Новости Большого адронного коллайдера

На прошедшем на днях в Торонто Симпозиуме по адронным коллайдерам был сделан доклад о перспективах работы и планы модернизации LHC на период вплоть до 2035 года. В докладе Роджера Бэйли была обрисована следующая стратегия развития коллайдера:

• как и планировалось ранее: работа до конца 2011 года на энергии пучков 3,5 ТэВ, годовой перерыв для поднятия энергии до 7 ТэВ и работа до 2016 года;
• перерыв в 2016 году для модернизации цепочки предварительных ускорителей и детекторов и затем работа до 2020 года на повышенной интенсивности пучков;
• модернизация коллайдера до режима HL-LHC («LHC на высокой светимости»), что подразумевает полную перестройку мест пересечения пучков, и работа в таком режиме до 2030 года;
• переход к режиму HE-LHC («LHC на высокой энергии»), при котором пучки будут разгоняться до энергии 16,5 ТэВ на протон, а удерживать их будет магнитное поле 20 Тесла. Работа в таком режиме может продлиться до 2035 года и дальше.

Параллельно с этим рассматривается возможность подсоединения к LHC и электронного ускорителя, что позволит проводить на установке электрон-протонные столкновения (режим работы LHeC).

Разумеется, планы на 20-е и 30-е годы очень предварительны. Для того чтобы они претворились в жизнь, потребуется, во-первых, успешная работа LHC (как в техническом, так и научном плане) в ближайшие годы, а во-вторых, развитие технологий в соответствии с теми экстраполяциями, на которые рассчитывают специалисты. Немаловажным фактором будет, конечно, и экономическая ситуация десять лет спустя, а также прогресс в разработке и реализации иных ускорительных проектов.

25 августа состоялось внеочередное собрание финансового комитета ЦЕРНа, на котором обсуждалась напряженная ситуация с бюджетом организации. О результатах этой встречи кратко рассказал генеральный директор ЦЕРНа Рольф Хойер в своем обращении к сотрудникам. Напомним, что ЦЕРН, будучи международной исследовательской лабораторией, финансируется странами-участниками. Однако многие европейские страны сейчас сокращают расходы на научно-исследовательские проекты, как на национальном, так и на международном уровне. Потому подготовленный недавно пятилетний план финансирования на 2011–2015 годы, который ЦЕРН направил странам-участникам, был встречен отказом.

В результате ЦЕРН был вынужден пересмотреть проект пятилетнего бюджета, а значит и свои исследовательские планы. Конечно, главный приоритет лаборатории — работа Большого адронного коллайдера — никуда не делся и будет финансироваться в полном объеме. Однако время, выделяемое на работу некоторых других экспериментов, будет урезано. В частности, в 2012 году, когда LHC будет проходить модернизацию, в ЦЕРНе не будет вестись никаких ускорительных экспериментов. Кроме того, комплекс исследований, посвященных апгрейду коллайдера в далекой перспективе, будет вестись более медленными темпами, чем планировалось ранее. Так, новый предварительный ускоритель Linac4 будет введен в строй в 2016 году, а не годом ранее, как считалось раньше.

В ночь с 19 на 20 августа интенсивность протонных пучков на LHC возросла еще вдвое: сейчас эксперименты ведутся в режиме 48 сгустков на пучок (проектное значение составляет 2808 сгустков). Все детекторы успешно накапливают данные в таком режиме работы. Пиковая светимость уже превышала 6•10³⁰ см^–2 сек^–1. Напомним, что по сравнению с самыми первыми столкновениями на энергии 7 ТэВ в марте этого года светимость уже возросла в несколько тысяч раз. Однако для того, чтобы достичь целей, поставленных на 2010–2011 годы, светимость должна возрасти еще примерно в 20 раз.

17 августа в архиве электронных препринтов появилась статья коллаборации ATLAS, посвященная поиску экзотических сильновзаимодействующих частиц с большой массой. В Стандартной модели таких частиц нет, но они появляются в самых разных теоретических конструкциях, расширяющих Стандартную модель. Простейший пример: если кварки — не точечные частицы, а состоят из чего-то еще более фундаментального, то в принципе могут существовать «возбужденные кварки» по аналогии с возбужденными состояниями атомов или ядер. Родившись на LHC, такие частицы тут же распадаются на кварки или глюоны с большой энергией, которые за счет адронизации порождают две жесткие струи.

Поиск таких частиц на LHC — важный элемент научной программы коллайдера; ведь важно не только открывать нечто новое, но и ограничивать фантазии теоретиков о том, каким может быть наш мир. Именно о результатах поиска таких событий в накопленной статистике и сообщает коллаборация ATLAS. Как всегда, в таком анализе искомый «сигнал» приходится отлавливать на фоне очень большого «шума» — т. е. на фоне тех многочисленных событий, которые выглядят так же, но которые порождены не новыми частицами, а совершенно обычными процессами (подробнее об этом читайте в статье Анатомия одной новости, или Как на самом физики деле изучают элементарные частицы). Две жесткие струи могут возникнуть не только в результате распада новой тяжелой частицы, но и просто за счет упругого столкновения двух кварков или глюонов из встречных протонов.

