Вели́кий адро́нний кола́йдер (, LHC) — найбільший у світі прискорювач елементарних частинок, збудований у Європейському центрі ядерних досліджень (CERN), поблизу Женеви (Швейцарія), між 1998 і 2008 роками.
Фінансування та розробку проєкту здійснюють понад 10 тисяч науковців та інженерів, представників різних університетів і лабораторій з понад 100 країн світу.
Прискорювач пролягає в тунелі (у формі тора окружністю 27 км) на глибині до 175 м (570 футів) під землею на кордоні Франції та Швейцарії, поблизу Женеви, Швейцарії. Як свідчить назва, він призначений для прискорювання адронів, зокрема протонів і важких іонів.
Перших зіткнень вдалось досягти в 2010 році з енергією в 3,5 тераелектронвольт (ТеВ) на промінь, що приблизно в чотири рази перевищило попередній світовий рекорд. Після модернізації 2015 року вдалось отримати енергію 6,5 ТеВ на промінь (13 ТеВ загальна енергія зіткнення, сучасний світовий рекорд).
Основні завдання ВАК
Вивчення механізму Хіггса Цей, раніше суто теоретичний, механізм пояснює, яким чином деякі елементарні частинки набули масу, що призвело до порушення симетрії в межах електрослабкої взаємодії (де, як відомо, фотон безмасовий, а W та Z бозони масивні). Підтвердженням існування цього механізму повинен бути бозон Хіггса, пошук якого і був одним із завдань ВАК. У випадку існування цього бозону з допомогою експерименту планувалося визначити його основні характеристики (заряд та масу) і таким чином підтвердити або зробити спробу розширити Стандартну модель (в залежності від маси бозону).
Експерименти ATLAS та CMS оголосили про відкриття бозону Хіггса 4 липня 2012 року. Опубліковані восени 2012 року результати доводять існування частинки з масою близько 125 ГеВ, що має властивості відповідні до передбачених властивостей бозону Хіггса. Впродовж 2015-2018 років на ВАК було зібрано значно більшу кількість експериментальних даних, що дозволили виміряти з великою точністю параметри цієї частинки і впевнено поставити її у відповідність до теоретично передбаченого бозона Хіггса. Було відкрито 5 каналів розпаду цього бозона: розпад у два фотони, чотири лептони, пару b-кварків, пару W бозонів та пару тау-лептонів; всі результати відповідають теоретичним передбаченням. Ведеться пошук рідкісного каналу розпаду у два мюони та інших розпадів, для дослідження яких необхідно зібрати значно більший обсяг даних. Так само, більший обсяг даних має бути досліджено для відкриття надзвичайно рідкісного процесу народження двох (або більшої кількості) бозонів Хіггса в одному зіткненні пучків.
У травні 2023 року на фізичній конференції LHC у Белграді були оприлюднені результати, які підвищили статистичну точність швидкості знаменитого «віддавання маси» при розпаді частинки Хіггса на фотон і Z-бозон із слабкою ядерною силою короткого радіусу дії. Подібний розпад є подією приблизно одна із тисячі, або, як вже зазначається в підручниках, приблизно 0,15 відсотка від всіх розпадів ХіггсаВчені виявили перші ознаки рідкісного розпаду бозона Хіггса. 29.05.2023.
Станом на 2019 рік, наукові статті 2012 року про відкриття бозону Хіггса отримали більше 9 тисяч цитувань, що ставить їх у п'ятірку найцитованіших наукових статей у фізиці елементарних частинок.
Вимірювання параметрів Стандартної моделі Значення основних параметрів Стандартної моделі фізики елементарних частинок, таких як маси калібрувальних бозонів та константи електрослабкої взаємодії, були виміряні недостатньо точно до початку роботи ВАК. Вимірювання цих параметрів є одним з основних задань ВАК, яке успішно виконується.
Вивчення топ-кварків Топ-кварк — найважчий кварк і, більше того, це найважча з відкритих поки елементарних частинок. Згідно з результатами Теватрону, що були відомі ще до запуску ВАК, його маса становить 173,1 ± 1,3 ГеВ/c². Через свою велику масу топ-кварк до запуску ВАК спостерігався лише на одному прискорювачі — Теватрон, на інших прискорювачах просто не вистачало енергії для його продукування. Крім того, топ-кварки цікавлять фізиків не тільки самі по собі, але і як «робочий інструмент» для вивчення хіггсівського бозона. Один з найважливіших каналів народження хіггсівського бозона в ВАК — асоціативне народження разом з топ-кварк-антикварковою парою. Для того, щоб надійно відокремлювати такі події від фону, треба спочатку добре вивчити властивості самих топ-кварків.
