Большой адронный коллайдер и Европейский центр по ядерным исследованиям.
В СССР в 1980-е годы был создан проект Ускорительно-накопительного комплекса (УНК) — сверхпроводящего протон-протонного коллайдера в Институте физики высоких энергий (ИФВЭ) в Протвино. Он превосходил бы по большинству параметров LEP и Тэватрон (США) и должен был позволить разгонять пучки элементарных частиц с энергией 3 тераэлектронвольта (ТэВ). Его основное кольцо длиной 21 километр был построено под землёй в 1994 году, однако из-за нехватки средств проект в 1998 году был заморожен, построенный в Протвино тоннель — законсервирован (были достроены только элементы разгонного комплекса), а главный инженер проекта Геннадий Дуров уехал на работу в США.
В 1989 году в Швейцарии под эгидой Европейского центра по ядерным исследованиям (CERN) был введён в эксплуатацию Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP). Для него на глубине 50-175 метров в долине Женевского озера был построен кольцевой тоннель длинной 26,7 километра.
Вместо строительства собственных коллайдеров физики разных стран решили объединиться в рамках международного проекта, идея создания которого зародилась ещё в 1980-х годах. После окончания экспериментов на швейцарском LEP его оборудование было демонтировано, и на его месте начато строительство Большого адронного коллайдера (БАК, Large Hadron Collider, LHC) — самого мощного в мире кольцевого ускорителя заряженных частиц на встречных пучках, на котором будут сталкиваться пучки протонов с энергиями столкновения до 14 ТэВ и ионы свинца с энергиями столкновения до 1150 ТэВ.
В 1995 году стоимость создания БАК оценивалась в 2,6 миллиарда швейцарских франков без учёта стоимости проведения экспериментов. Планировалось, что эксперименты должны будут начаться через 10 лет — в 2005 году. В 2001 году бюджет CERN был сокращён, а к стоимости строительства было добавлено 480 миллионов франков (общая стоимость проекта к тому времени составляла около 3 миллиардов франков), и это привело к тому, что пуск коллайдера был отложен до 2007 года.
10 сентября 2008 года в БАК был запущен первый пучок протонов. Планировалось, что через несколько месяцев на коллайдере будут осуществлены первые столкновения, однако 19 сентября из-за дефектного соединения двух сверхпроводящих магнитов на БАК произошла авария: магниты были выведены из строя, в тоннель вылилось более 6 тонн жидкого гелия, в трубах ускорителя был нарушен вакуум.
Коллайдер пришлось закрыть на ремонт. Несмотря на аварию 21 сентября 2008 года состоялась торжественная церемония введения БАК в строй. Первоначально опыты собирались возобновить уже в декабре 2008 года, однако затем дата повторного запуска была перенесена на сентябрь, а после — на середину ноября 2009 года, при этом первые столкновения планировалось провести лишь в 2010 году. Первые после аварии тестовые запуски пучков ионов свинца и протонов по части кольца БАК были произведены 23 октября 2009 года. 23 ноября в детекторе ATLAS были произведены первые столкновения пучков, а 31 марта 2010 года коллайдер заработал на полную мощность: в тот день было зарегистрировано столкновение пучков протонов на рекордной энергии в 7 ТэВ. В апреле 2012 года была зафиксирована ещё большая энергия столкновений протонов — 8 ТэВ.
В 2009 году стоимость БАК оценивалась от 3,2 до 6,4 миллиарда евро, что делало его самым дорогим научным экспериментом в истории человечества.
Над созданием Большого адронного коллайдера работали более 700 российских физиков. Россия финансировала сооружение как детекторов, всех четырёх, так и самого ускорителя. Доля примерно, если говорить о детекторах, это в среднем около 5%. Если говорить об ускорителе, то порядка 3%. Это деньги, которые Минобрнауки, Агентство по науке и инновациям выделяло специально на эти цели, в наши институты, и институты на эти деньги закупали всё необходимое. Каждый институт, участвующий в проекте, брал на себя определенный участок работы — разработку или создание определенных узлов и приборов.
Цели эксперимента
Основной целью строительства БАК было уточнение или опровержение Стандартной модели — теоретической конструкции в физике, описывающей элементарные частицы и три из четырёх фундаментальных взаимодействия: сильное, слабое и электромагнитное, за исключением гравитационного. Формирование Стандартной модели было завершено в 1960-1970-х годах, и все сделанные с тех пор открытия, по мнению учёных, описывались естественными расширениями этой теории. При этом Стандартная модель объясняла, каким образом взаимодействуют элементарные частицы, но не отвечала на вопрос, почему именно так, а не иначе.
• Одной из главных задач БАК называли экспериментальное доказательство существования бозона Хиггса. Согласно Стандартной модели, бозон Хиггса фактически создаёт всю массу во Вселенной. Существование этой частицы было предсказано ещё в 1960 году британским физиком Питером Хиггсом (Peter Higgs), однако до сооружения БАК её не удавалось обнаружить экспериментально. При столкновении двух заряженных частиц на БАК они аннигилируются и выделяется энергия достаточная для "рождения" искомой частицы — бозона Хиггса.
• При помощи БАК физики, возможно, смогут ответить на вопрос, почему видимая материя составляет всего около 4 процентов Вселенной, в то время как остальная часть — это тёмная материя и "тёмная энергия", которые участвуют только в гравитационном взаимодействии.
• При помощи БАК физики надеются лучше понять, что представляла из себя Вселенная в первые мгновения после Большого Взрыва.
• Учёные также рассчитывают ответить на другой важный вопрос, стоящий перед Стандартной моделью: почему в существующей Вселенной так мало антиматерии, хотя, теоретически, после Большого Взрыва антиматерии и материи должно было образоваться поровну?
