Эксперт ЦЕРНа: Большой адронный коллайдер готовится к четырехлетнему перерыву

Через год Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРНе начнет технический простой, который продлится — включая запуск — почти четыре года. Доктор Малика Меддахи из ЦЕРНа объясняет PAP, что модернизация HL-LHC стоит около 1 миллиарда франков (около 4,5 миллиарда злотых) и позволит сталкивать больше частиц в меньшем объеме, чем сейчас.

«В рамках модернизации, которая начнется в следующем году, мы планируем увеличивать не энергию столкновений, а количество и качество столкновений», — подчеркнула доктор Малика Меддахи в интервью PAP во время своего визита в Польшу на конференцию Perspektywy Women in Tech Summit.

После завершения модернизации LHC получит новое название — High-Luminosity LHC.

Большой адронный коллайдер — крупнейший в мире ускоритель частиц. Он расположен в ЦЕРНе, Европейской организации ядерных исследований, недалеко от Женевы. Два пучка адронов — заряженных частиц, обычно протонов — циркулируют в противоположных направлениях в двух отдельных вакуумных трубках, в туннеле длиной около 27 километров, на глубине 100 метров под землей. Ускоритель также работает с ионами, например, свинцом.

Протоны, движущиеся в противоположных направлениях, сталкиваются друг с другом в четырех специально отведенных точках, в центре детекторов частиц. В местах столкновений выделяется огромная энергия (в настоящее время около 13,6 тераэлектронвольт - ТэВ), в которой на доли секунды появляются экзотические частицы - те, что существовали сразу после Большого взрыва. Детекторы, размещенные в точках столкновений, регистрируют данные об этих явлениях. Глубокий анализ этих данных позволяет ученым лучше понять свойства и взаимодействия элементарных частиц.

С самого начала было ясно, что LHC будет работать поэтапно. Первая фаза сбора данных, Run 1, проходила с 2010 по 2012 год. Run 2 проходила с 2015 по 2018 год. Текущая фаза, Run 3, началась в 2022 году и продлится до июня 2026 года. В промежутке ускоритель регулярно модернизировался и обслуживался, что повышало его надежность и эффективность и позволяло ему достигать новых рекордов.

На этот раз простой необходим для того, чтобы LHC улучшил свою светимость. В физике ускорителей светимость означает количество столкновений, которые происходят при столкновении пучков частиц. Новый пучок будет не только содержать больше частиц, но и будет более плотно сфокусирован, что увеличит вероятность столкновений. Модернизация LHC заключается в увеличении общего количества столкновений в десять раз. Более «светящийся» LHC позволит проводить более точные измерения новых частиц и наблюдать процессы, которые до сих пор оставались за пределами диапазона чувствительности детектора. Это позволит обнаруживать редкие явления и расширять наши знания о Вселенной на этой энергетической границе.

Однако возросшая светимость создает серьезные технологические проблемы. В рамках модернизации необходимы новые квадрупольные магниты для удержания пучка, должны быть улучшены системы охлаждения, а также должны быть внедрены системы диагностики пучка и новые системы защиты устройств для предотвращения повреждений. Детекторы и ИТ-системы также должны быть модернизированы, чтобы справиться с растущим объемом обрабатываемых данных.

Доктор Меддахи объяснил, что комплекс из четырех предускорителей, где частицы ускоряются перед вводом в LHC, уже претерпел серьезную модернизацию, которая была реализована и успешно запущена, и пучки, соответствующие спецификации HL-LHC, уже регулярно получаются.

В самом кольце LHC, по обе стороны от экспериментов ATLAS и CMS, будут установлены новые сверхпроводящие квадрупольные магниты, которые фокусируют пучки непосредственно перед их столкновением. Они будут изготовлены из нового сверхпроводящего материала на основе ниобия и олова.

«Модернизация — это огромная задача. Нам нужно открыть мили ускорителя, чтобы установить новые магниты. В то же время мы будем выполнять техническое обслуживание и модернизацию существующей инфраструктуры», — пояснил доктор Меддахи.

Как объяснил доктор Меддахи, большая часть усилий ЦЕРНа в области исследований и разработок в настоящее время сосредоточена на том, чтобы сделать новые устройства более эффективными — потребляющими меньше энергии и, где это возможно, меньше воды для охлаждения. Энергия, полученная от установок, может быть использована, например, для отопления инфраструктуры в близлежащих городах.

Эксперт ЦЕРНа также рассказала о том, что будет происходить во время длительного простоя. Сначала вся система должна постепенно нагреться с минус 271 градуса по Цельсию до комнатной температуры. «Только тогда сотни людей смогут ежедневно заходить в туннель и работать на своем оборудовании. Это действительно колоссальная задача. Затем все должно быть заново подключено, протестировано, снова охлаждено — на что уйдет несколько месяцев — и снова протестировано. Подготовка машины к повторному запуску после завершения работ займет почти год», — отметила она.

Исследователь добавил, что для ученых ЦЕРНа простой LHC не означает перерыва в работе. Они будут заниматься проектированием, сборкой и тестированием новых компонентов. Они также будут анализировать данные, собранные в ходе текущей фазы Run 3 — процесса, который занимает гораздо больше времени, чем сам сбор данных.

«То, чем мы занимаемся в нашем институте, — это настоящая наука ради мира. У нас работают вместе люди из 110 национальностей, которые откладывают геополитику в сторону и объединяются, чтобы лучше понять, откуда мы произошли, какие частицы существовали во времена Большого взрыва, где находится недостающая масса и энергия Вселенной... Все это захватывающие вопросы, и мы, как человечество, должны заниматься ими. Мы должны убедиться, что Европа продолжит лидировать в этих исследованиях — они действительно имеют огромную ценность», — заверил доктор Меддахи.

Польское информационное агентство выступило информационным покровителем саммита «Перспективы» для женщин в сфере технологий (4-5 июня).

Людвик Томал (PAP)

л/ бар/ мч/