Большой адронный коллайдер превысил проектную светимость вдвое

Большой адронный коллайдер, несмотря на технические проблемы одной из секций ускорителя, досрочно выполнил план по набору статистики протон-протонных столкновений на 2017 год. К концу октября коллайдер набрал свыше 45 обратных фемтобарн интегральной светимости — больше, чем в 2016 году или за весь Run 1 (2011-2012 годы). Кроме того, светимость ускорителя уже в два раза превысила проектную — за счет улучшенной фокусировки пучка. Об этом сообщил центр управления CERN.

Светимость — важная характеристика коллайдеров, с помощью которой можно выяснить, как часто происходят столкновения частиц или рождение каких-либо объектов в эксперименте. Она связана с тем, как много частиц находится во встречных пучках, а также с тем, насколько хорошо эти пучки сфокусированы. Физический смысл этой величины состоит в количестве попарных взаимодействий (в предположении, что все протоны в пучке взаимодействуют со всеми протонами во встречном пучке) происходящих за секунду в единичном сечении. Эти взаимодействия не обязательно приводят к рождению частиц. Чем больше светимость, тем чаще в коллайдере происходит рождение каких-либо частиц или другие процессы — а значит тем быстрее эксперименты БАК набирают научную статистику.

Интегральная светимость — величина, показывающая как много взаимодействий произошло за какой-то период времени, она прямо пропорциональна собранной коллайдером статистике. Она измеряется в обратных фемтобарнах, один обратный фемтобарн примерно соответствует ста миллионам миллионов (10¹⁴) протон-протонных столкновений.

За время с момента запуска коллайдер увеличил свою светимость более чем в сто тысяч раз. Это достигается за счет сужения пучков и увеличения числа протонных сгустков, курсирующих в ускорителе. Сейчас число сгустков достигает 2556 штук — это максимум, который можно обеспечить с имеющейся системой предварительных ускорителей. Превысить проектную светимость помогла улучшенная техника сжатия пучков — этот порог был преодолен еще в 2016 году.

В 2017 году, после ежегодной зимней остановки коллайдера на техобслуживание, инженеры обнаружили проблему в одной из секций 27-километрового кольца. По непонятным причинам пучок протонов быстро деградировал и его часто приходилось сбрасывать, а полная энергия пучка примерно равна кинетической энергии самосвала, едущего со скоростью около 200 километров в час. Основная гипотеза — во время техобслуживания в секцию 16L2 попал и замерз воздух. Из-за этого число сгустков пришлось уменьшить в четыре раза на некоторое время. Впоследствии техникам удалось обойти проблему на участке, Большой адронный коллайдер снова вышел на максимальную производительность.

Выполнить план удалось и несмотря на внеочередные научные пуски других экспериментов, перенесенные с 2018 на 2017 год. В этом году протон-протонные столкновения на Большом адронном коллайдере продлятся еще около двух недель, затем две недели уйдут на краткосрочные научные эксперименты, и, с 11 декабря, крупнейший в мире ускоритель снова уйдет на зимнее техобслуживание.

2018 год станет последним в Run 2 — втором пуске коллайдера. Затем последует двухлетняя техническая остановка для усовершенствования системы инжекции протонов в ускоритель, которая поднимет светимость в пару раз. В 2024 году начнется установка оборудования для проекта High-luminosity LHC, которое увеличит скорость набора статистики БАК еще в несколько раз.

Среди главных научных результатов работы Большого адронного коллайдера — открытие бозона Хиггса, возбуждения поля Хиггса, благодаря которому элементарные частицы приобретают массу. Также эксперименты БАК открыли целый ряд новых частиц, в частности тетракварков и пентакварков (состоят из четырех и пяти, а не трех или двух кварков, как большинство известных частиц). Недавно физикам эксперимента ATLAS удалось зарегистрировать эффект рассеяния квантов света, фотонов, на фотонах — одно из старейших предсказаний квантовой электродинамики, до сих пор не наблюдавшееся экспериментально.

Владимир Королёв