• Возможно, БАК поможет доказать или опровергнуть теорию о том, что кроме привычных нам четырёх измерений (пространства и времени) существуют и другие измерения, которые постулируются в "теории струн", описывающей явления, которые выходят за рамки Стандартной модели и её более простых расширений.
Учёные отмечали, что если бы на БАК не удалось добиться открытия бозона Хиггса (в прессе его иногда называли "частицей бога") — это поставило бы под вопрос всю Стандартную модель, что потребовало бы полного пересмотра существующих представлений об элементарных частицах.
Научные результаты
Первые данные экспериментов на БАК были опубликованы в декабре 2009 года. 13 декабря 2011 года специалисты CERN заявили, что в результате исследований на БАК им удалось сузить границы вероятной массы бозона Хиггса до 115,5-127 ГэВ и обнаружить признаки существования искомой частицы с массой около 126 ГэВ. В том же месяце было впервые объявлено об открытии в ходе экспериментов на БАК новой частицы, не являвшейся бозоном Хиггса и получившей название χb (3P).
4 июля 2012 года руководство CERN официально заявило об обнаружении с вероятностью 99,99995 процента новой частицы в области масс около 126 ГэВ, которая, по предположениям учёных, скореё всего и была бозоном Хиггса. Этот результат руководитель одной из двух научных коллабораций, работавших на БАК, Джо Инкандела (Joe Incandela) назвал "одним из величайших наблюдений в этой области науки за последние 30-40 лет", а сам Питер Хиггс объявил обнаружение частицы "концом целой эры в физике".
Технические особенности
БАК располагается в тоннеле, построенном для LEP. Большая его часть лежит под территорией Франции. Тоннель содержит две трубы, которые почти на всей своей протяжённости идут параллельно и пересекаются в местах расположения детекторов, в которых будут осуществляться столкновения адронов — частиц, состоящих из кварков (для столкновений используются ионы свинца и протоны).
Разгоняться протоны начинают не в самом БАК, а во вспомогательных ускорителях. Пучки протонов "стартуют" в линейном ускорителе LINAC2, затем в ускорителе PS, после чего они попадают в кольцо супер протонного синхротрона (SPS) длинной 6,9 километра и уже после этого оказываются в одной из труб БАК, где ещё в течение 20 минут им будет придана энергия до 7 ТэВ. Эксперименты с ионами свинца будут начинаться в линейном ускорителе LINAC3. Пучки удерживаются на траектории 1600 сверхпроводящими магнитами, многие из которых весят до 27 тонн. Эти магниты охлаждаются жидким гелием до сверхнизкой температуры: 1,9 градуса выше абсолютного нуля, холоднеё открытого космоса.
На скорости в 99,9999991 процента скорости света, совершая более 11 тысяч кругов по кольцу коллайдера в секунду, протоны сталкиваются в одном из четырех детекторов — наиболее сложных систем БАК.
На БАК работают 4 основных и 3 вспомогательных детектора:
• ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
• ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)
• CMS (Compact Muon Solenoid)
• LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment)
• TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement)
• LHCf (The Large Hadron Collider forward)
• MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC).
Каждый из детекторов вместе с проводимыми на нем экспериментами получил собственное наименование. Среди 4 главных детекторов два имеют многоцелевой характер — ATLAS и CMS, два других предназначены для специальных экспериментов — ALICE и LHCb.
Детектор ATLAS предназначен для поиска новых неизвестных частиц, которые могут подсказать ученым пути поиска "новой физики", отличной от Стандартной модели. Детектор CMS предназначен для получения бозона Хиггса и исследования темной материи.
Детектор ALICE предназначен для исследований материи после Большого Взрыва и поиска кварк-глюонной плазмы.
Детектор LHCb исследует причину превалирования материи над антиматерией и исследует физику b-кварков.
Планируется ввести в строй ещё три детектора: TOTEM, LHCf и MoEDAL.
Как и сам БАК, его детекторы представляют собой весьма массивные сооружения. Так, наименьший из 4 главных детекторов, LHCb, имеет размеры 21 м в длину, 13 м в ширину, 10 м в высоту и массу 5 600 т. Его более крупные аналоги ATLAS, CMS, ALICE весят 7 000, 12 500 и 10 000 т соответственно. Наибольший по величине детектор, ATLAS, занимает пространство, равное примерно половине собора Парижской Богоматери (46 м в длину, 26 м в ширину и высоту). Каждый из детекторов также отличает комплексная, многоуровневая структура: они состоят из ряда систем и подсистем (субдетекторы и др.), собранных из множества других компонентов, и т.д.
Для обработки результатов экспериментов на БАК используется выделенная распределённая компьютерная сеть GRID, способная передавать до 10 гигабит информации в секунду в 11 вычислительных центров по всему миру. Каждый год с детекторов считывается более 15 петабайт (15 тысяч терабайт) информации: суммарный поток данных четырёх экспериментов может достигать 700 мегабайт в секунду.
Отмечалось, что проект масштаба БАК не под силу создать одной стране. Он создавался усилиями не только 20 государств-участников CERN: в его разработке принимали участие более 10 тысяч учёных из более чем ста стран земного шара. С 2009 года проектом БАК руководит генеральный директор CERN Рольф-Дитер Хойер (Rolf-Dieter Heuer). В создании БАК принимает участие и Россия как член-наблюдатель CERN: в 2008 году на Большом адронном коллайдере работало около 700 российских учёных.
Хотите принять участие в распределенных вычислениях, тогда, Вам сюда:
https://boinc.ru
