Андронный колайдер

Кинетическая энергия всех сгустков адронов в БАКе при полном его заполнении сравнима с кинетической энергией реактивного самолета, хотя масса всех частиц не превышаетнанограмма и их даже нельзя увидеть невооружённым глазом. Такая энергия достигается за счёт колоссальной скорости частиц, близкой к скорости света.

Сгустки проходят полный круг ускорителя быстрее чем за 0,0001 сек, совершая, таким образом, свыше 10 тыс. оборотов в секунду.

Потребление энергии

Во время работы коллайдера расчётное потребление энергии составит 180 МВт. Предположительные энергозатраты всего ЦЕРН на 2009 год с учётом работающего коллайдера — 1000 ГВт·ч, из которых 700 ГВт·ч придётся на долю ускорителя. Эти энергозатраты — около 10 % от суммарного годового энергопотребления кантона Женева. Сам ЦЕРН не производит энергию, имея лишь резервные дизельные генераторы.

Вопросы безопасности

Значительная доля внимания со стороны  представителей общественности и СМИ  связана с обсуждением катастроф, которые могут произойти в  связи с функционированием БАК. Наиболее часто обсуждается опасность  возникновения микроскопических чёрных дыр с последующей цепной реакцией захвата окружающей материи, а также угроза возникновения страпелек, гипотетически способных преобразовать в страпельки всю материю Вселенной^[16].

Строительство и эксплуатация

Строительство

Идея проекта Большого адронного коллайдера родилась в 1984 году и была официально одобрена десятью годами позже. Его строительство началось в 2001 году, после окончания работы предыдущего ускорителя — Большого электрон-позитронного коллайдера.

• 19 ноября 2006 года закончено строительство специальной криогенной линии для охлаждения магнитов.
• 27 ноября 2006 года в туннеле был установлен последний сверхпроводящий магнит.

Испытания и эксплуатация

2008 год

• 11 августа успешно завершена первая часть предварительных испытаний. Во время испытаний пучок заряженных частиц прошёл чуть более трёх километров по одному из колец БАК.
• 10 сентября был произведён официальный запуск коллайдера Запущенные пучки протонов успешно прошли весь периметр коллайдера по и против часовой стрелки.
• 12 сентября команде БАК удалось запустить и непрерывно удерживать циркулирующий пучок. На этом задача по установлению циркулирующего пучка завершилась, и физики приступили к подробным тестам магнитной системы.
• 19 сентября в ходе тестов магнитной системы сектора 3-4 (34) произошёл инцидент, в результате которого БАК вышел из строя. Один из электрических контактов между сверхпроводящими магнитами расплавился под действием возникшей из-за увеличения силы тока электрической дуги, которая пробила изоляцию гелиевой системы охлаждения (криогенной системы), что привело к деформации конструкций, загрязнению внутренней поверхности вакуумной трубы частичками металла, а также выбросу около 6 тонн жидкого гелия в туннель. Ремонт коллайдера занял остаток 2008 и большую часть 2009 годов.
• 21 октября состоялась торжественная церемония официального открытия (инаугурация) БАК.

2009 год

• 16 октября завершено охлаждение всех восьми секторов коллайдера.
• 20 ноября, впервые после аварии 19 сентября 2008 года, пучок протонов успешно прошёл по всему кольцу Большого адронного коллайдера.
• 29-30 ноября учёные довели энергию каждого из пучков протонов до значения 1180 ГэВ. Таким образом, БАК стал самым мощным ускорителем протонов в мире.
• 9 декабря состоялись столкновения пучков протонов на достигнутой в конце ноября рекордной энергии — 2,36 ТэВ (= 2 × 1180 ГэВ).

2010 год

• 18 марта энергия пучка протонов доведена до 3,5 ТэВ.
• 30 марта состоялись столкновения протонов с суммарной энергией 7 ТэВ. Начался первый длительный сеанс научной работы БАК.
• 4 ноября закончились эксперименты в 2010 году в режиме протон-протонных столкновений, в результате которых была достигнута пиковая светимость 2·10³² см⁻²·с⁻¹, а общая накопленная светимость составила 50 пбн⁻¹. Коллайдер переведен в режим столкновения тяжёлых ионов (ионов свинца); в таком режиме он проработал примерно до 25 декабря. Первые тестовые запуски ионных сгустков начались во второй половине дня.
• 7 ноября зарегистрированы столкновения ядер с полной энергией 5,74 ТэВ в трёх основных детекторах — ATLAS, CMS и специально адаптированном под ядерные столкновения детекторе ALICE.
• 6 декабря состоялся последний в 2010 году сеанс работы с пучками. Коллайдер остановлен на рождественские и новогодние праздники.^[34] В результате экспериментов в 2010 году пиковое значение светимости при работе с пучками ионов составило 3·10²⁵ см⁻²·с⁻¹, а накопленная интегральная светимость — 9 мкбн⁻¹.

