Большой адронный коллайдер

   Большой адронный коллайдер, сокращённо БАК — ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в ЦЕРНе (Европейский совет ядерных исследований), находящемся около Женевы, на границе Швейцарии и Франции. БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 тысяч учёных и инженеров из более чем 100 стран.

     «Большим» назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659; «адронным» — из-за того, что он ускоряет адроны, то есть тяжёлые частицы, состоящие из кварков; «коллайдером» — из-за того, что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках столкновения.
 

    Задачи коллайдера

    Современное состояние в физике элементарных частиц

   В конце 1990-х годов физикам удалось разработать Стандартную модель , которая объединяет три из четырёх фундаментальных взаимодействий — сильное, слабое и электромагнитное. Гравитационное взаимодействие по-прежнему описывают в терминах ОТО. Таким образом, в настоящее время фундаментальные взаимодействия описываются двумя общепринятыми теориями: ОТО и СМ. Их объединения пока достичь не удалось из-за трудностей создания теории квантовой гравитации.
 

Поиск Новой физики
 

     Как сказано выше, СМ не может считаться окончательной теорией элементарных частиц. Она должна быть частью некоторой более глубокой теории строения микромира, той частью, которая видна в экспериментах на коллайдерах при энергиях ниже примерно 1 ТэВ. Такие теории коллективно называют «Новая физика» или «За пределами Стандартной модели». Главная задача Большого адронного коллайдера — получить хотя бы первые намеки на то, что это более глубокая теория.

    Для дальнейшего объединения фундаментальных взаимодействий в одной теории используются различные подходы: теория струн, получившая своё развитие в М-теории (теории бран), теория супергравитации, петлевая квантовая гравитация и др. Некоторые из них имеют внутренние проблемы, и ни у одной из них нет экспериментального подтверждения. Проблема в том, что для проведения соответствующих экспериментов нужны энергии, недостижимые на современных ускорителях заряженных частиц.

   БАК позволит провести эксперименты, которые ранее были невозможны и, вероятно, подтвердит или опровергнет часть этих теорий. Так, существует целый спектр физических теорий с размерностями больше четырёх, которые предполагают существование «суперсимметрии» — например, теория струн, которую иногда называют теорией суперструн именно из-за того, что без суперсимметрии она утрачивает физический смысл. Подтверждение существования суперсимметрии, таким образом, будет косвенным подтверждением истинности этих теорий.

 

Изучение топ-кварков
 

    Топ-кварк — самый тяжёлый кварк и, более того, это самая тяжёлая из открытых пока элементарных частиц. Согласно последним результатам Тэватрона, его масса составляет 173,1 ± 1,3 ГэВ/c². Из-за своей большой массы топ-кварк до сих пор наблюдался пока лишь на одном ускорителе — Тэватроне, на других ускорителях просто не хватало энергии для его рождения. Кроме того, топ-кварки интересуют физиков не только сами по себе, но и как «рабочий инструмент» для изучения бозона Хиггса. Один из наиболее важных каналов рождения бозона Хиггса в БАК — ассоциативное рождение вместе с топ-кварк-антикварковой парой. Для того, чтобы надёжно отделять такие события от фона, предварительно необходимо изучение свойств самих топ-кварков.
 

    Изучение механизма электрослабой симметрии

   Диаграммы Фейнмана, показывающие возможные варианты рождения W- и Z-бозонов, которые в совокупности образуют нейтральный бозон Хиггса

  Одной из основных целей проекта является экспериментальное доказательство существования бозона Хиггса — частицы, предсказанной шотландским физиком Питером Хиггсом в 1964 году в рамках Стандартной модели. Бозон Хиггса является квантом так называемого поля Хиггса, при прохождении через которое частицы испытывают сопротивление, представляемое нами как поправки к массе. Сам бозон нестабилен и имеет большу́ю массу (более 120 ГэВ/c²). На самом деле, физиков интересует не столько сам бозон Хиггса, сколько хиггсовский механизм нарушения симметрии электрослабого взаимодействия.