Детектор ATLAS действительно нашел очень много таких двухструйных событий. Их количество довольно плавно зависело от энергии струй (а точнее, от инвариантной массы системы двух струй, которая характеризует «энергетичность» этого процесса). Если бы возбужденные кварки существовали, они породили бы заметный «пик» на этом гладком распределении. Такого пика найдено не было. Это означает, что если возбужденные кварки и существуют, они должны быть тяжелее 1,3 ТэВ, поскольку именно до этого значения масс простираются накопленные пока данные.

Конечно, такие поиски будут повторяться в будущем: чем больше будет накоплено статистики, тем более высокоэнергетические струи в ней будут попадаться, а значит, тем более тяжелые экзотические частицы сможет «почувствовать» LHC. Интересно, что уже сейчас полученный результат заметно превышает лучшее достижение Тэватрона (там были проверены лишь возбужденные кварки с массой до 0,8 ТэВ). В течение ближайшего года, когда накопленная статистика на LHC возрастет на порядки, ограничение на массу возбужденных кварков может повыситься еще раза в два.

20 июля завершился первый этап работы эксперимента LHCf — самого маленького из шести детекторов, установленных на Большом адронном коллайдере. Целью этого эксперимента было изучение нейтральных частиц, которые рождаются в протонных столкновениях и вылетают вперед, вдоль оси пучка (подробное описание детектора см. на странице Эксперимент LHCf). Эти измерения, выполненные при нескольких энергиях столкновений протонов, будут очень полезны астрофизикам: они помогут лучше понять то, как космические лучи высоких энергий порождают ливни частиц в земной атмосфере.

В 2009-м и 2010 годах детектор LHCf набирал статистику на полной энергии столкновений 0,9 ТэВ, а с 30 марта по 19 июля 2010 года — на энергии 7 ТэВ. За это время были накоплены сотни миллионов событий. Предварительные данные были представлены коллаборацией на прошедшей на днях конференции ICHEP-2010 (PDF-файл доклада, 11,3 Мб). Данные на энергии 0,9 ТэВ скоро будут направлены в печать, а 7-Тэвные данные находятся пока в стадии обработки.

Из-за того что детектор расположен фактически прямо под лучом, он получает огромные дозы жесткой радиации даже при тех скромных интенсивностях, которые пока достигнуты на LHC. Из-за этого материал детектора деградирует и уже не может надежно регистрировать частицы. Именно по этой причине 20 июля детектор LHCf был извлечен из ускорителя, ознаменовав тем самым завершение первого этапа работы эксперимента. Ожидается, что в 2011 году будет установлена улучшенная, более радиационно стойкая версия детектора для нового сеанса набора данных. Кроме того, кратковременный сеанс работы ожидается и в 2013 году, когда LHC выйдет на проектную энергию протонных столкновений 14 ТэВ.

29 июля, после недельной паузы, связанной с настройкой ускорителя, Большой адронный коллайдер вновь заработал — на этот раз в режиме 25 протонных сгустков на пучок. Сгустки теперь впрыскиваются в ускоритель не по одному, а целыми «очередями». Эта операция необходима для дальнейшего повышения количества сгустков в будущем, и именно ее отладке была, среди прочего, посвящена прошедшая неделя. Светимость коллайдера в точках пересечения пучков сейчас составляет 2,5·10³⁰ см^–2·сек^–1. Подробности см. в заметке Preparing for fast filling в последнем выпуске церновского бюллетеня.

26 июля на проходящей в Париже международной конференции по физике высоких энергий ICHEP-2010 директор ЦЕРНа по ускорительным технологиям Стив Майер представил расписание работы LHC в краткосрочной и долгосрочной перспективе, а также дал прогноз о количестве данных, которые будут набраны за это время. Как передает сайт коллаборации CMS в ОИЯИ, в 2012 году, как и планировалось ранее, LHC прервет свою работу на год для ремонта и замены соединений между секциями ускорителя. Сегодня было объявлено, что перерыв продлится 15 месяцев, после чего LHC будет работать непрерывно в течение почти 3 лет — до ноября 2015 года. Потом последует ещё один 15-месячный перерыв для подготовки к запуску на еще больших интенсивностях пучков, а затем — еще один трехлетний период работы.

При нынешних темпах набора статистики LHC к концу 2011 года должен будет набрать интегральную светимость порядка 1 обратного фемтобарна. К концу 2014 года, по прогнозам Майера, интегральная светимость на LHC достигнет 30 обратных фемтобарн. Ожидается, что интегральная светимость Тэватрона к тому моменту будет порядка 20 обратных фемтобарн — если, конечно, нынешние планы Тэватрона продлить срок службы до конца 2014 года будут одобрены. К концу 2019 года на LHC планируется набрать уже 300 обратных фемтобарн.

