Глубоко под франко-швейцарской границей наступила тишина. Самый мощный в истории ускоритель частиц временно прекратил сталкивать протоны. Но это затишье обманчиво: пока пучки частиц не циркулируют по 27-километровому кольцу, тысячи инженеров, физиков и техников разбирают ключевые узлы установки. Началась подготовка к одной из самых амбициозных модернизаций в истории экспериментальной науки — созданию Большого адронного коллайдера высокой светимости (HL-LHC).

Когда обновленный ускоритель снова запустят, он будет генерировать колоссальные объемы данных. За время своей работы проект позволит зафиксировать примерно в семь раз больше столкновений, чем оригинальный коллайдер, открывший бозон Хиггса. Для исследователей микромира этот технологический прыжок сравним с переходом от старой техники к сверхсовременным цифровым детекторам.

Почему энергии недостаточно и нужна «яркость»

В массовой культуре возможности коллайдера часто оценивают по энергии столкновения частиц. Однако для поиска новой физики этого показателя уже мало. Настоящий вызов сегодняшнего дня — не сила удара пучков, а частота соударения частиц, то есть светимость ускорителя.

Многие загадки Вселенной скрываются в невероятно редких процессах. Чтобы зафиксировать их, физикам нужно колоссальное количество попыток. Модернизированный HL-LHC сожмет протонные пучки сильнее, сделав их намного плотнее и «ярче».

Профессор Даниэла Бортолетто, руководитель направления физики элементарных частиц в Оксфордском университете, сравнивает это обновление с заменой камеры: вместо аппарата, делающего один кадр в секунду, ученые получают устройство, способное делать семь кадров. Каждый снимок по отдельности выглядит почти так же, но вместе они раскрывают детали, которые иначе остались бы незамеченными. С момента запуска БАК в 2008 году на нем было получено около 55 миллионов бозонов Хиггса. Модернизированная установка за время своей работы произведет около 380 миллионов этих частиц.

Неуловимый бозон и бреши в картине мира

Открытие бозона Хиггса подтвердило механизм, который дает элементарным частицам их массу. Бозон стал последней недостающей деталью в Стандартной модели физики элементарных частиц. Эта теория блестяще описывает фундаментальные кирпичики материи и три из четырех сил природы. Но у нее есть огромные недостатки: она не объясняет гравитацию, не раскрывает природу темной материи и не дает ответа на вопрос, почему в нашей Вселенной вещество полностью победило антивещество.

Бозон Хиггса — это идеальный инструмент для поиска ответов. Ученые ищут мельчайшие отклонения в том, как он взаимодействует с другими частицами. Если обнаружится хотя бы крошечное несовпадение с теоретическими расчетами, это станет прямым указанием на существование новой, еще не открытой физики.

Особый интерес вызывают редкие сценарии распада бозона Хиггса, которые пока находятся на грани чувствительности приборов:

• Распад на два мюона. Мюон — тяжелый и нестабильный «родственник» электрона. Фиксация такого распада критически важна для проверки того, как бозон Хиггса взаимодействует со вторым поколением лептонов.

• Распад на очарованные кварки. Это измерение считается одним из самых сложных в современной физике, так как полезный сигнал буквально тонет в колоссальном фоновом шуме обычных столкновений.

Экстремальная модернизация детекторов

Увеличение светимости создает новую проблему для регистрирующей аппаратуры. При каждом пересечении пучков в HL-LHC будет происходить до 200 одновременных протон-протонных столкновений. Это порождает невероятно плотную лавину вторичных частиц.

Чтобы распутать этот хаос, детекторы ATLAS и CMS также переживают глубокую модернизацию. Прежние кремниевые трекеры заменяют на принципиально новые системы, способные выдерживать колоссальные дозы радиации, которые мгновенно уничтожили бы старую электронику.

Группа физиков под руководством Бортолетто занимается сборкой новых кремниевых пиксельных модулей для внутреннего трекера эксперимента ATLAS. Недавно ученым удалось собрать первое готовое пиксельное кольцо — сложнейшую микроструктуру, объединяющую кремниевые датчики и ультрабыструю электронику.

Еще одним технологическим прорывом станет добавление четвертого измерения — сверхточного времени. Специальные детекторы (такие как High Granularity Timing Detector в ATLAS) смогут определять время пролета частиц с точностью до десятков триллионных долей секунды (пикосекунд). Поскольку даже одновременные на макроуровне столкновения на самом деле происходят с микроскопическим сдвигом во времени, эта технология позволит сопоставить каждую частицу с конкретным событием соударения и очистить редкие сигналы распада бозона Хиггса от фонового шума.

На пороге новой эры

Физики подчеркивают, что БАК сейчас находится лишь в начале своего пути. К моменту остановки ученые проанализировали лишь около 10% от того объема данных, который коллайдер способен собрать за весь свой жизненный цикл. Основная часть открытий еще впереди.

Сборка сложнейших детекторов HL-LHC ведется силами научных коллабораций по всему миру. Примечательно, что в создании новых приборов активно участвуют студенты и аспиранты. Именно этому поколению молодых физиков предстоит провести большую часть своей карьеры за анализом данных, которые начнет поставлять обновленный суперколлайдер в следующем десятилетии.

Источник: Этот Таинственный Мир

Коллайдер NICA создаётся в Дубне для изучения фундаментальных свойств сильных взаимодействий. ИЯФ СО РАН участвует в проекте и создаёт системы электронного охлаждения — так называемые кулеры. Их задача — охлаждать ионный пучок, делая его более плотным. Чем плотнее пучок, тем выше вероятность столкновения частиц, а значит, выше производительность установки.

