Большой адронный коллайдер - Large Hadron Collider

Большой адронный коллайдер
(БАК)

LHC эксперименты
АТЛАС	Аппарат тороидального LHC
CMS	Компактный мюонный соленоид
LHCb	БАК-красота
Алиса	Эксперимент на большом ионном коллайдере
ТОТЕМ	Полное сечение, упругое рассеяние и дифракционная диссоциация.
LHCf	LHC-вперед
MoEDAL	Детектор монополей и экзотики на LHC
ФАЗЕР	Эксперимент по поиску ForwArd
Предускорители LHC
p и Pb	Линейные ускорители за протоны (Linac 2) и Вести (Linac 3)
(не отмечен)	Протонный синхротронный ускоритель
PS	Протонный синхротрон
СПС	Супер протонный синхротрон

ЦЕРН ускорительный комплекс

Список текущей частицы ускорители в ЦЕРНе
Linac 3	Ускоряет ионы
ОБЪЯВЛЕНИЕ	Замедляется антипротоны
LHC	Сталкивается протоны или тяжелые ионы
LEIR	Ускоряет ионы
PSB	Ускоряет протоны или ионы
PS	Ускоряет протоны или ионы
СПС	Ускоряет протоны или ионы

В Большой адронный коллайдер (LHC) является крупнейшим в мире и наиболее энергоемким коллайдер частиц и самая большая машина в мире.^[1][2] Он был построен Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН) в период с 1998 по 2008 год в сотрудничестве с более чем 10 000 ученых и сотнями университетов и лабораторий, а также более чем в 100 странах.^[3] Он расположен в туннеле диаметром 27 километров (17 миль) и глубиной до 175 метров (574 фута) под водой. Граница между Францией и Швейцарией возле Женева.

Первые столкновения были достигнуты в 2010 году при энергии 3,5тераэлектронвольт (ТэВ) на луч, что примерно в четыре раза превышает предыдущий мировой рекорд.^[4][5] После модернизации она достигла 6,5 ТэВ на пучок (полная энергия столкновения 13 ТэВ, текущий мировой рекорд).^[6][7][8][9] В конце 2018 года он вошел в двухлетний период остановки для дальнейших обновлений.

Коллайдер имеет четыре точки пересечения, вокруг которых расположены семь детекторов, каждая из которых предназначена для определенных видов исследований. LHC в первую очередь сталкивает пучки протонов, но он также может использовать пучки тяжелых ионов: вести –Править столкновения и протон - Столкновения свинца обычно происходят в течение одного месяца в году. Цель детекторов LHC - позволить физикам проверить предсказания различных теорий физика элементарных частиц, включая измерение свойств бозон Хиггса^[10] и поиск большого семейства новых частиц, предсказанных суперсимметричные теории,^[11] а также другие нерешенные вопросы физики.

Фон

Период, термин адрон относится к субатомный композитные частицы состоит из кварки удерживаются вместе посредством сильная сила (в качестве атомы и молекулы держатся вместе электромагнитная сила ).^[12] Самые известные адроны - это барионы Такие как протоны и нейтроны; адроны также включают мезоны такой как пион и Каон, которые были обнаружены во время космический луч эксперименты в конце 1940-х - начале 1950-х годов.^[13]

А коллайдер это тип ускоритель частиц с двумя направленными лучами частицы. В физика элементарных частиц, коллайдеры используются как инструмент исследования: они ускоряют частицы до очень высоких кинетическая энергия и позволить им столкнуться с другими частицами.^[1] Анализ побочных продуктов этих столкновений дает ученым убедительные доказательства структуры субатомный мир и законы природы, управляющие им. Многие из этих побочных продуктов образуются только в результате столкновений с высокой энергией, и они распадаются через очень короткие промежутки времени. Таким образом, многие из них трудно или почти невозможно изучить другими способами.^[14]

Цель

Много физики надеюсь, что Большой адронный коллайдер поможет ответить на некоторые из фундаментальные открытые вопросы в физике, которые касаются основных законов, управляющих взаимодействиями и силами между элементарные объекты, глубинная структура пространства и времени и, в частности, взаимосвязь между квантовая механика и общая теория относительности.^[15]

Также нужны данные из частица высокой энергии эксперименты, чтобы предположить, какие версии текущих научных моделей более вероятны, - в частности, чтобы выбрать между Стандартная модель и Модель без хиггса и чтобы подтвердить свои прогнозы и позволить дальнейшее теоретическое развитие.

Проблемы, исследованные столкновениями LHC, включают:^[16][17]

• это масса из элементарные частицы генерируется Механизм Хиггса через электрослабый нарушение симметрии ?^[18] Ожидалось, что эксперименты на коллайдере либо продемонстрируют, либо исключат существование неуловимых бозон Хиггса, тем самым позволяя физикам задуматься о том, правильнее ли Стандартная модель или ее альтернативы без Хиггса.^[19][20]
• является суперсимметрия, расширение Стандартной модели и Симметрия Пуанкаре, реализованный в природе, подразумевая, что все известные частицы имеют суперсимметричные партнеры ?^[21][22][23]
• Здесь дополнительные размеры,^[24] как предсказано различными моделями на основе теория струн, и можем ли мы их обнаружить?^[25]
• Каков характер темная материя что, по-видимому, составляет 27% массы-энергии вселенная ?

