Протоны будут двигаться в виде 3 тыс. сгустков, распределенных вдоль всей 27-километровой окружности коллайдера. Каждый сгусток, содержащий до 100 млрд протонов, в точках столкновений будет иметь длину в несколько сантиметров (как швейная игла) и диаметр всего 16 микронов (как самый тонкий человеческий волос). Иглы, сталкиваясь в зонах расположения детекторов, создадут более 600 млн столкновений частиц в секунду. Эти столкновения, или события, как их называют физики, фактически будут происходить между частицами, из которых состоят протоны, — кварками и глюонами. При максимальной энергии частиц будет высвобождаться приблизительно одна седьмая энергии, содержащейся в исходных протонах, или приблизительно 2 ТэВ. Четыре гигантские системы детекторов, самый большой из которых занял бы половину собора Нотр-Дам в Париже, а самый тяжелый содержит железа больше, чем Эйфелева башня, будут измерять параметры тысяч частиц, разлетающихся при каждом столкновении. Несмотря на огромный размер детекторов, монтаж отдельных элементов должен производиться с точностью 50 микронов.
Важно также, что БАК рассчитан на то, чтобы создавать пучки с интенсивностью в 40 раз большей, чем удается достичь на Теватроне. При выходе на проектную мощность все циркулирующие в нем частицы будут нести энергию, примерно равную кинетической энергии 900 автомобилей, едущих со скоростью 100 км/ч, или достаточную, чтобы вскипятить 2 тыс. л воды.
Светимость БАК во время первого пробега составит всего 1029 частиц/см²·с. Это весьма скромная величина. Однако, после запуска БАК для экспериментальных исследований, светимость будет постепенно повышаться от начальной 5·1032 до номинальной 1,7·1034 частиц/см²·с. Выход на номинальную светимость планируется в 2010 году.
Все системы контроля над ускорителем и его технической инфраструктурой сосредоточены в Контрольном центре CERN. Именно из этого центра будет приведен в действие процесс столкновения частиц, и именно сюда будет поступать вся информация с детекторов.
На БАК работают 4 основных и 2 вспомогательных детектора:
· ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
· ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)
· CMS (Compact Muon Solenoid) - Компактный мюонный соленоид
· LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment)
· TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement)
· LHCf (The Large Hadron Collider forward).
ATLAS, CMS, ALICE, LHCb — большие детекторы, расположенные вокруг точек столкновения пучков. Детекторы TOTEM и LHCf — вспомогательные, находятся на удалении в несколько десятков метров от точек пересечения пучков, занимаемых детекторами CMS и ATLAS соответственно, и будут использоваться попутно с основными.
Два наиболее крупных проекта под кодовыми названиями ATLAS и CMS имеют в распоряжении 2 поливалентных детектора, предназначенные для анализа несметного числа частиц, которые образуются во время столкновения в ускорителе, что таким образом позволит изучить самые различные аспекты физики. Благодаря двум детекторам, разработанным независимо друг от друга, полученная информация, в случае открытия, сможет быть сравнена и проверена. Проект ATLAS направлен на изучение широкого спектра областей физики от исследования бозона Хиггза до частиц других размеров, а также поиск тех частиц, которые могли бы образовывать темную материю.
ALICE — для изучения кварк-глюонной плазмы в столкновениях тяжёлых ионов свинца. В рамках проекта ALICE, в коллайдере столкнутся ионы свинца, чтобы создать в лаборатории условия, подобные которым существовали сразу после Большого Взрыва. Полученные данные позволят изучать эволюцию материи с момента зарождения Вселенной до наших дней.
Столкновения, которые произойдут в БАКе, вызовут температуру в 100 000 раз превышающую температуру, царящую в центре Солнца. Ученые-физики надеятся что при такой температуре протоны и нейтроны «расплавятся», высвободив кварки от влияния глюонов. Они предполагают, что подобное состояние существовало сразу после Большого Взрыва, когда Вселенная была так же раскалена. Частицы, из которых состоит сегодня наша Вселенная, протоны и нейтроны, вероятно сформировались в этой плазме.
