После двухлетнего перерыва вновь запущен крупнейший научный прибор на планете – Большой адронный коллайдер. Ускоритель, с помощью которого был найден бозон Хиггса, бил остановлен в феврале 2013 года, а 5 апреля 2015 года в его 27-километровой концентрической трубе, лежащей на глубине нескольких десятков метров на границе Швейцарии и Франции, вновь пролетели первые пучки протонов. Коллайдер закрывали для того, чтобы усовершенствовать прибор и увеличить его мощность. Теперь протоны будут сталкиваться в ускорителе с энергией в 13 ТэВ – почти в два раза выше, чем во время предыдущего сеанса работы.
Коллайдер незадолго до первого запуска
Большой адронный коллайдер предназначен для ускорения пучков, состоящих из положительно заряженных элементарных частиц – протонов, и их последующего столкновения. Работает он примерно так. Сначала у атомов водорода, состоящих из одного электрона и одного протона, удаляют электронную оболочку. Оставшиеся ядра ускоряют электрическим полем, объединяют в пучки и последовательно разгоняют в нескольких кольцевых ускорителях. Когда скорость пучков почти достигает скорости света, дальнейший разгон частиц становится невозможен, но начинает расти их масса – согласно формуле Эйнштейна, это почти то же самое, что и энергия. Когда пучки приобретают достаточно высокую энергию, их запускают в основное кольцо Большого адронного коллайдера. Пучки разделяются на два потока, которые попадают в две тонкие концентрические трубки, каждая длиной примерно в 27 километров. Половина протонных пучков движется по своей трубе по часовой стрелке, вторая половина летит по своей против часовой стрелки. Двигаться по кругу пучки заставляют более тысячи сверхмощных электромагнитов, которые немного отклоняют траектории протонов. В четырех местах трубки пересекаются, именно здесь происходит главное – столкновение пучков.
Один из детекторов БАК
Энергия столкновения равна удвоенной энергии каждого из летящих навстречу друг с другом почти со световой скоростью протонов. В результате их коллизии рождаются сотни других элементарных частиц, и именно эти осколки регистрируют находящиеся в местах пересечения трубок детекторы. Чем выше энергия столкновения, тем более тяжелые (то есть обладающие более высокой энергией) частицы могут родиться в его результате. Обычно массивные частицы живут всего мгновение и распадаются на составляющие. Однако, проанализировав продукты распада, ученые все же могут сделать вывод, что на коллайдере обнаружена искомая тяжелая частица.
Во время экспериментов 2011–2012 годов энергия пучков на Большом адронном коллайдере достигала около 3,5 МэВ (мегаэлекронвольт), а суммарная энергия столкновения – примерно 7 МэВ. Этого оказалось вполне достаточно, чтобы обнаружить среди продуктов коллизии следы бозона Хиггса – теоретически предсказанной частицы, существование которой предполагала базовая азбука материи, так называемая Стандартная модель. Но для того, чтобы еще глубже разобраться в устройстве материи, понять, какие механизмы использует природа за пределами Стандартной модели, физикам нужна была еще большая энергия.
Научный обозреватель Радио Свобода связался с физиком-экспериментатором Константином Томсом, работающим на Большом адронном коллайдере еще со времен его строительства, и узнал, за счет чего удалось увеличить мощность ускорителя, как можно тренировать магниты, найдутся ли на БАК частицы темной материи и подтверждение теории струн и какого размера будут коллайдеры будущего.
– Что сейчас происходит на коллайдере?
– Прошли первые два пучка протонов в обоих направлениях, впервые за два года мы увидели их следы в наших детекторах, хотя это были пока что не следы столкновений – столкновения еще не происходят. Пучки были с маленькой энергией, 450 ГэВ, тем не менее теперь Большой адронный коллайдер готов к работе. В течение следующих двух месяцев мы будем постепенно поднимать энергию до расчетной, то есть до 6,5 ТэВ на пучок. В начале июля ожидаются первые столкновения, и они произойдут с самой большой энергией в истории – 13 ТэВ.
– Запуск коллайдера был отложен из-за короткого замыкания. Сообщалось, что кусок металла попал в узел одного из магнитов. Что произошло?
Один из магнитов БАК
– Да, там действительно был совсем небольшой кусочек металла, но его сложно было достать, потому что магнит был уже охлажден до температуры чуть меньше 2 кельвинов (почти абсолютный ноль – около -270 градусов Цельсия. – РС) и просто так туда было не влезть. Если бы пришлось доставать этот обломок вручную (его удалось выдуть с помощью струи газа. – РС), нужно было бы магнит размораживать, а потом снова охлаждать – все это могло занять больше месяца. Дело в том, что каждый магнит после охлаждения проходит процедуру так называемой тренировки. Магниты – как люди, все разные, и не все они сразу же выдерживают расчетный ток. По идее в каждом магните на коллайдере должен течь ток в 11 тысяч ампер, но на практике при первом охлаждении токи получаются меньше. А вот если многократно доводить ток до критического, до так называемого срыва сверхпроводимости, то магнит сам по себе становится все лучше, в нем выравниваются какие-то неоднородности, между прочим, мы не до конца понимаем, как и почему это происходит. И таких тренировок нужно провести десятки, прежде чем магнит придет в положенное ему состояние.
