CERN се нуждае от повече енергия, тъй като Големият адронен колайдер е възстановен, Futurist - бъдещето вече е тук
На неразрешените въпроси за произхода и структурата на Вселената могат да отговорят елементарни частици, чието съществуване все още не е потвърдено. Търсенето на такива частици (ShiP, Search for Hidden Particles) предполага фундаментално преструктуриране на Големия адронен колайдер в CERN. Как ще изглежда LHC след модернизация и как България помага за преоборудването на най-големия ускорител, без да е асоцииран член на ЦЕРН, говори Фредерик Бордри, директор за ускорители и технологии в ЦЕРН, на открита лекция в НУСТ „МИСиС“.
Нуждаете се от повече енергия
Основният проблем на физиката на елементарните частици е следният: за да се види повече, е необходимо непрекъснато да се увеличава енергията на сблъсъци на частици в ускорителите. Например, беше възможно да се фиксира горният кварк при енергия от 2 TeV, а бозонът на Хигс беше открит при 8 TeV. За да научите дори нещо за тъмната материя, други измерения или антиматерията, е необходима много повече енергия.
Ето защо ускорителите непрекъснато се подобряват. Остарелият американски Теватрон беше заменен от Големия адронен колайдер (LHC) в CERN, чиято светимост (интензивността на сблъсъка на лъчи от частици) през 2011 г. надвиши светимостта на Теватрон девет пъти. От 2010 до 2012 г. ускорителят работи при 8 TeV - тогава учените успяха да открият бозона на Хигс. В момента LHC работи с енергия от 13 TeV (приблизително 2,1 x10 -6 J, например дулната енергия на куршум, изстрелян от AKM: 2,3 · 10 3 J), все още не са открити скрити тежки частици.
Наскоро физиците успяха за първи път да открият признаци на асиметрия между материя и антиматерия по време на разпадането на частиците. Разбира се, твърде рано е това откритие да се нарече пълноценно откритие. Тези обачерезултатите може да се потвърдят при по-високи светимости.
За да се постигне по-силна светимост, е необходимо да се надстрои колайдерът. През 2013 г. беше приета програма за подобряване на LHC, наречена HL-LHC. По тази програма се планира да се преоборудват повече от 1,2 км LHC. Когато надстройката на колайдера приключи, физиците ще получат десетократно увеличение на броя на сблъсъци на частици. В режим на висока яркост експерименталната установка ще започне да работи не по-рано от 2026 г.
Какво ще се направи с LHC
Схема на LHC. Pb и P са инжектори, които произвеждат заредени частици. След това частиците влизат в PS бустера и след това в самия PS (протонен синхротрон), придобивайки енергия от 28 GeV. Ускоряването на частиците продължава в SPS (протонен суперсинхротрон). След това групата протони се изпраща до главния 26,7-километров пръстен, където техните сблъсъци се записват от детекторите ALICE, ATLAS, LHCb и CMS.
Увеличаването на светимостта на колайдера изисква увеличаване на интензитета на лъчите и подобряване на тяхното фокусиране. Ако фокусът не се подобри, тогава частиците ще летят една покрай друга. Така наречените "ракови резонатори", които ще бъдат инсталирани в LHC, ще "накланят" протонните лъчи и ще увеличат периметъра на зоната, където те могат да се срещнат.
LHC е оборудван с голям брой магнити, но само малка част от тях действително ускоряват частици. По принцип магнитите са проектирани да задържат частица, движеща се с огромна скорост вътре в колайдера. За да се увеличи светимостта на колайдера, е необходимо да се усили магнитното поле - в противен случай частицата ще излети от ускорителя. Вътре в колайдера се планира да се монтират магнити с индукция 11 T (например естественото поле на Земята е около 0,05 mT) със свръхпроводящ материал, триниобиев станнид Nb3Sn. ИзползванеТози материал е много по-сложен и скъп от традиционния NbTi ниобиев титанат.
Това ще бъде актуализираният LHC
Увеличаването на мощността на колайдера не гарантира откриването на нови частици. Следователно тези частици в колайдера ще се "хващат" успоредно с изпълнението на по-обикновени задачи. За извършване на експериментите се модернизира вече съществуващият ускорител SPS (Proton Super Synchrotron) с дължина на пръстена 6,9 км, който в момента служи за предварително ускоряване на протони преди пускането на лъча в LHC. Животът на лъча в колайдера е средно 20 часа. През това време SPS не работи и може да се използва за нови изследвания. Енергията на протонното ускорение сега е 400 GeV. На първо място, SPS ще трябва да увеличи енергията на лъча до 1 TeV.
Предвижда се да се работи задълбочено върху инжектора - нискоенергиен ускорител, който произвежда заредени протони и оловни йони за по-нататъшно ускоряване. Сега в LHC са инсталирани линейни ускорители Linac 2 и Linac 3. CERN ще ги замени с нов Linac 4, който ще удвои производителността на устройството.
В този си вид LHC ще бъде изстрелян около 2024 г. и ще работи около 10 години. След това той ще бъде заменен от нов 100-километров ускорител FCC (Future Circular Collider), който ще бъде изграден на базата на CERN.
Как България може да помогне за намирането на скрити частици
България все още не е асоцииран член на CERN, въпреки че кандидатурата е подадена още през 2013 г. Асоциираните членове на CERN редовно доставят високотехнологично оборудване, участват в решаването на организационни въпроси и плащат вноски в бюджета на организацията - по-малко, отколкото се изисква от постоянните членове. Украйна наскоро стана асоцииран член на CERN, и то скороИндия трябва да се присъедини. Изключено е приемането на България в ЦЕРН. През 2015 г. Дмитрий Ливанов, който беше министър на образованието и науката, заяви, че този въпрос "е излязъл от сферата на науката и научната политика и е в сферата на външната политика". Според директора на ЦЕРН за ускорители и технологии Фредерик Бордри обаче страната ни ще може да получи асоциирано членство в ЦЕРН, ако бъдат постигнати двустранни споразумения.
„Сигурен съм, че България би била страхотно допълнение към членството в ЦЕРН, но кога точно ще получи асоциирано членство не зависи от нас, а от вашето правителство. Членството в CERN предполага финансови вноски, така че този въпрос трябва да бъде решен на държавно ниво“, каза Бордри в интервю за Futurist.
Фредерик Бордри подчерта, че България има голям принос в науката и развитието на LHC, без да е член на CERN. България винаги е участвала в проекти на ЦЕРН, включително и в модернизацията на LHC. Учени от Института по ядрена физика. GI Budker (Новосибирск) и RFNC-VNIITF (Снежинск) работят върху една от секциите на новия инжектор Linac 4. Той вече е успешно тестван в CERN: новото оборудване е достигнало проектната скорост на ускорение и енергия от 100 MeV. А служителите на Института Курчатов изучават нискотемпературния свръхпроводник Nb3Sn, който ще се съдържа в новите магнити на LHC.
Български учени продължават работата по CMS детектора. Учените от MIPT разработват нов адронен калориметър за експеримента CMS, който CERN планира да надстрои до 2022 г. Калориметърът, който е инсталиран в момента, няма да издържи на висока яркост. Работата по прототипа на новия детектор вече се извършва от МФТИ съвместно с ОИЯИ (Дубна) и МИФИ (Москва). Научна група на NUST MISISсъщо участва в работата, свързана с калориметъра, както и с детектора на тау-неутрино и мюонната вето система.