Що приносить оновлення ЦЕРНу

Через шість років після відкриття бозон Хіггса підтверджує передбачення. Незабаром оновлення Великого адронного колайдера дозволить вченим CERN виробляти більше цих частинок для тестування Стандартної моделі фізики.

Подія-кандидат ATLAS для бозона Хіггса (H), що розпадається до двох нижніх кварків (b), у зв’язку з W-бозоном, що розпадається до мюона (μ) і нейтрино (ν). (Зображення: ATLAS/CERN)

Автори: Рашмі Ранівала та Судгір Ранівала

Через шість років після того, як бозон Хіггса був відкритий на Великому адронному колайдері CERN (LHC), фізики-фізики оголосили минулого тижня, що вони спостерігали, як розпадається невловима частинка. Результати, представлені спільнотами ATLAS і CMS, спостерігали розпад бозона Хіггса до фундаментальних частинок, відомих як нижні кварки.

У 2012 році відкриття бозона Хіггса, лауреат Нобелівської премії, підтвердило Стандартну модель фізики, яка також передбачає, що приблизно 60% часу бозон Хіггса розпадеться на пару нижніх кварків. Згідно з ЦЕРН, перевірка цього прогнозу має вирішальне значення, оскільки результат або підтримає Стандартну модель — яка побудована на ідеї, що поле Хіггса наділяє кварки та інші фундаментальні частинки масою — або порушить її основи та вкаже на нову фізику.

Бозон Хіггса був виявлений шляхом вивчення зіткнень частинок різних енергій. Але вони тривають лише одну цептосекунду, а це 0,000000000000000000001 секунди, тому виявлення та вивчення їхніх властивостей вимагає неймовірної кількості енергії та вдосконалених детекторів. Раніше цього року ЦЕРН оголосив про масштабне оновлення, яке буде завершено до 2026 року.

Навіщо вивчати частинки?

Фізика елементарних частинок досліджує природу в екстремальних масштабах, щоб зрозуміти основні складові матерії. Так само, як граматика та словниковий запас керують (і обмежують) наше спілкування, частки спілкуються один з одним відповідно до певних правил, які закладені в так званих «чотири фундаментальні взаємодії». Частинки та три з цих взаємодій успішно описані за допомогою уніфікованого підходу, відомого як Стандартна модель. SM — це каркас, який вимагав існування частинки, яка називається бозоном Хіггса, і однією з головних цілей LHC був пошук бозона Хіггса.

Як вивчають такі крихітні частинки?

Протони збираються в пучки, розганяються майже до швидкості світла і змушені стикатися. У результаті такого зіткнення, яке називають подією, виходить багато частинок. Частинки, що з’являються, демонструють начебто випадковий шаблон, але підкоряються основним законам, які керують частиною їхньої поведінки. Вивчення закономірностей випромінювання цих частинок допомагає нам зрозуміти властивості та структуру частинок.

Спочатку LHC забезпечував зіткнення на безпрецедентній енергії, що дозволяло нам зосередитися на вивченні нових територій. Але тепер настав час збільшити потенціал відкриття LHC шляхом запису більшої кількості подій.

(Джерело: ЦЕРН)

Отже, що означатиме оновлення?

Після відкриття бозона Хіггса необхідно вивчити властивості нововиявленої частинки та її вплив на всі інші частинки. Для цього потрібна велика кількість бозонів Хіггса. У SM є свої недоліки, і є альтернативні моделі, які заповнюють ці прогалини. Достовірність цих та інших моделей, які надають альтернативу SM, можна перевірити шляхом експериментів, щоб перевірити їхні прогнози. Деякі з цих передбачень, включаючи сигнали для темної матерії, суперсиметричних частинок та інших глибоких таємниць природи, дуже рідкісні, і, отже, їх важко спостерігати, що додатково вимагає використання БАК високої яскравості (HL-LHC).

Уявіть, що ви намагаєтеся знайти рідкісний різновид діамантів серед дуже великої кількості схожих на вигляд штук. Час, необхідний для пошуку бажаного діаманта, буде залежати від кількості частин, наданих за одиницю часу для перевірки, і часу, затраченого на перевірку. Щоб виконати це завдання швидше, нам потрібно збільшити кількість наданих деталей та швидше перевірити. У процесі можуть бути виявлені деякі нові шматки алмазів, які досі не спостерігалися та невідомі, що змінює нашу точку зору на рідкісні різновиди діамантів.

Після оновлення частота зіткнень зросте, а також ймовірність більшості рідкісних подій. Крім того, для того, щоб розпізнати властивості бозона Хіггса, знадобиться їх велика кількість. Після оновлення загальна кількість бозонів Хіггса, вироблених за один рік, може приблизно в 5 разів перевищувати кількість, що виробляється зараз; і за ту саму тривалість загальна кількість записаних даних може перевищувати 20 разів.

Завдяки запропонованій яскравості (міра кількості протонів, що перетинаються на одиницю площі за одиницю часу) HL-LHC, експерименти зможуть записати приблизно в 25 разів більше даних за той же період, що і для роботи LHC. Промінь в LHC має близько 2800 пучків, кожен з яких містить близько 115 мільярдів протонів. HL-LHC матиме близько 170 мільярдів протонів у кожній групі, що сприятиме збільшенню світності в 1,5 раза.

Як він буде оновлюватися?

Протони утримуються разом в пучку за допомогою сильних магнітних полів особливих видів, утворених за допомогою квадрупольних магнітів. Фокусування зв’язку в меншому розмірі вимагає більш сильних полів і, отже, більших струмів, що вимагає використання надпровідних кабелів. Нові технології та новий матеріал (ніобій-олово) будуть використовуватися для створення необхідних сильних магнітних полів, які в 1,5 рази перевищують нинішні поля (8-12 тесла).

Випробовується створення довгих котушок для таких полів. Нове обладнання буде встановлено на 1,2 км 27-кілометрового кільця LHC поблизу двох основних експериментів (ATLAS і CMS) для фокусування та стиснення згустків безпосередньо перед їх перетином.

Для підключення силових перетворювачів до прискорювача будуть використані стометрові кабелі з надпровідного матеріалу (надпровідні ланки) потужністю до 100 000 ампер. LHC отримує протони з ланцюга прискорювача, який також потрібно буде модернізувати, щоб відповідати вимогам високої яскравості.

Оскільки довжина кожного згустку становить кілька см, для збільшення кількості зіткнень у пучках створюється невеликий нахил безпосередньо перед зіткненнями, щоб збільшити ефективну площу перекриття. Це робиться за допомогою «крабових порожнин».

Спільнота експериментальної фізики елементарних частинок в Індії брала активну участь в експериментах ALICE і CMS. HL-LHC також потребує оновлення. Як розробка, так і виготовлення нових детекторів, а також подальший аналіз даних зроблять значний внесок індійських вчених.

Поділіться Зі Своїми Друзями: