Новости Большого адронного коллайдера

В журнале Reviews of Modern Physics вышла обзорная статья Searches for supersymmetry at high-energy colliders, посвященная поиску разнообразных проявлений суперсимметрии в экспериментах на коллайдерах высоких энергий (текст статьи доступен в архиве е-принтов). Суперсимметрия — это гипотетическая возможность того, что наш мир на самом деле намного более симметричен, чем нам казалось до сих пор. Суперсимметричные теории предсказывают существование многочисленных новых тяжелых частиц, а также сразу нескольких хиггсовских бозонов. До сих пор никаких прямых экспериментальных свидетельств в пользу суперсимметрии не наблюдалось, но ситуация может кардинально измениться со вступлением в строй LHC. Даже при той скромной статистике, которую физики планируют набрать в ближайшие два года, на Большом адронном коллайдере можно будет открыть некоторые суперчастицы с массой вплоть до 1–1,5 ТэВ (если они, конечно, существуют). Как именно будут вестись такие поиски на LHC, а также к каким ограничениям они привели на уже существующих коллайдерах, можно узнать из этого обзора.

В ЦЕРНе продолжается пошаговая подготовка Большого адронного коллайдера к первому длительному сеансу работы. 28 февраля пучки начали циркулировать в ускорителе. Несколько последующих дней было потрачено на настройку безопасной циркуляции пучков, а также на устранение мелких неисправностей. В последние дни физики уже начали поднимать энергию протонов до 1,18 ТэВ (значение, уже достигнутое в прошлом году), а примерно через неделю, после ряда проверок на этой энергии, будет предпринята попытка поднять магнитное поле до значения, отвечающего энергии протонов 3,5 ТэВ. За ходом работ можно следить в реальном времени через онлайн-мониторы Vistar LHC1 и Vistar Operation. Краткая информация о текущих событиях регулярно появляется в ленте новостей комиссии по запуску LHC, и там же можно ознакомиться со слайдами ежедневных «планёрок», которые проводятся в ЦЕРНе в 8:30 утра.

Как было решено еще месяц назад, LHC должен будет проработать практически без перерыва до конца 2011 года, а затем он будет остановлен примерно на год для модернизации инфраструктуры и выхода на проектную энергию. Это расписание на днях вновь подтвердил генеральный директор ЦЕРНа Рольф Хойер в своем обращении, появившемся на сайте ЦЕРНа. Стоит отметить, что в последние дни по многим СМИ прошла новость, от которой может возникнуть впечатление, что на Большом адронном коллайдере снова что-то случилось и что его собираются остановить. На самом деле ни о каких новых проблемах или изменении расписания работы на ближайшие два года речи тут не идет, а описывается лишь запланированный еще месяц назад режим работы коллайдера. Источником новостей послужило интервью одного из руководителей проекта Стива Майерса новостной службе BBC и не слишком удачный заголовок их заметки.

Электрические тесты сверхпроводящих магнитов во всех секторах Большого адронного коллайдера подходят к концу, и на пятницу 26 февраля запланировано начало экспериментов с пучками. Однако с повышением энергии протонов до 3,5 ТэВ пока придется повременить. Как сообщается на странице новостей Комиссии по запуску LHC, в среду вечером в ходе тестов в секторе 7–8 сразу 50 магнитов потеряли сверхпроводимость. Впрочем, никаких повреждений магниты не испытали, поскольку причиной сброса сверхпроводимости была не авария, а сигнал, поступивший от новой системы безопасности магнитов. Почему система безопасности сгенерировала такой сигнал, пока непонятно, над этим работают специалисты. Тем не менее работы по вводу коллайдера в строй будут продолжены, но энергия протонов пока будет ограничена уже проверенным значением 1,18 ТэВ.

В архиве е-принтов появился 84-страничный конспект лекций о том, как протекали самые первые этапы работы детекторов ATLAS и CMS. Лекции содержат краткое введение в устройство и задачи детекторов, затем подробно описывается, как с помощью космических лучей можно промерять детектор вдоль и поперек и проверить, насколько аккуратно он собран. После этого рассказывается, как прошли кратковременные сеансы работы коллайдера в 2009 году, что было зарегистрировано в детекторах и что дала физикам эта информация. Лекции богато иллюстрированы, поэтому их с интересом могут полистать и неспециалисты.

На прошедшей в понедельник, 15 февраля, встрече группы по координации работы на LHC был представлен ход подготовительных работ на LHC и озвучены планы по первому запуску коллайдера в 2010 году. Некоторую информацию можно почерпнуть из презентаций, сделанных на этом совещании. Пока сектора ускорителя проходят электрические тесты, в цепочке предварительных ускорителей уже начали циркулировать протоны для впрыска в основное кольцо LHC. В ближайший четверг намечены традиционные тесты линии инжекции, а примерно через неделю-полторы пучки должны уже вновь циркулировать в коллайдере. Затем последует 5–6-недельный этап по установлению стабильных пучков с энергией 3,5 ТэВ, в ходе которого, так же как и в 2009 году, будут чередоваться сеансы столкновений и технических работ.

Руководство ЦЕРНа обещало организовать крупное медиа-событие в тот день, когда начнутся столкновения 3,5-тэвных протонов. Ориентировочно это случится в конце марта — начале апреля, а конкретный день будет назван примерно за неделю до этого срока.

На сайте ЦЕРНа появилось официальное сообщение, подтверждающее изменения в расписании работы Большого адронного коллайдера в ближайшие годы (подробности см. в новости Руководство ЦЕРНа стоит перед непростым выбором). Решено, что коллайдер проработает на энергии протонов 3,5 ТэВ вплоть до лета или осени 2011 года. Затем коллайдер будет остановлен, и на нём будут отремонтированы все сильноточные электрические контакты. Это позволит при следующем сеансе работы сразу подняться до проектной энергии протонов 7 ТэВ.

Более подробный отчет о прошедшей недавно конференции Chamonix-2010 будет озвучен 5 февраля на специальном собрании в ЦЕРНе.

В Youtube-аккаунте ЦЕРНа появился новый видеосюжет: A guardian angel protecting magnets. В шестиминутном видеоролике рассказывается о новой системе защиты сверхпроводящих магнитов nQPS (new quench protection system), которая была разработана и установлена на Большом адронном коллайдере в прошлом году для предотвращения аварий, подобных злополучному инциденту 19 сентября 2008 года. Эта система состоит из датчиков, которые отслеживают тепловыделение и электрические параметры в 23 тысячах электрических контактов на всей протяженности коллайдера, а также из электроники, которая в реальном времени анализирует показания датчиков. В видеосюжете можно увидеть, как эта система реализована «в железе», и послушать объяснение принципа ее работы и возложенных на нее задач. Дополнительную информацию об этой системе, а также о том, что прямо сейчас происходит в ускорительном кольце, см. в заметке This month at the LHC из блога Symmetry Breaking.

Расписание работы Большого адронного коллайдера в 2010 году будет зависеть от итогов двух рабочих конференций, которые пройдут в ближайшие недели: LHC Beam Commissioning Workshop (19–20 января) и очередная конференция из серии «Шамони» LHC Performance Workshop Chamonix-2010 (25–29 января). Первое из этих совещаний будет посвящено текущим инструментальным и техническим аспектам запуска и отладки коллайдера, второе — более глобальным планам LHC и уточнению расписанию его работы в ближайшие пару лет.

Обе рабочие конференции — не для широкой публики, а только для персонально приглашенных специалистов, работающих сейчас над поэтапным введением в строй коллайдера, а также для руководителей всех основных подразделений ЦЕРНа. Предполагается, что на этих конференциях будет заслушано большое число технических докладов о том, как шла работа в 2009 году, какие тогда наблюдались проблемы и насколько удавалось с ними справляться, а также как эти проблемы отразятся на планах работы на 2010 год, и так далее. Несмотря на некоторую закрытость этих конференций, после их завершения файлы с докладами будут свободно доступны онлайн. Уже появились страницы с подробнейшим описанием научной программы как первой, так и второй конференции; их чтение дает представление о том, какие именно технические вопросы будут обсуждаться. Вполне вероятно, что по итогам совещаний на Chamonix-2010 будут приняты и важные организационные решения, как это произошло в прошлом году после встречи Chamonix-2009.

В понедельник 4 января возобновились работы на Большом адронном коллайдере. Как сообщается на странице Hardware Commissioning Campagne, сейчас техники приступили к тестированию магнитов для работы при токе 6 кА. Такой ток позволит удерживать на орбите протоны с энергией 3,5 ТэВ — втрое больше, чем максимальное значение, достигнутое в 2009 году. Это тестирование займет примерно полтора месяца, но начнется оно не с нуля — на самом деле, большинство магнитов в прошлом году уже прошли эти тесты, а сейчас требуется лишь проверить все оставшиеся. Кроме того, в течение января будет также усовершенствована разработанная и установленная в прошлом году новая система защиты магнитов от потери сверхпроводимости (nQPS, new Quench Protection System).

В соответствии с текущей версией расписания работы LHC в 2010 году (версия 1.3, PDF, 146 Кб), коллайдер будет закрыт в середине февраля. Затем начнется работа с пучками, причем примерно в течение месяца отладка будет чередоваться с сеансами набора данных. Ожидается, что длительный сеанс протонных столкновений на полной энергии 7 ТэВ начнется во второй половине марта.

В ночь на понедельник 14 декабря состоялся двухчасовой сеанс столкновений протонов с полной энергией 2,36 ТэВ. Пучки были на редкость устойчивыми, их время жизни составило около 100 часов. Детекторы регистрировали по несколько событий в секунду, а полная статистика за весь сеанс достигла нескольких десятков тысяч событий. Некоторые предварительные результаты работы детекторов были озвучены в понедельник на еженедельном заседании Комитета по координации научной программы LHC.

Основной задачей кампании по запуску и отладке Большого адронного коллайдера в минувшую неделю было повышение интенсивности пучков (то есть количества сгустков в каждом пучке и количества протонов в сгустке) и столкновения пучков на повышенной интенсивности. Поскольку вероятность протон-протонных столкновений пропорциональна количеству протонов в каждом пучке, увеличение интенсивности пучков в N раз дает прирост в частоте столкновений в N² раз. Работу коллайдера время от времени прерывали разнообразные технические сбои (в частности, проблемы с криогеникой), которые, однако, оперативно устранялись специалистами. За прошедшую неделю интенсивность отдельных сгустков была доведена до 20 млрд протонов в режиме 4 сгустка на пучок, и в течение пятницы и субботы прошли сеансы столкновений протонов в таким режиме длительностью несколько часов. Количество зарегистрированных событий составляет уже порядка миллиона. В воскресенье-понедельник планируется выход на режим 16 сгустков в каждом пучке. Поскольку на 16-17 декабря запланировано закрытие коллайдера на рождественские каникулы (до 3 января), пока непонятно, будет ли выделено время для сеанса столкновений на энергии 1,18 ТэВ на пучок.

В ночь со вторника на среду на LHC были проведены тестовые протонные столкновения с полной энергией 2,36 ТэВ. В качестве примера на сайте детектора ATLAS показано событие рождения двух адронных струй в таком столкновении. Столкновения проходили пока при выключенных магнитных полях в детекторах. В ближайшие дни планируется увеличить количество протонов в сгустках, провести еще один сеанс столкновений на полной энергии 0,9 ТэВ, а затем перейти к тщательному тестированию пучков с энергией 1,18 ТэВ.

Общее расписание работы Большого адронного коллайдера сейчас выглядит следующим образом: примерно 2 года на то, чтобы выйти на запланированную производительность, еще 3–4 года работы в таком режиме, а затем перерыв примерно на год для модернизации. Если всё пойдет хорошо, то в районе 2015–2016 года Большой адронный коллайдер заработает уже в режиме Super-LHC, при котором его светимость возрастет на порядок. Это, в свою очередь, накладывает новые требования на сам ускоритель и на детекторы (подробности см. в обзоре The super-LHC). И для того, чтобы быть готовым быстро провести модернизацию LHC в 2015 году, соответствующие технологии необходимо разрабатывать уже сейчас. Один из элементов, который безусловно потребует обновления, — это оптоволоконная линия передачи данных непосредственно от детекторов в серверные залы. Именно ее разработке посвящен специальный проект под названием “The Versatile Link”, обзор которого был опубликован на днях в журнале Journal of Instrumentation (полный текст статьи доступен на сайте ускорительного центра Fermilab).

Цель проекта — создание двусторонней оптоволоконной линии передачи данных с пропускной способностью 5 Гбит в секунду и исключительной радиационной стойкостью (не стоит забывать, что частицы, рождающиеся в столкновении протонов, создают жесткую радиацию, которой облучаются все компоненты детекторов, в том числе и электроника). Кроме того, вся эта линия передачи данных (то есть оптоволокно, трансиверы и прочие элементы) будут работать в очень сильном магнитном поле и в разных температурных режимах (даже внутри одного детектора разные компоненты удерживаются при разных температурах для оптимизации их работы). Еще одно важное требование — исключительная компактность тех оптоэлектронных компонентов, которые будут помещены внутрь детектора (в центральной части детекторов на счету каждый кубический сантиметр пространства!) Наконец, слово “versatile” («универсальный») в названии проекта указывает на то, что эта линия должна быть оптимизирована под нужны сразу всех детекторов на LHC (в настоящее время на каждом детекторе используется линия сбора и передачи данных, разработанная специально для этого детектора); в частности, линия передачи данных должна одинаково хорошо работать на двух длинах волн (850 нм и 1310 нм).

Сейчас проект находится в стадии proof-of-concept, в которой требуется продемонстрировать принципиальную работоспособность ключевых элементов технологии на доступных сейчас образцах. В следующем году проект вступит в фазу разработки технологий и демонстрации достижимости поставленных целей в каждом конкретном элементе конструкции. Завершение проекта ожидается в 2012 году.

Американское физическое общество объявило, что лауреатами премии им. Дж. Дж. Сакураи (J. J. Sakurai Prize for Theoretical Particle Physics) за 2010 год стали сразу шесть физиков — Питер Хиггс, Робер Бру, Франсуа Англер, Карл Хаген, Джеральд Гуралник, Томас Киббл. Именно они (в трех группах) независимо друг от друга открыли в 1964 году механизм нарушения электрослабой симметрии, который сейчас принято называть «хиггсовским». Примечательно, что комитет премии справедливо отметил достижения всех шестерых физиков, несмотря на то что «на слуху» сейчас только имя Питера Хиггса. Чуть подробнее об открытии хиггсовского механизма см. в новости Один из первооткрывателей хиггсовского механизма рассказывает об истории его открытия. Премия им. Сакураи вручается ежегодно за выдающиеся заслуги в теоретической физике элементарных частиц.

В воскресенье 6 декабря на LHC прошел первый полноценный сеанс столкновений протонов с энергией 450 ГэВ. Сеанс состоял из двух «заходов», утром и вечером, и продлился в общей сложности несколько часов. В течение этого времени в каждом из двух встречных пучков циркулировали по четыре сгустка, а все четыре детектора регулярно регистрировали столкновения протонов. Полное количество зафиксированных событий составляет несколько десятков тысяч.

В ночь на понедельник эксперименты пришлось приостановить из-за очередного сбоя в системе охлаждения коллайдера. На стадии отладки коллайдера подобные неисправности случаются регулярно, и их, как правило, исправляют в кратчайшие сроки. Сейчас ожидается, что криосистема коллайдера вернется в норму в ночь на вторник.

На Большом адронном коллайдере заканчиваются приготовления к первому полноценному сеансу протон-протонных столкновений, который запланирован на субботу-воскресенье. Напомним, что самые первые столкновения были зарегистрированы еще 23 ноября, однако то была лишь кратковременная «разминка», во время которой многие системы детекторов были отключены.

За прошедшую неделю в кампании по запуску коллайдера было сделано еще несколько шагов вперед. Во-первых, циркулирующие пучки теперь удерживаются при включенных магнитах детекторов. Сильное магнитное поле внутри детектора необходимо для измерения импульсов разлетающихся заряженных частиц. Однако это же поле влияет и на циркуляцию пучков в ускорителе, и его влияние надо скомпенсировать. Именно это и было сделано в середине прошедшей недели. Во-вторых, в пятницу 4 декабря физики начали запускать уже не один, а несколько сгустков в каждый пучок. Напомним, что разбиение пучков на короткие сгустки необходимо для правильной работы ускорительной секции. Для безопасного тестирования ускорителя использовался так называемый «пилотный пучок» — то есть всего лишь один сгусток с несколькими миллиардами протонов. Однако для физических задач потребуется в каждом пучке удерживать несколько сгустков (в максимуме производительности на LHC планируется запустить по 2808 сгустков в каждом пучке). Это значит, что система «впрыска» протонов должна уметь запускать протонные сгустки в строго определенные моменты времени. Именно эта операция и была успешно протестирована в пятницу, правда пока что в режиме два сгустка на пучок. Кроме того, были выполнены и некоторые другие технические проверки.

В ближайшие два дня физики планируют провести два сеанса столкновений протонов в режиме 4 сгустка на пучок и с интенсивностью 4 млрд протонов в сгустке, а затем в режиме 2 на 2 сгустка и с повышенной интенсивностью 20 млрд протонов в сгустке. Ожидается, что за это время будет зарегистрировано несколько миллионов столкновений, что позволит еще лучше откалибровать аппаратуру детекторов. За ходом сеанса столкновений можно следить на онлайн-мониторе LHC Operation, на котором в реальном времени отражается интенсивность пучков, светимость внутри каждого детектора, частота фоновых процессов. Энергия протонов будет пока составлять 450 ГэВ; столкновения на повышенной энергии 1,18 ТэВ намечены лишь на следующую неделю.

В ночь на понедельник 30 ноября на LHC был пройден еще один важный этап в программе запуска ускорителя. Оба протонных пучка были успешно разогнаны до энергии 1180 ГэВ и в течение некоторого времени стабильно циркулировали при этой энергии. Все системы работали штатным образом. Таким образом, LHC побил рекорд американского коллайдера Тэватрон, на котором протоны и антипротоны движутся с энергией 980 ГэВ. По-видимому, сеанс столкновений протонов на энергии 1,18 ТэВ можно ожидать в самые ближайшие дни.

В пятницу 26 ноября в ЦЕРНе состоялась специальная презентация, посвященная первой неделе работы LHC. На ней были озвучены первые результаты работы как самого коллайдера, так и всех четырех основных детекторов. В свободном доступе находятся файлы со всеми докладами, сделанными на этом собрании, а также его видеозапись. Первым дням работы коллайдера были посвящены и несколько заметок из пятничного выпуска церновского бюллетеня.

Стив Майерс (Steve Myers), один из руководителей проекта, в своем докладе о состоянии дел на LHC подробно рассказал о первых часах и днях работы коллайдера. Он подчеркнул, что благодаря слаженной работе всех специалистов ускоритель вошел в рабочий режим исключительно быстро. В течение пары-тройки дней были успешно пройдены этапы, на которые изначально отводилось намного больше времени. Завершилось это первым пробным сеансом столкновений протонов, которые были зарегистрированных всеми четырьмя детекторами, а также успешной попыткой слегка увеличить энергию протонов (с 450 ГэВ до 560 ГэВ).

Впрочем, за этими первыми достижениями последовали несколько дней, которые оказались далеко не такими успешными. Практически в течение всей недели в ход работы коллайдера то и дело вмешивались небольшие поломки: повышение температуры в некоторых секторах ускорителя, утечка вакуума в протонном синхротроне PS (этому ускорителю, кстати, на днях исполнилось 50 лет), сбои в работе недавно установленной противоаварийной системы защиты магнитов QPS, проблемы при синхронизации пучка 1 с ускорительной секцией. К чести техников, все эти проблемы устранялись в достаточно короткие сроки, так что в субботу возобновилась плановая работа с пучками. Напомним, что за развитием ситуации можно следить по ленте новостей кампании по запуску коллайдера.

На собрании прозвучали также отчеты каждого из экспериментов, касавшихся прежде всего обработки первых протон-протонных столкновений. Детекторы в сумме зарегистрировали несколько сотен событий (частота столкновений составляла несколько событий в минуту — почти в миллиард раз меньше той частоты, которую будет выдавать LHC на пике производительности), и на основании этого была проведена некоторая калибровка аппаратуры. Например, самые первые столкновения в детекторе ATLAS показали, что протонные сгустки сталкиваются не в самом центре детектора, а смещены примерно на 15 см вдоль оси пучков. Эти данные позволили подстроить ускорительную секцию коллайдера так, чтобы встречные сгустки слегка сместились относительно друг друга и чтобы столкновения происходили в центре детектора.

В ходе этого короткого сеанса столкновений в целях безопасной работы были включены далеко не все элементы детекторов. В частности, отсутствовали магнитные поля в детекторах для того, чтобы избежать дополнительного воздействия на сами пучки. Поэтому экспериментаторы теперь с нетерпением ждут в декабре полноценного сеанса столкновений на энергии 1180 ГэВ на протон, который позволит получить намного больше информации.

Многочисленные астрофизические данные указывают на то, что кроме звезд, газопылевых облаков и прочего «светлого» вещества во Вселенной имеется очень много темной материи. Так называют вещество, которое не видно ни в одном диапазоне электромагнитного спектра, но которое хорошо заметно по его гравитационному воздействию на обычную материю. Расчеты показывают, что оно в большинстве своем должно состоять из стабильных тяжелых частиц какого-то иного, неизвестного пока сорта. В Стандартной модели таких частиц нет, но подобные «кандидаты» в частицы темной материи возникают в более сложных моделях устройства нашего мира (в частности, в некоторых неминимальных хиггсовских моделях). Одной из задач LHC как раз будет поиск и исследование таких «невидимых» частиц.

Задача это намного более сложная, чем может показаться на первый взгляд. Частицы темной материи должны, по определению, быть стабильными и должны исключительно слабо взаимодействовать с обычным веществом. Это значит, что если такие частицы родятся в столкновениях протонов, то они вылетят из детектора незамеченными. Поэтому для того, чтобы изучать «темный сектор» нашего мира, требуется придумать методики изучения частиц, не «видя» их в детекторе.

В принципе, такие методики существуют. Самый простой способ — взять все зарегистрированные частицы и проверить, нет ли у них большого нескомпенсированного суммарного поперечного импульса. Если есть, то, значит, вместе с ними родилась и какая-то незамеченная частица, которая и унесла лишний поперечный импульс. (С продольным импульсом такой трюк не пройдет, поскольку в каждом конкретном столкновении рождается большое число частиц, летящих вперед, в трубу, которые поймать не удается.) Пример исследования на коллайдере Тэватрон, в котором как раз использовался такой критерий, см. в новости В эксперименте Run II отклонения от Стандартной модели пока не подтверждаются.

Однако для надежного поиска кандидатов в темную материю одного этого критерия недостаточно. Во-первых, в столкновениях протонов время от времени рождаются и нейтрино, которые тоже улетают, не оставляя следа в детекторе. Поэтому необходимо научиться отличать нейтрино от новых «невидимых» частиц. Это можно сделать, например, измерив массу «невидимой» частицы и доказав, что эта масса очень велика. Во-вторых, еще более сложная картина возникает, если на LHC будут рождаться тяжелые «невидимые» частицы не одного, а нескольких сортов (модели многокомпонентной темной материи уже придуманы теоретиками). Поэтому для решения задачи требуется придумать достаточно «прозорливую» методику анализа таких процессов, которая, к тому же, должна быть максимально модельно-независима, то есть не должна опираться на какие-то специфические теоретические предположения о свойствах этих частиц.

Именно такая методика была представлена в недавней статье “Dark Matter Particle Spectroscopy at the LHC: Generalizing MT2 to Asymmetric Event Topologies” (eprint arXiv:0911.4126). Авторы этой статьи показывают, как надо группировать зарегистрированные частицы и какие их кинематические величины надо анализировать, чтобы лучше всего «почувствовать отдачу» невидимых частиц, даже если их больше, чем одна. Они предлагают процедуру анализа, которая позволяет, по крайней мере в принципе, измерить массы всех невидимых частиц, родившихся в столкновении. Поэтому изучение даже такого сложного устройства нашего мира будет, теоретически, возможно на LHC.

Вечером 20 ноября начался запуск пучков в Большой адронный коллайдер. В течение нескольких часов были успешно пройдены сразу несколько этапов. Вначале физики добились того, что пучок беспрепятственно проходил через все сектора ускорителя и делал несколько оборотов, затем с помощью направляющих магнитов орбита была стабилизирована, и вскоре пучок циркулировал уже несколько минут. Была достигнута синхронизация пучка с ускоряющей секцией коллайдера, после чего физики переключились на пучок, идущий в противоположном направлении и повторили все этапы для него. Таким образом, можно говорить, что Большой адронный коллайдер вновь заработал; церновский пресс-офис выпустил по этому поводу пресс-релиз.

Цель на ближайшие дни — добиться устойчивой циркуляции пучков в течение длительного времени, а также проверить параметры магнитной системы и управляемость пучков. Измерения вначале будут вестись для двух пучков по отдельности, и лишь спустя несколько дней оба пучка запустят в коллайдер одновременно (более подробное расписание задач на стадии отладки и запуска ускорителя см. на страничке Ранние этапы работы LHC). Ход работ можно отслеживать в реальном времени на онлайн-мониторе Vistar LHC 1; краткие комментарии время от времени появляются на страницах CMS e-commentary и Beam commissioning, latest news, а также на Твиттер-аккаунте ЦЕРНа.

С 16 по 20 ноября во французском курортном городке Эвиан-ле-Бен на южном берегу Женевского озера проходит представительный симпозиум по адронным коллайдерам — Hadron Collider Physics Symposium. Акцент на этой конференции делается не на технике, а на физической программе исследований на адронных коллайдерах. Все доклады, представленные на симпозиуме, постепенно появляются на странице научной программы; все они находятся в свободном доступе. Ключевыми являются сообщения о новых результатах с американского коллайдера Тэватрон по поиску хиггсовского бозона и разнообразных экзотических частиц, а также доклады, касающиеся перспектив изучения тех или иных процессов на Большом адронном коллайдере. Интересны также обзорные доклады, касающиеся нынешнего состояния дел на Тэватроне, на LHC и на отдельных детекторах.

До вступления Большого адронного коллайдера в строй остаются считанные дни. Сейчас проводятся последние тесты сверхпроводящих магнитов, системы безопасности и всей инфраструктуры, которые будут завершены к концу этой недели. По состоянию на 16 ноября 98% всех сильноточных электрических цепей уже прошли испытания для работы на энергии протонов 1,2 ТэВ — именно такой энергией физики планируют ограничиться в 2009 году. В ленте новостей кампании по запуску и отладки сообщается, что тесты магнитов завершатся в среду, затем еще два дня будет дано на общую проверку ускорительного кольца, и в субботу-воскресенье пучки начнут циркулировать в ускорителе.

Общая стратегия поэтапного запуска коллайдера описана на страничке Ранние этапы работы LHC, а подробный, день за днем, перечень шагов в первые три недели работы представлено в документе 3 week plan (xlsx, 68 Кб).

На минувших выходных, с 6 по 8 ноября, на Большом адронном коллайдере прошла заключительная серия тестов системы передачи пучков из предварительного ускорителя SPS в главное кольцо LHC. На этот раз пучки прошли почти полкольца и поглотились заслонкой вблизи детектора CMS, а родившиеся при этом вторичные частицы были зарегистрированы детектором. Для физиков, работающих на CMS, это стало знаменательным событием, поскольку впервые в этом году пучок «долетел» до их детектора. Все компоненты детектора, включая недавно установленный специальный форвард-калориметр CASTOR, работали исправно. Картинки с изображениями отклика детектора CMS и другую информацию см. в ленте новостей CMS e-commentary.

С 1 по 7 ноября в ЦЕРНе прошла Всероссийская научная школа для молодых учителей физики. Поскольку ЦЕРН активно занимается не только научными исследованиями, но и передачей наработанных технологий и знаний обществу, под его эгидой уже давно проводятся самые разнообразные образовательные мероприятия. Среди них — цикл научных школ для учителей из самых разных стран, лекции которым читают ученые, их соотечественники, как правило сотрудники ЦЕРНа. В рамках этого цикла уже прошло несколько десятков школ на разных языках. Нынешняя школа для российских учителей, организованная в сотрудничестве с Объединенным институтом ядерных исследований в Дубне, тоже проводилась в рамках этой инициативы.

На школе учителям были прочитаны лекции о физике элементарных частиц, об устройстве Вселенной, о принципах работы современных ускорителей и, конечно, о том, что и как физики собираются изучать на Большом адронном коллайдере. Файлы с некоторыми докладами свободно доступны онлайн на странице научной программы школы, причем большинство из них — на русском языке.

Как сообщается в пресс-релизе ЦЕРНа, на днях, после целого года работ на всех восьми секторах Большого адронного коллайдера, была завершена установка новой системы, гарантирующей безопасную работу дипольных магнитов на высоком токе. Эта система, называемая Quench Protection System («защитная система на случай «срыва» сверхпроводимости»), включает свыше 6000 датчиков, расставленных вдоль ускорительного кольца LHC. Датчики непрерывно отслеживают перепады напряжения на всех без исключения узлах высокоточных электрических цепей поворотных и фокусирующих магнитов, включая соединения между магнитами. Их показания в режиме реального времени контролируются электроникой, установленной прямо в ускорительном туннеле.

Напомним, что год назад именно плохой электрический контакт между двумя магнитами привел к тому, что при испытаниях магнитов в месте контакта возник слишком большой перепад напряжения и, как следствие, стало выделяться тепло. Оно нагрело контакт, привело к «срыву» сверхпроводящего состояния магнита и спустя считанные секунды — к серьезной аварии. Физики извлекли из этого инцидента урок, и в течение следующего года параллельно с ремонтом магнитов разрабатывалась и внедрялась новая система контроля за напряжением. Сейчас эта система измеряет сопротивления всех узлов с точностью 1 нОм (для сравнения: сопротивление дефектного контакта, приведшего к аварии, составляло около 200 нОм). В маловероятном случае повторения подобной ситуации она сможет заблаговременно заметить опасность и вовремя дать сигнал на гашение тока. Некоторые подробности работы этой системы см. в заметке The LHC quench protection system.

На сайте ЦЕРНа сообщается, что на прошедшей неделе, с 23-го по 25 октября, на Большом адронном коллайдере состоялась полная проверка системы инжекции пучков из предварительного ускорителя SPS в главное кольцо LHC. В отличие от тестов 30 сентября, пучки сейчас не поглощались на входе в кольцо, а попадали в LHC и проходили несколько километров вдоль секторов 2–3 и 7–8 до точек 3 и 7, соответственно (см. схему коллайдера на странице Устройство LHC). Тесты прошли хорошо, и они позволили, спустя год, вновь отрегулировать все магнитные системы связывающие два ускорителя. В начале ноября предполагается провести еще одну серию тестов, которая станет «последней репетицией» перед новым запуском коллайдера. Некоторые технические подробности, касающиеся тестов системы инжекции, можно найти на странице Injection tests 2009.

Нынешняя информационная политика ЦЕРНа такова, что исследования на Большом адронном коллайдере планируется проводить в режиме, максимально открытом для самой широкой публики. Так, события, получаемые на детекторе ATLAS, можно будет скачать себе на компьютер и визуализировать с помощью специально для этого созданного программного пакета Atlantis. А на днях была открыта также и страница ATLAS Live, на которую автоматически помещаются скриншоты последних событий. Понравившееся событие можно будет изучить во всех деталях, запустив его в Atlantis прямо из окна браузера. Страница уже работает, поскольку детектор ATLAS сейчас уже вновь функционирует и регистрирует события, вызванные космическими лучами.

Как видно из официальных графиков, температура во всех восьми секторах Большого адронного коллайдера достигла рабочего значения 1,9 К. В большинстве секторов сейчас проводится тестирование электрических цепей, измеряется сопротивление контактов, проверяется функционирование всех инфраструктур (за ходом работ можно следить на странице Hardware Commissioning Campaign). Ожидается, что эта фаза продлится примерно месяц, и ориентировочно 19 ноября ускоритель будет готов к приему пучков.

На днях, в октябрьском выпуске журнала Journal of Instrumentation была опубликована 162-страничная статья с подробным техническим описанием проекта детектора FP420, который предполагается установить на LHC в ближайшем будущем (полный текст статьи находится в свободном доступе). FP420 — это совокупное название для нескольких форвард-детекторов, изготовленных по принципу Roman Pots. Их предполагается монтировать прямо на вакуумной трубе на расстоянии 420 метров от центра каждого из двух основных детекторов, ATLAS и CMS, по обе стороны от них. Благодаря своему столь удаленному расположению, детекторы FP420 смогут отлавливать протоны, которые, столкнувшись в центре главного детектора, отклонились на совершенно ничтожный угол или вообще не отклонились, но потеряли очень малую долю своей энергии. Благодаря такой системе детектирования слегка отклонившихся протонов физики смогут с беспрецедентной точностью изучать особый класс реакций — центральное дифракционное рождение частиц. Самым интересным процессом здесь является возможность рождения бозона Хиггса в очень «чистых» условиях, без каких-либо вторичных частиц (см. подробности на странице Стратегии поиска бозона Хиггса на LHC).

На сайте ЦЕРНа появился новый раздел — LHC First Physics: media resources, — посвященный первому сеансу работы Большого адронного коллайдера (с ноября 2009-го по осень 2010 года). Этот веб-сайт ориентирован в первую очередь на представителей СМИ. На нем будут выкладываться пресс-релизы, ссылки, мультимедийные и прочие информационные материалы, посвященные запуску коллайдера в 2009 году и введению его в строй. Кроме того, там приведена информация для журналистов о получении аккредитации в ЦЕРНе, чтобы освещать ход событий. Впрочем, там же указано, что непосредственно на запуск коллайдера пресса приглашена не будет, однако если всё пойдет по плану, то СМИ будут присутствовать в день первых столкновений протонов на полной энергии 7 ТэВ.

В архиве электронных препринтов появился небольшой, 24-страничный обзор проекта Super-LHC. Так называют модернизированную версию Большого адронного коллайдера, которую физики рассчитывают реализовать в районе 2015 года. Этот проект подразумевает существенное увеличение светимости коллайдера, что станет возможным только после очень существенной модификации всей цепочки предварительных ускорителей. В обзоре кратко обрисованы новые исследовательские возможности, которые откроются перед исследователями, а также те технические трудности, которые предстоит преодолеть физикам-ускорительщикам и детекторщикам. Полный текст обзора доступен как arXiv:0910.0030.

Охлаждение Большого адронного коллайдера до рабочей температуры (1,9 К) практически завершено. В настоящее время один из секторов находится при температуре 10 К, еще один — 5 К, а остальные шесть уже полностью охлаждены. Текущие температуры во всех восьми секторах можно отслеживать на странице LHC cooldown status, ход температур со временем можно посмотреть на официальном сводном графике, а также на очень любопытных видеороликах, размещенных на сайте Охлаждение LHC: видео. В холодных секторах полным ходом идет тестирование сверхпроводящих электромагнитов, причем в этих тестах проверяются также и новые системы защиты магнитов, установленные в течение последнего года в целях неповторения прошлогодней аварийной ситуации. Подробнее о текущей ситуации см. в заметке из церновского бюллетеня The Latest from the LHC: Towards the big chill, за свежими техническими новостями можно следить на официальной странице 2009 Hardware Commissioning Campaign.

Как уже сообщалось ранее, в конце сентября на Большом адронном коллайдере прошел очередной тест линии передачи пучков из предварительного ускорителя SPS в основное ускорительное кольцо LHC. В отличие от предыдущих сеансов тестирования, в этот раз в тестах участвовали не только протонные пучки, но и пучки ядер свинца. Эти пучки, пройдя по линии передачи TI2, поглощались специальной заслонкой непосредственно на входе в ускорительное кольцо LHC. Всё это происходило в 300 метрах от детектора ALICE, благодаря чему детектор при каждом «выстреле» сгустка ядер регистрировал множество продуктов столкновения релятивистских ядер с ядрами заслонки. Научной ценности эти результаты не представляют, но, как сообщает сайт ЦЕРНа, они оказались полезными для настройки компонентов самого детектора ALICE, поскольку он как раз оптимизирован для изучения столкновений релятивистских ядер.

С 25 по 28 сентября на Большом адронном коллайдере проводились тесты линии передачи пучков из предварительного ускорителя SPS в ускорительное кольцо LHC. Пучки в ходе этих тестов выводятся из ускорителя SPS, проходят по дуге длиной несколько километров и поглощаются заслонкой как раз на входе в LHC (см. схему на странице Устройство LHC). Цель таких тестов — проверить слаженную работу всех магнитных систем, вовлеченных в этот процесс. Кроме того, в ходе этих тестов работают два детектора — ALICE и LHCb, — которые расположены недалеко от заслонок и способны отлавливать частицы, рождающиеся при столкновении пучков с заслонкой. Детектирование этих частиц используется для отладки самих детекторов.

В отличие от предыдущих проверок, на этот раз система инжекции тестировалась как с протонными пучками, так и с пучками тяжелых ядер. Тесты подтвердили хорошую работу всех компонентов системы. Предварительные результаты были озвучены в специальном докладе (PDF, 300 Кб), сделанном 28 сентября во время встречи (LPC Information Meeting) группы по координации работы на LHC (LHC Programme Coordination, LPC).

В ближайшее время ожидаются новые тесты линии передачи пучков. В частности, 12 октября предполагается провести аналогичный сеанс работы, ход которого будет специально оптимизирован под запросы детектора LHCb. А на 24–25 октября запланирован настоящий тест системы инжекции, при котором пучки должны уже будут пройти по дуге в самом ускорителе LHC.

В четверг, 6 августа, на сайте ЦЕРНа появилось официальное сообщение генерального директора Рольфа Хойера, касающееся энергии протонных пучков в первые месяцы работы Большого адронного коллайдера. В сообщении говорится, что в ходе состоявшейся накануне встречи директората ЦЕРНа с физиками-ускорительщиками было принято решение ограничиться в начале работы энергией в 3,5 ТэВ на протон. Таким образом, полная энергия протон-протонных столкновений поначалу составит 7 ТэВ, что ниже не только проектной энергии 14 ТэВ, но и обсуждавшейся в последнее время первоначальной энергии 10 ТэВ.

Такое решение связано с низким уровнем надежности дипольных магнитов в ускорительном кольце LHC, которые удерживают протонные пучки на своих орбитах внутри ускорителя. Чем больше энергия протонов, тем более сильное магнитное поле необходимо создать в магните для их удержания, а значит, тем более сильный ток должен течь по обмоткам сверхпроводящих электромагнитов. Из-за недостаточного контроля качества при изготовлении магнитов и сборке ускорителя оказалось, что некоторые из сверхпроводящих магнитов не могут выдержать номинальный ток и теряют сверхпроводящее состояние. Меньший ток они всё же держат, и он-то и является лимитирующим фактором при выборе энергии, до которой можно безопасно разгонять протоны.

Ожидается, что после того, как ускоритель некоторое время проработает на полной энергии протонных столкновений 7 ТэВ и специалисты изучат поведение магнитов, будет принято решение о постепенном увеличении энергии вплоть до 10 ТэВ. Затем в конце 2010 года коллайдер будет остановлен на техобслуживание, и уже тогда ускорительщики будут стремиться к достижению номинальной энергии LHC — 14 ТэВ.

Церновский Бюллетень продолжает публиковать очерки о подготовке детекторов LHC к новому запуску коллайдера. Заметка из прошлого выпуска была посвящена подготовке к работе детекторов-гигантов ATLAS и CMS, а в очерке из первого августовского выпуска рассказывается о детекторах ALICE и LHCb. В обеих заметках приведены технические подробности, касающиеся настройки и отладки детекторов, а также рассказывается о том, как эти коллаборации доносят до широкой публики методы и цели своей работы. Напомним, что более подробно за новостями детектора CMS можно следить на страничке CMS Times, а новости детектора ATLAS доступны на странице ATLAS e-News.

Как сообщалось несколько недель назад, в ходе недавних технических проверок на Большом адронном коллайдере был выявлен еще один сорт неполадок — утечка гелия из криогенной системы коллайдера. Она была обнаружена сразу в двух секторах коллайдера (2-3 и 8-1) и в обоих случаях располагалась на самом последнем отрезке секторов. В новом информационном сообщении, появившемся на днях в церновском Бюллетене, говорится о том, что специалисты подозревают в этой течи гибкий шланг, по которому подается жидкий гелий. Похожий дефект был обнаружен два года назад в секторе 4-5. Осмотр тогда показал, что из-за трения о металлические детали конструкции у него появились первые признаки износа. Проблему быстро устранили, просто заменив гибкий шланг на жесткую трубу. Если сейчас причина течи та же, то после нагрева крайних секций обоих секторов до комнатной температуры шланги будут тут же заменены. Таким образом, предварительные сроки запуска коллайдера пока остаются неизменными — середина ноября.

В архиве электронных препринтов на днях появилась статья Гералда Гуралника, посвященная истории открытия (по крайней мере, его группой) хиггсовского механизма, который также известен под своим полным названием «механизм Хиггса–Броута–Энглерта–Гуралника–Хагена–Киббла».

Про хиггсовский бозон сейчас наслышаны многие, но на самом деле хиггсовский бозон сам по себе — вещь второстепенная. Это «побочный результат» важнейшего явления — спонтанного нарушения электрослабой симметрии, изучение которого и будет главной целью LHC. Спонтанное нарушение калибровочных симметрий было описано в 1964 году в независимых работах сразу трех групп: в статье бельгийских физиков Энглерта и Броута из Брюссельского свободного университета, в статье Хиггса из Эдинбургского университета и в статье трех физиков из Имперского колледжа в Лондоне — Гуралника, Хагена и Киббла, причем статья последних трех авторов была как минимум столь же важной, как и работы Хиггса и Энглерта и Броута. Все три статьи находятся сейчас в открытом доступе.

Сейчас, когда хиггсовский бозон уже давно воспринимается в физике элементарных частиц как нечто обыденное, мало кто вспоминает, с какими тонкостями приходилось разбираться теоретикам в начале 1960-х годов. Далеко не все физики верили тогда в то, что калибровочные симметрии вообще могут спонтанно нарушаться. Многие не верили также, что можно проводить какие-то осмысленные вычисления в ситуации, когда вакуум скачком изменил свои свойства (именно это и происходит при спонтанном нарушении симметрии).

Статья Гуралника как раз рассказывает про попытки справиться с теоремой Голдстоуна, про маленькие шаги, которые несколько групп делали на пути к открытию хиггсовского механизма, и про неприятие этой работы в первые годы многим физиками. Жизненные истории в этом рассказе чередуются с описанием некоторых наиболее важных технических моментов работы, поэтому статья может показаться интересной как физикам-теоретикам, так и тем, кто просто интересуется историей физики элементарных частиц.

В коротком информационном сообщении, появившемся 16 июля на сайте ЦЕРНа, сообщается, что в секторах 8–1 и 2–3 обнаружена новая неисправность — недостаточная герметичность гелиевой криогенной системы. При подготовки этих секторов к электрическим тестам обнаружилось, что трубы, по которым должен циркулировать жидкий гелий, дают течь в изолирующий вакуум внутри магнитов. Сейчас оба этих сектора находятся при температуре жидкого азота (80 К), поэтому для устранения этой неисправности потребуется нагрев магнитов до комнатной температуры, что требует значительного времени. По счастью, в обоих секторах эта течь находится на самом конце сектора, рядом с крайним магнитом. Это позволит избежать полного нагрева всего сектора и обойтись нагревом лишь его крайних элементов.

Предполагается, что связанная с этими операциями задержка запуска коллайдера составит несколько недель. Поскольку все остальные ремонтные работы ведутся в срок, сейчас ожидается, что коллайдер будет готов к работе в середине ноября.

На сайте ЦЕРНа появилось короткое информационное сообщение о том, что все ремонтные работы в секторе 3–4, пострадавшем во время аварии в сентябре 2008 года, завершены. Последний гибкий рукав, закрывающий соединения между магнитами, был запаян 23 июня. Сейчас доступ в сектор закрыт; в нём начинается откачка воздуха в трубах и проверка герметичности вакуумной системы. После этих проверок, а также после тестирования электрических систем, можно будет приступать к охлаждению сектора.

На Большом адронном коллайдере завершена установка системы чистки протонных пучков, рассчитанная на первые несколько лет работы коллайдера. Чистка пучков состоит в устранении протонов, «выбившихся» из основного сгустка и совершающих большие поперечные колебания относительно «идеальной траектории» при движении по вакуумным трубам. Такие протоны могут попасть в аппаратуру и повредить ее, а также будут выделять неприемлемо много тепла в сверхпроводящих магнитах ускорителя. Для поглощения таких протонов вдоль ускорительного кольца расставлены коллиматоры — специальные метровые блоки из жаропрочных материалов, которые во время чистки придвигаются вплотную к пучку (подробнее см. на странице Устройство LHC).

В прошлом году к моменту первого запуска LHC на ускорителе было установлено 88 коллиматоров. Этого хватало для первого года работы, а потом, при повышении интенсивности пучка, планировалось доустановить оставшиеся 20. Однако поскольку работа ускорителя задержалась на год, у специалистов появилась возможность завершить установку всех коллиматоров уже сейчас. Таким образом, система чистки пучка готова к расчетным интенсивностям пучков на период вплоть до 2013–2014 годов, когда планируется провести серьезную модернизацию ускорителя. Подробности см. в информационном сообщении на сайте ЦЕРНа.

Внимаю тех, кто следит за новостями с Большого адронного коллайдера! 2 июля состоится специальная лекция директора ЦЕРНа по ускорительным технологиям Стива Майерса (Steve Myers), посвященная статусу LHC. Ремонт сейчас идет по плану, и, несмотря на разнообразные новые проблемы, ЦЕРН пока придерживается прежнего графика, намереваясь запустить LHC в начале осени. Поэтому ожидается, что на лекции будет уже представлено более подробное расписание запуска коллайдера в этом году.