Под землёй, на стометровой глубине, где обычно стоит непрерывный гул криогенных насосов и вспыхивают невидимые глазу каскады частиц, внезапно наступила тишина. Инженеры заглушили ускоритель, остужавший за долгие годы пыл самых смелых гипотез, и теперь в кольцевом туннеле длиной 27 километров работают только ремонтные бригады. Это не поломка и не конец эксперимента — наоборот, человечество затеяло самую дорогую и масштабную модернизацию научного прибора за всю свою историю. К тому моменту, когда протоны вновь разгонятся почти до скорости света, мир увидит обновлённый Большой адронный коллайдер высокой светимости, нацеленный на поиск тёмной материи и тайн рождения Вселенной. Четыре года остановки — это плата за десятикратное увеличение числа столкновений и надежду заглянуть туда, куда физика ещё не смела заходить.
Тишина в туннеле: как разбирают и собирают гиганта
Самые заметные перемены разворачиваются на участке длиной чуть больше километра внутри 27-километрового кольца, глубоко под франко-швейцарскими лугами. Там специалисты полностью вырезают старую начинку ускорителя, чтобы установить новые сверхпроводящие магниты из ниобий-олова. Эти изделия, похожие на гигантские термосы, напичканные тончайшими кабелями, способны фокусировать протонные пучки с хирургической точностью и сжимать их в точке встречи почти в точку. Охлаждать всё это будут до температуры минус 271 градус по Цельсию — холоднее, чем в межзвёздной пустоте, чтобы металл потерял всякое электрическое сопротивление. Руководитель проекта HL-LHC Маркус Церлаут, наблюдая за началом работ, заметил: «Начинается новый этап развития эксперимента, который позволит искать ответы на многочисленные нерешённые вопросы современной физики. Учёных ожидает ещё множество открытий». По его тону чувствуется, что многолетняя подготовка наконец превратилась в реальные действия под землёй, где техники осторожно опускают на тросах многотонные секции будущего коллайдера.
Финансирование этой стройки напоминает возведение средневекового собора, когда средства и материалы стекаются со всего мира. Общая стоимость работ оценивается в 1,2 миллиарда швейцарских франков, или примерно полтора миллиарда долларов, и бремя расходов распределено между государствами-участницами ЦЕРН, а также США, Японией, Канадой и Китаем. Причём примерно десять-пятнадцать процентов вложений — это натуральные взносы в виде готовых узлов, сверхпроводящих катушек, вакуумных камер и детекторных модулей. Так, американские институты поставляют часть сверхпроводников для новых магнитов, а японские коллеги делятся технологиями точной сборки. Всё это соединяется в женевских цехах, прежде чем отправиться в подземный монтажный зал, где мостовые краны перемещают блоки массой в десятки тонн с ювелирной осторожностью. Без такой международной кооперации ни одна страна не потянула бы проект в одиночку.
Параллельно с заменой магнитов идёт тихая, но не менее важная революция в криогенной системе. Старые компрессоры и линии подачи жидкого гелия выработали ресурс, а без надёжного охлаждения вся конструкция мгновенно потеряла бы сверхпроводимость и превратилась бы в бесполезную груду металла. Поэтому инженеры монтируют новые холодильные станции, способные прокачивать гелий через километры труб с минимальными потерями. Когда установка заработает вновь, каждые 25 наносекунд два встречных сгустка протонов будут рождать не шестьдесят, а от ста сорока до двухсот столкновений одновременно. Такой скачок светимости заставляет модернизировать и детекторы ATLAS и CMS, где меняют трековые системы и калориметры, чтобы они выдерживали возросший радиационный фон и успевали фиксировать частицы за пикосекунды. Единственное, что останется нетронутым, — стометровая толща горной породы, по-прежнему надёжно защищающая поверхность от потоков рождённых в столкновениях вторичных частиц.
Двойной портрет Хиггса и невидимый каркас мироздания
Всё, что мы видим вокруг, — звёзды, планеты, пыль, наши собственные тела — это лишь жалкие пять процентов того, из чего состоит Вселенная. Ещё около двадцати семи процентов приходится на так называемую тёмную материю, которая не излучает и не поглощает свет, но своей гравитацией удерживает галактики от разлёта. Оставшиеся шестьдесят восемь процентов — ещё более загадочная тёмная энергия, заставляющая космос расширяться всё быстрее. Поймать частицы тёмной материи напрямую пока не удавалось ни одному детектору, но физики надеются, что в столкновениях протонов на HL-LHC удастся родить их и заметить по недостающей энергии. Координатор работы детектора CMS Филип Мортгат подчёркивает: «Исследователи рассчитывают обнаружить ранее неизвестные частицы, а также получить новые сведения о возможном существовании дополнительных измерений пространства и частиц тёмной материи». Если в рутинных данных вдруг проявится характерный дисбаланс — много энергии ушло в никуда, — это станет первым прямым доказательством существования скрытого от нас сектора реальности.