Другие открытые вопросы, которые можно исследовать с помощью столкновений частиц высоких энергий:

• Уже известно, что электромагнетизм и слабая ядерная сила являются различными проявлениями единой силы, называемой электрослабой силой. БАК может выяснить, действительно ли электрослабая сила и сильная ядерная сила подобным образом являются просто разными проявлениями одной универсальной объединенной силы, как предсказывают различные Теории Великого Объединения.
• Почему четвертая фундаментальная сила (сила тяжести ) на столько порядков слабее трех других фундаментальные силы ? Смотрите также Проблема иерархии.
• Есть ли дополнительные источники кварк вкус смешивание, помимо тех, которые уже присутствуют в Стандартная модель ?
• Почему наблюдаются явные нарушения симметрия между материей и антивещество ? Смотрите также Нарушение CP.
• Каковы природа и свойства кварк-глюонная плазма, предположительно существовавшие в ранняя вселенная и в некоторых компактный и странный астрономические объекты сегодня? Это будет расследовано столкновения тяжелых ионов, в основном в Алиса, но и в CMS, АТЛАС и LHCb. Впервые наблюдаемые в 2010 году, результаты, опубликованные в 2012 году, подтвердили феномен гашение струи в столкновениях тяжелых ионов.^[26][27][28]

Дизайн

Коллайдер находится в круглом туннеле с окружностью 26,7 км (16,6 миль) на глубине от 50 до 175 метров (от 164 до 574 футов) под землей. Изменение глубины было преднамеренным, чтобы уменьшить количество туннелей, лежащих под Горы Джура чтобы избежать необходимости выкапывать там вертикальную шахту доступа. Туннель был выбран, чтобы избежать необходимости покупать дорогостоящую землю на поверхности, которая также оказала бы влияние на ландшафт, и чтобы воспользоваться преимуществами защиты от фонового излучения, обеспечиваемого земной корой.^[29]

Карта Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе

Облицованный бетоном туннель шириной 3,8 метра (12 футов), построенный между 1983 и 1988 годами, ранее использовался для размещения Большой электрон-позитронный коллайдер.^[30] Туннель пересекает границу между Швейцарией и Францией в четырех точках, большая часть которой находится во Франции. В наземных зданиях есть вспомогательное оборудование, такое как компрессоры, вентиляционное оборудование, управляющая электроника и холодильные установки.

Сверхпроводящий квадрупольные электромагниты используются для направления лучей к четырем точкам пересечения, где будут происходить взаимодействия между ускоренными протонами.

Туннель коллайдера содержит две соседние параллельные лучи (или же балочные трубы), каждая из которых содержит луч, движущийся в противоположных направлениях по кольцу. Лучи пересекаются в четырех точках вокруг кольца, где и происходят столкновения частиц. Около 1232 дипольные магниты держите лучи на круговой траектории (см. изображение^[31]), а еще 392 квадрупольные магниты используются для удержания лучей сфокусированными, с более сильными квадрупольными магнитами близко к точкам пересечения, чтобы максимизировать шансы взаимодействия в местах пересечения двух лучей. Магниты высшие мультипольные порядки используются для исправления небольших дефектов в геометрии поля. Всего около 10 000 сверхпроводящие магниты установлены дипольные магниты массой более 27 тонн.^[32] Примерно 96 тонн сверхтекучий гелий-4 нужен для удержания магнитов, изготовленных из медь ниобий-титановый, на их Рабочая Температура 1,9 К (-271,25 ° C), что делает LHC самым большим криогенный установка в мире при температуре жидкого гелия. LHC использует 470 тонн сверхпроводника Nb – Ti.^[33]

Во время работы LHC сайт CERN привлекает около 200 человек. МВт электроэнергии из Франции электрическая сеть, что для сравнения составляет около одной трети энергопотребления города Женевы; ускоритель и детекторы LHC потребляют около 120 МВт.^[34] Каждый день его работы генерирует 140 терабайты данных.^[35]

При текущем рекорде энергии 6,5 ТэВ на протон,^[36] один-два раза в день, так как протоны ускоряются от 450ГэВ до 6,5ТэВ, поле сверхпроводящих дипольных магнитов увеличивается с 0,54 до 7.7 теслас (т). Каждый протон имеет энергия 6,5 ТэВ, что дает полную энергию столкновения 13 ТэВ. При этой энергии протоны имеют Фактор Лоренца примерно 6930 и двигаться примерно 0.999999990 c, или примерно на 3,1 м / с (11 км / ч) медленнее, чем скорость света (c). Это займет меньше чем 90 микросекунды (мкс) чтобы протон прошел 26,7 км вокруг главного кольца. Это приводит к 11 245 оборотов в секунду для протонов независимо от того, находятся ли частицы в основном кольце с низкой или высокой энергией, поскольку разница в скоростях между этими энергиями превышает пятый десятичный знак.^[37]

Вместо того, чтобы иметь непрерывные пучки, протоны сгруппированы вместе, до 2808 пучков, с 115 миллиардов протонов в каждом сгустке, так что взаимодействия между двумя лучами происходят с дискретными интервалами, в основном 25 наносекунды (нс) отдельно, обеспечивая частоту столкновений сгустков 40 МГц. Первые годы он работал с меньшим количеством пучков. Дизайн яркость БАК составляет 10³⁴ см⁻²s⁻¹,^[38] который был впервые достигнут в июне 2016 года.^[39] К 2017 году это значение было достигнуто вдвое.^[40]

Протоны LHC исходят из небольшого красного резервуара с водородом.

