Большой адронный коллайдер: пока работаем

Женевский ускоритель, построенный на территории Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН), на протяжении трех с половиной лет пребывал в стадии очередной масштабной модернизации. Благодаря технологическому апгрейду он получит возможность сталкивать друг с другом пучки частиц с рекордной энергией в 6,8 трлн электронвольт (тераэлектронвольт, ТэВ), то есть суммарная энергия столкновений составит 13,6 ТэВ. Это на 4,6% выше энергетического уровня, достигнутого непосредственно перед плановым отключением коллайдера в октябре 2018 года.

Большой апгрейд БАКа

Возросшая скорость (энергия), заметно улучшенные возможности обработки и анализа данных, а также анонсированная серия принципиально новых научных экспериментов должны позволить исследователям продвинуться «существенно дальше бозона Хиггса» (самое яркое достижение БАКа — первое экспериментальное обнаружение пресловутой «частицы Бога» — было зафиксировано ровно десять лет назад, в начале июля 2012 года).

Ну а в идеале ученые рассчитывают при помощи обновленного БАКа наконец выйти за пределы мейнстримной Стандартной модели физики частиц.

Среди осуществленных технических новшеств следует прежде всего выделить линейный ускоритель Linac 4, который был смонтирован на БАКе еще в 2020 году. Вместо того чтобы вводить в систему протоны, как раньше, Linac 4 будет предварительно разгонять отрицательно заряженные ионы водорода, то есть положительные протоны, «сопровождаемые» двумя отрицательными электронами. По мере прохождения ионов через Linac 4 «побочный продукт», электроны, будут удаляться из пучка, оставляя в нем только протоны, что в итоге позволит формировать более плотные протонные пучки. Это, в свою очередь, и должно привести к возрастанию общей скорости столкновений (суммарной энергии).

Впрочем, по мнению многих специалистов, еще более значимому технологическому апгрейду подверглась система сбора и отсева экспериментальных данных на БАКе.

В современную эпоху, когда ключевые научные эксперименты осуществляются при помощи ускоренной обработки огромных массивов данных (big data), особенно важным для последующего улучшения качества этой сырой статистики становится вопрос, какие именно из полученных данных (а в среднем эксперименте на БАКе ежесекундно фиксируется порядка 14 млн столкновений различных частиц) следует регистрировать для последующего анализа.

Раньше предварительный отбор полезной информации из всех этих столкновений осуществлялся при помощи стандартного регистрационного оборудования, а также с привлечением банальной человеческой интуиции, в результате чего, по усредненным оценкам, исследователям удавалось отслеживать лишь порядка 10% из всех реально происходивших на женевском коллайдере столкновений. В новой же системе используются продвинутые технологии машинного обучения, позволяющие резко ускорить первичный этап обработки данных для куда более эффективного последующего анализа. Например, благодаря модернизации в этой сфере на установке LHCb частота дискретизации увеличится примерно в три раза, а на другой ключевой установке, ALICE (A Large Ion Collider Experiment, «Эксперимент на Большом ионном коллайдере»), суммарное количество регистрируемых событий возрастет в 50 раз.

Что же касается заявленных новых научных экспериментов на БАКе (помимо четырех долгоиграющих — установок широкого профиля ATLAS и CMS, а также вышеупомянутых более специализированных ALICE и LHCb) отдельно стоит упомянуть о двух из них — детекторах FASER и SND (оба были смонтированы во время последней технической паузы). FASER (Forward Search Experiment, «Эксперимент перспективного поиска») будет искать легкие и слабо взаимодействующие частицы, включая нейтрино и возможную темную материю, а SND (Scattering and Neutrino Detector) сосредоточится исключительно на нейтринных экспериментах.

После запланированного очередного четырехлетнего цикла наблюдений БАК будет снова остановлен для дальнейшей модернизации, в результате которой должен запуститься так называемый «БАК высокой светимости» (High Luminosity LHC). На данный момент ожидается, что он начнет работать в 2029 году и, в теории, сможет выявлять более 15 млн бозонов Хиггса в год при суммарной энергии столкновений 14 ТэВ.

Ну а в куда более отдаленном будущем на базе женевского ЦЕРНа планируется построить принципиально новый ускоритель под названием Future Circular Collider (FCC), который будет достаточно мощным, чтобы достичь «сказочной» по нынешним меркам энергии 100 ТэВ. Предварительный сроки возможного запуска этого «мегамонстра» — начало 2040-х годов.

Как нетрудно догадаться, FCC будет намного больше БАКа, с туннелем общей длиной около 100 км, однако перспективы осуществления этого суперпроекта, возможная общая стоимость которого оценивается в 100 млрд долларов, вызывают у многих ученых (не говоря уже о госчиновниках и прочих «заинтересованных лицах») серьезные сомнения.

БАК и Россия

Большой адронный коллайдер — самая крупная экспериментальная установка в мире. В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 тыс. ученых и инженеров более чем из 100 стран, в том числе из России — 12 институтов и два федеральных ядерных центра (ВНИИТФ, ВНИИЯФ).

В середине прошлого месяца ЦЕРН заявил, что намерен в одностороннем порядке отказаться от продления соглашения о международном сотрудничестве с Российской Федерацией, после того как в декабре 2024 года истечет срок его действия (этот документ был подписан сроком на пять лет в 2019 году).

По итогам заседания совета ЦЕРНа, состоявшегося 16 июня, было согласовано официальное заявление 23 стран-участниц, в котором, в частности, декларировалось, что «агрессия одной страны против другой противоречит ценностям, за которые выступает организация». В то же время в опубликованном ЦЕРНом меморандуме была сделана двусмысленная оговорка: «ситуация будет и далее тщательно отслеживаться, и Совет готов принять любое другое возможное решение в свете дальнейшего развития ситуации в Украине».

Но, во-первых, до конца действия соглашения еще больше двух лет, а во-вторых, ЦЕРН пока не стал делать столь же резких заявлений относительно перспектив продления специального соглашения о сотрудничестве с ведущей российской международной научно-исследовательской организацией — дубненским Объединенным институтом ядерных исследований (ОИЯИ), играющим важнейшую роль в этом международном научном проекте, — ограничившись комментарием, что этот вопрос будет рассматриваться отдельно позже.