Строительство и планы развития
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.
После того, как БАК выйдет на проектную энергию и светимость, планируется провести модернизацию каскада предварительных ускорителей, в первую очередь SPS, что позволит заметно повысить светимость коллайдера (проект Super-LHC).
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.
В планах на очень отдалённую перспективу обсуждается демонтаж БАК и использование освободившегося тоннеля и инфраструктуры для коллайдера нового поколения. Это могло бы повысить энергию на пучок протонов до 16ТэВ.
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. 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. — столько было инвестировано в строительство установки, которое продолжалось семь лет. Ускоритель частиц создавался под руководством ЦЕРН. В проекте задействовано 700 специалистов из России. Общая стоимость заказов, которые получили российские предприятия, по некоторым оценкам достигает 120 млн долл.
Официальная стоимость проекта БАК не включает стоимость 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.
Испытания и эксплуатация
2008 год
11 августа успешно завершена первая часть предварительных испытаний. Во время испытаний пучок заряженных частиц прошёл чуть более трёх километров по одному из колец БАК.
10 сентября был произведён официальный запуск коллайдера. Запущенные пучки протонов успешно прошли весь периметр коллайдера по и против часовой стрелки.
12 сентября команде БАК удалось запустить и непрерывно удерживать циркулирующий пучок. На этом задача по установлению циркулирующего пучка завершилась, и физики приступили к подробным тестам магнитной системы.
19 сентября в ходе тестов магнитной системы сектора 3-4 (34) произошла авария, в результате которого 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. Ремонт коллайдера занял остаток 2008 и б́ольшую часть 2009 годов.
21 октября состоялась торжественная церемония официального открытия (инаугурация) БАК.
2009 год
20 ноября, впервые после аварии 19 сентября 2008 года, пучок протонов успешно прошёл по всему кольцу коллайдера.
29-30 ноября учёные довели энергию каждого из пучков протонов до значения 1180 ГэВ. Таким образом, БАК стал самым мощным ускорителем протонов в мире.
9 декабря состоялись столкновения пучков протонов на достигнутой в конце ноября рекордной энергии — 2,36 ТэВ (= 2 × 1180 ГэВ).
2010 год
30 марта энергия пучка протонов доведена до 3,5 ТэВ, состоялись столкновения протонов с суммарной энергией 7 ТэВ. Начался первый длительный сеанс научной работы БАК.
4 ноября закончились эксперименты в 2010 году в режиме протон-протонных столкновений. Коллайдер переведен в режим столкновения тяжёлых ионов (ионовсвинца). Первые тестовые запуски ионных сгустков начались во второй половине дня.
7 ноября начались и продолжались один месяц столкновения ядер с полной энергией 5,74 ТэВ.
2011 год
22 апреля на БАК установлен мировой рекорд пиковой светимости для адронных коллайдеров — 4,67·1032 см−2·сек−1. Предыдущий рекорд был установлен ускорителемТэватрон в 2010 году, тогда светимость составила 4,02·1032см−2·сек−1.
17 июня светимость, набранная ATLAS и CMS за 2010—2011 годы, превысила 1 фбн−1.
В результате обработки данных эксперимента OPERA сообщается о возможном превышении мюонными нейтрино скорости света (впоследствии выяснилось, что причиной ошибочного предположения о сверхсветовой скорости стал технический дефект)[37].
15 ноября начата трёхнедельная программа столкновений ионов свинца.
2012 год
16 марта протоны впервые разогнаны до энергии 4 ТэВ.
4 июля коллаборации ATLAS и CMS объявили о нахождении бозона массой 125,3 ± 0,6 ГэВ. Характеристики этой частицы довольно точно соответствуют предсказанному ранее бозону Хиггса. Является ли эта частица бозоном Хиггса, остаётся под вопросом.
В сентябре были проведены пробные протон-ионные столкновения.
15 ноября коллаборацией CMS было объявлено о наблюдении частицы Y(4140) с массой 4148,2 ± 2.0 (стат) ± 4,6 (сист) МэВ/c2 (статистическая значимость более 5σ), ранее наблюдавшейся лишь на Тэватроне в 2009 г. Наблюдения сделаны в ходе обработки статистики 5,2 фб−1 столкновений протонов на энергии 7 ТэВ. Наблюдаемый распад данной частицы на J/ψ-мезон и Фи-мезон не описывается в рамках Стандартной модели.
17 декабря успешно завершён первый этап протонных столкновений.
2013 год
В начале 2013 года были проведены серии протон-ионных столкновений.14 февраля 2013 года коллайдер был остановлен для модернизации до конца 2014 года. Планируется увеличить энергию столкновения протонов с нынешних 8 ТэВ до 13-14 ТэВ и установить дополнительное оборудование на детекторах ALICE, ATLAS, CMS, LHCb. В 2015 году эксперименты будут продолжены.
Научные результаты
Благодаря большей энергии по сравнению с предшествовавшими коллайдерами, БАК позволил «заглянуть» в недоступную ранее область энергий и получить научные результаты, накладывающие ограничения на ряд теоретических моделей.
