Что сейчас с коллайдером происходит
Блеск и нищета ускорителя Что сейчас происходит с Большим адронным коллайдером
Большой адронный коллайдер (БАК) был запущен 10 сентября 2008 года. Через девять дней в крупнейшем на планете ускорителе элементарных частиц произошла авария, и ученые вынуждены были прекратить работу на нем. Непосредственно перед запуском БАК и спустя некоторое время после поломки в СМИ появлялось огромное количество новостей о коллайдере, но постепенно информационный поток иссяк. Что сейчас происходит с БАК и вокруг него?
Фальстарт
Запуска БАК с нетерпением ждали не только физики, но и люди, которые последний раз вспоминали об этой науке в школе. Такое нетипичное внимание к исследованиям старательно поддерживалось журналистами, в том числе и далекими от науки. Кроме того, важную роль в «раскрутке» коллайдера сыграли работающие на нем специалисты, что является нетипичным для ученых поведением.
После проведения столь активной рекламной кампании специалисты БАК не могли обмануть ожидания миллионов жителей Земли и отложить запуск ускорителя. Знаменательное событие было намечено на 10 сентября 2008 года, однако незадолго до этого срока ученые столкнулись с рядом технических проблем. В назначенный день первые пучки протонов прошли по 27-километровому кольцу ускорителя. Исследователи прогнали протоны сначала по часовой стрелке, а потом и против, перевыполнив намеченную ранее программу.
Сразу после аварии стало ясно, что коллайдер получил серьезные повреждения, однако точная оценка причиненного ущерба заняла длительное время. Туннель ускорителя находится на глубине 100 метров, и в нем поддерживается стабильно низкая температура. Для того чтобы понять, что и почему произошло 19 сентября, ученым необходимо было прогреть поврежденную секцию до комнатной температуры, а затем частично разобрать конструкции БАК.
В итоговом заключении технической комиссии CERN (Европейский центр ядерных исследований, международная организация, курирующая проект БАК), выпущенном 5 декабря 2008 года, был сделан вывод, что причиной аварии стал брак при монтаже одного из контактов между магнитами. Размер причиненного ущерба был оценен в 21 миллион долларов. На ремонтные работы планировалось потратить половину этой суммы, а оставшиеся 10 миллионов должны были пойти на покупку новых магнитов.
Два наиболее сильно поврежденных участка. Фото с сайта cern.ch
Помимо собственно замены или ремонта поврежденных магнитов специалисты CERN разработали диагностическую систему, которая способна выявлять повреждения, способные спровоцировать новую аварию. С помощью этой системы уже были обнаружены несколько дефектных соединений в других секторах ускорительного кольца. В начале мая ученые выяснили, что некоторые контакты могут содержать дефекты несколько иного типа. Часть из них было решено заменить на новые.
Средства на устранение последствий аварии должны были предоставить страны-участники CERN. Дополнительные расходы и сами по себе не являются приятным событием, а тут еще грянул финансовый кризис. Выделение средств не на спасение экономики, а на непонятный прибор со сложным названием показалось разумной идеей не всем государствам.
В начале мая 2009 года Австрия заявила о своем желании выйти из CERN. По мнению официальных лиц, правительство смогло бы с большей пользой для страны потратить 17 миллионов, которые ежегодно уходят в бюджет CERN. Австрийские ученые восприняли решение правительства крайне негативно, и 18 мая канцлер страны объявил о том, что Австрия останется в составе CERN.
Не только БАК
Несмотря на то что на ремонт БАК уходит огромное количество ресурсов, CERN продолжает поддерживать и другие научные проекты. С 10 по 13 мая в Центре прошла конференция, посвященная их обсуждению. Для проведения большей части экспериментов ученые задействуют «разгоночные» ускорительные кольца БАК (перед тем как попасть в 27-километровый туннель, протоны набирают скорость в меньших по размеру кольцах). Программу конференции и ссылки на тексты докладов можно найти здесь.
Том Хэнкс в роли профессора Лэнгдона. Кадр из фильма «Ангелы и демоны»
Параллельно с чисто научной деятельностью CERN продолжает активно вести просветительскую работу. Одновременно с премьерой фильма Рона Говарда «Ангелы и демоны» был запущен сайт, на котором разъясняется суть упоминающихся в картине научных явлений. По сюжету главные герои пытаются спасти Ватикан, который злоумышленники хотят разрушить при помощи созданной в CERN антиматерии. Частично на сайте воспроизводится опубликованная ранее научно-популярная статья об антивеществе, но некоторые разделы сайта, посвященные экспериментам на БАК и бозону Хиггса, являются новыми.
