Начался самый масштабный апгрейд Большого адронного коллайдера
Сегодня, 15 июня, начались работы по созданию Большого адронного коллайдера высокой светимости (High Luminosity LHC, HL-LHC) — обновленной версии БАК, способной по меньшей мере в десять раз быстрее набирать статистику столкновений протонов, чем имеющееся устройство. Апгрейд коллайдера продлится до 2026 года и позволит исследовать редчайшие процессы физики элементарных частиц, способные пролить свет на Физику за пределами хорошо проверенной, но не полной Стандартной модели. Об этом сообщили представители CERN на сегодняшней пресс-конференции, подробности можно прочитать на сайте организации.
Коллайдеры — ускорители, в которых сталкиваются пучки разогнанных до околосветовой скорости элементарных частиц. К примеру, в БАК сталкиваются встречные пучки протонов, разогнанных до энергии 6,5 тераэлектронвольт, а в новосибирском ВЭПП-4М — электроны и позитроны (с гораздо меньшими энергиями). Задача этих устройств — проверить работоспособность существующих физических теорий и расширить границы их применимости.
Наиболее точно описывает экспериментальные результаты Стандартная модель (включает в себя сильное, слабое и электромагнитное взаимодействие между частицами), но она все еще не позволяет объяснить огромный избыток материи в нашей Вселенной по сравнению с антиматерией или указать на происхождение темной материи. БАК, с одной стороны, подтвердил Стандартную модель, благодаря открытию на нем предсказанного ранее бозона Хиггса, с другой стороны, эксперименты на крупнейшем в мире ускорителе ищут и отклонения от этой теории. Проще всего эти отклонения заметить в редких, с точки зрения Стандартной модели, процессах. Если какая-то новая физика предсказывает, что некоторые события будут происходить чаще, чем в Стандартной модели, то это будет легко заметить. Подробнее о различных редких процессах и их поисках можно прочитать в нашем материале «Раритеты микромира».
Однако все процессы в физике элементарных частиц — вероятностные, то есть система случайно будет развиваться по одному из возможных путей распада. Более того, то, каким образом будут распадаться те или иные частицы, зависит от исходной энергии системы (чем больше энергия, тем больше разных вариантов распадов). Поэтому чтобы исследовать редкие процессы надо набирать огромную статистику процессов — триллионы распадов прелестных мезонов или событий рождения бозонов Хиггса. Чтобы эксперименты могли лучше «дотянуться» до конкретного процесса нужно либо ускорять набор статистики, либо изменять вероятность процесса распада изменяя полную энергию системы.
Стартовавшие сегодня работы по усовершенствованию Большого адронного коллайдера до HL-LHC реализуют первый вариант — ускорение набора статистики распадов. Для этого необходимо увеличить частоту протон-протонных столкновений в ускорителе. Здесь стоит отметить, что встречные пучки из сгустков протонов правильнее представлять себе скорее как сталкивающиеся разреженные облачка газов, чем как столкновение двух твердых объектов. Большинство протонов в сгустке при этом пролетают мимо друг друга, не заметив столкновения. Один из способов увеличить вероятность столкновения частиц — увеличить плотность этого облака.
Протоны — частицы заряженные, поэтому на их траектории легко влиять с помощью магнитов. Для обновленного коллайдера будут изготовлены около 130 новых сверхпроводящих магнитов — к примеру, 24 новых квадрупольных фокусирующих магнитов и четыре дипольных магнита, поле которых достигнет 11,5 тесла. Сейчас в ускорителе используются магниты с индукцией «всего» 8,3 тесла (примерно в 250 тысяч раз больше, чем поле Земли).
Модификация затронет и систему электропитания систем коллайдера — будут построены новые полости и технологические туннели, чтобы облегчить обслуживание БАК и увеличить рабочее время ускорителя. Также будет установлено новое криогенное оборудование и системы вентиляции. В сумме работы затронут более 1,2 километра ускорителя из 27 километров кольца. Усовершенствование систем займет почти десять лет — в это время коллайдер продолжит набор научных данных, а все вмешательства в его основные системы будут проводиться во время остановок на техническое обслуживание. За период 2026-2036 года HL-LHC наберет в десять раз больше данных, чем за время работы БАК.