Перед впрыском в основной ускоритель частицы подготавливаются с помощью ряда систем, которые последовательно увеличивают свою энергию. Первая система - это линейный ускоритель частиц LINAC 2 генерирует протоны с энергией 50 МэВ, которые питают Протонный синхротронный ускоритель (PSB). Там протоны ускоряются до 1,4 ГэВ и инжектируются в Протонный синхротрон (PS), где они ускорены до 26 ГэВ. Наконец, Супер протонный синхротрон (SPS) используется для дальнейшего увеличения их энергии до 450 ГэВ, прежде чем они, наконец, будут введены (в течение нескольких минут) в главное кольцо. Здесь протонные сгустки накапливаются, ускоряются (за период 20 минут) до их пиковой энергии и, наконец, циркулировал от 5 до 24 часа в то время как столкновения происходят в четырех точках пересечения.^[41]

Физическая программа LHC в основном основана на протон-протонных столкновениях. Однако в программу включены более короткие периоды работы, обычно один месяц в году, столкновения тяжелых ионов. Хотя рассматриваются и более легкие ионы, в базовой схеме рассматриваются вести ионы^[42] (видеть Эксперимент на большом ионном коллайдере ). Ионы свинца сначала ускоряются линейным ускорителем. LINAC 3, а Кольцо с ионами низкой энергии (LEIR) используется как блок хранения и охлаждения ионов. Затем ионы дополнительно ускоряются PS и SPS перед инжекцией в кольцо LHC, где они достигают энергии 2,3 ТэВ на нуклон (или 522 ТэВ на ион),^[43] выше энергии, достигаемой Релятивистский коллайдер тяжелых ионов. Целью программы тяжелых ионов является исследование кварк-глюонная плазма, существовавшие в ранняя вселенная.^[44]

Детекторы

Семь детекторов были построены на LHC, расположенных под землей в больших пещерах, вырытых в точках пересечения LHC. Двое из них, ATLAS эксперимент и Компактный мюонный соленоид (CMS), являются большими универсальными детекторы частиц.^[2] Алиса и LHCb имеют более конкретные роли, а последние три, ТОТЕМ, MoEDAL и LHCf, намного меньше по размеру и предназначены для очень специализированных исследований. Эксперименты ATLAS и CMS открыли бозон Хиггса, что является убедительным доказательством того, что Стандартная модель имеет правильный механизм придания массы элементарным частицам.^[45]

CMS детектор для LHC

Краткое изложение основных детекторов BBC:^[46]

Вычислительные и аналитические средства

Данные, полученные с помощью LHC, а также моделирования, связанного с LHC, оцениваются примерно в 15 петабайты в год (максимальная пропускная способность при работе не указана)^[47]- серьезная проблема сама по себе в то время.

В Вычислительная сетка LHC^[48] был построен как часть дизайна LHC, чтобы обрабатывать огромные объемы данных, ожидаемых от его столкновений. Это международный совместный проект, состоящий из компьютерная сеть инфраструктура первоначально соединяла 140 вычислительных центров в 35 странах (более 170 в 36 странах по состоянию на 2012 г.^{[Обновить]}). Он был разработан ЦЕРН для обработки значительного объема данных, полученных в результате экспериментов на LHC,^[49][50] включение как частных оптоволоконных кабельных линий, так и существующих высокоскоростных участков общего пользования Интернет для передачи данных из ЦЕРН в академические учреждения по всему миру.^[51] В Открытая научная сетка используется как основная инфраструктура в США, а также как часть взаимодействующей федерации с LHC Computing Grid.

В распределенных вычислений проект LHC @ home был запущен для поддержки строительства и калибровки LHC. В проекте используется BOINC платформа, позволяющая любому, у кого есть подключение к Интернету и компьютер, работающий Mac OS X, Windows или же Linux использовать время простоя своего компьютера для моделирования того, как частицы будут перемещаться в лучевых трубах. Обладая этой информацией, ученые могут определить, как следует откалибровать магниты, чтобы получить наиболее стабильную «орбиту» лучей в кольце.^[52] В августе 2011 года было запущено второе приложение (Test4Theory), которое выполняет моделирование, с которым сравниваются фактические данные испытаний, чтобы определить уровни достоверности результатов.

К 2012 г. данные из более чем 6 квадриллионов (6 x 10¹⁵) Проанализированы протон-протонные столкновения LHC,^[53] Данные о столкновении LHC были получены примерно в 25 петабайты в год, и вычислительная сеть LHC стала крупнейшей в мире вычислительная сетка в 2012 году, включая более 170 вычислительных мощностей в всемирная сеть в 36 странах мира.^[54][55][56]

История эксплуатации

LHC впервые был запущен 10 сентября 2008 г.^[57] но первоначальное тестирование было отложено на 14 месяцев с 19 сентября 2008 г. по 20 ноября 2009 г. из-за магнитная закалка инцидент, повлекший значительный ущерб более чем 50 сверхпроводящие магниты, их крепления и вакуумная труба.^{[58][59][60][61][62]}

Во время своего первого запуска (2010–2013 гг.) БАК столкнулся с двумя противоборствующими пучки частиц либо протоны до 4тераэлектронвольт (4 ТэВ или же 0.64 микроджоули ), или же вести ядра (574 ТэВ на ядро, или 2,76 ТэВ на ядро нуклон ).^[63][64] Его первые открытия включали долгожданный бозон Хиггса, несколько составных частиц (адроны ) как χ_б (3P) боттомоний состояние, первое создание кварк-глюонная плазма, и первые наблюдения очень редкого распада B_s мезон на два мюоны (B_s⁰ → μ⁺μ⁻), что поставило под сомнение обоснованность существующих моделей суперсимметрия.^[65]

Строительство

Операционные проблемы

Размер LHC представляет собой исключительную инженерную проблему с уникальными эксплуатационными проблемами из-за количества энергии, хранящейся в магнитах и ​​лучах.^[41][66] Во время работы общая энергия, хранящаяся в магнитах составляет 10 ГДж (2400 килограммов в тротиловом эквиваленте), а общая энергия, переносимая двумя лучами, достигает 724 МДж (173 килограмма в тротиловом эквиваленте).^[67]

Потеря всего одной десятимиллионной части (10⁻⁷) балки достаточно, чтобы утолить а сверхпроводящий магнит, а каждый из двух балочные отвалы должен поглощать 362 МДж (87 кг в тротиловом эквиваленте). Эти энергии переносятся очень небольшим веществом: при номинальных рабочих условиях (2808 пучков на пучок, 1,15 × 10¹¹ протонов на сгусток) пучки содержат 1.0 × 10⁻⁹ грамм водорода, который в стандартные условия по температуре и давлению, заполнит объем одной песчинки.