Научную основу картины, снятой по мотивам одноименного романа Дэна Брауна, нельзя назвать безукоризненной. Тем не менее, представители CERN активно сотрудничают со съемочной группой и используют фильм для рекламы коллайдера. Во время визита в CERN в феврале исполнитель главной роли Том Хэнкс дал согласие принять участие в церемонии повторного запуска БАК.
Что дальше?
На Большом адронном коллайдере открыли новую форму материи. Почему ученые не понимают, с чем они столкнулись?
Большой адронный коллайдер. Фото: globallookpress.com
При участии российских физиков в ЦЕРН обнаружили новую частицу — экзотический тетракварк Tcс+, представляющий собой новую форму материи. В коллаборацию LHCb, которая сделала открытие, входят Институт ядерной физики имени Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН, Новосибирский государственный университет, Институт теоретической и экспериментальной физики имени А.И. Алиханова и другие организации. «Лента.ру» рассказывает о научном достижении и о том, что оно значит для физики частиц в целом.
Очарованные и прелестные
LHCb — это один из четырех детекторов, установленных на Большом адронном коллайдере, который предназначен для изучения физики прелестных кварков (b-кварков) и нарушения CP-симметрии при взаимодействии между этими кварками. CР-симметрией называют неизменность законов физики при замене всех частиц на античастицы при одновременном зеркальном отражении физических процессов. Считается, что некоторые частицы не соблюдают СР-симметрию, и это может объяснять, почему во Вселенной материя преобладает над антиматерией. Помимо основной задачи, детектор LHCb также задействован в экспериментах с очарованными кварками (с-кварками).
Тетракварки являются экзотическими мезонами, то есть частицами, в которых число кварков равно числу антикварков. Экзотическими их называют потому, что изначально предполагалось существование частиц, состоящих либо из трех кварков, как протоны и нейтроны, либо из кварка и антикварка. В своих фундаментальных работах 1964 года физики Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг, в которых они предложили кварковую модель, упомянули возможность добавления кварк-антикварковой пары к минимальной мезонной или барионной кварковой конфигурации для образования адронов с четырьмя (тетракварк) или пятью (пентакварк) кварковыми составляющими. При этом считалось, что состав тетракварков всегда соответствует формуле qq’QQ’, где q — это легкий кварк (верхний, нижний или странный), а Q — тяжелый кварк (очарованный или прелестный); апострофы обозначают соответствующие антикварки (легкие или тяжелые).
Физикам потребовалось 50 лет, чтобы получить однозначные экспериментальные доказательства существования экзотических адронов. В апреле 2014 года коллаборация LHCb опубликовала измерения, которые продемонстрировали, что частица Z (4430), впервые обнаруженная коллаборацией Belle, состоит из четырех кварков (ccud). Затем в июле 2015 года на Большом адронном коллайдере произошел поворотный момент в спектроскопии экзотических барионов, когда коллаборация LHCb сообщила о признаках существования пентакварков.
Считается, что первым экспериментально обнаруженным тетракварком стал Zc(3900), открытый в 2013 году сразу двумя независимыми научными коллективами на китайском электрон-позитронном коллайдере в BEPC II и в японской лаборатории Организации по изучению высокоэнергетических ускорителей. В 2015 году анализ распада лямбда-барионов, содержащих в своем составе один прелестный кварк (прелестные лямбда-барионы), раскрыл существование пентакварков — экзотических частиц, состоящих из пяти кварков. С тех пор экспериментально доказано существование 20 тетракварков и четырех пентакварков.
Устройство детектора LHCb
В июле 2020 года физики LHCb объявили о возможном открытии тетракварка с четырьмя очарованиями. До этого момента все известные экзотические частицы содержали пару очарованный кварк или очарованный антикварк или прелестный кварк и прелестный антикварк. В августе 2020 года впервые открыли тетракварк cdus с открытым очарованием, а в марте 2021 года — тетракварк со скрытым очарованием и странным кварком. О скрытом очаровании говорят, когда в составе адрона имеются очарованный кварк и очарованный антикварк. При открытом очаровании частицы не содержат очарованных антикварков, чтобы уравновесить очарованные кварки. Аналогичная терминология применяется к другим ароматам кварков.