Вже 2014 року експерименти ATLAS та CMS змогли уточнити масу топ-кварка, а невдовзі детально вивчити його властивості. Асоціативне народження хіггсівського бозона з топ-кварк-антикварковою парою було експериментально досліджено у 2018.
Пошук суперсиметрії Ця гіпотетична теорія постулює симетрію між бозонами та ферміонами в природі у випадку енергій понад 1 ТеВ і є одним із запропонованих розширень Стандартної моделі. Станом на 2021 рік, підтверджень цієї теорії здобути не вдалося: результати ВАК допомогли виключити значну кількість гіпотетичних сценаріїв. Варто відзначити, що ці негативні результати не ставлять крапку на теорії суперсиметрії: є не виключеною можливість, що маса таких частинок настільки велика, що їх неможливо спостерігати на ВАК.
Також було досліджено інші гіпотетичні сценарії: існування раніше невідомих довгоживучих частинок або магнітних монополей також не було підтверджено.
Дослідження кварк-глюонної плазми Приблизно один місяць на рік прискорювач працює в режимі ядерних зіткнень. Окрім зіткення пучків протонів, протягом 2010-2018 років досліджувались зіткенення двох пучків свинцю (PbPb), протонів та свинцю (pPb), а у 2017 також двох пучків ксенону (XeXe). Зіткнення важких іонів дозволяє досліджувати також рідкісні електромагнітні процеси завдяки сильним електромагнітним полям у важких ядрах. Так, колаборація ATLAS відкрила процес розсіяння фотонів на фотонах.
Дослідження важких адронів Ще до запуску ВАК фізика важких (таких, що містять c- або b-кварки) адронів вважалася перспективним напрямом пошуку відхилень від Стандартної моделі. Це є можливим завдяки тому, що розпад цих короткоживучих (період напіврозпаду порядку пікосекунди) адронів відбувається з допомогою слабкої взаємодії, в якій порушується CP-інваріантність. Точне вимірювання значень CP-асиметрії у розпадах важких адронів є одним із завдань ВАК, над яким переважно працює експеримент LHCb. Саме на цьому експерименті вперше було відкрито порушення CP-інваріантності у розпадах D мезонів, а також залежність CP-асиметрії від часу у розпадах Bs мезонів.
У слабких розпадах адрони масою порядка 2 – 5 ГеВ розпадаються з допомогою віртуальних W та Z бозонів масою у 80 – 90 ГеВ. Це дає можливість припустити, що гіпотетичні частинки з ще більшою масою можуть мати вплив на такі розпади, проявляючи себе у відхиленнях від передбачень Стандартної моделі. Ще до старту ВАК передбачалося, що у деяких моделях суперсиметрії рідкісний розпад Bs мезона на два мюони (що у Стандартній моделі стається лише в трьох із мільярда Bs мезонів) може бути значно частішим. Три з чотирьох великих експериментів на ВАК взялися за перевірку цієї гіпотези: виміряна ймовірність такого розпаду станом на 2020 рік (близько 2.6 розпадів на мільярд) узгоджується зі Стандартною моделлю, що виключає гіпотетичні ефекти суперсиметрії, проте не виключає певні інші моделі фізики за межами Стандартної моделі. Незначні відхилення від передбачень Стандартної моделі спостерігаються у інших рідкісних розпадах B мезонів, проте (оскільки ці розпади надзвичайно рідкісні) необхідно зібрати більший обсяг даних для підтвердження результатів.
Окрім дослідження розпадів вже відомих адронів, передбачався пошук нових адронів, що були передбачені Стандартною моделлю, але не були доступними на попередніх експериментах. Загалом, ВАК за 10 років відкрив кілька десятків нових адронів. Хоча більша частина з них подібні за кварковим складом до уже відомих частинок, було також відкрито кілька принципово нових адронів. Серед них варто виділити "двічі чарівний" баріон Ξcc++ , що є першим відомим баріоном з двома чарівними кварками.