LHCb — для исследования физики b-кварков, что позволит лучше понять различия между материей и антиматерией,
Последние два опыта, гораздо более скромного масштаба, TOTEM и LHCf подвергнут анализу адроны, высвобождающиеся в момент лобового столкновения. Далеко не все частицы, двигаясь в противоположных направлениях, ударяются друг о друга. Их лишь малая доля. Некоторые едва лишь касаются друг друга, в то время как большая часть, не встретив препятствий на своем пути, продолжают свободное движение. Объектом исследования TOTEM и LHCf становится вторая группа частиц, то есть те которые слегка задевают другие, и в силу этого минимально отклоняются от траектории пучка. Так же в рамках проекта ТОТЕМ будет произведено перевычисление размеров протонов. Использование частиц в проекте LHCf направлено на искусственное создание космических лучей в условиях лаборатории. Космические лучи – это заряженные частицы межзвездного пространства, которые беспрестанно бомбардируют верхние слои атмосферы Земли.
Почти 100 млн каналов данных, идущих от каждого из двух основных детекторов, могли бы за секунду заполнять 100 тыс. компакт-дисков, которые за шесть месяцев могли бы образовать штабель, достигающий Луны. Поэтому вместо того чтобы записывать всю информацию, в экспериментах предлагается использовать системы запуска и сбора данных, действующие как фильтр. Записывать и помещать в архив центральной вычислительной системы БАК в ЦЕРН (Европейская лаборатория по физике элементарных частиц и «родной дом» коллайдера) будут только 100 событий в секунду, представляющих наибольший интерес.
Для обработки результатов экспериментов на БАК будет использоваться выделенная распределенная компьютерная сеть GRID, способная передавать до 10 гигабит информации в секунду в 11 вычислительных центров по всему миру. Каждый год с детекторов будет считываться более 15 петабайт (15 тысяч терабайт) информации: суммарный поток данных четырех экспериментов может достигать 700 мегабайт в секунду.
При 20 столкновениях, происходящих в центре каждого детектора через каждые 25 нс, БАК создает больше данных, чем можно зарегистрировать. Так называемые системы запуска выбирают крошечную долю данных, представляющих наибольших интерес, и отбрасывают остальные. Распределенная сеть (GRID), предоставляет тысячам исследователей во всем мире доступ к сохраненным данным и вычислительные мощности для обработки и анализа.
Сегодня можно уже с уверенностью сказать, что мы станем свидетелями принципиально новых явлений того или иного рода. Ученые надеются обнаружить давно разыскиваемые частицы, которые могли бы дать более полное представление о природе материи. Возможны и неординарные открытия, например обнаружение признаков существования новых измерений.
Физики ожидают, что БАК откроет новую эру в физике элементарных частиц, и это поможет найти ответ на главные загадки строения материи и энергии во Вселенной.
В ускорителе предполагается сталкивать протоны с суммарной энергией 14 ТэВ (то есть 14 тераэлектронвольт или 14·1012 электронвольт) в системе центра масс налетающих частиц, а также ядра свинца с энергией 5,5 ГэВ (5,5·109 электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов. На начало 2010-го года БАК уже несколько превзошел по энергии протонов предыдущего рекордсмена — протон-антипротонный коллайдер Тэватрон, который в настоящее время работает в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (США). В будущем, когда наладка оборудования будет завершена, БАК будет самым высокоэнергичным ускорителем элементарных частиц в мире, на порядок превосходя по энергии остальные коллайдеры.
В 2013 году CERN планирует модернизировать БАК, установив на него более мощные детекторы и увеличив общую мощность коллайдера. Проект модернизации называют Супер большим адронным коллайдером (Super Large Hadron Collider, SLHC). Также планируется строительство Международного линейного коллайдера (International Linear Collider, ILC). Его труба будет длиной в несколько десятков километров, и он должен быть дешевле БАК за счет того, что в его конструкции не требуется применять дорогостоящие сверхпроводящие магниты. Строить ILC, возможно, будут в Дубне.
Также некоторые специалисты CERN и ученые США и Японии предлагали после окончания работы БАК начать работу над новым Очень большим адронным коллайдером (Very Large Hadron Collider, VLHC).
1. И.М. Дремин. Физика на Большом адронном коллайдере. // УФН: журнал. — 2009. — Т. 179. — № 6.
2. Н. Никитин, Время искать Хиггс
3. http://elementy.ru/LHC (Большой адронный коллайдер — научно-популярный проект, посвящённый БАК)
4. http://www.abitura.com/modern_physics/bac.htm
5. http://www.studies-science.ru/chto-takoe-bolshoj-adronnyj-kollajder-i-pochemu-on-ne-rabotaet