10 сентября средства массовой информации всего мира сообщили о запуске крупнейшего в мире ускорителя на встречных пучках, Большого Адронного Коллайдера. Эта машина откроет для физики микромира принципиально новые возможности.

Поначалу она будет разгонять только протоны – до энергии 7 ТэВ, 7 триллионов электронвольт. Эти частицы будут претерпевать лобовые столкновения, в каждом из которых выделится порция энергии в 14 триллионов электронвольт. Позднее БАК станет сталкивать и тяжелые ионы, причем полная эффективная энергия их соударений достигнет 1150 ТэВ.

Аэрофотография ЦЕРНа и прилегающих территорий Франции и Швейцарии

Процесс ускорения будет многоступенчатым. Протоны наберут 50 миллионов электронвольт в линейном ускорителе, а затем пройдут через три синхротрона, которые последовательно увеличат их энергию до 1,4, 26 и 450 миллиардов электронвольт. Затем пучки протонов поступят в главное кольцо БАК и и будут там разгоняться во встречных направлениях в двух камерах, окруженных сверхпроводящими магнитами, охлаждаемыми жидким гелием. Собственно эксперименты будут проводиться в выделенных зонах главного кольца, соседствующих с детекторами элементарных частиц. Там установлены системы управляющих магнитов, которые сводить протоны с круговых путей и направлять их навстречу друг другу. В течение одной секунды будет происходить около 40 миллионов подобных встреч, в каждой из которой примет участие сотня миллиардов частиц. Практически все они проскочат мимо друг друга, так что в среднем каждая встреча закончится всего двадцатью пятью реальными столкновениями (физики называют их неупругими). Однако в перерасчете на секунду это число окажется вовсе не маленьким – порядка миллиарда. Если учесть, что каждое соударение оставляет за собой ливень из множества частиц, становится ясно, что анализ экспериментальных данных потребует гигантских усилий электронных мозгов. Эти вычисления будут распределены по компьютерным центрам многих стран, в том числе и России.

БАК оснащен шестью детекторными комплексами. Два крупнейших детектора, ATLAS и CMS, предназначены для сбора максимально разнообразной информации о частицах. Фактически они будут отслеживать одни и те же превращения, но различными методами. ATLAS – это 7000-тонный многослойный цилиндр 46-метровой длины и 25-метрового диаметра. Детекторный комплекс CMS несколько меньше – длина 21 метр, диаметром 16 метров, в 12500 тонн. В общем, масштаб этих гигантских приборов вполне сопоставим с масштабом самого коллайдера. Остальные четыре детектора не столь велики и более специализированы.

СMS детектор для БАК

10 сентября БАК только прокрутил по несколько раз в обоих направлениях главного кольца очень разреженные протонные сгустки, поступившие из первичного ускорительно каскада. Вот что происходит сейчас и планируется на будущее по словам одного из руководителей проекта исследований на детекторе CMS, профессора физики Мэрилендского университета Николаса Хэдли (Nicholas Hadley).

Профессор Хэдли

В настоящее время идет проверка аппаратуры главного кольца, которую специалисты называют апертурным сканированием. Предстоит убедиться, что все управляющие системы действуют в штатном режиме и протонные пучки не сбиваются с отведенных им путей. Естественно, что в ходе этих тестов через коллайдер прогоняют протонные пучки очень низкой плотности. По завершении этого этапа, во-первых, предстоит шаг за шагом увеличить количество протонов в каждом сгустке, чтобы в конце концов выйти на расчетную плотность. Во-вторых, надо постепенно довести продолжительность циркуляции протонов до нескольких часов вместо нынешних малых долей секунды. Все это время коллайдер будет действовать только как накопительное кольцо. Это означает, что энергия протонов после закачки останется неизменной, все те же 450 ГэВ, 450 миллиардов электронвольт. Разгоняться они не будут, это следующий этап. Пока что надо добиться стабильной работы коллайдера в накопительном режиме.

Чтобы удостовериться, что цели первой стадии тестирования уже достигнуты и можно не опасаться никаких неожиданностей все режимы работы коллайдера детально просчитаны на компьютерах. Его контролеры будут измерять параметры протонных пучков и сравнивать эти данные с модельными расчетами. Когда они убедятся, что все в полном порядке, можно будет двигаться дальше.

Детекторы уже работают, хотя протонные пучки еще не сталкиваются. Дело в том, что протоны движутся не в идеальном вакууме, такого вообще не бывает. Никакие насосы не могут выгнать из камер коллайдера все без исключения газовые молекулы, что-то всегда остается. Так что протонам есть с чем сталкиваться даже в ходе контрольных прогонов. Детекторы регистрируют вторичные частицы, которые при этом рождаются – вот так их и проверяют. А где-то около 20 сентября детекторы начнут тестировать на регистрацию продуктов столкновений разреженных пучков все еще неускоренных протонов с энергией 450 ГэВ.

Детекторы тестировали еще до запуска коллайдера. Хотя они расположены глубоко под землей, в них попадают частицы космических лучей высоких энергий. С ними детекторы и работали.

Если все пойдет по плану, к моменту официального открытия коллайдера, которое назначено на 21 октября, БАК уже будет действовать в ускорительном режиме, доводя энергию частиц до 5 ТэВ. При этом плотность протонных пучков тоже дойдет до нормы. Тогда машина наконец-то заработает как коллайдер. Протоны будут сталкиваться в лобовых ударах, а детекторы регистрировать осколки этих соударений.

Что касается каких-либо важных открытий на первом этапе, то это мало вероятно по мнению большинства крупных физиков. Во-первых, энергия протонов все еще останется ниже максимума, 5 ТэВ – это все же не 7 (необходимых для получения бозона Хиггса). Кроме того, надо будет заняться окончательным тестированием детекторов теперь уже в коллайдерном режиме, а это серьезная работа. Можно сравнить этот этап с пробным плаванием большого корабля. Оно ведь редко проходит без сучка без задоринки, обычно находятся мелкие неисправности, которые приходится устранять. Так и все системы коллайдера скорее всего будут нуждаться в какой-то доводке. В общем, первых открытий можно ждать только весной, когда коллайдер после зимней остановки полностью войдет в штатный режим как по энергии протонных пучков, так и по их плотности. Вот тогда и начнется самое интересное.

Евгений Биргер