были отложены на 14 месяцев – с 19 сентября 2008 года по 20 ноября 2009 года – после инцидента с гашением магнита, который повредил более 50 сверхпроводящих магнитов, их крепления и вакуумную трубу. Во время первого запуска (2010–2013 гг.) БАК сталкивал два встречных пучка частиц: протоны с энергией до 4 тераэлектронвольт (4 ТэВ или 0,64 джоуля) или ядра свинца (574 ТэВ на ядро, или 2,76 ТэВ на нуклон). Среди открытий, сделанных в ходе первого запуска, – долгожданный бозон Хиггса, несколько составных частиц (адронов), таких как состояние боттония χb (3P), первое создание кварк-глюонной плазмы и первые наблюдения крайне редкого распада мезона Bs0 на два мюона (Bs0 → μ+μ−), что поставило под сомнение справедливость существующих моделей суперсимметрии.

Операционные проблемы

Размер Большого адронного коллайдера представляет собой исключительную инженерную задачу с уникальными эксплуатационными проблемами из-за количества энергии, запасенной в магнитах и пучках. В процессе работы общая энергия, запасенная в магнитах, составляет , а общая энергия, переносимая двумя пучками, достигает . Потеря всего лишь одной десятимиллионной части (10−7) пучка достаточна для гашения сверхпроводящего магнита, в то время как каждый из двух отводов пучка должен поглощать эти энергии. Эти энергии переносятся очень небольшим количеством вещества: при номинальных условиях эксплуатации (2808 пучков на пучок, 1,15×1011 протонов на пучок) в трубах пучков содержится 1,0×10−9 грамма водорода, который при стандартных условиях температуры и давления заполнил бы объем одного зерна мелкого песка.

Стоимость

Имея бюджет в 7,5 млрд евро (около 9 млрд долларов США или 6,19 млрд фунтов стерлингов), Большой адронный коллайдер (БАК) является одним из самых дорогих научных приборов. Общая стоимость проекта, как ожидается, составит порядка 4,6 млрд швейцарских франков (SFr) (около 4,4 млрд $, 3,1 млрд €, или 2,8 млрд £) для ускорителя и 1,16 млрд (SFr) (около 1,1 млрд $, 0,8 млрд €, или 0,7 млрд £) для вклада CERN в эксперименты. Строительство БАК было одобрено в 1995 году с бюджетом в 2,6 млрд франков, а также дополнительно 210 млн франков на проведение экспериментов. Однако из-за перерасхода средств, который в ходе крупного обзора в 2001 году был оценен в 480 млн франков для ускорителя и 50 млн франков для экспериментов, а также сокращения бюджета ЦЕРН, дата завершения была перенесена с 2005 года на апрель 2007 года. Сверхпроводящие магниты были ответственны за 180 миллионов SFr увеличения стоимости. Были также дополнительные затраты и задержки из-за инженерных трудностей, возникших при строительстве пещеры для компактного муонного соленоида, а также из-за магнитных опор, которые были недостаточно прочными и не прошли первоначальные испытания (2007) и повреждений от гашения магнита и утечки жидкого гелия (первые испытания, 2008). Поскольку затраты на электроэнергию в летний период ниже, БАК обычно не работает в зимние месяцы, хотя исключения были сделаны в течение зим 2009/10 и 2012/2013 годов, чтобы компенсировать задержки в запуске 2008 года и улучшить точность измерений новой частицы, обнаруженной в 2012 году, соответственно.

Несчастные случаи и задержки на строительстве

25 октября 2005 года Хосе Перейра Лагес, техник, погиб на Большом адронном коллайдере (БАК), когда на него упал транспортируемый распределительный щит. 27 марта 2007 года криогенная магнитная опора, разработанная и предоставленная лабораториями Fermilab и KEK, вышла из строя во время первоначального испытания на давление с участием одной из внутренних триплетных (фокусирующих квадропольных) магнитных сборок БАК. Никто не пострадал. Директор Fermilab Пьер Оддон заявил: «В данном случае мы поражены тем, что пропустили такой простой баланс сил». Дефект присутствовал в исходном проекте и оставался незамеченным в ходе четырех инженерных экспертиз в последующие годы. Анализ показал, что конструкция, сделанная максимально тонкой для улучшения изоляции, оказалась недостаточно прочной, чтобы выдержать силы, возникающие при испытании на давление. Подробности доступны в заявлении Fermilab, с которым согласен CERN. Ремонт поврежденного магнита и усиление восьми идентичных сборок, используемых в БАК, привели к переносу даты запуска, первоначально запланированной на ноябрь 2007 года. 19 сентября 2008 года во время начальных испытаний неисправное электрическое соединение привело к гашению магнита (внезапной потере сверхпроводящих свойств сверхпроводящего магнита из-за нагрева или воздействия электрического поля). Шесть тонн сверхжидкого гелия, используемого для охлаждения магнитов, вырвалось с такой силой, что сорвало с креплений расположенные поблизости 10-тонные магниты, вызвав значительные повреждения и загрязнение вакуумной камеры. Ремонт и проверки безопасности привели к задержке примерно на 14 месяцев. В июле 2009 года были обнаружены две утечки вакуума, и начало эксплуатации было вновь отложено до середины ноября 2009 года. CERN также заявил, что сократит взнос Украины в CERN на 2022 год до суммы, уже переведенной в Организацию, тем самым отказавшись от второй части взноса.

