ЦЕРНу потрібно більше енергії, як перероблять Великий адронний колайдер, Futurist - майбутнє вже тут
На невирішені питання про походження та влаштування Всесвіту можуть відповісти елементарні частинки, існування яких поки що не підтверджено. Пошук таких частинок (ShiP, Search for Hidden Particles) має на увазі ґрунтовну перебудову Великого адронного колайдера в ЦЕРН. Про те, яким буде ВАК після модернізації та як Україна допомагає переоснастити найбільший прискорювач, не будучи асоційованим членом ЦЕРН, розповів директор ЦЕРН із прискорювачів та технології Фредерік Бордрі на відкритій лекції у НІТУ МИСиС.
Потрібно більше енергії
Основна проблема фізики частинок така: щоб побачити більше, необхідно постійно збільшувати енергію зіткнення частинок у прискорювачах. Наприклад, зафіксувати топ-кварк вдалося за енергії 2 ТеВ, а бозон Хіггса виявили при 8 ТеВ. Щоб дізнатися хоча б щось про темну матерію, інші виміри або антиматерії, необхідно набагато більше енергії.
Саме тому прискорювачі постійно вдосконалюються. На зміну застарілому американському Теватрону прийшов Великий адронний колайдер (БАК) при ЦЕРН, світність якого (інтенсивність зіткнення пучків частинок) у 2011 році перевищила світність Теватрона в дев'ять разів. З 2010 до 2012 року прискорювач працював на 8 ТеВ – саме тоді вчені змогли зафіксувати бозон Хіггса. В даний час ВАК працює на енергії в 13 ТеВ (приблизно 2.1 х10 -6 Дж, наприклад дульна енергія кулі при пострілі з АКМ: 2,3 10 3 Дж), прихованих важких частинок виявлено поки не було.
Нещодавно фізикам вдалося вперше виявити ознаки асиметрії між матерією та антиматерією під час розпаду частинок. Звичайно, повноцінним відкриттям цю знахідку називати поки що зарано. Однак цірезультати цілком можуть підтвердитися за більш високої світності.
Щоб досягти сильнішої світності, необхідно модернізувати коллайдер. У 2013 році було прийнято програму вдосконалення ВАК під назвою HL-LHC. За цією програмою планується переоснастити понад 1,2 км ВАК. Коли модернізація колайдера завершиться, фізики отримають десятикратне збільшення кількості зіткнень частинок. У режимі підвищеної світності експериментальне встановлення почне працювати не раніше 2026 року.
Що зроблять з ВАК
Схема ВАК. Pb та P – інжектори, які виробляють заряджені частинки. Потім частинки потрапляють у S-бустер і далі в сам S (протонний синхротрон), набуваючи енергію в 28 ГеВ. Прискорення частинок продовжується в SPS (протонний суперсинхротрон. Потім потік протонів направляють у головне 26,7-кілометрове кільце, де їх зіткнення фіксують детектори ALICE, ATLAS, LHCb і CMS).
Збільшення світності колайдера вимагає збільшення інтенсивності пучків та покращення їх фокусування. Якщо фокусування не покращити, то частинки пролітатимуть повз один одного. Так звані "крабові резонатори", які встановлять у ВАК, "нахилятимуть" пучки протонів і збільшуватимуть периметр зони, де вони можуть зустрітися.
ВАК оснащений великою кількістю магнітів, але мала їх частина дійсно прискорює частки. В основному магніти призначені для утримання частки, що рухається з величезною швидкістю, всередині колайдера. Щоб збільшити світність колайдера, необхідно посилити магнітне поле – інакше частка вилетить із прискорювача. Усередині колайдера планується встановити магніти індукцією 11 Тл (наприклад, природне поле Землі становить близько 0.05 мТл) з надпровідним матеріалом станнідом триніобію Nb3Sn. Використанняцього матеріалу набагато складніше та дорожче, ніж традиційний титанат ніобію NbTi.