2011 год

• В начале февраля появились сообщения о том, что детектор LHCb обнаружил два новых распада B_s-мезонов, то есть мезонов, имеющих в своём составе как «странный кварк» (s-кварк), так и «прелестный кварк» (b-кварк). Интерес к ним обусловлен тем, что в их распаде можно наблюдать CP-нарушение, а возможно, и следы новых частиц или взаимодействий.
• 13 марта на Большом адронном коллайдере возобновлены столкновения стабильных протонных пучков с рабочей энергией 3,5 ТэВ на пучок и светимостью чуть выше ·10³⁰ см⁻²с⁻¹.
• 22 апреля на БАК установлен мировой рекорд пиковой светимости для адронных коллайдеров — 4,67·10³² см⁻²·сек⁻¹. Предыдущий рекорд был установлен ускорителем Тэватрон в 2010 году, тогда светимость составила 4,02·10³²см⁻²·сек⁻¹.
• 17 июня светимость, набранная ATLAS и CMS за 2010—2011 годы, превысила 1 фбн⁻¹.
• В результате обработки данных эксперимента OPERA, набранных с 2008 по 2011 год в лаборатории Гран-Сассо (англ. Laboratori Nazionali del Gran Sasso) совместно с ЦЕРН, сообщается о статистически значимом указании на превышение скорости света мюонными нейтрино. Сообщение об этом, сопровождавшееся публикацией в архиве препринтов, сделано 23 сентября 2011 года в ЦЕРНе. Полученные результаты подвергаются сомнению, поскольку они не согласуются не только с теорией относительности, но и с другими экспериментами с нейтрино. Планируется перепроверить полученные результаты в экспериментах MINOS (Fermilab, США) и T2K (Камиока, Япония) (кроме Гран-Сассо, только две лаборатории в мире способны на это). Имеется предположение, что «сверхсветовая скорость» была вызвана неучтенными релятивистскими эффектами движения спутников GPSотносительно пучка нейтрино.
• 30 октября закончена программа протонной физики на 2011 год. На момент закрытия программы светимость составила почти 6 фбн⁻¹ (светимость 5 фбн⁻¹ была достигнута 18 октября).
• 15 ноября начаты столкновения ионов свинца. При 170 сгустках в пучке пиковая светимость составляет 1,5·10²⁶ см⁻²·сек⁻¹, что в 5 раз выше прошлогодних показателей.
• 7 декабря завершена программа ионной физики. При столкновении 358 сгустков пиковая светимость составила 5,0·10²⁶ см⁻²·сек⁻¹. В результате экспериментов в 2011 году накоплена интегральная светимость 163,6 мкбн⁻¹ (ATLAS), 143,6 мкбн⁻¹ (ALICE) и 149,6 мкбн⁻¹ (CMS).
• 21 декабря объявлено об открытии новой элементарной частицы  , состоящей из b- и анти-b-кварка (кварконий).

2012 год

• 14 марта завершено охлаждение всех магнитов, в коллайдере появились первые пучки. Энергию пучков решено увеличить до 4 ТэВ.
• 16 марта протоны впервые разогнаны до энергии 4 ТэВ.
• 5 апреля начаты первые столкновения протонных пучков на энергии 4 ТэВ.

Распределённые вычисления

 

Для управления, хранения и обработки  данных, которые будут поступать  с ускорителя БАК и детекторов, создаётся распределённая вычислительная сеть LCG (англ. LHC Computing GRID), использующая технологию грид. Для определённых вычислительных задач (расчет и корректировка параметров магнитов путем моделирования движения протонов в магнитном поле) задействован проект распределённых вычислений LHC@home. Также рассматривалась возможность использования проекта LHC@home для обработки полученных экспериментальных данных, однако основные сложности связаны с большим объёмом информации, необходимым для передачи на удаленные компьютеры (сотни гигабайт). В рамках проекта распределенных вычислений LHC@Home 2.0 (Test4Theory) производится моделирование столкновений пучков протонов с целью сопоставления полученных модельных и экспериментальных данных.

Научные результаты

Благодаря большей энергии по сравнению  с предшествовавшими коллайдерами, БАК позволил «заглянуть» в недоступную ранее область энергий и получить научные результаты, накладывающие ограничения на ряд теоретических моделей.

Краткий перечень научных результатов, полученных на коллайдере:

• при трёх различных энергиях (0,9, 2,36 и 7 ТэВ) изучены основные статистические характеристики протонных столкновений — количество рождённых адронов, их распределение по быстроте, бозе-эйнштейновские корреляции мезонов, дальние угловые корреляции, вероятность остановки протона;
• показано отсутствие асимметрии протонов и антипротонов;
• обнаружены необычные корреляции протонов, вылетающих в существенно разных направлениях;
• получены ограничения на возможные контактные взаимодействия кварков;
• получены более веские, по сравнению с предыдущими экспериментами, признаки возникновения кварк-глюонной плазмы в ядерных столкновениях;
• исследованы события рождения адронных струй;
• подтверждено существование топ-кварка, ранее наблюдавшегося только на Тэватроне;
• обнаружено два новых канала распада B_s-мезонов;
• открыта новая, теоретически предсказанная частица.

Также были предприняты попытки  обнаружить следующие гипотетические объекты:

• лёгкие чёрные дыры;
• возбуждённые кварки;
• суперсимметричные частицы;
• лептокварки;
• неизвестные ранее взаимодействия и их частицы-переносчики (например, W'- и Z'-бозоны).

Несмотря на безуспешный итог поиска указанных объектов, были получены более строгие ограничения на минимально возможную массу каждого  из них. По мере накопления статистики, ограничения на минимальную массу  перечисленных объектов становятся жестче.

Прочие результаты

• Результаты работы эксперимента LHCf, работавшего в первые недели после запуска БАК, показали, что энергетическое распределение фотонов в области от нуля до 3,5 ТэВ плохо описывается программами, моделирующими данный процесс, приводя к расхождениям между реальными и модельными данными в 2-3 раза (для самой высокой энергии фотонов, от 3 до 3,5 ТэВ, все модели дают предсказания, почти на порядок превышающие реальные данные).
• БАК заметно улучшил результаты Теватрона по поиску бозона Хиггса. Бозон ещё не обнаружен, но показана невозможность его существования в относительно широком диапазоне энергий^[73], также есть веские «намёки» на существование неизвестной ранее частицы массой около 125 ГэВ. На доказательство того, что эта частица действительно существует и на самом деле соответствует бозону Хиггса, уйдёт ещё достаточно длительное время.