Большой адронный коллайдер начал новый сезон сбора научных данных
23 мая в Большом адронном коллайдере прошли первые в 2017 году столкновения протонов в рамках научной программы коллайдера. Завершена калибровка детекторов и тысяч подсистем крупнейшего ускорителя в мире после зимнего перерыва. Ожидается, что в следующие шесть месяцев коллайдер удвоит объем статистики столкновений при энергии 13 тераэлектронвольт. Об этом сообщает пресс-релиз CERN.
Каждую зиму коллайдер прерывает свою работу для обновления и ремонта систем ускорителя и детекторов. Несколько недель уходит у инженеров на последующий запуск БАК. Так, в этом году первые протонные пучки появились в ускорителе 29 апреля — инженеры проверили работоспособность радиочастотных резонаторов, ответственных за ускорение частиц и постепенно подняли кинетическую энергию частиц до требуемых 6,5 тераэлектронвольт (в 6,5 тысяч раз больше, чем энергия покоя протона). Физики настроили магниты и коллиматоры, корректирующие форму и траекторию пучка и обеспечивающие столкновения между встречными пучками.
С 10 мая начались столкновения в точках пересечения пучков — основных детекторах БАК: ATLAS, LHCb, CMS и ALICE. Главная задача предварительных столкновений — проверка управляемости пучков и тестирование систем детекторов, в частности, корректировка положения точки, в которой пучки сталкиваются. Во время предварительных столкновений используются пучки, состоящие из небольшого количества сгустков (около десяти против более двух тысяч) и гораздо меньшего количества протонов, чем во время сбора научных данных.
Сейчас интенсивность пучков также невелика. Постепенно физики будут наращивать количество протонов в сгустках и делать сгустки плотнее — это ускорит темпы столкновений протонов и сбора статистики. В 2016 году ученые набрали интегральную светимость около 40 обратных фемтобарн — эта величина, согласно пресс-релизу организации, соответствует 6,5 миллионам миллиардов столкновений протонов. По плану на 2017 год ожидается интегральная светимость установки по меньшей мере в 45 обратных фемтобарн. Для сравнения, в 2015 году коллайдер обеспечил интегральную светимость около 4,2 обратных фемтобарн, а за 2012 год Run 1 — 23 обратных фемтобарн.
В отличие от 2015 и 2016 года, в конце нового сезона работы ускорителя не будет сеанса столкновений с ионами свинца для генерации кварк-глюонной плазмы. Это состояние вещества, моделирующее первые минуты жизни Вселенной. Вместо этого детектор ALICE продолжит обработку данных прошлых лет и будет собирать информацию о протон-протонных столкновениях. Недавно физики отчитались о том, что несмотря на небольшую массу протонов, в их столкновениях тоже может образовываться кварк-глюонная плазма.
CMS и ATLAS продолжат исследования свойств бозона Хиггса, открытого в 2012 году. Эксперименты определят параметры рождения и каналов распада частицы, а также то, как она взаимодействует с другими частицами. Кроме того, вместе с экспериментом LHCb (наше интервью с руководителями коллаборации можно прочесть здесь), физики продолжат анализировать редкие и экзотические процессы в поисках следов Новой физики.
Увеличив объем статистики ученые смогут узнать природу необычных пиков высокоэнергетических событий, которые могут указывать на новые, еще не открытые частицы. К примеру, недавно ATLAS сообщил об избытке рождения пар бозон Хиггса-бозон слабого взаимодействия с суммарной энергией три тераэлектронвольта. Статистическая значимость события невелика — не превышает 3,3 сигма, но если его источником окажется реальная частица, то ее масса будет в десятки раз больше, чем у любой из известных элементарных частиц.
Владимир Королёв
Устройство необходимо для разгона электронов в линейном ускорителе
Ученые из Института ядерной физики имени Будкера СО РАН создали ключевой элемент будущего источника синхротронного излучения СКИФ — клистрон, устройство, которое будет обеспечивать линейный ускоритель СКИФа током высокой мощности и сверхвысокой частоты, сообщили пресс-службы института и Минобрнауки РФ. Разработка стала вынужденным шагом: ученые планировали закупить клистроны в Японии, но из-за санкций фирма-подрядчик разорвала контракт. Проект «Сибирского кольцевого источника фотонов» (СКИФ) был утвержден в октябре 2019 года. Предполагается, что он будет генерировать синхротронное излучение с энергией фотонов от 1 до 100 килоэлектронвольт, которое будет использоваться для высокоточного рентгеноструктурного анализа, то изучения характера рассеяния излучения в толще образца. Такого рода «просвечивание» необходимо для многих задач в физике твердого тела, для разработки новых материалов, биомедицинских исследований. Подробнее об этом мы писали в материале «Больше синхротронов». Первый элемент СКИФа — линейный ускоритель (линак), который должен будет выдавать поток электронов с энергиями в 200 мегаэлектронвольт. Частицы разгоняются в нем благодаря переменным электрическим полям высокой частоты в СВЧ-резонаторах. В свою очередь, для питания СВЧ-резонаторов нужен электрический ток сверхвысокой частоты. Устройство, которое для этого предназначено, называется клистроном. В апреле 2023 года физики ИЯФа проверили в действии «первую ступень» линака, разогнав в нем электроны до энергии 30 мегаэлектронвольт. Однако, как пояснил N + 1 завлабораторией ИЯФ Алексей Левичев, в этом эксперименте использовался клистрон японской фирмы Canon, который институт успел получить до введения санкций. По его словам, для полноценной работы линака требуется четыре клистрона — три работающих и один резервный. Поскольку клистроны с нужными параметрами выпускают только в США, Франции и Японии, физикам пришлось создавать устройство самостоятельно. Клистрон представляет собой разновидность электронной лампы. В нем есть катод, где формируется поток электронов. Затем этот поток ускоряется и попадает во входной резонатор, где под действием электрического поля он становится дискретным — разбивается на сгустки, которые, в свою очередь, наводят ток сверхвысокой частоты в выходном резонаторе. Затем электроны «ловит» коллектор и цикл повторяется. Таким образом из непрерывного тока получают ток с частотой колебаний около 3 гигагерц. При испытаниях клистрона, созданного в ИЯФе была получена мощность в 50 мегаватт. По словам, директора ИЯФ Павла Логачева, создать собственный клистрон устройство они смогли благодаря благодаря тому, что Национальная ускорительная лаборатория SLAC подарила институту клистрон, и физики научились с ним работать. По его мнению, эта технология в дальнейшем будет востребована для других ускорительных установок в России — для синхротрона, источника комптоновского излучения в Сарове, источника нейтронов в Дубне. По словам Левичева, проект линейного ускорителя разрабатывался под параметры японского клистрона, поэтому собственная их установка в максимально возможной степени соответствует «исходнику». Однако соответствие все же не стопроцентное, поэтому, вероятнее всего, три сибирских клистрона будут основными, а японскому останется роль резервного. Испытания линака со всеми тремя клистронами и на проектной энергии в 200 мегаэлектронвольт сейчас планируются на лето 2024 года, добавил Левичев. Раньше мы рассказывали, как японским ученым удалось увидеть с помощью синхротрона двухщелевую самоинтерференцию одиночных электронов во времени.