Начальные низкие магнитные токи

В обоих своих запусках (2010–2012 и 2015 годов) Большой адронный коллайдер (LHC) первоначально запускался на энергиях ниже запланированной рабочей, постепенно достигая 2 × 4 ТэВ на первом запуске и 2 × 6,5 ТэВ на втором, что ниже проектной энергии в 2 × 7 ТэВ. Это объясняется тем, что массивные сверхпроводящие магниты требуют значительной «обкатки», чтобы выдерживать высокие токи без потери сверхпроводящих свойств, а высокие токи необходимы для достижения высокой энергии протонов. Процесс «обкатки» заключается в многократном включении магнитов с меньшими токами для выявления возможных гашений или незначительных смещений. Также требуется время для охлаждения магнитов до рабочей температуры около 1,9 К (близкой к абсолютному нулю). Со временем магнит «прирабатывается» и перестает гасить при меньших токах, выдерживая полный проектный ток без гашения. В СМИ CERN описывают этот процесс как «избавление» магнитов от неизбежных микроскопических дефектов в структуре кристаллов и их расположении, которые изначально снижали их способность выдерживать запланированные токи. Таким образом, магниты, со временем и в процессе обкатки, постепенно становятся способными выдерживать полный проектный ток без гашения.

Первые испытания (2008)

Первый луч был пропущен через коллайдер утром 10 сентября 2008 года. ЦЕРН успешно направил протоны по туннелю поэтапно, участками по три километра. Частицы были запущены по часовой стрелке в ускоритель и успешно провели их по кольцу в 10:28 по местному времени. Затем ЦЕРН успешно направил пучок протонов в противоположном направлении, что заняло немного больше времени – полтора часа из-за проблемы с криогенной системой, и полный круг был завершен в 14:59.

Инцидент с тушением

19 сентября 2008 года произошло гашение магнитов в примерно 100 изгибающих магнитах в секторах 3 и 4, в результате чего электрическая неисправность привела к выбросу около шести тонн жидкого гелия (криогенного охладителя магнитов) в туннель. Вырвавшийся пар расширился с взрывной силой, повредив 53 сверхпроводящих магнита и их крепления, а также загрязняя вакуумную трубу, которая потеряла вакуум. Вскоре после инцидента ЦЕРН сообщил, что наиболее вероятной причиной проблемы было неисправное электрическое соединение между двумя магнитами. Оценивалось, что ремонт займет не менее двух месяцев, учитывая время, необходимое для прогрева поврежденных секторов и последующего их охлаждения до рабочей температуры. 5 декабря 2008 года ЦЕРН опубликовал предварительный технический отчет и более подробный отчет. Анализ инцидента, проведенный ЦЕРНом, подтвердил, что причиной действительно была электрическая неисправность. Неисправное электрическое соединение привело (корректно) к аварийному отключению электропитания систем, питающих сверхпроводящие магниты, но также вызвало электрическую дугу (или разряд), которая нарушила герметичность оболочки сверххолодного гелия и вакуумной изоляции, что привело к быстрому росту температуры и давления охладителя сверх возможностей систем безопасности по его удержанию. Эта авария была подробно рассмотрена в статье, опубликованной 22 февраля 2010 года в журнале Superconductor Science and Technology физиком ЦЕРН Лусио Росси. Согласно первоначальному графику ввода в эксплуатацию Большого адронного коллайдера, первые "скромные" столкновения с высокой энергией при энергии в центре масс 900 ГэВ должны были состояться до конца сентября 2008 года, а к концу 2008 года планировалось, что коллайдер будет работать при 10 ТэВ. Однако из-за задержки, вызванной инцидентом, коллайдер был введен в эксплуатацию только в ноябре 2009 года. Несмотря на задержку, LHC был официально открыт 21 октября 2008 года в присутствии политических лидеров, министров науки из 20 государств-членов ЦЕРН, представителей ЦЕРН и членов мирового научного сообщества. Большая часть 2009 года была посвящена ремонту и анализу повреждений, вызванных инцидентом с гашением, а также устранению двух дополнительных утечек вакуума, выявленных в июле 2009 года; это отодвинуло начало операций на ноябрь того же года.