На пике открытия
Новая частица проявила себя в виде узкого пика в спектре масс распада π+-мезона со статистической значимостью, превышающей 20 стандартных отклонений, что однозначно указывает на открытие. Физики проанализировали полный набор данных, полученных при сеансах работы коллайдера Run 1 и Run 2.
Тетракварк Tcс+, или ccud представляет собой единственную известную науке частицу, состоящую из четырех кварков, сразу два из которых являются очарованными (с-кварки), но при этом отсутствуют очарованные антикварки. Вместо них содержатся два антикварка с ароматами u (верхний) и d (нижний). То есть данная частица имеет открытое очарование и выходит за рамки традиционной схемы образования адронов, обнаруживаемой в мезонах и барионах. При этом время жизни нового тетракварка примерно в 10-500 раз больше, чем у частиц с похожей массой, что делает тетракварк Tcс+ рекордсменом-долгожителем.
Пик, соответствующий открытой частице
Все наблюдавшиеся экзотические адроны распадаются за счет сильного взаимодействия. Долгоживущая экзотическая частица, стабильная по отношению к сильному взаимодействию, заинтриговала бы сообщество физиков элементарных частиц. Адрон с двумя тяжелыми кварками и двумя легкими антикварками — главный кандидат. Однако до сих пор было неясно, будет ли такая частица существовать.
Ситуация изменилась четыре года назад, когда коллаборация LHCb обнаружила барион, содержащий два очарованных кварка и один верхний кварк. Это наблюдение позволило предсказать существование стабильного тетракварка bbud с двумя прелестными кварками. Долгожданное открытие на этой неделе показывает, что ccud также существует, что дополнительно подтверждает существование тетракварка bbud, устойчивого к сильным и электромагнитным взаимодействиям.
Атом или молекула
Физики предполагают две возможности взаимодействия кварков внутри тетракварка. Кварки могут быть тесно взаимосвязаны друг с другом или представлять собой тесно взаимодействующие мезоны. Иными словами, в первом случае экзотическая частица может быть больше похожа на «атом», который имеет очень маленькое и тяжелое ядро, состоящее из двух очарованных кварков и окруженное облаком очень большого размера из легких антикварков. Или же она является «молекулой», в которой две тяжелые частицы D0 и D*+ вращаются друг вокруг друга на расстоянии примерно в восемь-десять раз больше размера каждой из этих частиц.
Поскольку пик в спектре масс распада π+-мезона близок к порогу, соответствующему массе пары очарованных мезонов D*+ D0, можно предположить, что наиболее вероятен вариант с «молекулой», хотя реальная природа этой близости пока остается загадкой, и она не исключает мультикварковую «атомную» структуру. Кроме того, существует загадочная частица χc1(3872), которая по массе тоже близка сумме масс очарованных мезонов. Сходство масс χc1(3872) и Tcс+ может указывать на глубокую, но еще не изученную связь между двумя частицами.
На этой неделе на конференции коллаборации LHCb было объявлено о наблюдении еще двух адронов, Ξb(6327)0 и Ξb(6330)0. Таким образом, к списку адронов, обнаруженных на Большом адронном коллайдере, были добавлены еще три адрона, в результате чего общее количество обнаруженных адронов достигло 62.
Могут ли новые данные опытов на Большом адронном коллайдере изменить представление о физике
В октябре 2021-го появилась новая информация о результатах опытов на Большом адронном коллайдере. Ученые предполагали, что они могут перевернуть представление о современной физике.
Большому адронному коллайдеру неоднократно прочили роль причины конца света. Крупнейшая в мире экспериментальная установка привлекает внимание своими размерами (длина главного кольца – более 26 км) и непонятным многим предназначением. БАК позволяет изучать поведение разогнанных тяжелых ионов и протонов. Кольцевой ускоритель создает уникальные условия для слежения за элементарными частицами.
Главное открытие Большого адронного коллайдера
В 2012-м система Женевского исследовательского центра позволила обнаружить бозон Хиггса. Открытие позволило окончательно сформировать Стандартную модель. Она показывает, что на все существующие структуры действует 4 основных типа сил:
Последним, согласно Стандартной модели, неподвластны элементарные частицы. Результаты эксперимента LHCb от 2017-го позволили предположить близость нового открытия в этой области. Проект посвящен b-кваркам («прелестным» или от beauty) – 3-му поколению фермионов. Так называют частицы, лежащие в основе любой материи.