Подробности о текущем состоянии и планах LHC — в докладе Стива Майера (PDF, 3,4 Мб). Графики с расписанием работы и ожидаемой светимостью можно также найти в новости на сайте коллаборации CMS в ОИЯИ.

На проходящей в эти дни конференции ICHEP-2010 были представлены новые результаты по поиску хиггсовского бозона на Тэватроне. Одновременно с этим на сайте Национальной лаборатории им. Э. Ферми, в которой базируется Тэватрон, появился пресс-релиз про эти же данные. Тэватрон отчитывается о поиске бозона Хиггса регулярно, но в этот раз вестей ждали с особым нетерпением из-за возникших две недели назад слухов о якобы первом экспериментальном наблюдении этой частицы (см. подробности в нашей новости Никаких сюрпризов в поиске хиггсовского бозона пока не ожидается). Новые результаты таковы: хиггсовского бозона пока не видно, зато интервал масс, в котором существование бозона «закрыто» на уровне достоверности 95%, расширился до 158-175 ГэВ. Для сравнения можно взглянуть на данные полугодичной давности (объяснение того, что изображено на графиках, можно найти в нашей новости Тэватрон скоро начнет «чувствовать» хиггсовский бозон).

В пятницу 23 июля в ЦЕРНе состоялся очередной доклад о ситуации на Большом адронном коллайдере. В нём было обрисовано то, что делалось на LHC последние две недели (речь касалась не физических исследований, а настройки самого ускорителя), и были озвучены планы на ближайшее время. Слайды доклада свободно доступны онлайн.

Докладчик рассказал, что неделю назад при работе с 13 сгустками в пучке наблюдался ряд нежелательных эффектов, которые могут усилиться в дальнейшем и потому требуют изучения и исправления. Сюда относится, например, потеря заметной части пучка сразу после начала столкновений из-за электромагнитного воздействия пучков друг на друга. Для аппаратуры эти потери опасности не представляют, но они приводят к падению светимости на 10-20% сразу после начала столкновений. Другой эффект — наличие «сгустков-призраков» (ghost bunches), маленьких сгустков, летающих в ускорителе в неправильных местах вдоль орбиты. Интенсивность сгустков-призраков невелика, в тысячу раз меньше рабочих сгустков, но они сталкиваются в неоптимальных местах внутри детектора и доставляют экспериментальным группам излишние проблемы. Имеются и другие технические трудности, с которыми специалисты пока не справились. Впрочем, для общей работы ускорителя они при нынешних интенсивностях несущественны.

В ближайшие дни количество сгустков в пучке будет доведено до 25. Затем в течение всего августа планируется вести столкновения в таком режиме без каких-либо подстроек. Это позволит детекторам накопить статистику в десятки раз большую, чем имеется сейчас, а ускорительщики получат возможность понаблюдать за долговременной стабильностью всех систем. После этого техники будут готовить ускоритель к новому рубежу — несколько сотен сгустков в пучке. Выход на этот режим необходим для достижения поставленной цели на 2010-2011 годы (накопить светимость порядка 1 fb^–1).

22 июля в Париже начала свою работу крупнейшая конференция по физике элементарных частиц ICHEP-2010. Такие конференции, которые по традиции называют «рочестерскими», проходят раз в два года; нынешняя конференция уже 35-я в этой серии. Научная программа конференции чрезвычайно обширна. В первые три дня будут сделаны сотни докладов по самым различным аспектам физики частиц и смежных областей (доклады разбиты на 14 секций, которые идут параллельно). Вторая половина конференции, напротив, будет состоять только из пленарных сессий, на которых будут даны обзоры отдельных направлений современной физики частиц, представлены наиболее значимые экспериментальные результаты и оглашены решения касательно будущих проектов. Видеопоток докладов доступен в интернете через службу ICHEP-2010 webcast. За новостями конференции можно также следить в ее официальном блоге.

22 июля в Париже начнет свою работу самая крупная конференция года по физике элементарных частиц — ICHEP-2010 (см. также регулярно обновляющийся официальный блог этой конференции). На ней будут представлены сотни докладов, в их числе и сообщения с американского протон-антипротонного коллайдера Тэватрон о поиске хиггсовского бозона.

Вообще говоря, оба эксперимента Тэватрона — CDF и DZero — регулярно, примерно раз в полгода, докладывают о поиске следов рождения и распада бозона Хиггса во всё увеличивающейся статистике столкновений (про последнее такое сообщение мы рассказывали в новости от 22 ноября 2009 года). К этой теме всегда приковано большое внимание, поскольку Тэватрон уже действительно вышел на режим, при котором он мог бы начать «чувствовать» хиггсовский бозон в некоторых интервалах масс. В этот раз дополнительный ажиотаж вызвали слухи (источник слухов) о том, что какой-то из экспериментов якобы собирается объявить на ICHEP-2010 о наблюдении хиггсовского бозона на некотором уровне статистической достоверности.

В преддверии конференции, 16 июля, в Национальной лаборатории им. Э. Ферми, где и размещается Тэватрон, на специальном семинаре обе коллаборации, CDF и DZero, кратко рассказали о тех результатах, которые они собираются представить на ICHEP-2010. Список результатов очень внушительный. Так, DZero планирует сделать 88 докладов, касающихся измерений свойств известных частиц, результатов поиска новых частиц или их взаимодействий (например, поиски квирков) и, конечно, поиска хиггсовского бозона.

Обе экспериментальные группы показали результаты поиска по отдельным каналам рождения и распада бозона Хиггса и подчеркнули, что ни в одном из каналов никакого проявления хиггсовского бозона обнаружено не было. Однако некоторый «саспенс» остался: самые интересные графики, на которых все каналы объединены в единую кривую, показаны не были, поскольку обработка результатов еще не завершена; публика их увидит только на самой конференции (ключевой доклад запланирован на 26 июля). Тем не менее было явно сказано, что никаких сюрпризов с поиском хиггсовского бозона там не ожидается.

Стоит, однако, отметить еще и такой момент. В данных полугодичной давности была хорошо заметна небольшая аномалия в районе масс около 135 ГэВ. Аномалия была очень слабая, ее статистическая достоверность была низкой, поэтому серьезно о ней тогда не говорили. Но если хиггсовский бозон действительно находится в этой области масс, то он должен начать проступать в данных именно таким образом. Если окажется, что в новых данных эта аномалия усилится, то сюрпризом это, конечно, являться не будет, но стать поводом для смелых предположений уже сможет. Так это или нет, выяснится через неделю.

15 июля на сайте ЦЕРНа появилось краткое сообщение генерального директора Рольфа Хойера о работе Большого адронного коллайдера. За последний месяц техники вывели LHC на режим, при котором сталкиваются сгустки номинальной интенсивности, и теперь дальнейшее повышение светимости будет идти за счет увеличения количества сгустков. Сейчас коллайдер работает в режиме столкновения 13 на 13 сгустков; светимость при этом уже превышает 10³⁰ см^–2·сек^–1, а накопленная статистика составляет 250 нб^–1 (обратных нанобарн). Это позволяет коллаборациям, работающим на LHC, заметно увеличить статистику перед началом главной конференции года ICHEP-2010. Ожидается, что столкновения продлятся в течение всех выходных, а с понедельника (19 июля) по четверг коллайдер будет готовиться к дальнейшему повышению количества сгустков в пучке.

Анализировать протон-протонные столкновения при больших энергиях очень трудно просто из-за того, что в них рождается очень большое число частиц. Из-за явления адронизации связь между тем, что реально произошло в момент соударения протонов, и той картиной, которую в конце концов «видят» детекторы, очень нетривиальна. В результате, когда физики пытаются углядеть в таких столкновениях проявления какого-то редкого процесса (например, рождение и распад хиггсовского бозона), им приходится использовать сложные алгоритмы анализа данных.

Многолетний опыт обработки данных предыдущих коллайдеров показал, что очень полезно обращать особое внимание не на все разлетающиеся частицы, а на адронные струи — узконаправленные потоки адронов, вылетающие из места столкновения протонов. Однако считать струи независимыми объектами не стоит. Корреляция струй друг с другом позволяет изучить то, как разворачиваются события на самой ранней стадии разлета частиц, дает доступ к информации, которую «не видно» на уровне отдельных струй.

Эта точка зрения получила недавно еще одно подтверждение. В статье американских физиков Seeing in Color: Jet superstructure, опубликованной на днях в журнале Physical Review Letters (статья есть в свободном доступе в архиве епринтов), описывается новый метод изучения «цветового взаимодействия» между струями. «Цвет» — это тот самый «заряд», который приводит к сильному взаимодействию. То, как цвет «перетекает» от одной части родившихся частиц к другой, зависит от конкретных цепочек рождения, расщепления и распада промежуточных частиц. Благодаря новой работе становится понятно, как это перетекание цвета можно заметить и изучать в потоках адронов. Предложенный метод будет особенно полезным при анализе сложных цепочек каскадных распадов новых тяжелых частиц, которые предсказываются многими теориями.

На днях на сайте ЦЕРНа был опубликован годовой отчет-2009. Этот 50-страничный документ представляет собой скорее не научный, а общественный отчет. В нём кратко рассказывается, в каких именно исследованиях и мероприятиях участвовал ЦЕРН в минувшем году, причем внимание уделено не только научным изысканиям, но и технологическим разработкам и образовательно-общественным инициативам ЦЕРНа.

