Большо́й адро́нный колла́йдер, сокращённо БАК (, сокращённо LHC) — ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. Построен в ЦЕРНе (Европейский совет ядерных исследований), находящемся около Женевы, на границе Швейцарии и Франции.
БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире.
«Большим» назван из-за своих размеров (длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 мThe ultimate guide to the LHC P. 30.), «адронным» — из-за того, что ускоряет адроны (протоны и тяжёлые ядра атомов), «коллайдером» ( — сталкиватель) — из-за того, что два пучка ускоренных частиц сталкиваются во встречных направлениях в специальных местах столкновения — внутри детекторов элементарных частиц.
БАК сделал возможным столкновения протонов с суммарной энергией 13,6 ТэВ в системе центра масс налетающих частиц, что является мировым рекордом.
В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 тысяч учёных и инженеров более чем из 100 стран, в том числе и из России12 институтов и 2 федеральных ядерных центра (ВНИИТФ, ВНИИЭФ) (участие учёных из России, за исключением ОИЯИ, прекращено с 2024 г.).
История и планы
Строительство
Идея проекта Большого адронного коллайдера родилась в 1984 году и была официально одобрена десятью годами позже. Его строительство началось в 2001 году, после окончания работы предыдущего ускорителя — Большого электрон-позитронного коллайдера.
Руководитель проекта — Линдон Эванс.
19 ноября 2006 года закончено строительство специальной криогенной линии для охлаждения магнитов.
27 ноября 2006 года в туннеле был установлен последний сверхпроводящий магнит.
Испытания и эксплуатация
2008 год. Запуск. Авария К середине сентября 2008 года была успешно завершена первая часть предварительных испытанийLHC synchronization test successful . Команде БАК удалось запустить и непрерывно удерживать циркулирующий пучок. Запущенные пучки протонов успешно прошли весь периметр коллайдера по и против часовой стрелки. Это позволило 10 сентября объявить об официальном запуске коллайдера. Однако менее чем через 2 недели после этого в ходе испытаний магнитной системы 19 сентября произошла авария — квенч, в результате которой БАК вышел из строя. Один из электрических контактов между сверхпроводящими магнитами расплавился под действием возникшей из-за увеличения силы тока электрической дуги, которая пробила изоляцию гелиевой системы охлаждения (криогенной системы), что привело к деформации конструкций, загрязнению внутренней поверхности вакуумной трубы частичками металла, а также выбросу около 6 тонн жидкого гелия в туннель. Эта авария заставила остановить коллайдер на ремонт, который занял остаток 2008 и бо́льшую часть 2009 года.
2009—2014 годы. Работа на пониженной энергии (Run1)
В 2009—2013 годы коллайдер работал на пониженной энергии. Сначала протон-протонные столкновения проводились на весьма скромной по меркам БАК энергии 1180 ГэВ на каждый пучок, что тем не менее позволило БАК побить предыдущий рекорд, принадлежавший ускорителю Тэватрон. Вскоре после этого энергия пучков была поднята до 3,5 ТэВ, а потом, в 2012 году, энергия пучков достигла 4 ТэВ. Кроме рекорда по энергии протонов в пучках, попутно на БАК был установлен мировой рекорд пиковой светимости для адронных коллайдеров — 4,67 см−2·сек−1; предыдущий рекорд также был установлен на Тэватроне. Наиболее известным научным результатом работы коллайдера за этот период стало открытие Бозона Хиггса.
Этапы набора статистики в протон-протонных столкновениях чередовались с периодами столкновения тяжёлых ионов (ионов свинца)The LHC enters a new phase ЦЕРН, 4 ноября 2010. Также коллайдер проводил протон-ионные столкновения.
Практически целиком 2013—2014 годы заняла модернизация коллайдера, в ходе которой столкновения не проводились.