Что нового известно об эксперименте LHCb
B-кварки существуют триллионные доли секунды. По Стандартной модели, такой короткий период жизни объясняется наличием только слабых взаимодействий. Ученые предполагали, что определили универсальный механизм b-кварков и более тяжелых b-мезонов. При распаде частицы должны давать одинаковое количество электронов и мюонов.
В 2017-м участники эксперимента LHCb опровергли эту гипотезу. Но тогда, по словам одного из исследователей, Игоря Бойко, точности результатов было недостаточно для объявления об открытии.
«Требовалось хотя бы 5 сигм. Тогда точность оценки составила около 2,5 сигмы», — отметил кандидат физико-математических наук.
Показатель означал погрешность около 1%. В марте 2021-го исследователям удалось довести его до 0,3% (3 сигмы). Новые данные показали, что распад b-кварков ведет к образованию большего количества электронов – соотношение с мюонами составляло примерно 1:0,85. Специалисты предположили, что причиной неоднородности может быть пока неизвестная сила или частица.
Планы по продолжению опытов на Большом адронном коллайдере
Обнаружение новых структур или явлений способно оспорить Стандартную модель. Но пока она остается актуальной. Новые данные экспериментов в Большом адронном коллайдере действительно показали, что распад b-кварков приводит к образованию мюонов почти на 70% чаще, чем электронов. Но точность результатов составила 1,5 сигмы. Ученые планируют продолжить наблюдения, чтобы разобраться в вопросе.
Опыты на БАК предполагают существование пока неизвестной частицы – лептокварка. Она должна помогать лептонам и кваркам взаимодействовать друг с другом.
Запуск Большого адронного коллайдера отложили из-за коронавируса
Научные эксперименты на Большом адронном коллайдере не будут возобновлены в 2021 году, как планировалось ранее. Запуск коллайдера отложен из-за пандемии коронавирусной инфекции и связанных с этим задержек с подготовкой к работе главных детекторов CMS и ATLAS, говорится в материалах, опубликованных на сайте ЦЕРНа. Ученые рассчитывают, что в следующем году в кольце коллайдера будут некоторое время циркулировать тестовые пучки протонов на небольших энергиях, но экспериментов на высоких энергиях не будет до 2022 года.
Работа Большого адронного коллайдера была прекращена в декабре 2018 года. Предполагалось, что в следующие два года ученые и инженеры займутся модернизацией и ремонтом ускорителя, чтобы увеличить его светимость примерно в два раза и сделать шаг к превращению его в коллайдер высокой светимости (High Luminosity LHC, HL-LHC). В 2021 году должен был стартовать трех-четырехлетний сеанс работы коллайдера с постепенным повышением светимости вдвое. За этот сеанс планировалось накопить интегральную светимость 300 обратных фемтобарн (против 150 в предыдущем сеансе). После этого должна была последовать новая остановка для модернизации на два с половиной года, после чего коллайдер должен был достичь светимости в шесть-семь раз выше прежней.
Теперь стало известно, что коллайдер вернется к набору данных не раньше, чем в конце января 2022 года, что связано с задержками в работах на двух главных детекторах — CMS и ATLAS. В частности, необходимо дополнительное время для установки на CMS защиты от радиации и одного из элементов системы детекции мюонов — на ATLAS. В ноябре началось охлаждение магнитов коллайдера, к весне 2021 года они все должны быть охлаждены до рабочей температуры, а летом будут начаты эксперименты, не связанные с большим кольцом БАКа, в частности, эксперимент ISOLDE.
График работ по модернизации коллайдера. Зеленым выделены интервалы, когда работы на детекторах позволяют запускать пучки протонов в кольце БАКа
Не только бозон Хиггса: что еще нашли в Большом адронном коллайдере
В этом году адронным коллайдерам исполнилось 50 лет. 27 января 1971 года два пучка протонов впервые столкнулись в ускорителе CERN Intersecting Storage Rings. За последние 10 лет на Большом адронном коллайдере открыты 50 новых частиц, а не только известный бозон Хиггса. Рассказываем, что это за частицы.
Читайте «Хайтек» в
Сколько новых частиц открыты на Большом адронном коллайдере?
Самым известным открытием, конечно же, является бозон Хиггса. Менее известен тот факт, что за последние 10 лет эксперименты на БАК (Большом адронном коллайдере) также обнаружили более 50 новых частиц, называемых адронами. По совпадению, число 50 появляется в контексте адронов дважды, поскольку в 2021 году исполняется 50 лет адронным коллайдерам: 27 января 1971 года два пучка протонов впервые столкнулись в ускорителе CERN Intersecting Storage Rings, что сделало его первым ускорителем в мире. История возникновения столкновений между двумя противоположно вращающимися пучками адронов.