После почти трех недель, посвященных настройке систем безопасности Большого адронного коллайдера, был наконец-то дан «зеленый свет» работе с «номинальными» протонными сгустками, содержащими примерно по 100 млрд протонов (отчет о технических работах последних недель можно найти в пятничном докладе LHC Status Report). В субботу во всех четырех детекторах началась регистрация столкновений 3,5-Тэвных протонов в режиме 3 номинальных сгустка на пучок. В первый же заход была получена рекордная для LHC светимость примерно 5·10²⁹ см^–2·сек^–1. Ожидается, что в ближайшие недели количество сгустков, а значит и светимость, будут увеличены еще в нескольких раз.

Генеральный директор ЦЕРНа Рольф Хойер прочитал на днях лекцию “CERN and High Energy Physics: The Grand Picture”. Это ориентированный на самую широкую публику рассказ про ЦЕРН, про ведущиеся в нём научные и технические исследования и про его роль в современном обществе. Интересно, что акцент в лекции был сделан вовсе не на Большом адронном коллайдере, а на том, насколько универсальной лабораторией является ЦЕРН. Тут сразу на нескольких установках ведутся исследования по физике элементарных частиц и по смежным наукам, разрабатываются ускорители и детекторы будущего и одновременно с этим — наработанные за прошлые годы знания превращаются в новые передовые технологии для материаловедения, медицины, информационных систем. Упомянуты также и образовательные программы, на которые в последнее время тоже делается упор.

Слайды лекции находятся в свободном доступе. Сама лекция была прочитана в рамках программы “LPCC student lectures”, организованной недавно созданным при ЦЕРНе «Центром по физике на LHC» (LPCC).

Большой адронный коллайдер будет оставаться главным инструментом для изучения свойств элементарных частиц еще по крайней мере пару десятков лет. Однако уже сейчас физики заглядывают дальше и вовсю разрабатывают проект следующего ускорителя — линейного электрон-позитронного коллайдера. Как именно и где именно этот ускоритель будет реализован, пока неизвестно, но уже понятно, на что именно физикам следует ориентироваться при его разработке. Столкновения электронов и позитронов происходят намного чище, чем протон-протонные столкновения. Поэтому если на LHC от детекторов требуется хоть как-то разобраться в мешанине родившихся частиц, то для детекторов на линейном коллайдере ключевым словом будет «точность». Это значит, что детекторы для линейного коллайдера будут заметно отличаться от детекторов для LHC.

К разработке оптимизированных под эту задачу детекторов для международного линейного коллайдера физики приступили еще несколько лет назад. К настоящему моменту выделилось две группы, которые разрабатывают свои детекторы в соответствии с разными концепциями — SiD (“Silicon Detector”) и ILD (“International Large Detector”). Общее устройство этих детекторов, конечно, будет стандартным, но если SiD будет повсеместно использовать полупроводниковые матрицы, то главным элементом ILD станет время-проекционная камера.

На днях в архиве электронных препринтов появилась большая статья с предварительным описанием детектора ILD. В ней обрисовано устройство детектора и его компонентов, объяснено, как этот детектор будет решать поставленные перед ним задачи, объявлены параметры, к которым будут стремиться разработчики, приведена предварительная смета проекта. На официальном языке данный текст называется “Letter of Intent” — то есть документ, выражающий заинтересованность большой группы исследователей дальше разрабатывать этот детектор в рамках описанного проекта. Его должен будет одобрить международный Комитет по будущим ускорителям, и тогда следующей целью разработчиков станет уже подробный технический проект устройства детектора.

Второй детектор для линейного коллайдера, SiD, уже прошел стадию “Letter of Intent” год назад, см. материалы на странице этой коллаборации. Для сравнения, “Letter of Intent” всех основных детекторов для Большого адронного коллайдера были написаны и одобрены в 1992–1993 годах — за 15 лет до их вступления в строй.

На днях в ряде СМИ прошло сообщение о том, что ученые якобы «увеличили количество хиггсовских бозонов до пяти». Налет сенсационности наводит на мысль, что был поставлен некий эксперимент, по результатам которого ученые стали склоняться к мысли, что в природе существует несколько хиггсовских бозонов. Вкупе с тем, что ни один хиггсовский бозон еще не открыт, это звучит несколько странно.

На самом деле ситуация выглядит следующим образом. Недавно коллаборация DZero, работающая на коллайдере Тэватрон, сообщила о различии в частоте рождения положительных и отрицательных мюонов (подробности см. в сообщении в блоге). Величина этого эффекта (мюонной асимметрии) оказалась в несколько десятков (!) раз больше, чем то, что предсказывается Стандартной моделью. Однако статистическая значимость сигнала невелика; он может легко оказаться просто артефактом детектора или методики извлечения сигнала. По этой причине заявление DZero не может считаться открытием и требует независимого подтверждения.

Если же предположить, что перед нами не артефакт и что такое сильное различие в частоте рождения мюонов и антимюонов действительно происходит, то тут может быть несколько объяснений. Одна из возможностей — сильные эффекты нарушения CP-четности в поведении нейтральных B_s-мезонов, распад которых и может привести к дисбалансу между мюонами и антимюонами. Однако «сестринский» эксперимент CDF, работающий на том же Тэватроне, совсем недавно показал, что вряд ли в этих мезонах происходит что-то настолько необычное, чтобы привести к столь сильной мюонной асимметрии. Как эти данные совместить с заявлением DZero — пока непонятно.

