Большой адронный коллайдер обновил собственный рекорд светимости

Большой адронный коллайдер увеличил количество сгустков протонов, единовременно циркулирующих в кольце ускорителя, до 2220 штук — это максимум, возможный в этом году. Светимость коллайдера при этом (величина, показывающая, как часто могут сталкиваться протоны) достигла отметки, на 10 процентов превышающей проектную. При таких параметрах ускоритель собирает статистику ускорений, эквивалентную всем столкновениям 2015 года, меньше, чем за 10 дней. Об этом сообщает пресс-релиз CERN.

Светимость — одна из важнейших научных характеристик работы коллайдеров. Она показывает, какое количество взаимодействий между частицами может происходить в сечении пучка в секунду. Эта величина пропорциональна произведению количества частиц в каждом из встречных пучков. Для удобства в качестве единичного сечения физики выбрали барн — 100 квадратных фемтометров, эта площадка примерно соответствует сечению атомного ядра. Сейчас светимость коллайдера соответствует примерно 10³⁴ возможных протон-протонных взаимодействий, в квадратном сантиметре пучка за секунду, что эквивалентно 10^-5 обратных фемтобарн (триллионных долей барна) за секунду. 

Также для удобства объем статистики, набираемой экспериментами коллайдера, считается в обратных фемтобарнах: если бы светимость была постоянной, то интегральную светимость можно было бы вычислить, просто умножив время работы коллайдера на светимость. Важно заметить, что не все частицы пучка сталкиваются с другими протонами. Поэтому светимость трудно напрямую связать с количеством столкновений — для этого необходимо подробно изучить все сценарии столкновения протонов и определить суммарную вероятность встречи. Сейчас физики оценивают, что при современной светимости за одну секунду происходит около одного миллиарда протон-протонных столкновений.

Важным параметром, влияющим на светимость, является количество сгустков протонов, находящихся одновременно в кольце ускорителя. В первые годы работы БАК их количество медленно увеличивали от двух сгустков до 43 и так далее. В июне инженеры достигли отметки 2076 сгустков в каждом из двух пучков, движущихся навстречу друг другу. Сейчас эта величина достигла 2220, что, по словам представителей эксперимента, составляет максимум, возможный в 2016 году. Проектный максимум количества пучков — 2808, но сейчас он недостижим из-за неполадок в работе протонного суперсинхротрона — небольшого (по сравнению с БАК) ускорителя, разгоняющего протоны перед инжекцией («впрыскиванием») в коллайдер.

За 2016 год БАК собрал уже свыше 23 обратных фемтобарн статистики столкновений протонов на энергии 13 тераэлектронвольт. Для сравнения, за 2015 год эта величина составила около четырех обратных фемтобарн. Ожидается, что ускоритель проработает еще два месяца до ежегодного технического перерыва. Благодаря существенному увеличению статистики физикам уже удалось «закрыть» несколько пиков, указывавших на не предсказанные Стандартной моделью частицы, — они оказались всего лишь статистическими флуктуациями. 

Так, две недели назад ученые объявили об исчезновении в новых данных двухфотонного избытка с энергией 750 гигаэлектронвольт. Интересно, что локальная статистическая значимость пика в определенный момент достигала почти четырех сигма, что лишь немного отличалось от требуемой для открытия частицы. Это привело к появлению более 540 теоретических работ, объясняющих, чем может быть неизвестный бозон. Аналогично был закрыт всплеск при двух тераэлектронвольтах.

Большой адронный коллайдер — самый крупный на данный момент ускорительный эксперимент по физике элементарных частиц. Внутри кольца протоны ускоряются до энергий около 6,5 тераэлектронвольт и сталкиваются в четырех точках пересечений встречных пучков. В этих точках располагаются основные эксперименты БАК — ATLAS, CMS, ALICE и LHCb. Одним из главных научных результатов работы коллайдера стало открытие бозона Хиггса, о котором физики объявили в 2012 году. Интересно, что бозон уже проявился и в новой статистике, собранной в 2016 году.

Владимир Королёв