– Поэтому доработка коллайдера для работы с новыми мощностями заняла столько времени – два года?
– Не только поэтому. За эти два года было сделано очень много всего. У нас 1232 магнита, 18 из них были полностью заменены на новые. Была улучшена система охлаждения. Были улучшены системы защиты от срыва сверхпроводимости. Последнее связано вот с чем: пучок – довольно капризная вещь, он часто теряется в коллайдере, это, в общем-то, штатная ситуация. Если что-то идет не так, срабатывает специальная система гашения, но бывает, что она не включается, и тогда пучок может ударить прямо в один из магнитов. Магнит мгновенно переходит из сверхпроводящего состояния в обычное, и выделяется огромная энергия. Ее нужно вывести, иначе магнит просто разрушится. И вот система, которая такие ситуации не допускает, была улучшена на каждом магните. Наконец, еще одно усовершенствование: пучок в коллайдере циркулирует в тоненькой трубке, у нее диаметр всего-то пять сантиметров. А состоит он из положительно заряженных протонов. И вот во время работы БАКа в 2011–2012 годах обнаружилось, что протонные пучки как бы вытаскивают электроны со стенок трубы, в итоге трубка оказывается заполненной своего рода электронным газом – это сильно мешало работе. Теперь же трубу покрыли изнутри специальным материалом, ожидается, что этот неприятный эффект будет проявляться намного меньше.
– Значительное – почти в два раза – увеличение энергии пучков получается за счет таких вот относительно небольших улучшений?
– Да, именно так и есть. На самом деле, еще в первом сеансе ускоритель работал не на полную мощность. За два года его, грубо говоря, подкрутили, довели до изначальной проектной мощности. Точнее, почти до нее – проектная мощность была 14 ТэВ. И мы могли бы добиться этого значения, но нужно было бы еще больше тренировать наши магниты, это заняло бы, может быть, еще год. Решили, что 13 ТэВ – оптимальное решение по соотношению между временем и трудозатратами, с одной стороны, и научной целесообразностью – с другой.
– Коллайдер теперь станет потреблять на 20 процентов больше электроэнергии, чем раньше, готовой счет за электричество, как предполагается, составит 60 миллионов евро. Но энергия пучков увеличилась намного больше чем на 20 процентов.
– Да, тут прямой связи нет. Из-за сверхпроводимости ток в магнитах циркулирует и не теряется, нет тепловыделения. Так что увеличение энергии пучков происходит в первую очередь за счет повышения эффективности всей системы, а не благодаря большему количеству потребляемой энергии.
– А детекторное оборудование было как-то улучшено?
Учные обсуждают данные, полученные одним из четырех детекторов - CMS
– Принципиально – нет. Какие-то небольшие улучшения, конечно, были сделаны. В принципе детектор – что-то вроде большого микроскопа, через который мы смотрим на результаты столкновений пучков. И он испытывает радиационные повреждения: вот это множество частиц, рождающихся в столкновении двух протонов, летит в детектор и его постепенно портит. Большинство детекторов сделаны, грубо говоря, из кремния, который из-за постоянного обстрела чатицами приобретает другие свойства -– эффективность прибора падает. Так что вот часть этих кремниевых внутренностей пришлось заменить. Ну а какие-то принципиальные изменения будут вноситься в период следующего ремонта – это где-то 2018 год.
– Первый сеанс работы БАК был посвящен главным образом поиску бозона Хиггса. А теперь какая главная задача?
– Задач несколько. Во-первых, нужно понять, что же мы нашли в прошлый раз. Среди физиков практически никто не сомневается, что мы нашли именно бозон Хиггса, но остался вопрос – это как бы обычный бозон Хиггса, предсказанный так называемой Стандартной моделью, или это бозон Хиггса какого-то расширения Стандартной модели? Второе направление – поиск экспериментальных подтверждений теории суперсимметрии. Это как раз одно из расширений Стандартной модели, которое кажется многим физикам очень привлекательным. Суперсимметрия предполагает, что у каждой элементарной частицы есть двойник – так называемый суперпартнер. Предполагается, что суперпартнеры имеют относительно большую массу, а значит, чтобы их обнаружить в следах столкновения, нужна большая энергия. Еще одна задача – поиск частиц темной материи. Астрономические наблюдения говорят, что она есть, и что ее больше 20 процентов от всего вещества во Вселенной, но в физике элементарных частиц мы ее до сих пор не видим. Кстати, есть теория, что частицы темной материи могут быть как раз какими-то из суперпартнеров обычных частиц.