Таким буде оновлений ВАК
Збільшення потужності коллайдера не гарантує виявлення нових частинок. Тому ці частинки на колайдері «ловитимуть» паралельно із виконанням більш приземлених завдань. Для проведення експериментів модернізують вже існуючий прискорювач SPS (протонний суперсинхротрон) з довжиною кільця 6.9 км, який нині служить для попереднього розгону протонів перед запуском пучка БАК. Час життя пучка в колайдері загалом 20 годин. Протягом цього часу SPS простоює і його можна використовувати для нових досліджень. Енергія розгону протонів зараз становить 400 ГеВ. Від SPS буде потрібно, в першу чергу, збільшення енергії пучка до 1 ТеВ.
Планується ґрунтовно попрацювати над інжектором – низькоенергетичним прискорювачем, який виробляє заряджені протони та іони свинцю для подальшого прискорення. Зараз на ВАК встановлені лінійні прискорювачі Linac 2 та Linac 3. У ЦЕРНі збираються замінити їх на новий Linac 4, який збільшить продуктивність установки вдвічі.
У такому вигляді ВАК запустять приблизно 2024 року, і він пропрацює близько 10 років. Після цього його замінить новий 100-кілометровий прискорювач FCC (Future Circular Collider), який буде збудовано на базі ЦЕРН.
Як Україна допоможе знайти приховані частки
Україна досі не є асоційованим членом ЦЕРН, хоча заявка була подана ще 2013 року. Асоційовані члени ЦЕРН регулярно постачають високотехнологічне обладнання, беруть участь у вирішенні організаційних питань та сплачують внески до бюджету організації – менші, ніж вимагаються від постійних членів. Нещодавно асоційованим членом ЦЕРНу стала Україна, а незабаром донею має приєднатися Індія. Про вступ України в ЦЕРН поки не йдеться. У 2015 році Дмитро Ліванов, який обіймав посаду міністра освіти і науки, стверджував, що це питання «вийшло зі сфери науки та наукової політики і знаходиться у сфері зовнішньої політики». Однак за словами директора ЦЕРН з прискорювачів та технології Фредеріка Бордрі, наша країна зможе набути асоційованого членства в ЦЕРНу, якщо буде досягнуто двосторонніх угод.
«Я впевнений, що Україна чудово б доповнила склад членів ЦЕРН, але коли саме вона набуде асоційованого членства, залежить не від нас, а від вашого уряду. Членство в ЦЕРН має на увазі фінансові внески, тому це питання необхідно вирішувати на державному рівні», - заявив Бордрі в інтерв'ю «Футуристу».
Фредерік Бордрі підкреслив, що Україна робить великий внесок у науку та розвиток ВАК, не будучи членом ЦЕРН. Україна завжди брала участь у проектах ЦЕРН — у тому числі й у модернізації ВАК. Вчені з Інституту ядерної фізики ім. Г.І.Будкера (Новосибірськ) і РФЯЦ-ВНИИТФ (Сніжинськ) працюють над однією з секцій нового інжектора Linac 4. Вона вже пройшла успішні випробування в ЦЕРН: нове обладнання досягло проектного темпу прискорення та енергії в 100 МеВ. А співробітники Курчатівського інституту займаються дослідженням низькотемпературного надпровідника Nb3Sn, який утримуватиметься в нових магнітах ВАК.
українські вчені продовжують працювати над детектором CMS Вчені МФТІ займаються створенням нового адронного калориметра для експерименту CMS, який планує оновити ЦЕРН до 2022 року. Калориметр, встановлений зараз, не витримає високих світимостей. Робота над прототипом нового детектора вже ведеться МФТІ спільно з ОІЯД (Дубна) та МІФД (Москва). Наукова група НДТУ «МІСіС» такожбере участь у роботах, пов'язаних з калориметром, а також тау-нейтринним детектором та мюонною вето-системою.