On 19 September 2008, a magnet quench occurred in about 100 bending magnets in sectors 3 and 4, where an electrical fault vented about six tonnes of liquid helium (the magnets' cryogenic coolant) into the tunnel. The escaping vapour expanded with explosive force, damaging 53 superconducting magnets and their mountings, and contaminating the vacuum pipe, which also lost vacuum conditions. Shortly after the incident, CERN reported that the most likely cause of the problem was a faulty electrical connection between two magnets. It estimated that repairs would take at least two months, owing to the time needed to warm up the affected sectors and then cool them back down to operating temperature. CERN released an interim technical report and a more detailed report on 5 December 2008. The analysis of the incident by CERN confirmed that an electrical fault had indeed been the cause. The faulty electrical connection had led (correctly) to a failsafe power abort of the electrical systems powering the superconducting magnets, but had also caused an electric arc (or discharge) which damaged the integrity of the supercooled helium's enclosure and vacuum insulation, causing the coolant's temperature and pressure to rapidly rise beyond the ability of the safety systems to contain it, This accident was thoroughly discussed in a 22 February 2010 Superconductor Science and Technology article by CERN physicist Lucio Rossi. In the original schedule for LHC commissioning, the first "modest" high energy collisions at a centre of mass energy of 900 GeV were expected to take place before the end of September 2008, and the LHC was expected to be operating at 10 TeV by the end of 2008. However, owing to the delay caused by the incident, the collider was not operational until November 2009. Despite the delay, LHC was officially inaugurated on 21 October 2008, in the presence of political leaders, science ministers from CERN's 20 Member States, CERN officials, and members of the worldwide scientific community. Most of 2009 was spent on repairs and reviews from the damage caused by the quench incident, along with two further vacuum leaks identified in July 2009; this pushed the start of operations to November of that year.

Первый запуск (2009 - 2013)

20 ноября 2009 года в туннеле впервые после инцидента циркулировали пучки низкой энергии, а вскоре после этого, 30 ноября, Большой адронный коллайдер (БАК) достиг 1,18 ТэВ на пучок, став самым высокоэнергетическим ускорителем частиц в мире и побив предыдущий рекорд коллайдера Теватрон – 0,98 ТэВ на пучок, который удерживался в течение восьми лет. В начале 2010 года продолжалось увеличение энергии пучков и проводились первые физические эксперименты, направленные на достижение 3,5 ТэВ на пучок, а 30 марта 2010 года БАК установил новый рекорд по энергии столкновений, столкнув протонные пучки с общей энергией 7 ТэВ. Эта попытка была третьей в тот день, после двух неудачных, когда протоны приходилось "выбрасывать" из коллайдера и вводить новые пучки. Это также ознаменовало начало основной исследовательской программы. Первый протонный запуск завершился 4 ноября 2010 года. Запуск с ионами свинца начался 8 ноября 2010 года и закончился 6 декабря 2010 года, что позволило эксперименту ALICE изучать материю в экстремальных условиях, аналогичных тем, что существовали вскоре после Большого взрыва. Изначально ЦЕРН планировал, что БАК будет работать до конца 2012 года с небольшим перерывом в конце 2011 года для увеличения энергии пучка с 3,5 до 4 ТэВ на пучок. В конце 2012 года, в связи с открытием бозона Хиггса в июле 2012 года, отключение было отложено на несколько недель до начала 2013 года, чтобы получить дополнительные данные перед остановкой.

Долгое закрытие 1 (20132015)

13 февраля 2013 года Большой адронный коллайдер (БАК) был остановлен для двухлетнего обновления, получившего название «Долгое отключение 1» (LS1). Это обновление затронуло многие аспекты БАК: обеспечение столкновений при энергии 14 ТэВ, модернизацию его детекторов и предварительных ускорителей (Протонного синхротрона и Суперпротонного синхротрона), а также замену системы вентиляции и кабельной сети, поврежденной высокоэнергетическими столкновениями во время первого запуска. Модернизированный коллайдер начал длительный процесс запуска и тестирования в июне 2014 года: ускоритель протонов-бустер начал работу 2 июня 2014 года, завершилось окончательное соединение между магнитами, и в Протонном синхротроне началась циркуляция частиц 18 июня 2014 года, а через несколько дней первая секция главной сверхпроводящей магнитной системы БАК достигла рабочей температуры. Из-за медленного прогресса в процессе «обучения» сверхпроводящих магнитов было принято решение начать второй запуск с более низкой энергией – 6,5 ТэВ на пучок, что соответствует току в магнитах 11 000 ампер. К 9 декабря 2014 года первые из основных магнитов БАК были успешно обучены, а обучение остальных магнитных секторов было завершено в марте 2015 года.