Подробнее о том, какие инженерные системы обслуживают работу БАК и о том, насколько сложно их техническое обслуживание, можно прочитать в нашем материале «Большой ремонт большой машины».
Владимир Королёв
ST-40 построен частной британской компанией
Американские и британские физики установили рекорд по достигнутой ионной температуре плазмы в сферических токамаках, который оказался сравним с температурой плазмы в будущем термоядерном реакторе ITER. Рекорд установлен на небольшом частном сферомаке ST40 и доказывает перспективность установок такого типа для работ в области термоядерной энергетики. Статья опубликована в журнале Nuclear Fusion. Сферические токамаки (сферомаки) представляют собой разновидность токамаков — магнитных ловушек, в которых шнур из высокотемпературной плазмы в виде тора, где идут реакции слияния ядер дейтерия и трития, удерживается внутри вакуумной камеры мощными магнитными полями, которые не дают ему коснуться стенок камеры. Однако, в отличие от обычных токамаков у сферомаков меньшее аспектное отношение (отношение большого радиуса тора к малому), которое близко к единице. Считается, что плазма в таких установках может удерживаться дольше и стабильнее, при этом не требуется создавать установку огромных размеров, как экспериментальные реакторы-токамаки ITER или DEMO. Особенно интересны сферомаки в контексте использования в их магнитной системе высокотемпературных сверхпроводников. Но необходимо решить множество физических и инженерных проблем, прежде чем удостовериться, что сферомаки можно рассматривать в качестве перспективных термоядерных реакторов. ST40 — один из действующих экспериментальных сферомаков. Этот компактный токамак был построен частной британской компанией Tokamak Energy и получил первую плазму в 2017 году. Сферомак оснащен вакуумной камерой из нержавеющей стали и сверхпроводящими тороидальными магнитными катушками. Он характеризуется аспектным отношением 1,6–1,9, большим радиусом плазмы 0,4–0,5 метра, током плазмы в диапазоне 0,4–0,8 мегаампер и осевым тороидальным магнитным полем 1,5–2,2 Тесла. Зажигание разряда инициируется за счет компрессии и магнитного пересоединения, без центрального соленоида, который служит для дальнейшего нагрева плазмы. Дополнительный нагрев плазмы обеспечивается двумя системами инжекции высокоэнергетичных нейтральных частиц дейтерия в плазменный шнур. Физики из Принстонской лаборатории физики плазмы, Ок-Риджской национальной лаборатории и Tokamak Energy во главе со Стивеном Макнамарой (Steven A.M. McNamara) сообщили, что достигли рекордно большой для всех сферомаков температуры ионов дейтерия, которая составила 8,6 килоэлектронвольт в центре плазменного шнура. Объем плазмы во время эксперимента составлял 0,9 кубического метра, ток плазмы — 0,6 мегаампер, время жизни разряда — чуть менее 0,15 секунды, а тороидальное магнитное поле — 1,9 Тесла. Максимальная электронная плотность плазмы составила 4,5×1019 частиц в кубическом метре, усредненная, которая поддерживалась во время импульса — 4×1019 частиц в кубическом метре. Достигнутая температура ионов стала самой высокой для сферомаков или токамаков сопоставимых размеров, похожие температуры достигались только на более крупных установках. Для сравнения — в проекте международного термоядерного реактора ITER предполагается достижение ионной температуры в 8 и выше килоэлектронвольт, однако время горения разряда там должно составить около 400 секунд, правда сам реактор гораздо больше по размерам, чем ST-40. Значение тройного термоядерного произведения (температура на плотность плазмы на время удержания энергии, выступает как аналог критерия Лоуссона) для ST-40 составило 6×1018 килоэлектронвольт на секунду, деленное на кубический метр. Результаты экспериментов показывают, что высокие температуры действительно могут быть получены в небольших по размерам сферомаках с сильным магнитным полем. Tokamak Energy надеется, что сможет в середине 2020-х годов ввести в эксплуатацию новый сферомак ST-HTS, который будет оснащен магнитной системой, использующей высокотемпературные сверхпроводники. Ранее мы рассказывали о том, как российские физики рекордно разогрели плазму в сферическом токамаке «Глобус-М2».