Что такое адроны?
Так что же это за новые адроны, которых всего 59? Давайте начнем с самого начала: адроны не являются элементарными частицами — физики знают это с 1964 года, когда Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг независимо друг от друга предложили то, что сегодня известно как модель кварков. Она представила адроны как составные частицы, состоящие из новых типов элементарных частиц — кварков.
Кварки рождаются свободными, но встречаются только связанными…
Фрэнк Вилчек,
лауреат Нобелевской премии по физике за за открытие асимптотическое свободы в теории сильных взаимодействий, 2004 г.
Сам термин «адрон» происходит от греческого «хадрос» («сильный») и отражает свойство адронов участвовать в сильных взаимодействиях. Это короткодействующие фундаментальные взаимодействия, связывающие кварки внутри нуклонов и других адронов. Сила этого взаимодействия намного превосходит силу трех других фундаментальных взаимодействий — электромагнитного, слабого и гравитационного.
Адроны — связанные системы кварков и антикварков. Они существуют двух типов — барионы и мезоны.
Как появляются новые адроны?
Но точно так же, как исследователи все еще открывают новые изотопы спустя 150 лет после того, как Менделеев создал периодическую таблицу, исследования возможных составных состояний, образованных кварками, все еще являются активной областью физики элементарных частиц.
Причина этого кроется в квантовой хромодинамике, или КХД, теории, описывающей сильное взаимодействие, которое удерживает кварки вместе внутри адронов. У этого взаимодействия есть несколько любопытных особенностей, включая тот факт, что сила взаимодействия не уменьшается с расстоянием. Это приводит к свойству, которое запрещает существование свободных кварков вне адронов — ограничение цвета. Такие особенности делают эту теорию очень сложной с математической точки зрения.
Фактически до настоящего времени само ограничение цвета не было доказано аналитически. И у ученых до сих пор нет способа точно предсказать, какие комбинации кварков могут образовывать адроны.
Что мы знаем об адронах?
Еще в 1960-х годах было уже более 100 известных разновидностей адронов. Их обнаружили в экспериментах на ускорителях и в экспериментах с космическими лучами. Модель кварков позволила физикам описать весь «зоопарк» как разные составные состояния всего трех разных кварков: верхнего, нижнего и странного. Все известные адроны могут быть описаны либо как состоящие из трех кварков (образующих барионы), либо как кварк-антикварковые пары (образующие мезоны). Но теория также предсказывала другие возможные устройства кварков.
Уже в оригинальной статье Гелл-Манна о кварках 1964 года идея частиц, содержащих более трех кварков, считалась возможной. Сегодня ученые знают, что такие частицы действительно существуют. И все же потребовалось несколько десятилетий, чтобы экспериментально подтвердить первые четырехкварковые и пятикварковые адроны, или тетракварки и пентакварки.
Полный список из 59 новых адронов, обнаруженных на БАК, показан на изображении ниже.
Некоторые из этих частиц являются пентакварками, некоторые — тетракварками, а некоторые — новыми (возбужденными) состояниями барионов и мезонов с более высокой энергией.
Открытие этих новых частиц вместе с измерениями их свойств по-прежнему дает важную информацию для проверки границ кварковой модели. В свою очередь, это позволяет исследователям углубить понимание сильного взаимодействия, проверить теоретические предсказания и настроить модели. Стоит отметить, что это особенно важно для исследований, проводимых на БАК. Дело в том, что сильное взаимодействие отвечает за большинство того, что происходит при столкновении адронов. Чем лучше ученые поймут сильное взаимодействие, тем точнее будет моделирование этих столкновений. В итоге шансы увидеть небольшие отклонения от ожиданий, которые могут намекать на возможные новые физические явления, вырастут.
Первый адрон, открытый на БАК (LHC), χb (3P), был открыт ATLAS, а самые последние включают новый возбужденный красивый странный барион, наблюдаемый CMS, и четыре тетракварка, обнаруженные LHCb.
Стандартная модель — теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Современная формулировка была завершена в середине 70-х годов после экспериментального подтверждения существования кварков.
Фермион — частица или квазичастица с полуцелым значением спина, собственного момента импульса элементарных частиц.