Расходы

С бюджетом 7,5 млрд евро (примерно 9 млрд долларов или 6,19 млрд фунтов стерлингов по состоянию на июнь 2010 г.^{[Обновить]}), LHC - один из самых дорогих научных инструментов^[1] когда-либо построенный.^[68] Ожидается, что общая стоимость проекта составит порядка 4,6 млрд. Швейцарские франки (SFr) (примерно 4,4 млрд долларов, 3,1 млрд евро или 2,8 млрд фунтов стерлингов по состоянию на январь 2010 г.^{[Обновить]}) для ускорителя и 1,16 млрд (SFr) (примерно 1,1 млрд долларов, 0,8 млрд евро или 0,7 млрд фунтов стерлингов по состоянию на январь 2010 г.^{[Обновить]}) за вклад ЦЕРН в эксперименты.^[69]

Строительство БАК было одобрено в 1995 году с бюджетом в 2,6 млрд швейцарских франков, а еще 210 млн швейцарских франков были направлены на эксперименты. Однако из-за перерасхода средств, оцениваемого в крупном обзоре в 2001 г. примерно в 480 млн швейцарских франков для ускорителя и 50 млн швейцарских франков на эксперименты, наряду с сокращением бюджета ЦЕРН, срок завершения был перенесен с 2005 года на апрель 2007 года.^[70] Сверхпроводящие магниты привели к увеличению стоимости на 180 млн швейцарских франков. Были также дополнительные расходы и задержки из-за инженерных трудностей, возникших при строительстве пещеры для Компактный мюонный соленоид,^[71] а также из-за опор магнитов, которые были недостаточно прочны и не прошли первоначальные испытания (2007 г.), а также повреждения от магнитная закалка и жидкий гелий побег (инаугурационные испытания, 2008 г.) (видеть: Строительные аварии и задержки ).^[72] Поскольку летом затраты на электроэнергию ниже, LHC обычно не работает в зимние месяцы.^[73] хотя для зимы 2009/10 и 2012/2013 годов были сделаны исключения, чтобы компенсировать задержки с запуском в 2008 году и повысить точность измерений новой частицы, обнаруженной в 2012 году, соответственно.

Строительные аварии и задержки

• 25 октября 2005 г. техник Хосе Перейра Лагес был убит в LHC, когда распределительное устройство то, что транспортировалось, упало на него.^[74]
• 27 марта 2007 г. была разработана и предоставлена ​​криогенная магнитная опора. Фермилаб и KEK сломался во время начального испытания давлением с участием одного из внутренних триплетных (фокусирующих квадрупольных) магнитных узлов LHC. Никто не пострадал. Директор Fermilab Пьер Оддоун заявил: «В данном случае мы ошеломлены тем, что упустили очень простой баланс сил». Неисправность присутствовала в первоначальном проекте и сохранялась в течение четырех инженерных проверок в последующие годы.^[75] Анализ показал, что его конструкция, сделанная как можно более тонкой для лучшей изоляции, не была достаточно прочной, чтобы выдерживать силы, возникающие во время испытаний под давлением. Подробности доступны в заявлении Fermilab, с которым ЦЕРН согласен.^[76][77] Ремонт сломанного магнита и усиление восьми идентичных узлов, используемых на LHC, отложили дату запуска, которая тогда планировалась на ноябрь 2007 года.
• 19 сентября 2008 г. во время первоначального тестирования неисправное электрическое соединение привело к магнитная закалка (внезапная потеря сверхпроводящий магнит сверхпроводящая способность из-за потепления или электрическое поле последствия). Шесть тонн переохлажденного жидкий гелий - использовался для охлаждения магнитов - ускользнул с силой, достаточной для того, чтобы сломать 10-тонные магниты поблизости от их креплений, что привело к значительным повреждениям и загрязнению вакуумной трубки. (видеть Инцидент с тушением 2008 года ); ремонт и проверка безопасности вызвали задержку примерно на 14 месяцев.^[78][79][80]
• Две утечки вакуума были обнаружены в июле 2009 года, и начало работы было отложено на середину ноября 2009 года.^[81]

Начальные нижние токи магнита

В обоих прогонах (с 2010 по 2012 и 2015 годы) LHC первоначально работал на энергиях ниже запланированной рабочей энергии и увеличивал энергию всего до 2 x 4 ТэВ при первом запуске и 2 x 6,5 ТэВ при втором запуске. ниже расчетной энергии 2 х 7 ТэВ. Это связано с тем, что массивные сверхпроводящие магниты требуют значительного магнитная тренировка выдерживать высокие токи без теряют свою сверхпроводящую способность, и большие токи необходимы для обеспечения высокой энергии протонов. «Тренировочный» процесс включает в себя многократный запуск магнитов с более низкими токами, чтобы вызвать какие-либо гашения или незначительные движения, которые могут возникнуть. Также требуется время, чтобы остыть магниты до рабочей температуры около 1,9. K (рядом с абсолютный ноль ). Со временем магнит «залегает» и перестает гасить при этих меньших токах и может выдерживать полный расчетный ток без гашения; СМИ ЦЕРН описывают магниты как «вытряхивающие» неизбежные крошечные производственные дефекты в своих кристаллах и положениях, которые изначально ограничивали их способность управлять запланированными токами. Магниты со временем и с обучением постепенно становятся способными управлять своими полностью запланированными токами без гашения.^[82][83]