Процесс 2: второй оперативный процесс (20152018)

5 апреля 2015 года Большой адронный коллайдер (БАК) возобновил работу после двухлетнего перерыва, в течение которого были модернизированы электрические соединения между отклоняющими магнитами для безопасной работы с током, необходимым для 7 ТэВ на пучок (14 ТэВ энергии столкновения). Однако, отклоняющие магниты были настроены лишь на работу с энергией до 6,5 ТэВ на пучок (13 ТэВ энергии столкновения), что и стало рабочей энергией в период с 2015 по 2018 год. Модернизация завершилась столкновением протонов с общей энергией 13 ТэВ. В последующие месяцы коллайдер использовался для протон-протонных столкновений, в ноябре машина переключилась на столкновения ионов свинца, а в декабре началось плановое зимнее отключение. В 2016 году операторы коллайдера сосредоточились на увеличении светимости для протон-протонных столкновений. Проектное значение было достигнуто впервые 29 июня. Общее число столкновений в 2016 году превысило количество столкновений, зарегистрированных в ходе первого запуска (Run 1), при более высокой энергии на столкновение. За протон-протонным запуском последовала четырехнедельная программа столкновений протон-свинцовых ионов. В 2017 году светимость была увеличена еще больше и достигла удвоенного проектного значения. Общее число столкновений также превысило показатели 2016 года.

Долгое закрытие 2 (20182022)

Долгое выключение 2 (LS2) началось 10 декабря 2018 года. Большой адронный коллайдер и весь ускорительный комплекс ЦЕРН проходили техническое обслуживание и модернизацию. Целью модернизации являлась реализация проекта Большого адронного коллайдера высокой светимости (HL LHC), который увеличит светимость в 10 раз. LS2 завершился в апреле 2022 года. Долгое выключение 3 (LS3) в 2020-х годах пройдет до завершения проекта HL LHC.

Третий этап: третий оперативный этап (2022 год)

LHC вновь приступил к работе 22 апреля 2022 года с новой максимальной энергией пучка 6,8 ТэВ (энергией столкновения 13,6 ТэВ), которая была впервые достигнута 25 апреля. Официальный старт третьего периода физических экспериментов состоялся 5 июля 2022 года. Ожидается, что этот период продлится до 2026 года. Помимо более высокой энергии, LHC должен достичь более высокой светимости, которая, как предполагается, еще больше возрастет после модернизации до HL-LHC по завершении третьего периода работы.

График операций

Дата события 10 сентября 2008 года ЦЕРН успешно запустил первые протоны по всей цепи туннеля поэтапно. 19 сентября 2008 года произошел магнитный срыв примерно в 100 изгибающих магнитах в секторах 3 и 4, что привело к потере около 6 тонн жидкого гелия. 30 сентября 2008 года планировались первые "скромные" столкновения с высокой энергией, но они были отложены из-за аварии. 15 декабря 2009 года опубликованы первые научные результаты, охватывающие 284 столкновения в детекторе ALICE. 30 марта 2010 года два пучка столкнулись при 7 ТэВ (3,5 ТэВ на пучок) в LHC в 13:06 по CEST, что ознаменовало начало исследовательской программы LHC. 8 ноября 2010 года начат первый запуск со ионами свинца. 6 декабря 2010 года завершен запуск со ионами свинца. Отключение до начала 2011 года. 13 марта 2011 года начат запуск 2011 года с протоновыми пучками. 21 апреля 2011 года LHC стал самым мощным в мире адронным ускорителем, достигнув пиковой светимости 4,67·1032 см−2с−1, побив предыдущий рекорд Tevatron в 4·1032 см−2с−1, который удерживался в течение одного года. 24 мая 2011 года ALICE сообщил о создании кварк-глюонной плазмы в ходе более ранних столкновений свинца. 17 июня 2011 года эксперименты высокой светимости ATLAS и CMS достигли 1 фб−1 собранных данных. 14 октября 2011 года LHCb достиг 1 фб−1 собранных данных. 23 октября 2011 года эксперименты высокой светимости ATLAS и CMS достигли 5 фб−1 собранных данных. Ноябрь 2011 года второй запуск со ионами свинца. 22 декабря 2011 года впервые обнаружена новая составная частица – мезон боттония χb (3P), наблюдаемый в результате столкновений протонов и протонов в 2011 году. 5 апреля 2012 года начаты первые столкновения со стабильными пучками в 2012 году после зимнего отключения. Энергия увеличена до 4 ТэВ на пучок (8 ТэВ при столкновениях). 4 июля 2012 года впервые обнаружена новая элементарная частица – новый бозон, который "согласуется" с теоретическим бозоном Хиггса. (Впоследствии это было подтверждено как сам бозон Хиггса.) 8 ноября 2012 года впервые наблюдается очень редкий распад мезона Bs на два мюона (Bs0 → μ+μ−), важный тест теорий суперсимметрии, результаты которого (3,5 сигмы) соответствуют Стандартной модели, а не многим ее суперсимметричным вариантам. 20 января 2013 года начат первый запуск столкновений протонов с ионами свинца. 11 февраля 2013 года завершен первый запуск столкновений протонов с ионами свинца. 14 февраля 2013 года начато первое длительное отключение для подготовки коллайдера к более высокой энергии и светимости. Долгое отключение 1. 7 марта 2015 года инжекционные испытания для запуска 2 посылают протоны к LHCb и ALICE. 5 апреля 2015 года оба пучка циркулируют в коллайдере. 20 мая 2015 года протоны столкнулись в LHC при рекордной энергии столкновения 13 ТэВ. 3 июня 2015 года начата передача физических данных после почти двух лет простоя на повторном вводе в эксплуатацию. 13 декабря 2015 года завершены ионные столкновения в 2015 году. 23 апреля 2016 года начат сбор данных в 2016 году. 29 июня 2016 года LHC достиг светимости 1,0 · 1034 см−2с−1, его проектного значения. 17 апреля 2018 года начаты столкновения протонов и протонов в 2018 году. 12 ноября 2018 года завершены протонные операции 2018 года в ЦЕРНе. 3 декабря 2018 года завершен запуск со свинцово-ионными пучками 2018 года.