Краткий перечень научных результатов, полученных на коллайдере:
открыт новый бозон с массой 125,3 ± 0,6 ГэВ, скорее всего являющийся бозоном Хиггса;
при энергиях до 8 ТэВ изучены основные статистические характеристики протонных столкновений — количество рождённых адронов, их распределение по быстроте, бозе-эйнштейновские корреляции мезонов, дальние угловые корреляции, вероятность остановки протона;
показано отсутствие асимметрии протонов и антипротонов;
обнаружены необычные корреляции протонов, вылетающих в существенно разных направлениях;
получены ограничения на возможные контактные взаимодействия кварков;
получены более веские, по сравнению с предыдущими экспериментами, признаки возникновения кварк-глюонной плазмы в ядерных столкновениях;
исследованы события рождения адронных струй;
подтверждено существование топ-кварка, ранее наблюдавшегося только на Тэватроне;
обнаружено два новых канала распада Bs-мезонов, получены оценки вероятностей сверхредких распадов B- и Bs-мезонов на мюон-антимюонные пары;
открыты новые, теоретически предсказанные частицы
, 
, 
и 
;получены первые данные протон-ионных столкновений на рекордной энергии, обнаружены угловые корреляции, ранее наблюдавшиеся в протон-протонных столкновениях;
объявлено о наблюдении частицы Y(4140), ранее наблюдавшейся лишь на Тэватроне в 2009 г.
Заключение
Современная теория элементарных частиц опирается на определенную симметрию между электромагнитными и слабыми взаимодействиями — электрослабую симметрию. Считается, что эта симметрия была в ранней Вселенной и из-за нее частицы были поначалу безмассовы, но на каком-то этапе она самопроизвольно нарушилась, и частицы приобрели массу. В теории элементарных частиц для этого нарушения электрослабой симметрии был придуман хиггсовский механизм. Именно его должен будет изучить LHC.
Для этого в эксперименте потребуется открыть хиггсовский бозон — частицу-отголосок хиггсовского механизма. Если этот бозон будет найден и изучен, физики узнают, как протекало нарушение симметрии, и даже, возможно, создадут новую, более глубокую теорию нашего мира. Если этот бозон не будет найден (ни в каком виде), то потребуется серьезный пересмотр Стандартной модели элементарных частиц, поскольку без хиггсовского механизма она работать не может.
В экспериментах на ускорителях высоких энергий изучаются самые экстремальные состояния материи. Хотя эти экстремальные состояния возникают в крошечных объемах и на совершенно ничтожное время, эти объекты всё же «чужеродны» для привычного нам мира. Поэтому при проектировании новых ускорителей на сверхвысокие энергии полезно задавать себе вопрос: “не могут ли эксперименты на этом ускорителе нанести вред окружающему нас миру?”
Этот вопрос был, разумеется, поставлен перед началом работы над созданием LHC, и на него был дан отрицательный ответ. Физики-экспериментаторы — по-хорошему консервативные люди, и если бы существовали малейшие поводы для реальных сомнений в безопасности LHC, события развивались бы совсем иначе.
Для того чтобы максимально объективно изучить и изложить положение вещей, при LHC была создана специальная группа LSAG (the LHC Safety Assessment Group), которая снова перепроверила вопросы безопасности LHC. Ее окончательный отчет основан на более свежих теоретических, экспериментальных и наблюдательных данных и подтверждает, а иногда и усиливает более ранние выводы (подобные отчеты делались и раньше, в том числе и для других ускорителей).
Ниже перечислены четыре возможности, которые, в принципе, могли бы привести к «катастрофическому сценарию» экспериментов на LHC. Для каждого варианта кратко описано, при каких теоретических предположениях он мог бы реализоваться, и затем приведены экспериментальные или астрофизические данные, которые доказывают безопасность LHC.
Главный аргумент против «катастрофического сценария» заключается в том, что, по меркам природы, LHC — очень скромный эксперимент. Когда космические лучи бомбардируют Землю, то время от времени происходят столкновения, энергетически эквивалентные столкновениям на LHC. За всё время существования Земли она «накопила» столкновений в сто тысяч раз больше, чем планируется набрать на LHC за время его работы. Если же принять во внимание другие небесные тела, то число возрастает на порядки. Оценено, что каждую секунду во Вселенной происходят миллионы экспериментов, превосходящих LHC по энергии и количеству столкновений.
В прессе иногда пишут, что, согласно ЦЕРНу, официальная оценка вероятности катастрофического сценария — 1 шанс к 50 миллионам. Это неверная информация. Во-первых, в отчетах по безопасности фигурирует не сама вероятность, а ограничение сверху на эту вероятность (то есть утверждается, что эта вероятность заведомо меньше некоторого предела, но какая она на самом деле, не утверждается). Оценить вероятность того, что какая-то экзотическая теория окажется верной, вряд ли возможно, а из наблюдательных данных (то есть отсутствия свидетельств разрушения небесных тел под действием космических лучей) ничего, кроме ограничения сверху, определить нельзя. Во-вторых, фигурирующие в отчете ограничения сверху на много порядков меньше этого числа.
Список литературы:
Большой адро́нный колла́йдер
http://ru.wikipedia.org/wiki/Большой_адронный_коллайдер
Кольцевые коллайдеры высокой энергии
http://nuclphys.sinp.msu.ru/colliders/col2.htm
