Большой адронный коллайдер остановили на 4 года ради модернизации: CERN готовит десятикратное увеличение числа столкновений частиц

Крупнейший в мире ускоритель частиц — Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider, LHC) в Европейской организации по ядерным исследованиям CERN — с понедельника останавливает работу на четырёхлетнюю модернизацию, которая должна значительно увеличить число столкновений частиц и расширить возможности поиска тёмной материи и других фундаментальных объектов Вселенной.

LHC представляет собой 27-километровое кольцевое подземное сооружение на глубине около 100 метров на границе Швейцарии и Франции. Внутри него сверхпроводящие магниты разгоняют протоны до экстремальных энергий и сталкивают их в детекторах с целью изучения структуры материи. Именно на этом ускорителе в 2012 году был обнаружен бозон Хиггса — частица, связанная с механизмом возникновения массы у других частиц.

После остановки начнётся масштабная модернизация, по итогам которой установка получит новое обозначение — High Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC). Запуск обновлённого комплекса запланирован на июнь 2030 года, а его эксплуатация рассчитана примерно на десять лет.

Руководитель проекта HL-LHC Маркус Церлауф заявил, что текущий этап является ключевым для всей программы. По его словам, учёные продолжают искать ответы на фундаментальные вопросы физики, и предстоящие улучшения должны существенно расширить экспериментальные возможности установки.

Фото: CERN

Главная цель модернизации — увеличение так называемой светимости (luminosity), то есть количества столкновений частиц за единицу времени. Планируется, что этот показатель вырастет в 10 раз по сравнению с текущим уровнем LHC. Это приведёт к резкому увеличению объёма собираемых данных — до 100 раз больше по сравнению с нынешними значениями.

В рамках модернизации будет заменён участок длиной около 1,2 километра ускорительного кольца. Новые сверхпроводящие магниты позволят более точно фокусировать пучки частиц, увеличивая частоту и плотность столкновений. В будущем в точке пересечения пучков будет происходить до 140–200 столкновений за один акт взаимодействия, тогда как сейчас этот показатель составляет около 60.

Такой рост интенсивности создаёт новую инженерную задачу: поток данных станет настолько большим — миллиарды событий в секунду — что физически невозможно сохранять всю информацию. Поэтому отбор наиболее перспективных столкновений будет выполняться в реальном времени с помощью систем искусственного интеллекта, которые должны выделять события, потенциально содержащие признаки новой физики.

При этом, как подчёркивают в CERN, ИИ не заменяет физиков. Он используется как инструмент фильтрации и первичного анализа данных, позволяющий эффективнее работать с массивами информации.

Главная научная цель HL-LHC — углубление понимания фундаментальной структуры Вселенной. Современная космологическая модель предполагает, что обычная материя составляет лишь около 5% Вселенной. Остальная часть приходится на тёмную материю (27%) и тёмную энергию (около 68%), природа которых остаётся неизвестной.

Увеличение светимости ускорителя позволит существенно расширить поиск редких процессов, включая потенциальное рождение новых частиц и изучение свойств бозона Хиггса. С момента открытия в 2012 году он остаётся ключевым элементом Стандартной модели, а его дальнейшее изучение может дать подсказки о процессах, происходивших в ранней Вселенной после Большого взрыва.

После модернизации HL-LHC учёные рассчитывают получить около 380 миллионов бозонов Хиггса за всё время работы установки — против примерно 55 миллионов, зарегистрированных с момента запуска LHC в 2008 году. Одной из ключевых задач станет попытка зафиксировать одновременное рождение двух бозонов Хиггса, что позволит проверить фундаментальные предсказания теории и уточнить механизмы эволюции Вселенной.