Date Event 10 Sep 2008CERN successfully fired the first protons around the entire tunnel circuit in stages. 19 Sep 2008Magnetic quench occurred in about 100 bending magnets in sectors 3 and 4, causing a loss of about 6 tonnes of liquid helium. 30 Sep 2008First "modest" high energy collisions planned but postponed due to accident. 15 Dec 2009First scientific results, covering 284 collisions in the ALICE detector. 30 Mar 2010The two beams collided at 7 TeV (3.5 TeV per beam) in the LHC at 13:06 CEST, marking the start of the LHC research programme. 8 Nov 2010Start of the first run with lead ions. 6 Dec 2010End of the run with lead ions. Shutdown until early 2011. 13 Mar 2011Beginning of the 2011 run with proton beams. 21 Apr 2011LHC becomes the world's highest luminosity hadron accelerator achieving a peak luminosity of 4.67·1032 cm−2s−1, beating the Tevatron's previous record of 4·1032 cm−2s−1 held for one year. 24 May 2011ALICE reports that a Quark–gluon plasma has been achieved with earlier lead collisions. 17 Jun 2011The high luminosity experiments ATLAS and CMS reach 1 fb−1 of collected data. 14 Oct 2011LHCb reaches 1 fb−1 of collected data. 23 Oct 2011The high luminosity experiments ATLAS and CMS reach 5 fb−1 of collected data. Nov 2011Second run with lead ions. 22 Dec 2011First new composite particle discovery, the χb (3P) bottomonium meson, observed with proton–proton collisions in 2011. 5 Apr 2012First collisions with stable beams in 2012 after the winter shutdown. The energy is increased to 4 TeV per beam (8 TeV in collisions). 4 Jul 2012First new elementary particle discovery, a new boson observed that is "consistent with" the theorized Higgs boson. (This has now been confirmed as the Higgs boson itself.) 8 Nov 2012 First observation of the very rare decay of the Bs meson into two muons (Bs0 → μ+μ−), a major test of supersymmetry theories, shows results at 3.5 sigma that match the Standard Model rather than many of its super symmetrical variants. 20 Jan 2013Start of the first run colliding protons with lead ions. 11 Feb 2013End of the first run colliding protons with lead ions. 14 Feb 2013Beginning of the first long shutdown to prepare the collider for a higher energy and luminosity. Long Shutdown 1 7 Mar 2015Injection tests for Run 2 send protons towards LHCb & ALICE 5 Apr 2015Both beams circulated in the collider. 20 May 2015Protons collided in the LHC at the record breaking collision energy of 13 TeV. 3 Jun 2015Start of delivering the physics data after almost two years offline for recommissioning. 13 Dec 2015End of ion collisions in 2015 23 Apr 2016Data taking in 2016 begins 29 June 2016The LHC achieves a luminosity of 1.0 · 1034 cm−2s−1, its design value. 17 Apr 2018Start of 2018 proton–proton collisions. 12 Nov 2018End of 2018 proton operations at CERN. 3 Dec 2018End of 2018 lead ion run.

