В Церне большой адронный коллайдер заработал впервые за три года: ученые начали охоту за «пятой силой природы»

Большой адронный коллайдер (БАК) был снова запущен после трехлетнего перерыва на техническое обслуживание и модернизацию — первый луч был отправлен по туннелю 23 апреля незадолго до 10:00 по московскому времени.

Большой адронный коллайдер (БАК) под Швейцарией впервые был запущен в 2008 году.

Ускоритель частиц находится в ведении Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) и закрыт в 2018 году для проведения ряда модернизаций и ремонтов, пишет dailymail.co.uk.

Эта работа улучшила чувствительность инструментов для обнаружения большего количества частиц. Есть надежда, что теперь это может помочь в открытии новой фундаментальной силы природы.

Большой адронный коллайдер (БАК) был снова запущен после трехлетнего перерыва на техническое обслуживание и модернизацию — первый луч был отправлен по туннелю.

БАК работает, сталкивая атомы вместе, чтобы разделить их на части и обнаружить субатомные частицы, которые существуют внутри них, и то, как они взаимодействуют.

ЦЕРН, Европейская организация ядерных исследований, закрыла коллайдер в 2019 году, чтобы провести работы по повышению чувствительности инструментов.

Это даст исследователям возможность заглянуть внутрь атомов с более высоким разрешением — собирать данные 30 миллионов раз в секунду — и позволит проводить больше запусков.

Запуск БАК длиной почти 17 миль — сложный процесс, требующий, чтобы все «работало как оркестр», особенно после длительного закрытия из-за Covid-19.

«Это не нажатие кнопки», — объяснил Ренде Стеренберг, отвечающий за работу диспетчерской в ЦЕРН в Швейцарии, где находится диспетчерская коллайдера.

«Это сопровождается определенным чувством напряжения и нервозности», — пояснил он, добавив, что многое может пойти не так, включая препятствия в туннеле и проблемы с магнитами.

Физики элементарных частиц надеются, что обновления помогут им открыть новую фундаментальную силу природы, добавить к четырем основным силам — гравитационной, электромагнитной, сильной и слабой — и помочь объяснить основы Вселенной.

Другая надежда состоит в том, что возобновление столкновений поможет в поисках так называемой «темной материи», которая находится за пределами видимой Вселенной и составляет большую часть материи в известной Вселенной, считают исследователи.

БОЛЬШОЙ АДРОННЫЙ КОЛЛАЙДЕР

Большой адронный коллайдер (БАК) — самый большой и мощный ускоритель частиц в мире.

Он расположен в 27-километровом туннеле под швейцарско-французской границей.

БАК начал сталкивать частицы в 2010 году. Внутри 27-километрового кольца БАК сгустки протонов движутся почти со скоростью света и сталкиваются в четырех точках взаимодействия.

Внутри ускорителя два пучка высокоэнергетических частиц движутся со скоростью, близкой к скорости света, прежде чем столкнутся. Лучи движутся в противоположных направлениях по отдельным лучевым трубам.

Они направляются по кольцу ускорителя сильным магнитным полем, поддерживаемым сверхпроводящими электромагнитами.

Электромагниты построены из катушек специального электрического кабеля, который работает в сверхпроводящем состоянии, эффективно проводя электричество без сопротивления или потери энергии.

Эти столкновения генерируют новые частицы, которые регистрируются детекторами, окружающими точки взаимодействия.

Анализируя эти столкновения, физики со всего мира углубляют наше понимание законов природы.  

Потенциальные ловушки, с которыми столкнулась команда запуска, включали обнаружение препятствия и усадку материалов из-за колебания температуры почти на 300 градусов.

Они также столкнулись с вероятностью возникновения трудностей с тысячами магнитов, которые помогают удерживать миллиарды частиц в узком пучке, когда они кружат над туннелем коллайдера под швейцарско-французской границей.

Стееренберг сказал, что система должна работать «как оркестр», пояснив, что «для того, чтобы луч прошел вокруг, все эти магниты должны выполнять правильные функции и выполнять правильные действия в нужное время».

В пятницу частицы впервые с декабря 2018 года прошли через почти 17-мильное кольцо коллайдера.

Однако для того, чтобы БАК разогнался до полной скорости, потребуется от шести до восьми недель, после чего столкновения протонов могут произойти снова.

Глава отдела пучков ЦЕРН Родри Джонс сказал: «Эти пучки циркулировали при энергии инжекции и содержали относительно небольшое количество протонов.

«Высокоинтенсивные и высокоэнергетические столкновения ожидаются через пару месяцев.

«Но первые лучи представляют собой успешный перезапуск ускорителя после всей тяжелой работы во время длительного простоя».

