Физика на Большом адронном коллайдере (Large Hadron Collider, LHC)

Содержание

1.  Введение (571).

2.  Описание Большого адронного коллайдера (571).

3.  Детекторы и коллаборации (572).

4.  Что мы узнали ранее (576).

5.  Основные цели экспериментов на Большом адронном коллайдере (576).

6.  Начальный период экспериментов на Большом адронном коллай­дере (578).

7.  Дальнейшие шаги (578).

8.  Перспективы физики высоких энергий (579).

1. Введение

После начала работы в ЦЕРНе Большого адронного коллайдера (Large Hadron Collider, LHC) передний фронт физики высоких энергий, достигнутый когда- либо в соударениях частиц на ускорителях, будет про­двинут в совершенно новую область энергий — в несколько тераэлектронвольт. Высокие энергии дают нам возможность изучать свойства пространства на всё меньших масштабах. Каждый шаг в этом направлении обычно приводил к новым фундаментальным откры­тиям. Вот почему результатов экспериментов на LHC ожидают с таким нетерпением.

Современная теория сил природы, носящая название Стандартной модели, обладает большими возможно­стями. Стандартная модель способна описывать многие

И.М. Дрёмин. Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Ленинский просп. 53, 119991 Москва, Российская Федерация Тел. (499) 783-37-19 E-mail: dremin@lpi.ru

Статья поступила 23 декабря 2008 г.

экспериментальные наблюдения и делать предсказания. Тем не менее изучаются также пути выхода за рамки этой модели. Эксперименты на LHC могут указать, какой путь выбран природой, и, более того, найти нечто непредсказанное. В основе всех подходов лежат прин­ципы симметрии и инвариантности. К наиболее дискути­руемым проблемам относятся природа возникновения и разнообразие масс частиц и полей, строение физического вакуума, разнообразие типов частиц во Вселенной, единое описание фундаментальных сил, включая грави­тацию, возможное существование суперсимметричных партнёров всех наблюдаемых частиц и дополнительных размерностей пространства-времени.

Здесь будет дан краткий обзор ускорителя LHC и его детекторов, основных физических открытий на более ранних ускорителях, основных целей экспериментов на LHC, их начального и последующих этапов, а также перспектив физики высоких энергий.

Ссылок на литературу об ускорителе LHC и физичес­ких исследованиях на нём не приводится, поскольку, во- первых, число статей необыкновенно велико и, во- вторых, их легко отыскать в Интернете и физических журналах, начав, например, с популярных статей в CERN Courier (особенно в выпусках за сентябрь-ноябрь 2008 г.).

2. Описание Большого адронного коллайдера

Большой адронный коллайдер должен ускорять пучки протонов до полной энергии 14 ТэВ (т.е. энергия каждого из сталкивающихся протонов равна 7 ТэВ) в системе центра масс (это эквивалентно 10¹⁷ эВ в системе покоя одного из протонов) и пучки ионов до энергии 5,5 ТэВ на нуклон. Пучки движутся по окружности во встречных направлениях внутри тоннеля длиной 27 км на глубине от 50 м до 175 м, многократно пересекая границу между Швейцарией и Францией вблизи Женевы.

Движение пучков по окружности обеспечивается 1232 сверхпроводящими магнитами длиной 14,3 м и весом 3,5 т каждый, имеющими внутри два канала (для каждого из пучков, движущихся в противоположные стороны). Магнитное поле в них равно 9 Тл. Величина максималь­ного магнитного поля определяет верхнюю границу достижимой энергии при данной геометрии. Магнитные линии в форме "то" окружают оба канала, проходящие через центры лепестков этого знака, что позволяет обес­печить движение пучков с одинаковым электрическим зарядом по встречным траекториям. Магнитное поле создаётся электрическими токами величиной до 11,7 А, текущими по сверхпроводящим кабелям общей длиной 7600 км и весом 1200 т. Каждый кабель состоит из 36 ниток сверхпроводящей проволоки, которая, в свою очередь, содержит 6300 тонких сверхпроводящих нио­бий-титановых проволочек. Полная длина этих проволо­чек примерно равна десяти расстояниям от Земли до Солнца (т.е. 10 а.е.» 1,5 х 10⁹ км). Магниты надёжно закреплены, поскольку при полном магнитном поле на 1 м установки действует сила в 100 т.