Находки и открытия

Первоначальной целью исследований было выяснение возможности существования бозона Хиггса – ключевого элемента Стандартной модели физики, предсказанного теорией, но до этого момента не обнаруженного из-за его большой массы и неуловимости. Ученые ЦЕРНа оценили, что при верности Стандартной модели Большой адронный коллайдер должен производить несколько бозонов Хиггса каждую минуту, что позволило бы физикам окончательно подтвердить или опровергнуть существование этой частицы. Помимо этого, БАК дал возможность поиска суперсимметричных частиц и других гипотетических частиц, представляющих собой потенциально неизвестные области физики.

Первый запуск (данные 2009-2013 гг.)

Первые физические результаты, полученные на Большом адронном коллайдере (LHC) и включающие 284 столкновения, зарегистрированных детектором ALICE, были опубликованы 15 декабря 2009 года. После первого года сбора данных экспериментальные коллаборации LHC приступили к публикации предварительных результатов поиска новой физики за пределами Стандартной модели в протон-протонных столкновениях. В данных 2010 года не было обнаружено никаких свидетельств существования новых частиц. В результате были установлены ограничения на допустимое параметрическое пространство различных расширений Стандартной модели, таких как модели с большими дополнительными измерениями, ограниченные версии Минимальной суперсимметричной Стандартной модели и другие. 24 мая 2011 года было сообщено о создании кварк-глюонной плазмы (наиболее плотной формы материи, которая, как считается, существует, за исключением черных дыр) на LHC. На конференции в Мумбаи было доложено, что, несмотря на намеки на сигнал Хиггса в более ранних данных, коллаборации ATLAS и CMS исключают с уровнем достоверности 95% (используя метод CLs) существование бозона Хиггса с характеристиками, предсказанными Стандартной моделью, в большей части диапазона масс от 145 до 466 ГэВ. Поиски новых частиц также не дали результатов, что позволило еще больше ограничить параметрическое пространство различных расширений Стандартной модели, включая ее суперсимметричные расширения. 13 декабря 2011 года ЦЕРН сообщил, что бозон Хиггса Стандартной модели, если он существует, с наибольшей вероятностью имеет массу в диапазоне 115–130 ГэВ. Детекторы CMS и ATLAS также показали пики интенсивности в диапазоне 124–125 ГэВ, что согласуется либо с фоновым шумом, либо с наблюдением бозона Хиггса. 22 декабря 2011 года было сообщено об обнаружении новой составной частицы – состояния χb (3P) бонтония. 14 марта 2013 года ЦЕРН объявил о подтверждении того, что наблюдаемая частица действительно является предсказанным бозоном Хиггса. 8 ноября 2012 года команда LHCb представила результаты эксперимента, который рассматривается как "золотой" тест теорий суперсимметрии. Позднее этот результат был подтвержден коллаборацией CMS. В августе 2013 года команда LHCb обнаружила аномалию в угловом распределении продуктов распада B-мезонов, которую нельзя было предсказать в рамках Стандартной модели; статистическая значимость этой аномалии составляла 4,5 сигма, что немного не дотягивает до 5 сигма, необходимых для официального признания открытия. Природа этой аномалии остается неизвестной, однако в качестве возможного кандидата был предложен бозон Z'. 19 ноября 2014 года эксперимент LHCb объявил об открытии двух новых тяжелых субатомных частиц. Обе частицы являются барионами, состоящими из одного b-кварка, одного d-кварка и одного s-кварка. Это возбужденные состояния Си-бариона, содержащего b-кварк. В данных первого запуска коллаборация LHCb наблюдала несколько экзотических адронов, предположительно пентакварков или тетракварков. 4 апреля 2014 года коллаборация подтвердила существование кандидата в тетракварки Z(4430) со статистической значимостью более 13,9 сигма. 13 июля 2015 года были опубликованы результаты, согласующиеся с существованием состояний пентакварка в распадах барионов Λb (лямбда-b). 28 июня 2016 года коллаборация объявила об обнаружении четырех частиц, подобных тетракваркам, распадающихся на J/ψ и φ-мезоны, причем только одна из них была хорошо установлена ранее (X(4274), X(4500), X(4700) и X(4140)). В декабре 2016 года ATLAS представил измерение массы W-бозона, оценивая точность анализов, выполненных на Теватроне.