 

Изучение кварк-глюонной плазмы

    Ожидается, что примерно один месяц в год будет проходить в ускорителе в режиме ядерных столкновений. В течение этого месяца коллайдер будет разгонять и сталкивать в детекторах не протоны, а ядра свинца. При неупругом столкновении двух ядер на ультрарелятивистских скоростях на короткое время образуется и затем распадается плотный и очень горячий комок ядерного вещества. Понимание происходящих при этом явлений (переход вещества в состояние кварк-глюонной плазмы и её остывание) нужно для построения более совершенной теории сильных взаимодействий, которая окажется полезной как для ядерной физики, так и для астрофизики.

 

Процесс ускорения частиц в коллайдере
 

    Скорость частиц в БАК на встречных пучках близка к скорости света в вакууме. Разгон частиц до таких больших энергий достигается в несколько этапов. На первом этапе низкоэнергетичные линейные ускорители Linac 2 и Linac 3 производят инжекцию протонов и ионов свинца для дальнейшего ускорения. Затем частицы попадают в PS-бустер и далее в сам PS (протонный синхротрон), приобретая энергию в 28 ГэВ. При этой энергии они уже движутся со скоростью близкой к световой. После этого ускорение частиц продолжается в SPS (протонный суперсинхротрон), где энергия частиц достигает 450 ГэВ. Затем сгусток протонов направляют в главное 26,7-километровое кольцо, доводя энергию протонов до максимальных 7 ТэВ, и в точках столкновения детекторы фиксируют происходящие события. Два встречных пучка протонов при полном заполнении могут содержать 2808 сгустков каждый. На начальных этапах отладки процесса ускорения циркулируют лишь по одному сгустку в пучке длиной несколько сантиметров и небольшого поперечного размера. Затем начинают увеличивать количество сгустков. Сгустки располагаются в фиксированных позициях относительно друг друга, которые синхронно движутся вдоль кольца. Сгустки в определённой последовательности могут сталкиваться в четырёх точках кольца, где расположены детекторы частиц.

    Кинетическая энергия всех сгустков адронов в БАКе при полном его заполнении сравнима с кинетической энергией реактивного самолета, хотя масса всех частиц не превышает нанограмма и их даже нельзя увидеть невооружённым глазом. Такая энергия достигается за счёт скорости частиц, близкой к скорости света. Скорость протонов с энергией 7 ТэВ всего на 3 метра в секунду меньше, чем скорость света (c).

   Благодаря большей энергии по сравнению с предшествовавшими коллайдерами, БАК позволил «заглянуть» в недоступную ранее область энергий и получить научные результаты, накладывающие ограничения на ряд теоретических моделей.
 

    Краткий перечень научных результатов, полученных на коллайдере:

• Открыт Бозон Хиггса, его масса определена как 125,3 ± 0,6 ГэВ;

• При энергиях до 8 ТэВ изучены основные статистические характеристики протонных столкновений — количество рождённых адронов, их распределение по быстроте, бозе-эйнштейновские корреляции мезонов, дальние угловые корреляции, вероятность остановки протона;

• Показано отсутствие асимметрии протонов и антипротонов;

• Обнаружены необычные корреляции протонов, вылетающих в существенно разных направлениях;

• Получены ограничения на возможные контактные взаимодействия кварков;

• Получены более веские, по сравнению с предыдущими экспериментами, признаки возникновения кварк-глюонной плазмы в ядерных столкновениях;

• Исследованы события рождения адронных струй;

• Подтверждено существование топ-кварка, ранее наблюдавшегося только на Тэватроне;

• Обнаружено два новых канала распада Bs-мезонов, получены оценки вероятностей сверхредких распадов B- и Bs-мезонов на мюон-антимюонные пары;

• Получены первые данные протон-ионных столкновений на рекордной энергии, обнаружены угловые корреляции, ранее наблюдавшиеся в протон-протонных столкновениях;

• Объявлено о наблюдении частицы Y(4140), ранее наблюдавшейся лишь на Тэватроне в 2009 г.

• 
  
     Также, были предприняты попытки обнаружить следующие гипотетические объекты:

• Лёгкие чёрные дыры;

• Возбуждённые кварки;

• Суперсимметричные частицы;

• Лептокварки;

• Неизвестные ранее взаимодействия и их частицы-переносчики (например, W'- и Z'-бозоны).
  
  Сгустки проходят полный круг ускорителя быстрее, чем за 0,0001 сек, совершая, таким образом, свыше 10 тыс.     оборотов в секунду.