Большой адронный коллайдер
Большо́й адро́нный колла́йдер (БАК; англ. Large Hadron Collider, LHC), кольцевой коллайдер Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН), в котором ускоряются и сталкиваются пучки протонов и/или ядер свинца. Слово «адронный» в названии коллайдера относится к ускоряемым частицам – адронам. БАК предназначен для получения и исследования известных, а также открытия новых элементарных частиц и состояний материи. Кольцо БАК имеет длину 26 659 м и расположено на глубине от 50 до 175 м под территориями Франции и Швейцарии. БАК запущен в 2008 г. и на 2022 г. является самым большим ускорителем заряженных частиц в мире, превосходящим остальные по энергии и частоте столкновений.
Идея создания БАК возникла в 1977 г., когда был опубликован проект Большого электрон-позитронного коллайдера (Large Electron Positron Сollider, LEP). Предлагалось в будущем использовать туннель и инфраструктуру LEP для размещения элементов адронного коллайдера. Подземный туннель для LEP был построен в 1983–1988 гг. В течение 1980–1990-х гг. разрабатывались технические проекты БАК и детекторов частиц, необходимые для исследований, а также программа исследований. В 2000 г. LEP был остановлен, начался его демонтаж и подготовка к строительству БАК. В 2005–2008 гг. был произведён монтаж кольца и детекторов БАК в туннеле. 10 сентября 2008 г. коллайдер был запущен. Однако 19 сентября 2008 г. произошла авария в одном из магнитов, которая привела к длительному простою; ремонтные работы продлились до ноября 2009 г. В создании БАК принимали участие более 10 000 учёных и технических специалистов из более чем 100 стран, в том числе из России.
БАК представляет собой синхротрон с двумя кольцами, в которых частицы циркулируют в противоположных направлениях и сводятся вместе в четырёх точках, где непосредственно происходят столкновения частиц (точки встречи пучков) (рис. 1). Из-за недостатка места в туннеле 2 вакуумные трубы, в которых движутся частицы, расположены в одной общей трубе с объединёнными магнитами и единым криостатом (рис. 2).
До попадания в БАК пучки частиц предварительно ускоряются с помощью нескольких линейных и кольцевых ускорителей. Управление пучками в БАК осуществляется с помощью сверхпроводящих магнитов, в которых в качестве сверхпроводника используется ниобий-титановый сплав. Рабочая температура магнитов 1,9 К, максимальная индукция магнитного поля 8,33 Тл. Проектная энергия пучков протонов, ускоряемых в БАК, составляет 7 ТэВ, ядер свинца – 2,76 ТэВ/нуклон, что соответствует полным энергиям столкновения 14 ТэВ и 5,52 ТэВ/нуклон в системе центра масс.
Вокруг точек встречи пучков расположены детекторы частиц, регистрирующие новые частицы, возникающие в результате столкновений. На БАК имеется 4 основных детектора: ALICE (A Large Ion Collider Experiment) предназначен для изучения кварк-глюонной плазмы, ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) и CMS (Compact Muon Solenoid) – детекторы общего назначения, позволяющие независимо проверять результаты экспериментов, LHCb (LHC beauty experiment) предназначен для изучения физики b-кварков (в частности, нарушения CP-инвариантности) (рис. 3–6). Кроме того, вблизи точек встречи пучков расположены 3 вспомогательных детектора. Столкновения во всех четырёх точках встречи пучков происходят одновременно, также одновременно проводятся все измерения.