2015—2018 годы (Run2)
В 2015 году протоны были разогнаны до 6,5 ТэВ и начался сбор научных данных на полной энергии столкновений 13 ТэВ. С ежегодными перерывами на зиму, собирается статистика протон-протонных столкновений. Конец года принято отдать физике тяжёлых ионов. Так, в ноябре и начале декабря 2016 г. около месяца проводились столкновения протонов с ядрами свинца. Осенью 2017 года прошёл пробный сеанс столкновений ядер ксенона, а в конце 2018 года в течение месяца проводились столкновения ядер свинца.
2018—2022. Техническая пауза (LS2) Длинная техническая пауза (Long Shutdown 2 — LS2) началась 10 декабря 2018, для проведения обслуживания и модернизации БАКа и всего ускорительного комплекса ЦЕРНа. Цель модернизации реализация проекта Большого адронного коллайдера высокой светимости, который должен увеличить светимость в 10 раз. Проект Большой адронный коллайдер высокой светимости должен заработать примерно к 2030 году. Перед его запуском, в 2020-х годах планируется проведение технической паузы LS3.
2022 (Run3) БАК снова был запущен 22 апреля 2022 с обновлённой максимальной энергией в 6,8 ТэВ, которую удалось получить 25 апреля. Ожидается, что этот этап работы продлится до 2026 года.
В июле 2022 года Большой адронный коллайдер был готов к третьему раунду экспериментов. Теперь уровень энергии составит 13,6 ТэВ.
В ноябре 2022 года ЦЕРН остановил работу БАК из-за экономии энергии. The Wall Street Journal писала, что в пиковые часы ЦЕРН потребляет около трети объёма энергии, необходимой для обеспечения Женевы, рядом с которой он расположен.
В 2024 году LHC завершил протонную серию, которая прошла с 25 апреля по 16 октября. Интегрированная светимость, достигнутая в экспериментах ATLAS и CMS, составила 124 фб⁻¹, на ≈ 11% выше запланированных 110 фб⁻¹.
Протест против российских соавторов В марте 2022 года, после российского вторжения на Украину, часть западных и украинских ученых выдвинула отказ от соавторства работ с российскими и белорусскими коллегами, составляющими около 7 % от общего коллектива ЦЕРН. Важным аргументом в пользу прекращения сотрудничества с российскими учеными стало обращение Российского союза ректоров в поддержку войны в Украине"Наука в России – капут". Россиян отстраняют от Большого адронного коллайдера , Север.Реалии, 29.03.2024</blockquote>.
Это привело к ситуации, в которой научное сообщество не смогло прийти к договорённости об авторстве готовых к публикациям совместных работ: 70 исследований были выложены на препринт-портале arXiv без списка авторов и спонсоров.
В декабре 2023 года ЦЕРН объявил о прекращении сотрудничества с Россией с ноября 2024 года, проголосовав за исключение России из списка партнёров ЦЕРН, а также за окончание работы на коллайдере учёных с аффилиацией в российских НИИ и вузах (за исключением Объединённого института ядерных исследований, находящегося в Дубне, но являющегося международной организацией).
Финансирование проекта В 2001 году ожидалось, что общая стоимость проекта составит около 4,6 млрд швейцарских франков (3 млрд евро) за сам ускоритель (без детекторов) и 1,1 млрд швейцарских франков (700 млн евро) составит доля ЦЕРН в проведении экспериментов (то есть в строительстве и обслуживании детекторов).
Строительство БАК было одобрено в 1995 году с бюджетом 2,6 млрд швейцарских франков (1,6 млрд евро) и дополнительными 210 млн швейцарских франков (140 млн евро) на эксперименты (то есть детекторы, сбор и обработку данных). В 2001 году эти расходы были увеличены на 480 млн франков (300 млн евро) в части ускорителя и 50 млн франков (30 млн евро) в части экспериментов (расходы, относящиеся непосредственно к ЦЕРН), что вследствие сокращения бюджета ЦЕРН привело к сдвигу планируемых сроков введения с 2005 года на апрель 2007 года.
Бюджет проекта по состоянию на ноябрь 2009 года составил 6 млрд долл. для строительства установки, которое продолжалось семь лет. Ускоритель частиц создавался под руководством ЦЕРН. В проекте было задействовано примерно 700 специалистов из России, которые участвовали в разработке детекторов БАК. Общая стоимость заказов, которые получили российские предприятия, по некоторым оценкам, достигала 120 млн долл.
