22 апреля 2022 года глубоко под франко-швейцарской границей недалеко от Женевы, Швейцария, два пучка протонов были ускорены вокруг 27-километрового кольца, столкнувшись и создав поток вторичных частиц. Эксперимент не является чем-то новым для Большого адронного коллайдера (LHC) ЦЕРН. На самом деле, столкновение при введении 450 миллиардов электронвольт (450 ГэВ) эксперимента намного ниже мощности, которую может достичь этот самый большой и самый мощный ускоритель частиц человечества. Но что же для физики означает модернизация Большого адронного коллайдера? Давайте рассмотрим этот вопрос.
Большой адронный коллайдер перезапускается
Тем не менее, именно то, что представляет собой это скромное испытание БАК, взволновало физиков. Испытание знаменует собой начало новой серии экспериментов с LHC, в которых будут сталкиваться частицы с энергией до 13,6 триллиона электронвольт (ТэВ), что является самым мощным столкновением на ускорителе на сегодняшний день. И это только начало того, что должно стать захватывающим новым периодом в физике элементарных частиц.
Этот третий экспериментальный период LHC, известный как Run 3, приведет к еще одному длительному перерыву в 2026 году. Во время трехлетней паузы, которая продлится до 2029 года, LHC претерпит самую существенную трансформацию — завершив модернизацию высокой светимости, которая началась в 2018. После этого светимость БАК будет увеличена примерно в 10 раз.
БАК находился в выключенном состоянии в течение 2019 года, поскольку продолжалась работа над модернизацией, благодаря которой самый мощный в мире ускоритель частиц станет еще более мощным (Роберт Ли).
Светимость LHC относится к количеству частиц, которые он может столкнуть, а увеличение количества столкновений означает увеличение шансов обнаружить экзотическую, доселе невиданную физику. Это означает, что получившийся ускоритель, Большой адронный коллайдер высокой светимости (HL-LHC), сможет исследовать физику, управляющую Вселенной, за рамками того, что известно как Стандартная модель физики элементарных частиц.
За пределами стандартной модели
Вполне уместно, что именно к БАК человечество обращается в поисках физики за пределами Стандартной модели — лучшего из имеющихся у нас описаний частиц и взаимодействий, управляющих субатомным миром. В конце концов, именно с этим огромным аппаратом была завершена эта модель, впервые разработанная в 1971 году.
В июле 2012 года в лекционном зале ЦЕРН в Швейцарии было объявлено об открытии бозона Хиггса, обнаруженного в экспериментах LHC ATLAS и CMS. Бозон — частица, переносящая взаимодействие, — представлял собой последнюю частицу, предсказанную Стандартной моделью. Таким образом, его открытие, получившее Нобелевскую премию по физике в 2013 году, стало завершением этой модели.
В дополнение к этому, как частица-посредник так называемого поля Хиггса, бозон Хиггса является частицей, которая отвечает за предоставление массы большинству других обитателей зоопарка частиц. Это означает, что его открытие также обозначило давний вопрос в физике о том, как большинство частиц получают свою массу.
Тем не менее, несмотря на чувство окончательности, которое может подразумевать это утверждение, это ни в коем случае не был последний открытый элемент физики. Существуют элементы физики, не описываемые Стандартной моделью, такие как природа темной материи и то, что придает нейтрино их крошечную, почти незначительную массу.
Точно так же все еще остаются вопросы относительно самого бозона Хиггса, который не совсем та частица, существование которой предсказывалось до ее открытия.
Именно эти вопросы и затянувшиеся загадки БАК сейчас в состоянии начать исследовать.
Изображение, показывающее ожидаемое количество протон-протонных столкновений на БАК после повышения уровня светимости (CERN/ATLAS).
«Мы обнаружили, как такие частицы, как электрон, приобретают массу посредством взаимодействия с бозоном Хиггса, завершая «стандартную модель» — самую успешную теорию природы, известную людям. Однако есть много наблюдений, которые не предсказываются этой моделью», — говорит Сальваторе Раппоччо из Университета Буффало, Нью-Йорк, США, который занимается поиском новой физики с помощью эксперимента Compact Muon Solenoid (CMS), расположенного на БАК.
Раппоччо сказал Elsevier : «После открытия бозона Хиггса на БАК не наблюдалось новых физических взаимодействий. Это приводит нас к выводу, что если они и существуют, то либо при энергиях выше возможностей LHC [около 13 ТэВ], либо имеют крайне низкую вероятность образования в наших столкновениях и скрыты среди фоновых процессов».
Один из вопросов, на который Раппоччо и его команда будут искать ответ, заключается в том, почему бозон Хиггса, обнаруженный на БАК, немного отличается от частицы, предсказанной Стандартной моделью.
Лучшее понимание бозона Хиггса и окружающей его физики может быть обеспечено тем фактом, что HL-LHC будет способен создавать гораздо больше частиц, чем был способен LHC. В 2017 году БАК создал около 3 миллионов частиц бозона Хиггса. По оценкам операторов ЦЕРН, в 2029 году HL-LHC создаст примерно 15 миллионов бозонов Хиггса.
Но HL-LHC не просто сможет исследовать законы физики во Вселенной, какой она существует сегодня. Возможно, что еще более впечатляюще, HI-LHC сможет воспроизвести условия, возникшие сразу после Большого взрыва , что даст нам самую четкую картину нашей зарождающейся Вселенной.
Большой адронный коллайдер: путешествие назад к заре Вселенной
LHC не просто сталкивает пучки протонов, как и его преемник, HL-LHC. Самый большой в мире ускоритель частиц также способен сталкивать гораздо более тяжелые частицы — даже атомы элемента железа, лишенные электронов.
Столкновения ионов железа происходят на БАК гораздо реже, чем столкновения протонов с протонами: один месяц в году посвящается такого рода экспериментам, но это не значит, что они не были плодотворными. В 2020 году исследователи из ЦЕРНа смогли создать кварк-глюонную плазму — состояние материи, имеющее важное значение, поскольку оно существовало в самые ранние моменты существования Вселенной, вскоре после Большого взрыва.
В экстремальных условиях, созданных на БАК, протоны и нейтроны, составляющие ионы свинца, «плавятся» в процессе освобождения кварков от их связей с глюонами. Наблюдение за тем, как кварк-глюонная плазма расширяется и охлаждается, дает исследователям намек на то, как она постепенно породила частицы, составляющие Вселенную, поскольку она также охлаждалась и расширялась в зачаточном состоянии.
Такие исследования также важны для понимания взаимодействия одного из четырех фундаментальных взаимодействий во Вселенной, сильного ядерного взаимодействия. Эта дисциплина, известная как квантовая хромодинамика (КХД), описывает взаимодействия между кварками и глюонами.
БАК — не первая машина, воспроизводящая это состояние материи, но она совершенствует предыдущие попытки, создавая более горячую, плотную и долгоживущую кварк-глюонную плазму, что позволяет физикам изучать это состояние материи с беспрецедентной точностью.
Кварки и глюоны обычно содержатся только в других частицах, таких как протоны и нейтроны. Они свободно существуют только при невероятно высоких энергиях, подобных тем, которые существовали в ранней Вселенной, когда она была в невероятно горячем и плотном состоянии до того, как инфляция заставила ее расширяться и охлаждаться.
Визуализация столкновений тяжелых ионов, обнаруженных ALICE (CERN/ALICE)
Используя детектор ALICE на LHC, исследователи на ускорителе смогли оценить температуру кварк-глюонной плазмы, используя фотоны, испускаемые этим состоянием вещества, в дополнение к определению плотности его энергии, оба из которых дали результаты выше, чем предыдущие оценки. Ученые из ЦЕРНа также смогли использовать частицы, созданные этим плотным горячим «супом» материи, чтобы исследовать его форму и другие свойства.
Благодаря модернизации LHC детектор ALICE, ключевой инструмент для измерения частиц, образующихся в результате столкновений тяжелых ионов, получил огромный импульс.
ЦЕРН ожидает, что во время запуска 3 в экспериментах ATLAS и CMS будет достигнуто больше столкновений, чем за два других периода работы вместе взятых, а количество столкновений LHCb увеличится в три раза. Воздействие на ALICE будет еще более интенсивным, этот детектор в будущем сможет измерять до 50 раз больше столкновений тяжелых ионов, чем раньше.
Большее количество столкновений означает создание большего количества кварк-глюонной плазмы и более продолжительное состояние этой первичной материи, а также предоставление исследователям большего количества данных для изучения условий ранней Вселенной.
«Предстоящее десятилетие на LHC предлагает много возможностей для дальнейшего исследования кварк-глюонной плазмы», — сказал представитель эксперимента ALICE Лучано Муса в пресс-релизе CERN. «Ожидаемое десятикратное увеличение числа столкновений ионов свинца должно как повысить точность измерений известных зондов среды, так и дать нам доступ к новым зондам. Кроме того, мы планируем исследовать столкновения между более легкими ядрами, что могло бы пролить дополнительный свет на природу среды».