The first physics results from the LHC, involving 284 collisions which took place in the ALICE detector, were reported on 15 December 2009. After the first year of data collection, the LHC experimental collaborations started to release their preliminary results concerning searches for new physics beyond the Standard Model in proton–proton collisions. No evidence of new particles was detected in the 2010 data. As a result, bounds were set on the allowed parameter space of various extensions of the Standard Model, such as models with large extra dimensions, constrained versions of the Minimal Supersymmetric Standard Model, and others. On 24 May 2011, it was reported that quark–gluon plasma (the densest matter thought to exist besides black holes) had been created in the LHC. and Mumbai. In the latter conference, it was reported that, despite hints of a Higgs signal in earlier data, ATLAS and CMS exclude with 95% confidence level (using the CLs method) the existence of a Higgs boson with the properties predicted by the Standard Model over most of the mass region between 145 and 466 GeV. The searches for new particles did not yield signals either, allowing to further constrain the parameter space of various extensions of the Standard Model, including its supersymmetric extensions. On 13 December 2011, CERN reported that the Standard Model Higgs boson, if it exists, is most likely to have a mass constrained to the range 115–130 GeV. Both the CMS and ATLAS detectors have also shown intensity peaks in the 124–125 GeV range, consistent with either background noise or the observation of the Higgs boson. On 22 December 2011, it was reported that a new composite particle had been observed, the χb (3P) bottomonium state. On 14 March 2013, CERN announced confirmation that the observed particle was indeed the predicted Higgs boson. On 8 November 2012, the LHCb team reported on an experiment seen as a "golden" test of supersymmetry theories in physics, The result was later confirmed by the CMS collaboration. In August 2013, the LHCb team revealed an anomaly in the angular distribution of B meson decay products which could not be predicted by the Standard Model; this anomaly had a statistical certainty of 4.5 sigma, just short of the 5 sigma needed to be officially recognized as a discovery. It is unknown what the cause of this anomaly would be, although the Z' boson has been suggested as a possible candidate. On 19 November 2014, the LHCb experiment announced the discovery of two new heavy subatomic particles, and Both of them are baryons that are composed of one bottom, one down, and one strange quark. They are excited states of the bottom Xi baryon. The LHCb collaboration has observed multiple exotic hadrons, possibly pentaquarks or tetraquarks, in the Run 1 data. On 4 April 2014, the collaboration confirmed the existence of the tetraquark candidate Z(4430) with a significance of over 13.9 sigma. On 13 July 2015, results consistent with pentaquark states in the decay of bottom Lambda baryons (Λ) were reported. On 28 June 2016, the collaboration announced four tetraquark like particles decaying into a J/ψ and a φ meson, only one of which was well established before (X(4274), X(4500) and X(4700) and X(4140)). In December 2016, ATLAS presented a measurement of the W boson mass, researching the precision of analyses done at the Tevatron.

Второй тур (20152018)

На конференции EPS HEP 2015 в июле коллаборации представили первые измерения сечений взаимодействия нескольких частиц при более высокой энергии столкновения. 15 декабря 2015 года эксперименты ATLAS и CMS сообщили о ряде предварительных результатов по физике Хиггса, поиску суперсимметрии (SUSY) и поиску экзотических частиц, используя данные о протонных столкновениях с энергией 13 ТэВ. В обоих экспериментах наблюдался умеренный избыток около 750 ГэВ в спектре инвариантной массы двух фотонов, однако в отчете за август 2016 года эксперименты не подтвердили существование гипотетической частицы. В июле 2017 года были представлены многочисленные анализы, основанные на большом объеме данных, собранном в 2016 году. Свойства бозона Хиггса были изучены более детально, а точность многих других результатов была повышена. По состоянию на март 2021 года эксперименты на Большом адронном коллайдере (LHC) обнаружили 59 новых адронов в данных, собранных в ходе первых двух кампаний. 5 июля 2022 года коллаборация LHCb сообщила об открытии нового типа пентакварка, состоящего из c-кварка, c-антикварка, а также u-, d- и s-кварков, наблюдаемого при анализе распадов заряженных B-мезонов.

"Высокая яркость"

После нескольких лет эксплуатации любой эксперимент в области физики частиц обычно начинает демонстрировать уменьшение эффективности: по мере получения основных результатов, достижимых с помощью установки, последующие годы работы приносят пропорционально меньше новых открытий, чем предыдущие. Распространенным решением является модернизация оборудования, как правило, за счет увеличения энергии столкновений, светимости или совершенствования детекторов. Помимо возможного увеличения энергии столкновений до 14 ТэВ, в июне 2018 года была начата модернизация светимости Большого адронного коллайдера, получившая название Большой адронный коллайдер высокой светимости (HL-LHC), которая повысит потенциал ускорителя для новых открытий в физике, начиная с 2027 года. Цель модернизации – увеличить светимость установки в 10 раз, до 1035 см−2с−1, что позволит лучше наблюдать редкие процессы и повысить статистическую значимость измерений.