Главным инструментом в этом поиске остаётся бозон Хиггса, тот самый «божественный кирпичик», открытый здесь же в 2012 году и подаривший Питеру Хиггсу и Франсуа Энглеру Нобелевскую премию по физике в 2013-м. За предыдущие сеансы работы коллайдера учёные насчитали около пятидесяти пяти миллионов таких частиц, но для многих тонких измерений этого оказалось мало. После модернизации детекторы увидят примерно триста восемьдесят миллионов бозонов Хиггса, и тогда впервые станет возможной охота за их парным рождением — два бозона в одном столкновении. Почему это так важно? Взаимодействие Хиггса с самим собой — это ключ к форме так называемого потенциала хиггсовского поля, который отвечает за стабильность вакуума и, возможно, за то, почему во Вселенной вообще существует вещество. Малейшее отклонение от предсказаний Стандартной модели укажет на новую физику.
Недаа-Александра Асбах, работающая на эксперименте ATLAS, прямо связывает эти изыскания с рождением всего сущего: «Такие эксперименты могут дать новые сведения о процессах, происходивших в самые первые мгновения после Большого взрыва, и помочь лучше понять раннюю эволюцию Вселенной». Действительно, в первые пикосекунды хиггсовское поле, вероятно, переживало фазовые переходы, и их отголоски могут быть записаны в свойствах частиц, доступных нам сегодня. Кроме того, всё чаще высказывается гипотеза, что бозон Хиггса служит порталом в тёмный сектор — он может незаметно для нас распадаться на невидимые частицы, из которых и сложена тёмная материя. С десятикратным ростом числа столкновений физики смогут наконец заметить исчезновение энергии там, где его быть не должно, и раскрыть природу скрытого каркаса мироздания. Четырёхлетняя пауза в работе коллайдера — это не просто техобслуживание, а сосредоточение сил перед решающим прыжком в неизведанное.
Когда счёт идёт на миллиарды: искусственный интеллект в роли физика
Лавина данных, которую хлынет после запуска HL-LHC, не уместится ни в один дата-центр. Каждую секунду в недрах детекторов будет происходить несколько миллиардов столкновений, и сохранить абсолютно все события физически невозможно. Поэтому прямо на лету включается система триггера — электронный фильтр, который за микросекунды решает, достойна ли вспышка записи на диск. Раньше эту работу выполняли жёстко прописанные алгоритмы, но при десятикратном росте светимости они захлебнутся, и на помощь призывают обученные нейросети. Искусственный интеллект заранее натренировали на смоделированных и реальных данных, чтобы он различал скучные рутинные распады и намёки на рождение суперсимметричных частиц или тёмных фотонов. Недаа-Александра Асбах чётко расставляет акценты: «Искусственный интеллект не заменит учёных-физиков, он станет лишь мощным инструментом, позволяющим эффективнее работать с огромными массивами экспериментальных данных». Это принципиально: решение о судьбе открытия всё равно остаётся за человеком, а машина лишь подготавливает почву.
Обучение таких алгоритмов — сама по себе история, полная драматизма. Им показывают миллионы симулированных событий, где заранее известно, где таится редкий сигнал, и тысячи реальных записей из прошлых запусков, размеченных физиками. Постепенно сеть начинает узнавать характерные узоры: искривлённые треки мюонов, широкие ливни адронов или компактные электромагнитные сгустки. Когда в 2030 году коллайдер заработает, именно этот натренированный фильтр будет первым, кто «увидит» подозрительное событие в реальном времени и даст команду на запись. Цена ошибки невероятно высока — отбраковав однажды правильный сигнал, алгоритм может навсегда лишить нас Нобелевского открытия, поэтому каждая версия сети проходит строжайшую валидацию людьми на тестовых стендах.
Но даже отобранные события — это лишь верхушка айсберга. Дальше вступает в игру глобальная вычислительная сеть, раскинувшаяся по сотням научных центров от ЦЕРН до Дубны и Новосибирска. Модернизация ускорителя синхронизирована с переходом на новые форматы данных и облачные платформы, чтобы физик за чашкой утреннего кофе мог подключиться к свежайшему массиву и первым заметить аномалию. Пока туннель пребывает в тишине, тысячи программистов и инженеров без сна и отдыха отлаживают этот распределённый мозг. Они знают: когда в июне 2030 года протонные пучки вновь замкнут свой 27-километровый круг, на кону будет стоять не просто проверка очередной теории, а шанс переписать учебники и понять, из чего же на самом деле сделан мир.
Подписывайтесь на канал, чтобы не пропустить новые статьи и ставьте нравится.
