1. Масштабы и задачи: Зачем нужен БАК
Большой адронный коллайдер (БАК) — это кольцевой ускоритель частиц длиной 26.7 км, расположенный на глубине 100 метров под границей Швейцарии и Франции. Его главная задача — сталкивать протоны на околосветовых скоростях (99.999999% скорости света), чтобы воссоздать условия, существовавшие через доли секунды после Большого взрыва. Энергия столкновений достигает 13 ТэВ (тераэлектронвольт), что позволяет изучать фундаментальные частицы Стандартной модели и искать новую физику: тёмную материю, дополнительные измерения, суперсимметрию.
Строительство БАК стоило $4.75 млрд и объединило 10 000 учёных из 100 стран. Эксперименты на коллайдере уже принесли Нобелевскую премию по физике в 2013 году за открытие бозона Хиггса — частицы, объясняющей происхождение массы.
2. Конструкция: От криогеники до сверхпроводящих магнитов
Вакуумные трубы:
Два пучка протонов движутся по противоположным направлениям в сверхвысоковакуумных трубах (давление 10⁻¹³ атм), чтобы избежать столкновений с молекулами воздуха.
Сверхпроводящие магниты:
1 232 дипольных магнита из ниобий-титанового сплава создают магнитное поле 8.3 Тл, удерживая протоны на орбите. Для работы они охлаждаются до -271.3°C (ниже температуры космоса!) жидким гелием. Ещё 392 квадрупольных магнита фокусируют пучок до толщины человеческого волоса.
Система ускорения:
- Протоны запускаются из водородной плазмы, ускоряются линейным ускорителем LINAC-4 до 50 МэВ.
- Затем попадают в протонный синхротрон (PS), где разгоняются до 1.4 ГэВ.
- В суперпротонный синхротрон (SPS) энергия повышается до 450 ГэВ.
- Финальное ускорение в БАК — до 6.5 ТэВ на пучок.
3. Детекторы: Как фиксируют столкновения
Четыре главных детектора расположены в точках столкновения пучков:
- ATLAS (25 м в диаметре): Фиксирует широкий спектр частиц с помощью трековых камер, калориметров и мюонных спектрометров.
- CMS (14 000 тонн): Использует компактный соленоид с полем 4 Тл для поиска бозона Хиггса.
- ALICE: Анализирует кварк-глюонную плазму (состояние материи после Большого взрыва).
- LHCb: Изучает асимметрию материи и антиматерии через распады b-кварков.
Принцип работы:
При столкновении протонов образуются новые частицы, которые распадаются за наносекунды. Детекторы регистрируют их следы:
- Кремниевые трекеры определяют траектории заряженных частиц.
- Калориметры измеряют энергию, поглощая частицы в вольфраме или свинце.
- Черенковские детекторы идентифицируют частицы по скорости.
4. Обработка данных: От 1 млрд столкновений в секунду к открытиям
БАК генерирует 1 петабайт данных в секунду, но 99.999% информации отфильтровывается в реальном времени. Система триггеров выделяет интересные события (например, рождение хиггсовского бозона). Оставшиеся данные (25 петабайт в год) распределяются по сети GRID из 170 ЦОД в 42 странах для анализа.
Как ищут новые частицы:
Учёные сравнивают экспериментальные данные с предсказаниями Стандартной модели. Отклонения могут указывать на новую физику. Например, аномалии в распадах B-мезонов в 2021 году намекали на существование лептокварков.
5. Будущее: Апгрейд High-Luminosity LHC
К 2029 году БАК модернизируют до High-Luminosity LHC:
- Светимость (частота столкновений) вырастет в 5 раз.
- Новые магниты из ниобий-олова увеличат энергию до 14 ТэВ.
- Детекторы получат устойчивые к радиации сенсоры.
Цель — собрать в 10 раз больше данных для изучения редких процессов и свойств бозона Хиггса.
Теги: #БАК #физика #ускоритель_частиц #наука #нейросеть