Инаугурационные испытания (2008)

Первый луч прошел через коллайдер утром 10 сентября 2008 г.^[46] ЦЕРН успешно выпустили протоны вокруг туннеля поэтапно, по три километра за раз. Частицы были запущены в ускоритель по часовой стрелке и успешно повернули вокруг него в 10:28 по местному времени.^[57] LHC успешно завершил свое основное испытание: после серии пробных запусков на экране компьютера вспыхнули две белые точки, показывающие, что протоны прошли всю длину коллайдера. На то, чтобы направить поток частиц по его первому контуру, потребовалось меньше часа.^[84] Затем ЦЕРН успешно отправил пучок протонов в направлении против часовой стрелки, что заняло немного больше времени - полтора часа из-за проблемы с криогеника, полный круг завершается в 14:59.

Погасить инцидент

19 сентября 2008 г. магнитная закалка произошло около 100 изгибов магниты в секторах 3 и 4, где электрическая неисправность привела к потере примерно шести тонн жидкий гелий (магниты ' криогенный охлаждающая жидкость), которая была выведена в туннель. Выходящий пар расширился со взрывной силой, повредив в общей сложности 53 человека. сверхпроводящие магниты и их крепления, и загрязнение вакуумная труба, что также потеряло условия вакуума.^[58][59][85]

Вскоре после инцидента ЦЕРН сообщил, что наиболее вероятной причиной проблемы была неисправное электрическое соединение между двумя магнитами, и это - из-за времени, необходимого для разогрева пораженных секторов, а затем их охлаждения до рабочей температуры - на исправление потребуется не менее двух месяцев.^[86] ЦЕРН выпустил промежуточный технический отчет^[85] и предварительный анализ инцидента 15 и 16 октября 2008 года соответственно,^[87] и более подробный отчет от 5 декабря 2008 г.^[79] Анализ инцидента, проведенный ЦЕРН, подтвердил, что причиной действительно была электрическая неисправность. Неисправное электрическое соединение привело (правильно) к отказоустойчивый отключение питания электрических систем, питающих сверхпроводящие магниты, но также вызвало электрическая дуга (или разряд), которые повредили целостность оболочки переохлажденного гелия и вакуумную изоляцию, в результате чего температура и давление хладагента быстро поднялись до уровня, превышающего способность систем безопасности удерживать его,^[85] и приводит к повышению температуры примерно на 100 градусов Цельсия в некоторых из затронутых магнитов. Энергия, запасенная в сверхпроводящих магнитах и электрический шум индуцированный в других детекторах закалки также играет роль в быстром нагреве. Около двух тонны жидкого гелия произошла взрывная утечка до того, как детекторы сработали аварийную остановку, и после этого произошла утечка еще четырех тонн при более низком давлении.^[85] В результате аварии было повреждено 53 магнита, которые были отремонтированы или заменены во время зимней остановки.^[88] Эта авария подробно обсуждалась 22 февраля 2010 г. Наука и технологии сверхпроводников статья физика ЦЕРНа Лусио Росси.^[89]

В первоначальной временной шкале ввода в эксплуатацию LHC первые «скромные» столкновения высоких энергий в центр масс Энергия 900 ГэВ должна была произойти до конца сентября 2008 г., а к концу 2008 г. предполагалось, что LHC будет работать при энергии 10 ТэВ.^[90] Однако из-за задержки, вызванной вышеупомянутым инцидентом, коллайдер не работал до ноября 2009 года.^[91] Несмотря на задержку, БАК был официально открыт 21 октября 2008 г. в присутствии политических лидеров, министров науки из 20 государств-членов ЦЕРН, официальных лиц ЦЕРН и членов мирового научного сообщества.^[92]

Большая часть 2009 года была потрачена на ремонт и проверку повреждений, вызванных инцидентом с закалкой, наряду с двумя дополнительными утечками вакуума, выявленными в июле 2009 года, что перенесло начало эксплуатации на ноябрь того же года.^[81]

Прогон 1: первый эксплуатационный прогон (2009–2013 гг.)

Семинар по физика БАК Джон Илиопулос (2009).^[93]

20 ноября 2009 года пучки низкой энергии циркулировали в туннеле впервые после инцидента, а вскоре после этого, 30 ноября, LHC достиг 1,18 ТэВ на пучок, что сделало его самым мощным в мире ускорителем частиц, опередив скорость Теватрон Предыдущий рекорд 0,98 ТэВ на пучок удерживался за восемь лет.^[94]

В начале 2010 г. продолжалось наращивание энергии пучка и в первых физических экспериментах до 3,5 ТэВ на пучок, а 30 марта 2010 г. LHC установил новый рекорд столкновений при высоких энергиях за счет встречных пучков протонов при комбинированном уровне энергии 7 ТэВ. Попытка была третьей в тот день после двух неудачных попыток, в которых протоны приходилось «сбрасывать» из коллайдера и вводить новые пучки.^[95] Это также положило начало основной исследовательской программе.

Первый запуск протонов завершился 4 ноября 2010 г. Запуск с ионами свинца начался 8 ноября 2010 г. и закончился 6 декабря 2010 г.^[96] позволяя эксперименту ALICE изучать материю в экстремальных условиях, подобных тем, которые возникли вскоре после Большого взрыва.^[97]

Первоначально ЦЕРН планировал, что LHC будет работать до конца 2012 года, с коротким перерывом в конце 2011 года, чтобы обеспечить увеличение энергии пучка с 3,5 до 4 ТэВ на пучок.^[5] В конце 2012 г. планировалось, что LHC будет остановлен примерно до 2015 г., что позволит повысить запланированную энергию пучка в 7 ТэВ на пучок.^[98] В конце 2012 г. в свете открытия в июле 2012 г. бозон Хиггса, остановка была отложена на несколько недель до начала 2013 года, чтобы можно было получить дополнительные данные перед остановкой.

