ЦЕРНу нужно больше энергии: как переделают Большой адронный коллайдер

На нерешенные вопросы о происхождении и устройстве Вселенной могут ответить элементарные частицы, существование которых пока не подтверждено. Поиск таких частиц (ShiP, Search for Hidden Particles) подразумевает основательную перестройку Большого адронного коллайдера в ЦЕРН. О том, каким будет БАК после модернизации и как Россия помогает переоснастить крупнейший ускоритель, не будучи ассоциированным членом ЦЕРН, рассказал директор ЦЕРН по ускорителям и технологии Фредерик Бордри на открытой лекции в НИТУ МИСиС.

Нужно больше энергии

Открытие бозона Хиггса – последней из предсказанных Стандартной Моделью фундаментальных частиц – подтвердило успешность этой теории и завершило ее построение. Однако Стандартная модель не может объяснить наличие масс у нейтрино, существование темной материи и асимметрию материи и антиматерии, благодаря которой существует наш материальный мир. Эту область проблем называют физикой за пределами Стандартной модели. Чтобы разрешить эти проблемы, физикам необходимо подтвердить существование еще трех, пока гипотетических, частиц – тяжелых нейтральных лептонов (или майорановских нейтрино).

Основная проблема физики частиц такова: чтобы увидеть больше, необходимо постоянно наращивать энергию столкновения частиц в ускорителях. К примеру, зафиксировать топ-кварк удалось при энергии 2 ТэВ, а бозон Хиггса обнаружили при 8 ТэВ. Чтобы узнать хотя бы что-то о темной материи, других измерениях или антиматерии, необходимо гораздо большее количество энергии.

Именно поэтому ускорители постоянно совершенствуются. На смену устаревшему американскому Теватрону пришел Большой адронный коллайдер (БАК) при ЦЕРН, чья светимость (интенсивность столкновения пучков частиц) в 2011 году превысила светимость Теватрона в девять раз. С 2010 по 2012 год ускоритель работал на 8 ТэВ – именно тогда ученые смогли зафиксировать бозон Хиггса. В настоящее время БАК работает на энергии в 13 ТэВ (примерно 2.1 х10^-6 Дж, например дульная энергия пули при выстреле из АКМ: 2,3·10³ Дж), скрытых тяжелых частиц обнаружено пока не было.

Недавно физикам удалось впервые обнаружить признаки асимметрии между материей и антиматерией при распаде частиц. Конечно, полноценным открытием эту находку называть пока рано. Однако эти результаты вполне могут подтвердиться при более высокой светимости.

Чтобы добиться более сильной светимости, необходимо модернизировать коллайдер. В 2013 году была принята программа усовершенствования БАК под названием HL-LHC. По этой программе планируется переоснастить более 1,2 км БАК. Когда модернизация коллайдера завершится, физики получат десятикратное увеличение числа столкновений частиц. В режиме повышенной светимости экспериментальная установка начнет работать не раньше 2026 года.

Что сделают с БАК

Схема БАК. Pb и P – инжекторы, которые производят заряженные частицы. Затем частицы попадают в PS-бустер и далее в сам PS (протонный синхротрон), приобретая энергию в 28 ГэВ. Ускорение частиц продолжается в SPS (протонный суперсинхротрон. Затем сгусток протонов направляют в главное 26,7-километровое кольцо, где их столкновения фиксируют детекторы ALICE, ATLAS, LHCb и CMS.

Увеличение светимости коллайдера требует увеличения интенсивности пучков и улучшения их фокусировки. Если фокусировку не улучшить, то частицы будут пролетать мимо друг друга. Так называемые «крабовые резонаторы», которые установят в БАК, будут «наклонять» пучки протонов и увеличивать периметр зоны, где они могут встретиться.

БАК оснащен большим количеством магнитов, но лишь малая их часть действительно ускоряет частицы. В основном магниты предназначены для удержания частицы, движущейся с огромной скоростью, внутри коллайдера. Чтобы увеличить светимость коллайдера, необходимо усилить магнитное поле – иначе частица вылетит из ускорителя. Внутри коллайдера планируется установить магниты индукцией 11 Тл (для примера, естественное поле Земли составляет около 0.05 мТл) со сверхпроводящим материалом станнидом триниобия Nb3Sn. Использование этого материала гораздо сложнее и дороже, чем традиционный титанат ниобия NbTi.

Таким будет обновленный БАК

Увеличение мощности коллайдера не гарантирует обнаружения новых частиц. Поэтому эти частицы на коллайдере будут «ловить» параллельно с выполнением более приземленных задач. Для проведения экспериментов модернизируют уже существующий ускоритель SPS (протонный суперсинхротрон) с длиной кольца 6.9 км, который в настоящее время служит для предварительного разгона протонов перед запуском пучка в БАК. Время жизни пучка в коллайдере в среднем 20 часов. В течение этого времени SPS простаивает, и его можно использовать для новых исследований. Энергия разгона протонов сейчас составляет 400 ГэВ. От SPS потребуется, в первую очередь, увеличение энергии пучка до 1 ТэВ.

Планируется основательно поработать над инжектором – низкоэнергетическим ускорителем, который производит заряженные протоны и ионы свинца для дальнейшего ускорения. Сейчас на БАК установлены линейные ускорители Linac 2 и Linac 3. В ЦЕРНе собираются заменить их на новый Linac 4, который увеличит производительность установки вдвое.

В таком виде БАК запустят примерно в 2024 году, и он проработает около 10 лет. После этого его сменит новый 100-километровый ускоритель FCC (Future Circular Collider), который будет построен на базе ЦЕРН.

Как Россия поможет найти скрытые частицы

Россия до сих пор не является ассоциированным членом ЦЕРН, хотя заявка была подана еще в 2013 году. Ассоциированные члены ЦЕРН регулярно поставляют высокотехнологичное оборудование, участвуют в решении организационных вопросов и платят взносы в бюджет организации – меньшие, чем требуются от постоянных членов. Недавно ассоциированным членом ЦЕРНа стала Украина, а вскоре к ней должна присоединиться Индия. О вступлении России в ЦЕРН пока не идет речи. В 2015 году Дмитрий Ливанов, занимавший пост министра образования и науки, утверждал, что этот вопрос «вышел из сферы науки и научной политики и находится в сфере внешней политики». Однако по словам директора ЦЕРН по ускорителям и технологии Фредерика Бордри, наша страна сможет получить ассоциированное членство в ЦЕРНе, если будут достигнуты двусторонние соглашения.

«Я уверен, что Россия прекрасно бы дополнила состав членов ЦЕРН, но когда именно она получит ассоциированное членство, зависит не от нас, а от вашего правительства. Членство в ЦЕРН подразумевает финансовые взносы, поэтому этот вопрос необходимо решать на государственном уровне», — заявил Бордри в интервью «Футуристу».

Доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН Владимир Образцов предполагает, что генеральный директор ЦЕРН Фабиола Джанотти обсудит вопрос об ассоциированном членстве России в ЦЕРН с министром образования и науки России Ольгой Васильевой на рабочей встрече 15 октября в Москве.

Фредерик Бордри подчеркнул, что Россия вносит большой вклад в науку и развитие БАК, не будучи членом ЦЕРН. Россия всегда участвовала в проектах ЦЕРН — в том числе и в модернизации БАК. Ученые из Института ядерной физики им. Г.И.Будкера (Новосибирск) и РФЯЦ-ВНИИТФ (Снежинск) работают над одной из секций нового инжектора Linac 4. Она уже прошла успешные испытания в ЦЕРНе: новое оборудование достигло проектного темпа ускорения и энергии в 100 МэВ. А сотрудники Курчатовского института занимаются исследованием низкотемпературного сверхпроводника Nb3Sn, который будет содержаться в новых магнитах БАК.

Российские ученые продолжают работать над детектором CMS. Ученые МФТИ занимаются созданием нового адронного калориметра для эксперимента CMS, который ЦЕРН планирует обновить к 2022 году. Калориметр, установленный в настоящий момент, не выдержит высоких светимостей. Работа над прототипом нового детектора уже ведется МФТИ совместно с ОИЯИ (Дубна) и МИФИ (Москва). Научная группа НИТУ «МИСиС» также участвует в работах, связанных с калориметром, а также тау-нейтринным детектором и мюонной вето-системой.