Тем не менее если предположить, что найдется способ объяснить несостыковку CDF и DZero (второе «если»!), то тогда можно начать проверять, какие из разнообразных теорий вне Стандартной модели могли бы дать такой сильный эффект. В принципе, кандидатов множество, поскольку теоретики уже не один десяток лет изучают возможные CP-нарушающие явления в разных теориях. Среди них есть и разнообразные неминимальные хиггсовские модели, в частности модель с двумя дублетами хиггсовских полей. В этой модели действительно имеется пять хиггсовских бозонов, однако тут важно не количество хиггсовских бозонов само по себе, а то, как они связаны с кварками внутри B_s-мезона. Именно необычное взаимодействие между кварками, возникающее за счет обмена тяжелыми хиггсовскими бозонами, и приводит к новым эффектам.

Выводы таковы:

• Неверно говорить, что «физики предположили, что хиггсовских бозонов пять». Они это предположили почти 40 лет назад, а сейчас просто сосчитали некий эффект в рамках этой модели.
• Неизвестно, реален ли тот эффект, который теоретики пытаются объяснить в этой модели. Экспериментальное свидетельство пока спорно.
• Поэтому ни о какой новой идее и ни о какой экспериментальной поддержке двухдублетной модели пока нет и речи. Имеется лишь рядовая теоретическая статья, в которой изучена одна из возможностей объяснить непонятный, но неподтвержденный пока экспериментальный эффект в поведении мюонов.

В журнале Physical Review Special Topics: Accelerators and Beams на днях была опубликована статья, описывающая те системы Большого адронного коллайдера, которые ответственны за его безопасную работу. В статье кратко перечисляются требования, которым ускоритель должен удовлетворять на всех стадиях работы с пучком, системы защиты, предохраняющие аппаратуру от попадания пучка, а также архитектура ключевой системы, принимающей в случае нештатной ситуации решение о сбросе пучка — BIS (beam interlock system).

В согласии с политикой ЦЕРНа, эта статья, как и все другие, связанные с работой LHC, находится в открытом доступе.

В течение последнего времени Большой адронный коллайдер продолжал работать в режиме, при котором настройка и отладка самого ускорителя чередовалась с научными сеансами. Однако из-за разнообразных неполадок то и дело возникали паузы длительностью от нескольких часов до нескольких дней, из-за чего скорость накопления научных данных по-прежнему оставалась очень низкой. На прошлой неделе руководство LHC приняло решение слегка изменить приоритеты на ближайшие недели. Короткое сообщение об этом от генерального директора Рольфа Хойера появилось на сайте ЦЕРНа, а технические подробности можно найти в двух недавних докладах о состоянии дел на LHC: Status of the LHC Operation от 11 июня (PDF, 1,6 Мб) и LHC near and medium term prospects от 12 июня.

Главной задачей ускорителя, конечно, по-прежнему остается увеличение светимости. Однако если раньше планировалось повышать светимость путем увеличения количества сгустков в пучке, то теперь решено прежде всего достичь максимально запланированной интенсивности одного сгустка — 110 млрд протонов (так называемый «номинальный сгусток»). В принципе, такие сгустки уже циркулировали в ускорителе в тестовом режиме, однако для стабильной работы на такой интенсивности потребуется доводка многих систем ускорителя, отвечающих за контроль пучков и техническую безопасность.

Стоит подчеркнуть, что никаких технических сложностей для запуска в ускоритель большого количества сгустков с высокой интенсивностью нет. Трудности касаются только того, насколько устойчиво будет циркулировать такой пучок и насколько безопасна для самого ускорителя будет работа с ним. Ведь если системы контроля за пучком, чистки пучка, сброса пучка в конце сеанса сработают неправильным образом, энерговыделение от протонов, пролетающих сквозь аппаратуру, может вызвать повреждения. Из доклада в доклад кочует фотография 2004 года, на которой показано, что может сделать с вакуумной трубой вышедший из-под контроля пучок; см. подробности во внутреннем отчете ЦЕРНа (PDF, 1,1 Мб). Именно поэтому интенсивность пучка надо повышать постепенно и на каждом шаге надо убеждаться, что все системы безопасности работают должным образом во всех мыслимых ситуациях.

Ожидается, что все эти работы займут примерно две недели. После этого количество сгустков будет увеличено до нескольких десятков, и к середине июля светимость ускорителя возрастет как минимум на порядок. В таком режиме, без какого-либо дополнительного вмешательства в ускоритель, планируется провести весь август.

В этом году уходит на пенсию руководитель Большого адронного коллайдера Линдон Эванс (Lyn Evans). Он возглавил работы над LHC 15 лет назад и сыграл ключевую роль не только в разработке магнитной системы ускорителя, но и в преодолении бюрократических и финансовых проблем, которые регулярно нависали над проектом. В последнем выпуске церновского Бюллетеня появилось небольшое интервью с ним, в котором он рассказывает о своих планах на будущее (он вовсе не собирается уходить из ЦЕРНа, а планирует тесно взаимодействовать с коллаборацией CMS и дальше). Кроме того, во вторник 15 июня в ЦЕРНе пройдет специальное мероприятие в честь Лина Эванса, на котором ожидаются доклады сразу шести (!) генеральных директоров ЦЕРНа.

К настоящему моменту на Большом адронном коллайдере прошло уже несколько сеансов протон-протонных столкновений с полной энергией 7 ТэВ. По состоянию на конец мая набранная интегральная светимость составляет примерно 20 nb⁻¹. Эта величина в ближайшее время еще возрастет в несколько раз, если не на порядки, но она, конечно, останется совершенно мизерной по сравнению со статистикой, накопленной на других коллайдерах (накопленная статистика на Тэватроне в полмиллиона раз больше). Тем не менее даже самые первые данные с LHC представляют интерес из-за рекордной энергии протонных столкновений.

Традиционно летом-осенью проходит большинство конференций по физике элементарных частиц. Вот некоторые конференции, представляющие особый интерес:

• 7-12 июня — Physics at the LHC, рабочая конференция, целиком посвященная исследованиям на LHC (расписание докладов).
• 20-23 июня — QCD@Work, конференция, посвященная физике сильных взаимодействий (расписание докладов).
• 22-28 июля — главная конференция года, 35-я Международная конференция по физике высоких энергий, ICHEP-2010 (предварительное расписание по секциям). Интересно, что у этой конференции есть даже свой официальный блог — это первый такой эксперимент в физике элементарных частиц.
• 29-31 июля — Higgs Hunting, конференция, посвященная поиску хиггсовского бозона на Тэватроне и LHC (расписание докладов).

Ожидается, что именно на них будут представлены первые данные, полученные на LHC при энергии 7 ТэВ. Доклады конференций зачастую оперативно выкладываются в интернет, а порой и транслируются онлайн в реальном времени. Поэтому желающие познакомиться с самыми свежими результатами «из первых рук» могут следить за обновлениям на сайтах конференций.

Работы, которые велись на Большом адронном коллайдере в течение последних двух недель, касались преимущественно технических аспектов — настройки орбиты пучков и отладки системы коллиматоров, которые предохраняют ускоритель и детекторы от случайно выбившихся из пучка протонов. Абсолютно надежная работа этих компонентов необходима для дальнейшего повышения интенсивности пучков. После того как был проведен ряд настроек и тестов, в минувшие выходные состоялись два научных сеанса общей длительностью примерно 36 часов, на которых был поставлен очередной рекорд светимости ускорителя. Столкновения велись в режиме по 4, а затем по 6 сгустков в каждом пучке, а сами сгустки содержали примерно по 20 млрд протонов. Светимость достигала значений свыше 6·10²⁸ см^–2·сек^–1, а детекторы уже регистрировали по несколько тысяч столкновений в секунду. Ближайшие дни пройдут примерно в том же режиме: дальнейшая настройка коллиматоров будет чередоваться с научными сеансами работы.

Несколько раз в год в ЦЕРНе проходят заседания одного из ключевых комитетов, определяющего работу Большого адронного коллайдера, — Комитета по экспериментам на LHC (LHCC). Очередное, 101-е по счету, заседание состоится 5–6 мая. В отличие от обычной практики, когда часть мероприятий проходит за закрытыми дверями, это заседание будет полностью открытым, и более того, оно будет транслироваться онлайн через службу CERN webcast. Двухдневная программа включает доклады о состоянии коллайдера, о ходе исследований на каждом из детекторов, а также некоторые организационные сообщения, касающиеся будущего LHC и ЦЕРНа в целом. Желающих виртуально поприсутствовать на этом заседании приглашаем в среду утром (11:00 по-московскому времени) «настраиваться на волну» ЦЕРНа.

29 апреля ЦЕРН анонсировал свой новый онлайн-проект — CERN Global Network. Это своего рода «социальная сеть по-церновски», которая должна объединить не только бывших и нынешних сотрудников ЦЕРНа, но и представителей высокотехнологических компаний, сотрудников фирм-партнеров ЦЕРНа и вообще всех, кто заинтересован в налаживании связи между фундаментальной наукой и современными технологиями. Напомним, что ЦЕРН всегда уделял много внимания «передаче технологий» — превращению накопленных научных и инженерных знаний в новые реально работающие промышленные методики. За последние десятилетия при непосредственном участии ЦЕРНа были разработаны и внедрены новые устройства и технологии в биомедицинских науках, в материаловедении, в информационных технологиях, в области систем обеспечения безопасности. Но если раньше такая передача знаний протекала локально, спорадически, не слишком организованно, то теперь ЦЕРН решил выйти на новый уровень, создав единую площадку для всех подобных вариантов сотрудничества между учеными, инженерами и высокотехнологическими компаниями.