Серия столкновений LHC, наблюдавшихся в ЦЕРНе в период с 2010 по 2013 год, принесла доказательства существования долгожданного бозона Хиггса.

Считается, что вместе со связанным с ней энергетическим полем эта частица сыграла жизненно важную роль в формировании Вселенной после Большого взрыва 13,7 миллиарда лет назад.

Но физикам элементарных частиц еще многое предстоит открыть, и модернизация позволит им заглянуть глубже в скрытую квантовую реальность, чем когда-либо прежде.

Это также потенциально поможет в открытии основ большой вселенной, позволяя понять темную материю.

Считается, что темная материя в пять раз более распространена, чем обычная материя, но она не поглощает, не отражает и не излучает свет. Поиски пока не увенчались успехом.

«Мы собираемся резко увеличить количество столкновений и, следовательно, вероятность новых открытий», — сказал Стиренберг, добавив, что коллайдер должен работать до следующего отключения с 2025 по 2027 год.

LHC впервые был запущен 10 сентября 2008 года, и, несмотря на несколько сбоев, вызвавших его отключение, все, что он обнаружил, соответствовало стандартной модели.

Это основная, руководящая теория физики элементарных частиц, разработанная в 1970-х годах, но с ней есть проблемы, поскольку она не может объяснить некоторые аспекты физики.

Данные, собранные во время одного эксперимента на БАК, показали, что частицы могут вести себя так, как не объясняет стандартная модель, которая также не объясняет темную материю.

Этот эксперимент по распаду частиц, известных как кварки красоты, показал, что они превращаются в мюоны на 15 процентов реже, чем предсказывалось.

Это говорит о том, что во Вселенной действует неизвестный фактор, и многие подозревают, что это новый тип силы, склоняющей чашу весов. Команда планирует снова провести эксперимент, используя более чувствительное оборудование на обновленном БАК.

«Ставки чрезвычайно высоки, — сказал The Guardian доктор Митеш Патель, физик из Имперского колледжа Лондона, отвечающий за первоначальный эксперимент.

ОБЪЯСНЕНИЕ: СТАНДАРТНАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

Теории и открытия тысяч физиков с 1930-х годов привели к замечательному пониманию структуры материи.

Все во Вселенной состоит из нескольких основных строительных блоков, называемых фундаментальными частицами, управляемыми четырьмя фундаментальными силами.

Наше лучшее понимание того, как эти частицы и три силы связаны друг с другом, заключено в Стандартной модели.

Вся материя вокруг нас состоит из элементарных частиц, строительных блоков материи.

Эти частицы бывают двух основных типов, называемых кварками и лептонами. Каждая состоит из шести частиц, связанных парами, или «поколениями».

Вся стабильная материя во Вселенной состоит из частиц, принадлежащих к первому поколению. Любые более тяжелые частицы распадаются до следующего наиболее стабильного уровня.

Во Вселенной также действуют четыре фундаментальные силы: сильное взаимодействие, слабое взаимодействие, электромагнитное взаимодействие и гравитационное взаимодействие.

Стандартная модель включает в себя электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия и все их частицы-носители и хорошо объясняет, как эти силы действуют на все частицы материи.

Однако гравитация, наиболее знакомая нам в повседневной жизни сила, не является частью Стандартной модели, и комфортное вписывание гравитации в эту структуру оказалось сложной задачей.

«Если мы подтвердим это, это будет революция, какой мы не видели — уж точно при моей жизни. Ты же не хочешь все испортить.

В 2018 году команда предположила, что вероятность случайного открытия, которое они сделали, составляла один к тысяче, но для объявления новой силы природы золотой стандарт составляет один к 3,5 миллионам.

Поэтому им нужно больше данных, чтобы доказать, что это был не просто сбой в оборудовании или в схеме эксперимента.

Это последнее обновление знаменует собой начало третьего запуска БАК и включает в себя установку более мощных магнитов, которые сжимают протоны внутри коллайдера в более плотные пучки, увеличивая частоту столкновений частиц.

Ученые смогут использовать это для наблюдения большего количества событий, более редких событий и делать это с гораздо большей точностью, чем это было возможно ранее.

Майк Ламонт, директор CERN по ускорителям и технологиям, сказал, что LHC будет работать на еще более высокой энергии и, благодаря значительным улучшениям в инжекторном комплексе, он предоставит значительно больше данных для модернизированных экспериментов LHC.

Команды со всего мира помогли Большому адронному коллайдеру достичь рекордных уровней энергии во время третьего физического запуска.

Команды из Великобритании провели серию жизненно важных рабочих пакетов, направленных на улучшение работы каждого из четырех основных инструментов БАК.

Вклад Великобритании в модернизацию составляет более 25 миллионов фунтов стерлингов и финансируется Советом по науке и технологиям (STFC).