– То есть экспериментаторы стараются проверить идеи, предложенные теоретиками? Или для вас важнее всего найти что-то новое, необъяснимое явление из мира элементарных частиц, а там уж пусть теоретики разбираются?
Магниты, являющиеся частями детектора CMS
– Скорее, второе. Почти все имеющиеся экспериментальные данные прекрасно описываются Стандартной моделью, но за ее пределами наверняка что-то есть. Внутри нее есть достаточно много темных мест, грубо говоря, совершенно непонятно, почему наш мир устроен именно так, как он устроен. И вот какие-то странные аспекты устройства Стандарной модели теоретически разрешаются в ее расширениях – и в этом главный интерес теоретиков, найти объемлющую, более стройную теорию. И экспериментальные свидетельства этой тонкой механики, которая скрывается за строением материи во Вселенной, очень бы хотелось обнаружить. Так что мы ищем что-нибудь, хоть что-нибудь, что бы не описывалось Стандартной моделью.
– Правда ли, что если подтвердится теория суперсимметрии, это станет косвенным подтверждением теории струн?
– Между ними есть некоторая связь, но от суперсимметрии до теории струн еще идти и идти. Энергетические масштабы, на которых работает теория струн, несопоставимы с теми, что доступны экспериментаторам на сегодняшний день, так что никаких убедительных доказательств на этом коллайдере мы не получим.
– А может быть, все эффекты за пределами Стандартной модели, которые мы так мечтаем обнаружить, тоже лежат в других энергетических масштабах, до которых мы просто по технологическим причинам никогда не сможем добраться?
Физики Питер Хиггс и Франсуа Энглер, предсказавшие существование бозона Хиггса
– И такое может быть. Природа нам никаких гарантий не дает. С другой стороны, никто нам не гарантировал, что энергии Большого адронного коллайдера при первом сеансе, 7-8 ТэВ, хватит для открытия бозона Хиггса – самого тяжелого бозона. Но хватило ведь.
– А нынешние 13 ТэВ близки к теоретическому пределу мощности, которая доступна нам при сегодняшних технологиях?
Теоретически, можно построить коллайдер хоть по экватору Земли или вообще в космосе
– Есть проекты более мощных коллайдеров. Насколько я знаю, в Китае планируют строительство огромного коллайдера, пока параметры не ясны, но я думаю, мы сможем поднять энергию столкновений еще минимум на порядок. Вообще говоря есть два основных технологических ограничения. Первое – синхротронное излучение: когда заряженная частица движется не по прямой траектории, она излучает, а значит, ее энергия теряется – так что коллайдер приходится постоянно подпитывать. Этот эффект тем больше проявляется, чем меньше масса частиц, так что это большая проблема для электронных или электрон-позитронных коллайдеров. Для адронных машин вопрос скорее в другом – все упирается в мощность магнитного поля, которое отклоняет частицы, заставляя их бегать по кругу. Похоже, что сделать существенно более мощные магниты мы уже не сможем, так что единственный выход – увеличивать радиус кольца. Логика простая: чем больше радиус, тем меньше нужно отклонять пучок. Теоретически, можно построить коллайдер хоть по экватору Земли или вообще в космосе, но это, конечно, фантазии, реально идут разговоры о строительстве коллайдеров с длинной кольца больше ста километров – против тех 27, которые есть у нас на БАК. Впрочем, и это дело относительно далекого будущего – пройдут десятилетия, прежде чем мы что-то такое построим.
– Но бывают ведь и линейные коллайдеры?
– Да, конечно, хотя и с намного меньшей мощностью. Тут один из самых интересных проектов – машина, которую называют “фабрика Хиггса”. БАК – коллайдер, который был построен для того, чтобы открыть бозон Хиггса. Здесь в столкновениях протонов рождается большое количество частиц, но совершенно случайных. Нужно очень долго и вслепую сталкивать протоны, смотреть, что получается на выходе. А вот если мы уже открыли что-то, бозон Хиггса, например, можно взять легкие электронные или электрон-позитронные пучки и точно подобрать энергию так, чтобы получалось именно то, что нужно. Благодаря БАК мы выяснили, что бозон Хиггса охотнее всего рождается вместе с так называемым z-бозоном и их суммарная масса – что-то около 250 ГэВ, с такой энергией несложно построить линейный коллайдер, в котором можно было бы получать много бозонов Хиггса и целенаправленно изучать их свойства. Думаю, такой прибор может появиться в ЦЕРНе в ближайшие годы.