Длительный останов 1 (2013–2015 гг.)

Часть LHC

LHC был закрыт 13 февраля 2013 года для его двухлетней модернизации под названием Long Shutdown 1 (LS1), которая должна была затронуть многие аспекты LHC: включение коллизий при 14 ТэВ, улучшение его детекторов и предварительных ускорителей (Proton Synchrotron и Super Proton Synchrotron), а также замену его системы вентиляции и 100 км (62 миль) кабелей, поврежденных столкновениями высокой энергии с первого запуска.^[99] Модернизированный коллайдер начал свой длительный запуск и процесс испытаний в июне 2014 года, при этом ускоритель протонного синхротрона начался 2 июня 2014 года, окончательное соединение между магнитами и циркулирующими частицами протонного синхротрона завершилось 18 июня 2014 года, а первая секция основная супермагнитная система LHC достигла рабочей температуры 1,9 К (-271,25 ° C) несколькими днями позже.^[100] Из-за медленного прогресса с "обучение персонала" сверхпроводящих магнитов было решено начать второй запуск с более низкой энергией 6,5 ТэВ на пучок, что соответствует току 11000 амперы. Сообщалось, что первый из основных магнитов LHC был успешно обучен к 9 декабря 2014 года, в то время как обучение других магнитных секторов было завершено в марте 2015 года.^[101]

Прогон 2: второй производственный прогон (2015–2018 гг.)

5 апреля 2015 года LHC перезапустился после двухлетнего перерыва, в течение которого электрические соединители между поворотными магнитами были модернизированы, чтобы безопасно выдерживать ток, необходимый для 7 ТэВ на луч (14 ТэВ).^[6][102] Однако поворотные магниты были только обученный для обработки до 6,5 ТэВ на пучок (всего 13 ТэВ), что стало рабочей энергией с 2015 по 2017 год.^[82] Впервые энергия была достигнута 10 апреля 2015 года.^[103] Обновления завершились столкновением протонов с общей энергией 13 ТэВ.^[104] 3 июня 2015 года LHC начал предоставлять данные о физике после почти двух лет автономной работы.^[105] В последующие месяцы он использовался для протон-протонных столкновений, в то время как в ноябре машина переключилась на столкновения ионов свинца, а в декабре началась обычная зимняя остановка.

В 2016 году механизаторы сосредоточились на увеличении светимости протон-протонных столкновений. Расчетное значение впервые было достигнуто 29 июня, г.^[39] и дальнейшие улучшения увеличили частоту столкновений до 40% выше расчетного значения.^[106] Общее количество столкновений в 2016 году превысило количество из прогона 1 - с более высокой энергией на столкновение. За протон-протонным пробегом последовали четыре недели столкновений протонов со свинцом.^[107]

В 2017 году яркость была увеличена и вдвое превысила расчетное значение. Общее количество столкновений также было выше, чем в 2016 году.^[40]

Заезд по физике 2018 года начался 17 апреля и закончился 3 декабря, включая четыре недели столкновений свинца со свинцом.^[108]

Длительный останов 2 (2018–2021 гг.) И далее

Длительная остановка 2 (LS2) началась 10 декабря 2018 года. БАК и весь ускорительный комплекс ЦЕРН обслуживаются и модернизируются. Цель обновлений - реализовать Большой адронный коллайдер высокой светимости (HL-LHC), который увеличит светимость в 10 раз. Ожидается, что LS2 завершится в 2021 году, а затем последует этап 3.^[109] HL-LHC должен быть введен в эксплуатацию к 2026 году. Длительная остановка (LS3) в 2020-х годах состоится до завершения проекта HL-LHC.

Хронология операций

За пределами стандартной модели
Смоделированный Большой адронный коллайдер CMS данные детектора частиц, изображающие бозон Хиггса образуются сталкивающимися протонами, распадающимися на адронные струи и электроны
Стандартная модель
Свидетельство Проблема иерархии Темная материя Темная энергия Квинтэссенция Фантомная энергия Темное излучение Темный фотон Проблема космологической постоянной Сильная проблема CP Колебания нейтрино
Теории Теория всего Гипотеза математической вселенной Теория Великого Объединения Море Дирака Разноцветный Теория Калуцы – Клейна Квантовая теория поля Квантовая теория поля в искривленном пространстве-времени Теория теплового квантового поля Топологическая квантовая теория поля Конформная теория поля Двумерная конформная теория поля Теория поля Лиувилля 6D (2,0) суперконформная теория поля Квантовая механика Квантовая космология Космология браны Теория струн Теория суперструн М-теория Зеркальная материя Модель Рэндалла – Сундрама теория де Бройля – Бома Стохастическая электродинамика Гипотеза термализации собственного состояния Теория Янга – Миллса N = 4 суперсимметричная теория Янга – Миллса Твисторная теория струн Темная жидкость Теория сверхтекучего вакуума Двойная специальная теория относительности инвариант де Ситтера специальная теория относительности Причинные фермионные системы Квантовая термодинамика Термодинамика черной дыры Цифровая физика Физика без частиц Калибровочная теория Теория калибровочной гравитации Калибровочная теория гравитации Теория скрытых переменных Теория пилотных волн Симметрия CPT
Суперсимметрия MSSM NMSSM Теория суперструн М-теория Супергравитация Нарушение суперсимметрии Большие дополнительные размеры
Квантовая гравитация Теория струн Пена отжима Квантовая геометрия Петлевая квантовая гравитация Петлевая квантовая космология Причинная динамическая триангуляция Причинные фермионные системы Причинные множества Симметрия событий Каноническая квантовая гравитация Полуклассическая гравитация Теория сверхтекучего вакуума
Эксперименты ЭННИ Гран Сассо Я НЕ LHC SNO Супер-К Теватрон Новая звезда