Официальная стоимость проекта БАК не включает стоимости ранее существовавших в ЦЕРН инфраструктуры и наработок. Так, основное оборудование БАК смонтировано в тоннеле ранее существовавшего коллайдера LEP, при этом использовалось многокилометровое кольцо SPS в качестве предварительного ускорителя. Если бы БАК пришлось строить с нуля, его стоимость оказалась бы заметно выше.
Планы развития
Далёкие планы Также обсуждается возможность проведения столкновений протонов и электронов (проект LHeC). Для этого потребуется пристроить линию ускорения электронов. Обсуждаются два варианта: пристройка линейного ускорителя электронов и размещение кольцевого ускорителя в том же тоннеле, что и LHC. Ближайшим из реализованных аналогов LHeC является немецкий электрон-протонный коллайдер HERA. Отмечается, что в отличие от протон-протонных столкновений, рассеяние электрона на протоне — это очень «чистый» процесс, позволяющий изучать партонную структуру протона намного внимательнее и аккуратнее.
Считается, что с учётом всех модернизаций LHC проработает до 2034 года, но уже в 2014 году в ЦЕРНе было принято решение проработать варианты дальнейшего развития в области физики высоких энергий. Начато изучение возможности строительства коллайдера периметром до 100 кмThe Future Circular Collider study , CERN Courier, Mar 28, 2014.. Проект получил название FCC (Future Circular Collider), он объединяет последовательное создание электрон-позитронной машины (FCC-ee) с энергией 45—175 ГэВ в пучке для изучения Z-, W-, Хиггс-бозонов и t-кварка, а затем, в том же тоннеле, адронного коллайдера (FCC-hh) на энергию до 100 ТэВ.
Задачи и результаты
Поставленные задачи Главная задача Большого адронного коллайдера — достоверно обнаружить хоть какие-нибудь отклонения от Стандартной модели — совокупности теорий, составляющих современное представление о фундаментальных частицах и взаимодействиях. Несмотря на свои преимущества, она имеет и трудности: не описывает гравитационное взаимодействие, не объясняет существования тёмной материи и тёмной энергии. Коллайдер должен помочь ответить на вопросы, неразрешённые в рамках Стандартной модели.
Поиск Новой физики и проверка экзотических теорий Стандартная модель не даёт унифицированного описания всех фундаментальных взаимодействий и должна, по мнению теоретиков, быть частью некоторой более глубокой теории строения микромира, которая видна в экспериментах на коллайдерах при энергиях ниже 1 ТэВ. Главная задача Большого адронного коллайдера, где доступны бо́льшие энергии, — получить хотя бы первые намёки на то, что это за более глубокая теория. Разработано большое число кандидатов на такую теорию — их и называют «Новая физика». Говорят также об «экзотических моделях» — многочисленных необычных идеях относительно устройства мира, которые были выдвинуты в последние годы. К ним относятся теории с сильной гравитацией на масштабе энергий порядка 1 ТэВ, так называемые Теории великого объединения, модели с большим количеством пространственных измерений, преонные модели, в которых кварки и лептоны сами состоят из частиц, модели с новыми типами взаимодействия и новыми частицами. Все они не противоречат имеющимся экспериментальным данным, но во многом по причине ограниченности последних. Ожидается, что результаты, полученные на БАК, помогут подтвердить или опровергнуть предсказания различных теорий.
Поиск суперсимметрии Один из путей объединения законов всех фундаментальных взаимодействий в рамках единой теории — гипотеза «суперсимметрии», в рамках которой предполагается существование более тяжёлого партнёра у каждой известной элементарной частицы. Основанные на ней теории наиболее популярны в области «Новой физики» (в частности, именно суперсимметричные частицы рассматриваются в качестве кандидатов на роль гипотетических частиц тёмной материи), и поиск её экспериментальных подтверждений является одной из главных задач работы БАК.