Крупнейший в мире ускоритель элементарных частиц — «Большой адронный коллайдер» (LHC) — с понедельника будет остановлен на четыре года для масштабной модернизации, которая должна значительно увеличить его возможности по изучению фундаментальных законов природы. После завершения работ установка получит новое название — «Большой адронный коллайдер высокой светимости» (HL-LHC) и, как ожидается, возобновит работу в июне 2030 года. Главной целью проекта станет существенное увеличение числа столкновений частиц, что позволит учёным приблизиться к разгадке одной из главных тайн современной физики — природы темной материи.
Большой адронный коллайдер, расположенный в Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN) недалеко от Женевы, представляет собой кольцевой туннель длиной 27 километров, проходящий примерно на глубине 100 метров под франко-швейцарской границей. Именно здесь с помощью сверхпроводящих магнитов и ускоряющих систем протоны разгоняются до чрезвычайно высоких энергий и сталкиваются практически со скоростью света. Наиболее известным достижением коллайдера стало открытие в 2012 году бозона Хиггса — частицы, существование которой подтвердило один из важнейших элементов Стандартной модели физики элементарных частиц.
Теперь установка временно прекращает работу, чтобы пройти крупнейшую модернизацию за всю историю проекта. Руководитель проекта HL-LHC Маркус Церлаут отметил, что начинается новый этап развития эксперимента, который позволит искать ответы на многочисленные нерешённые вопросы современной физики. По его словам, учёных ожидает ещё множество открытий.
Главной задачей модернизации станет увеличение светимости ускорителя — показателя, характеризующего количество столкновений частиц за определённый промежуток времени. После завершения работ этот параметр должен увеличиться примерно в десять раз по сравнению с нынешним уровнем. Общая стоимость модернизации оценивается в 1,2 миллиарда швейцарских франков (около 1,5 миллиарда долларов США). Финансирование обеспечивается за счёт взносов государств — участников CERN, а также натуральных вкладов, составляющих 10–15 % стоимости проекта. В их числе участвуют США, Япония, Канада и Китай.
В рамках модернизации специалисты полностью заменят оборудование на участке длиной 1,2 километра внутри 27-километрового кольца ускорителя. Будут установлены новые сверхпроводящие магниты, способные сильнее фокусировать пучки частиц перед столкновением. Благодаря этому при каждом пересечении двух сгустков протонов внутри детекторов будет происходить от 140 до 200 столкновений вместо нынешних примерно 60.
Такое увеличение интенсивности экспериментов позволит собрать до ста раз больше научных данных, чем сегодня. Однако объем информации станет настолько огромным — речь идет о нескольких миллиардах столкновений каждую секунду, — что сохранить все данные будет невозможно. Поэтому система в режиме реального времени должна будет выбирать наиболее интересные события для записи. Эту задачу поручат алгоритмам искусственного интеллекта, которые смогут автоматически определять наиболее перспективные столкновения для дальнейшего анализа.
При этом исследователь эксперимента ATLAS Недаа-Александра Асбах подчеркнула, что искусственный интеллект не заменит учёных-физиков. По ее словам, он станет лишь мощным инструментом, позволяющим эффективнее работать с огромными массивами экспериментальных данных.
Основной научной задачей обновлённого ускорителя остаётся поиск новых элементарных частиц и расширение знаний о фундаментальном устройстве Вселенной. Координатор работы детектора CMS Филип Мортгат отметил, что исследователи рассчитывают обнаружить ранее неизвестные частицы, а также получить новые сведения о возможном существовании дополнительных измерений пространства и частиц темной материи.
Современные космологические модели предполагают, что привычное вещество, из которого состоят звезды, планеты, газ, пыль и все окружающие нас объекты, составляет лишь около 5 % Вселенной. Ещё около 27 % приходится на темную материю, а приблизительно 68 % — на темную энергию. Несмотря на огромное влияние этих компонентов на эволюцию космоса, они до сих пор не были напрямую обнаружены.
Открытие бозона Хиггса в 2012 году стало важнейшим этапом в понимании механизма возникновения массы элементарных частиц и принесло физикам Питеру Хиггсу и Франсуа Энглеру Нобелевскую премию по физике 2013 года. После модернизации CERN рассчитывает значительно расширить исследования этой частицы. Если с момента запуска LHC в 2008 году было зарегистрировано около 55 миллионов бозонов Хиггса, то за время работы HL-LHC ожидается образование примерно 380 миллионов таких частиц.
Одной из самых амбициозных целей проекта станет первое в истории наблюдение одновременного рождения двух бозонов Хиггса и изучение их взаимодействия друг с другом. По словам Недаа-Александры Асбах, такие эксперименты могут дать новые сведения о процессах, происходивших в самые первые мгновения после Большого взрыва, и помочь лучше понять раннюю эволюцию Вселенной.