Находки и открытия

Первоначально целью исследования было изучение возможного существования бозон Хиггса, ключевая часть Стандартная модель физики, которая предсказывается теорией, но еще не наблюдалась ранее из-за ее большой массы и неуловимой природы. CERN scientists estimated that, if the Standard Model were correct, the LHC would produce several Higgs bosons every minute, allowing physicists to finally confirm or disprove the Higgs boson's existence. In addition, the LHC allowed the search for суперсимметричные частицы and other hypothetical particles as possible unknown areas of physics.^[63] Some extensions of the Standard Model predict additional particles, such as the heavy W' and Z' gauge bosons, which are also estimated to be within reach of the LHC to discover.^[125]

First run (data taken 2009–2013)

The first physics results from the LHC, involving 284 collisions which took place in the Алиса detector, were reported on 15 December 2009.^[111] The results of the first proton–proton collisions at energies higher than Fermilab's Tevatron proton–antiproton collisions were published by the CMS collaboration in early February 2010, yielding greater-than-predicted charged-адрон производство.^[126]

After the first year of data collection, the LHC experimental collaborations started to release their preliminary results concerning searches for new physics beyond the Standard Model in proton-proton collisions.^{[127][128][129][130]} No evidence of new particles was detected in the 2010 data. As a result, bounds were set on the allowed parameter space of various extensions of the Standard Model, such as models with large extra dimensions, constrained versions of the Минимальная суперсимметричная стандартная модель, и другие.^{[131][132][133]}

On 24 May 2011, it was reported that кварк-глюонная плазма (the densest matter thought to exist besides черные дыры ) had been created in the LHC.^[114]

А Диаграмма Фейнмана of one way the Higgs boson may be produced at the LHC. Here, two кварки each emit a W or Z boson, which combine to make a neutral Higgs.

Between July and August 2011, results of searches for the Higgs boson and for exotic particles, based on the data collected during the first half of the 2011 run, were presented in conferences in Grenoble^[134] and Mumbai.^[135] In the latter conference, it was reported that, despite hints of a Higgs signal in earlier data, ATLAS and CMS exclude with 95% confidence level (using the CLs method) the existence of a Higgs boson with the properties predicted by the Standard Model over most of the mass region between 145 and 466 GeV.^[136] The searches for new particles did not yield signals either, allowing to further constrain the parameter space of various extensions of the Standard Model, including its supersymmetric extensions.^[137][138]

On 13 December 2011, CERN reported that the Standard Model Higgs boson, if it exists, is most likely to have a mass constrained to the range 115–130 GeV.Both the CMS and ATLAS detectors have also shown intensity peaks in the 124–125 GeV range, consistent with either background noise or the observation of the Higgs boson.^[139]

On 22 December 2011, it was reported that a new composite particle had been observed, the χ_б (3P) боттомоний государственный.^[117]

On 4 July 2012, both the CMS and ATLAS teams announced the discovery of a boson in the mass region around 125–126 GeV, with a statistical significance at the level of 5 сигма каждый. This meets the formal level required to announce a new particle. The observed properties were consistent with the Higgs boson, but scientists were cautious as to whether it is formally identified as actually being the Higgs boson, pending further analysis.^[140] On 14 March 2013, CERN announced confirmation that the observed particle was indeed the predicted Higgs Boson.^[141]

On 8 November 2012, the LHCb team reported on an experiment seen as a "golden" test of суперсимметрия theories in physics,^[120] by measuring the very rare decay of the ${displaystyle B_{s}}$ meson на два мюоны (${displaystyle B_{s}^{0} ightarrow mu ^{+}mu ^{-}}$). The results, which match those predicted by the non-supersymmetrical Стандартная модель rather than the predictions of many branches of supersymmetry, show the decays are less common than some forms of supersymmetry predict, though could still match the predictions of other versions of supersymmetry theory. The results as initially drafted are stated to be short of proof but at a relatively high 3.5 сигма level of significance.^[142] The result was later confirmed by the CMS collaboration.^[143]

In August 2013, the LHCb team revealed an anomaly in the angular distribution of B-мезон decay products which could not be predicted by the Standard Model; this anomaly had a statistical certainty of 4.5 sigma, just short of the 5 sigma needed to be officially recognized as a discovery. It is unknown what the cause of this anomaly would be, although the Z' boson has been suggested as a possible candidate.^[144]

On 19 November 2014, the LHCb experiment announced the discovery of two new heavy subatomic particles,
Ξ′⁻
_б и
Ξ^∗−
_б. Both of them are baryons that are composed of one bottom, one down, and one strange quark. They are excited states of the bottom Кси барион.^[145][146]

В LHCb collaboration has observed multiple exotic hadrons, possibly pentaquarks или же tetraquarks, in the Run 1 data.On 4 April 2014, the collaboration confirmed the existence of the tetraquark candidate Z(4430) with a significance of over 13.9 sigma.^[147][148] On 13 July 2015, results consistent with pentaquark states in the decay of bottom Lambda baryons (Λ⁰
_б) were reported.^{[149][150][151]}

On 28 June 2016, the collaboration announced four tetraquark-like particles decaying into a J/ψ and a φ meson, only one of which was well established before (X(4274), X(4500) and X(4700) and X(4140) ).^[152][153]

In December 2016, ATLAS presented a measurement of the W boson mass, researching the precision of analyses done at the Tevatron.^[154]

Second run (2015-2018)

At the conference EPS-HEP 2015 in July, the collaborations presented first cross-section measurements of several particles at the higher collision energy.