Безопасность столкновений частиц

Эксперименты на Большом адронном коллайдере вызвали опасения, что столкновения частиц могут привести к явлениям, предвещающим конец света, включая образование стабильных микроскопических чёрных дыр или создание гипотетических частиц, называемых стрэнджлетами. Два обзора безопасности, заказанных CERN, изучили эти опасения и пришли к выводу, что эксперименты на LHC не представляют опасности и нет оснований для беспокойства, что было одобрено Американским физическим обществом. В отчётах также отмечалось, что физические условия и события столкновений, существующие на LHC и в подобных экспериментах, происходят естественным образом и регулярно во Вселенной без каких-либо опасных последствий, и набрали более 8 миллионов просмотров на YouTube по состоянию на 2022 год. Группа Les Horribles Cernettes была основана женщинами из CERN, а название было выбрано так, чтобы совпадать с инициалами LHC. В 6-м эпизоде ("Атомный дробитель") 2-го сезона (2010) телешоу National Geographic Channel "Самые сложные ремонты в мире" показана замена последнего сверхпроводящего магнитного сектора при ремонте коллайдера после сбоя 2008 года. В эпизоде представлены реальные кадры из ремонтного цеха и изнутри коллайдера, а также объяснения принципа работы, инженерных решений и назначения LHC. Песня "Munich" из студийного альбома 2012 года "Scars & Stories" группы The Fray вдохновлена LHC. Вокалист Айзек Слэйд в интервью The Huffington Post сказал: "В Швейцарии есть большой коллайдер частиц, который помогает ученым приоткрыть завесу над тем, что создает гравитацию и массу. Возникают очень важные вопросы, даже некоторые идеи Эйнштейна, которые принимались как данность десятилетиями, начинают подвергаться сомнению. Они ищут "Божественную частицу", по сути, частицу, которая удерживает всё вместе. Эта песня – о тайне нашего существования и о том, что всё это связывает". Большой адронный коллайдер стал центральной темой студенческого фильма 2012 года "Упадок", который был снят непосредственно в служебных тоннелях CERN.

The experiments at the Large Hadron Collider sparked fears that the particle collisions might produce doomsday phenomena, involving the production of stable microscopic black holes or the creation of hypothetical particles called strangelets. Two CERN commissioned safety reviews examined these concerns and concluded that the experiments at the LHC present no danger and that there is no reason for concern, a conclusion endorsed by the American Physical Society. The reports also noted that the physical conditions and collision events that exist in the LHC and similar experiments occur naturally and routinely in the universe without hazardous consequences, surpassed 8 million YouTube views as of 2022. The band Les Horribles Cernettes was founded by women from CERN. The name was chosen so to have the same initials as the LHC. National Geographic Channel's World's Toughest Fixes, Season 2 (2010), Episode 6 "Atom Smasher" features the replacement of the last superconducting magnet section in the repair of the collider after the 2008 quench incident. The episode includes actual footage from the repair facility to the inside of the collider, and explanations of the function, engineering, and purpose of the LHC. The song "Munich" off of the 2012 studio album Scars & Stories by The Fray is inspired by the LHC. Lead singer Isaac Slade said in an interview with The Huffington Post, "There's this large particle collider out in Switzerland that is kind of helping scientists peel back the curtain on what creates gravity and mass. Some very big questions are being raised, even some things that Einstein proposed, that have just been accepted for decades are starting to be challenged. They're looking for the God Particle, basically, the particle that holds it all together. That song is really just about the mystery of why we're all here and what's holding it all together, you know?" The Large Hadron Collider was the focus of the 2012 student film Decay, with the movie being filmed on location in CERN's maintenance tunnels.

Художественная литература

Роман "Ангелы и демоны" Дэна Брауна повествует об антиматерии, созданной в Большом адронном коллайдере (БАК) для использования в качестве оружия против Ватикана. В ответ ЦЕРН опубликовал страницу "Факт или вымысел?", в которой обсуждается достоверность изображения БАК, ЦЕРН и физики частиц в целом, представленного в книге. В экранизации романа есть кадры, снятые непосредственно на одном из экспериментов БАК; режиссер Рон Говард консультировался с экспертами ЦЕРН, чтобы повысить научную точность сюжета. В романе "Флэшфорвард" Роберта Дж. Сойера речь идет о поисках бозона Хиггса на БАК. ЦЕРН опубликовал страницу "Наука и фантастика", на которой были представлены интервью с Сойером и физиками, посвященные книге и основанному на ней телесериалу.