Центральный элемент системы — соленоид охлаждения. Именно в нём происходит охлаждение. Для NICA он спроектирован и создан в ИЯФ СО РАН. В отличие от всех подобных устройств, здесь два электронных пучка для двух ионных — расстояние между осями каналов всего 32 сантиметра.

Магнитное поле в соленоиде должно быть однородным и прямолинейным. Это влияет на качество электронного пучка и эффективность охлаждения. Настройка поля — нетривиальная задача. Специалисты ИЯФ СО РАН модернизировали метод измерения с использованием магнитного компаса: добавили сегментированную направляющую и перешли от аналоговой регистрации к цифровой — с помощью видеокамеры, которая отслеживает положение лазерного луча в реальном времени.

Магистрант НГУ и старший лаборант ИЯФ СО РАН Вадим Турло пояснил: «Для того, чтобы встречные частицы в кольце коллайдера чаще сталкивались, а исследователи могли видеть много всего интересного, пучки должны быть плотными. Для тяжелых частиц добиться такого состояния было проблематично, пока в ИЯФ СО АН СССР не была предложена и реализована идея электронного охлаждения. Ее суть заключается в том, чтобы в определенный момент совместить траектории горячего ионного пучка с холодным электронным. При движении между ними происходит теплообмен – энергия от ионного пучка перетекает к электронному, а потеряв ее, он охлаждается. Таким образом пучок становится более плотным».

Начальник конструкторского бюро ИЯФ СО РАН Николай Кремнев добавил: «Соленоид охлаждения для СЭО коллайдера NICA, спроектированный и созданный в ИЯФ СО РАН, отличается от всех подобных устройств тем, что в нем два электронных пучка для двух ионных, соответственно. Расстояние между осями каналов регламентировано расположением каналов коллайдера NICA и составляет всего 32 см. Создать такое устройство было сложной технической задачей».

Для настройки поля разработана новая юстировочная система. Каждая из 88 магнитных катушек оснащена микрометрическими винтами, позволяющими наклонять и поворачивать их с точностью до сотой доли миллиметра. Юстировка выполняется вручную и позволяет достичь относительной прямолинейности силовых линий порядка 10⁻⁵.

Сейчас устройство и система измерения находятся в Дубне. После завершения пусконаладочных работ начнётся основной этап настройки магнитного поля.

Подписывайтесь на Телеграм «Сделано у нас» тут, а на сообщество на Пикабу можно подписаться здесь

Также у нас теперь есть канал в МАХ

Он шёл больше года — с марта 2025 по апрель 2026-го. За это время учёные не только налаживали оборудование, но и проводили фундаментальные исследования, а заодно занимались прикладными задачами: радиационной биологией, медициной, материаловедением.

Один из главных технических итогов — криогенная система NICA наконец заработала на полную мощность. Теперь она охлаждает всё сразу: Бустер, Нуклотрон, Коллайдер и сверхпроводящий соленоид детектора MPD. Магнитное поле MPD удалось поднять до проектных 0,57 Тл. В кольцах Коллайдера тоже всё в порядке — там поле достигло 0,86 Тл.

Серьёзно обновили инжекционный комплекс. Ионный источник KRION-6T и линейный ускоритель ЛУТИ настроили так, что интенсивность пучка в Бустере выросла в семь раз. Система синхронизации заработала чётко, пучок стабильно перепускается из Бустера в Нуклотрон, а оттуда — в Коллайдер.

В самом Коллайдере добились важного результата: пучки ядер ксенона с энергией 1,76 ГэВ/нуклон циркулировали около часа. А на финише сеанса запустили встречные пучки — с одинаковой частотой и синхронным прохождением точки встречи у детектора MPD. Это значит, что сложнейшие инженерные системы комплекса работают согласованно.

Параллельно шёл эксперимент BM@N. С 12 февраля по 4 апреля учёные набрали 2,75 миллиарда событий — в пять раз больше, чем в предыдущем цикле 2023 года. Такой рост стал возможен благодаря новой компрессорной станции (она удлинила импульс пучка) и общей эффективности ускорителя. Полученный массив данных — настоящий клад для физиков.

В марте впервые протестировали диагностическое оборудование на станциях СИМБО и ИСКРА. На пучках ксенона облучали биологические образцы, фантом головы, высокотемпературные сверхпроводники, кобальтовые магниты, фотоэмульсии, микросхемы и другие микроэлектронные компоненты. Работы велись в рамках коллаборации ARIADNA, а участвовали в них не только сотрудники ОИЯИ, но и учёные из МГУ, МИФИ, БелГУ и других институтов.

Во второй половине апреля запланирован ещё один сеанс — на станции СОЧИ, где на пучках ионов из ЛУТИ будут испытывать полупроводниковую микро- и наноэлектронику.

Всё, что удалось сделать в этот сеанс — вывести системы на рабочие параметры, сформировать встречные пучки, набрать рекордную статистику и провести массу прикладных исследований, — закладывает прочную основу для будущего, отмечают в ОИЯИ. Следующий сеанс начнётся осенью 2026 года. Коллайдеру предстоит обеспечить столкновения ядер ксенона с энергией 4–7 ГэВ в системе центра масс. Детектор MPD установят в рабочую позицию. Планируется третий цикл BM@N и продолжение прикладной программы ARIADNA.

Подписывайтесь на Телеграм «Сделано у нас» тут, а на сообщество на Пикабу можно подписаться здесь

Также у нас теперь есть канал в МАХ