On 15 December 2015, the АТЛАС и CMS experiments both reported a number of preliminary results for Higgs physics, суперсимметрия (SUSY) searches and exotics searches using 13 TeV proton collision data. Both experiments saw a moderate excess around 750 GeV in the two-photon инвариантная масса spectrum,^{[155][156][157]} but the experiments did not confirm the existence of the hypothetical particle in an August 2016 report.^{[158][159][160]}

In July 2017, many analyses based on the large dataset collected in 2016 were shown. The properties of the Higgs boson were studied in more detail and the precision of many other results was improved.^[161]

Planned "high-luminosity" upgrade

After some years of running, any физика элементарных частиц experiment typically begins to suffer from убывающая отдача: as the key results reachable by the device begin to be completed, later years of operation discover proportionately less than earlier years. A common response is to upgrade the devices involved, typically in collision energy, яркость, or improved detectors. In addition to a possible increase to 14 TeV collision energy, a luminosity upgrade of the LHC, called the High Luminosity Large Hadron Collider, started in June 2018 that will boost the accelerator's potential for new discoveries in physics, starting in 2027.^[162] The upgrade aims at increasing the luminosity of the machine by a factor of 10, up to 10³⁵ cm⁻²s⁻¹, providing a better chance to see rare processes and improving statistically marginal measurements.

Safety of particle collisions

The experiments at the Large Hadron Collider sparked fears that the particle collisions might produce doomsday phenomena, involving the production of stable microscopic black holes or the creation of hypothetical particles called strangelets.^[163] Two CERN-commissioned safety reviews examined these concerns and concluded that the experiments at the LHC present no danger and that there is no reason for concern,^{[164][165][166]} a conclusion endorsed by the Американское физическое общество.^[167]

The reports also noted that the physical conditions and collision events that exist in the LHC and similar experiments occur naturally and routinely in the вселенная without hazardous consequences,^[165] включая ultra-high-energy cosmic rays observed to impact Earth with energies far higher than those in any man-made collider.

Популярная культура

The Large Hadron Collider gained a considerable amount of attention from outside the scientific community and its progress is followed by most popular science media. The LHC has also inspired works of fiction including novels, TV series, video games and films.

CERN employee Кэтрин Макальпайн 's "Large Hadron Rap"^[168] surpassed 7 million YouTube взгляды.^[169][170] Группа Les Horribles Cernettes was founded by women from CERN. The name was chosen so to have the same initials as the LHC.^[171][172]

National Geographic Channel с Самые сложные исправления в мире, Season 2 (2010), Episode 6 "Atom Smasher" features the replacement of the last superconducting magnet section in the repair of the collider after the 2008 quench incident. The episode includes actual footage from the repair facility to the inside of the collider, and explanations of the function, engineering, and purpose of the LHC.^[173]

The Large Hadron Collider was the focus of the 2012 student film Разлагаться, with the movie being filmed on location in CERN's maintenance tunnels.^[174]

The feature documentary Частичная лихорадка follows the experimental physicists at CERN who run the experiments, as well as the theoretical physicists who attempt to provide a conceptual framework for the LHC's results. Он выиграл Sheffield International Doc/Fest в 2013.

Вымысел

Роман Ангелы и демоны, к Дэн Браун, involves антивещество created at the LHC to be used in a оружие against the Vatican. In response, CERN published a "Fact or Fiction?" page discussing the accuracy of the book's portrayal of the LHC, CERN, and particle physics in general.^[175] В movie version of the book has footage filmed on-site at one of the experiments at the LHC; the director, Рон Ховард, met with CERN experts in an effort to make the science in the story more accurate.^[176]

In the visual novel/manga/anime-series "Кружек ворота ", SERN (a deliberate misspelling of CERN) is an organization that uses the miniature black holes created from experiments in the LHC to master time travel and take over the world. It is also involved in mass vigilance through the "ECHELON " project and has connection with many mercenary groups worldwide, to avoid the creation of other time machines.

Роман Видение будущего, к Роберт Дж. Сойер, involves the search for the бозон Хиггса at the LHC. CERN published a "Science and Fiction" page interviewing Sawyer and physicists about the book and the Сериал на его основе.^[177]

в американский папаша эпизод The 200, Roger accidentally falls into the Large Hadron Collider, resulting in a huge explosion that creates two hundred clones of his multiple personas.

Смотрите также

• List of accelerators in particle physics
• Accelerator projects
  • Compact Linear Collider
  • Круговой коллайдер будущего
  • Международный линейный коллайдер
  • Very Large Hadron Collider

Рекомендации

внешняя ссылка

• Официальный веб-сайт
• Обзор LHC на общедоступной веб-странице CERN
• Журнал CERN Courier
• 10 удивительных фактов о LHC
• Портал LHC Веб-портал
• Линдон Эванс и Филип Брайант (редакторы) (2008). "LHC Machine". Журнал приборостроения. 3 (8): S08001. Bibcode:2008JInst ... 3S8001E. Дои:10.1088 / 1748-0221 / 3/08 / S08001.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов (связь) Полная документация на проектирование и строительство LHC и его шести детекторов (2008 г.).

видео

• ЦЕРН, как работает LHC на YouTube
• «Петабайты на LHC». Шестьдесят символов. Брэди Харан для Ноттингемский университет.
• Анимация LHC в режиме создания столкновений (июнь 2015 г.)

Новости

• Восемь вещей, которые нужно знать, поскольку большой адронный коллайдер бьет рекорды энергии

Координаты: 46 ° 14′N 06 ° 03′E / 46,233 ° с. Ш. 6,050 ° в. / 46.233; 6.050