Исполнительный председатель STFC и физик частиц профессор Марк Томсон сказал, что это продолжает «сильные и плодотворные» отношения между Великобританией и ЦЕРН.

«Меня никогда не перестанет впечатлять то, как наши ученые и инженеры с их невероятным мастерством и опытом могут продолжать совершенствовать эти передовые объекты, используя все более инновационные технологии.

«Мировое научное сообщество теперь с нетерпением ждет результатов нового запуска, в ходе которого будут исследованы некоторые из недавних намеков на новую физику, обнаруженные на БАК и в других местах».

Министр науки Джордж Фриман сказал: «Благодаря нашей ведущей роли в глобальных проектах такого масштаба Великобритания укрепляет свою роль мировой научной сверхдержавы и помогает удерживать талантливых ученых высочайшего уровня в Великобритании».

ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ НА БОЛЬШОМ АДРОНОВОМ КОЛЛАЙДЕРЕ

LHCb (красавица Большого адронного коллайдера)

Эксперимент LHCb изучает различия между материей и антиматерией, исследуя распад частицы типа b-кварка.

Сотрудничество претерпело серьезную технологическую модернизацию, чтобы увеличить частоту столкновений LHC.

Когда LHC перезапустится, частота протон-протонных столкновений на LHCb увеличится в пять раз.

Модернизация детектора Vertex Locator (VELO) (британские университеты Глазго, Ливерпуля, Манчестера, Оксфорда и Уорика)

Великобритания возглавляет разработку нового VELO, который работает как камера, делающая «снимки» 40 миллионов раз в секунду для изображения частиц, полученных в эксперименте LHCb.

Частицы красоты, давшие название эксперименту, проходят всего несколько миллиметров, прежде чем распасться. Детектор расположен всего в 5 мм от протон-протонных столкновений, чтобы идентифицировать эти прекрасные частицы.

Система идентификации частиц (PID) RICH (Ring Imaging Cherenkov) (британские университеты Бирмингема, Бристоля, Кембриджа, Эдинбурга, Имперского колледжа Лондона и лаборатории STFC Rutherford Appleton)

Черенковские детекторы кольцевого изображения (RICH), которые определяют идентичность частиц, оснащены новыми детекторами фотонов, механикой и зеркалами.

Конусы света испускаются движущимися частицами, отклоняются и фокусируются на массиве детекторов. Новая система будет работать в среде с гораздо большей плотностью частиц.

ALICE (Эксперимент на большом ионном коллайдере)

ALICE — это детектор тяжелых ионов, используемый для характеристики особого состояния вещества, созданного при экстремальных температуре и плотности энергии, — кварк-глюонной плазмы.

Сотрудничество ALICE-UK играет ведущую роль в обновлении ALICE на LHC. ALICE-UK разработала и произвела обновления для центрального триггерного процессора (CTP) и внутренней системы слежения (ITS).

ATLAS (тороидальный LHC-аппарат)

ATLAS — детектор общего назначения, предназначенный для регистрации столкновений высокоэнергетических частиц на LHC.

· Модернизированный триггер калориметра 1-го уровня

Целью обновления калориметра является сохранение низкой частоты срабатывания благодаря подавлению фона и низких пороговых значений благодаря более высокому геометрическому разрешению. Группы из Великобритании возглавили эту деятельность.

· Модернизированный триггер высокого уровня

Британская группа возглавляет размещение новых плат считывания данных вместе с новым многопоточным программным обеспечением, чтобы максимизировать эффективность и гибкость текущего сбора данных.

· Обновления анализа

Британская группа возглавляет создание новых инновационных потоков сбора данных, которые позволят проводить новый анализ.

· Обновления фазы II

В настоящее время ведется строительство пиксельных и полосовых детекторов. Кроме того, триггер высокого уровня и сбор данных также претерпят множество обновлений для фазы II, направленных на детализацию триггеров, которая позволит управлять гораздо более высокой скоростью данных с более точной информацией.

CMS (компактный мюонный соленоид)

Детектор CMS — это детектор общего назначения, построенный вокруг огромного соленоидного магнита, используемого для искривления траекторий частиц от столкновений в БАК.

· Обновление трекера CMS (Лондонский университет Брунеля, Имперский колледж Лондона, Бристольский университет, лаборатория STFC Rutherford Appleton)

Необходимы обновления, чтобы справиться с ожидаемым увеличением светимости луча БАК.

Будут заменены большие части детектора, в том числе области, которыми активно занимается Великобритания, а именно трекеры, электромагнитный калориметр и весь торцевой калориметр, а также быстрая электроника, используемая для запуска.

Все новые системы предназначены для работы в суровых условиях БАК High Luminosity.