Дослідження "екзотичних" адронів, тобто таких, що не вписуються у класифікацію мезонів та баріонів, є важливим для розуміння законів квантової хромодинаміки. У експериментах на ВАК було відкрито пентакварки, а також досліджено або відкрито кілька тетракварків.
Історія
Проєкт був задуманий 1984 року, його реалізацію почали 2001-го. Для спорудження ВАК було використано існуючий тунель, в якому до 2000 року працював електрон-позитронний колайдер LEP.
Запуск ВАК спершу планували на 8 липня 2008 року, але відбувся він 10 вересня. Запуск вважають успішним — пучок частинок з енергією 450 гігаелектрон-вольт проведено по всьому кільцю колайдера.
Офіційну церемонію відкриття Великого адронного колайдера було заплановано на 21 жовтня 2008 року. Але через несправність кріогенної системи колайдера, яка сталася 19 вересняВеликий адронний коллайдер знову в дії. 03.12.2009, ВАК запустили лише 20 листопада 2009 року.
30 березня 2010 року у Великому адронному колайдері вперше успішно здійснено зіткнення протонів, що рухалися зі швидкістю, наближеною до швидкості світла.
14 лютого 2013 — Великий адронний колайдер було зупинено для запланованого ремонту, який тривав до листопада 2014. Техніки замінили понад 10 тисяч високовольтних з'єднань між надпровідними магнітами. Також було збільшено захист чутливого електронного обладнання в тунелі від іонізуючого випромінювання. Крім головного 27-кілометрового колайдера, проведено модернізацію протонного синхротрона та протонного суперсинхротрона. Після завершення роботи енергія зіткнень у ВАК зросла з 8 до 13 тераелектронвольт, а також збільшилась його світність (кількість зіткнень між частинками на секунду).
8-16 березня 2013 — під час наукової конференції у Ля-Тюїль (Італія) фізики, які працюють на Великому адронному колайдері, оприлюднили нові дані, які підтверджують, що елементарна частинка, отримана у ході експерименту на ВАК є саме бозоном Хіггса.
Після зупинки на модернізацію у 2013 році, колайдер почав повноцінну роботу навесні 2015 року. У квітні 2016 року CERN відімкнув ВАК від живлення після короткого замикання, колайдер у цей час був у роботі. Речник CERN Арно Марсольє повідомив, що тхір проліз до трансформатора високої напруги, що призвело до короткого замикання, тварина загинула, але Великий адронний колайдер буде полагоджено за кілька днівТхір зупинив роботу Великого адронного колайдера . BBC Україна. 29 квітня 2016 року. Колайдер успішно працював до кінця 2018 року, коли його було закрито на планову трирічну модернізацію.
Наприкінці 2018 року колайдер було вимкнено для подальшої модернізації прискорювача та детекторів. Перезапуск колайдера планується навесні 2022 року з можливим підвищенням енергії зіткнення до 14 ТеВ.
5 липня 2022 року, після запуску колайдера, вчені відкрили одразу три досі невідомі науці кварки. Було виявлено пентакварк та пару тетракварків, один з яких, до речі, ще й мав зарядВеликий адронний колайдер виявив докази існування трьох небачених раніше частинок. 06.07.2022, 09:34Запустили так запустили: Великий адронний колайдер виявив три невідомі людству частинки. 08.07.2022.
28 листопада 2022 року, згідно повідомлення видавництва Süddeutsche Zeitung, через енергетичну кризу, Європейська організація ядерних досліджень (CERN) на два тижні раніше запланованого терміну зупинила роботу колайдераStromfresser: Auch die Wissenschaft spart Energie 27. November 2022, 10:16 UhrВеликий адронний колайдер зупинили для економії електроенергії. 28.11.2022, 12:29.
У лютому 2024 року CERN оголосив про те, що з грудня поточного року понад 500 вчених з російських інститутів буде відсторонено від роботи в організації. Рішення про припинення співпраці з російськими вченими було ухвалено CERN ще у листопаді 2022 року у відповідь на повномасштабне вторгнення Росії до УкраїниРосійським вченим закриють доступ до адронного колайдера. 22.09.2024.
Передісторія ВАК з 1976 року