На первом этапе зарегистрироваться в сети могут только сотрудники и ЦЕРНа, в том числе бывшие. Однако вскоре к ним смогут присоединяться и представители научных и образовательных организаций, а также сотрудники коммерческих структур стран-членов ЦЕРНа. Подробности о планах развития сети и о ее целях см. в заметке The magic of knowledge exchange в последнем выпуске церновского бюллетеня, а также на сайте самого проекта.

Вывод Большого адронного коллайдера на расчетную производительность растягивается на несколько лет. Из-за этого в ближайшие 2–3 года активную конкуренцию LHC будет создавать американский протон-антипротонный коллайдер Тэватрон, который работает уже не первый десяток лет. Уже сейчас энергия на LHC в три с половиной раза выше, чем на Тэватроне, но темпы набора статистики на LHC пока очень малы. Ожидается, что к концу 2011 года на LHC будет накоплена светимость в 10 раз меньше, чем на Тэватроне. В конечном счете это приведет к тому, что, например, в задаче по поиску хиггсовского бозона даже в 2012 году LHC всё еще будет находиться в роли «догоняющего». Однако имеются задачи, где LHC уже в течение первого года работы сможет существенно улучшить результаты Тэватрона, а может быть, даже совершит свое первое громкое открытие. Эти задачи касаются поиска новых тяжелых частиц, которые предсказываются многими теоретическими моделями, но которые слишком тяжелы, чтобы эффективно рождаться на Тэватроне.

Одна из таких задач — поиск суперсимметричных частиц. Суперсимметрия — это идея о том, что в нашем мире есть некая новая симметрия между известными сейчас частицами и целым миром неоткрытых пока суперсимметричных частиц (очень простое введение в суперсимметрию можно найти в популярной книжке П. Дэвиса «Суперсила»). Предполагается, что эта симметрия была точной в первые мгновения после Большого взрыва, но по мере остывания Вселенной она нарушилась, и суперсимметричные частицы стали намного тяжелее обычного вещества. Эти тяжелые частицы давным-давно распались, оставив после себя практически неуловимый остаток (легчайшую суперсимметричную частицу), и такие остаточные частицы могут хорошо объяснить происхождение темной материи.

Суперсимметричные частицы можно на короткое время «возродить» в экспериментах на коллайдерах. Они пока не наблюдались ни в одном эксперименте, и потому суперсимметрия остается лишь элегантной гипотезой. Физики пытались искать следы этих частиц в столкновениях на Тэватроне, но смогли только получить ограничение снизу на массу этих частиц. Даже если суперсимметричные частицы и существуют, они должны быть тяжелее 200–300 ГэВ, и существенно улучшить это ограничение Тэватрону вряд ли удастся. Ожидается, что Большой адронный коллайдер намного превзойдет чувствительность Тэватрона и сможет «заглянуть» в область масс выше 1 ТэВ (во многих суперсимметричных теориях новые частицы появляются именно на этом масштабе). Но эти оценки касаются работы LHC на пике производительности. А что сможет сделать LHC в первые год-два?

На днях в архиве электронных препринтов вышла статья, в которой обсуждается именно этот вопрос. Авторы провели подробный анализ тех методов, с помощью которых суперсимметрию можно будет лучше всего искать в протонных столкновениях. Их расчеты показали, что даже в течение первого года работы Большой адронный коллайдер сможет почувствовать суперсимметричные частицы с массой вплоть до 500–700 ГэВ. Отрицательный результат (то есть если никаких проявлений этих частиц найдено не будет) позволит в два-три раза улучшить ограничения Тэватрона. Ну а если следы суперсимметричных частиц будут обнаружены, это станет первым громким открытием LHC.

В течение всей прошедшей недели на Большом адронном коллайдере проводилась серия опытов со сжатыми протонными пучками (подробное описание работ см. в докладе LHC report от 23 апреля). Поперечное сжатие пучков позволяет увеличить концентрацию протонов в месте их столкновения, а значит, повышает частоту протонных столкновений, регистрируемых детекторами. Говоря языком физиков-ускорительщиков, благодаря сжатию пучков увеличивается светимость коллайдера.

В ночь с 23-го на 24 апреля был завершен проверочный этап работы, сжатые пучки были объявлены стабильными и все детекторы Большого адронного коллайдера приступили к очередному сеансу набора данных. Как и ожидалось, светимость ускорителя при сжатых пучках возросла в несколько раз. Светимость в центре детектора ATLAS достигала значения 1,2 · 10²⁸ см^–2·сек^–2, что в пять раз превысило предыдущий рекорд. В результате в течение суток все детекторы более чем удвоили набранную статистику столкновений с полной энергией 7 ТэВ. Подробности см. в докладе на состоявшемся 26 апреля собрании Комитета по программе работ на LHC.

Постепенное повышение светимости будет продолжаться и дальше, за счет увеличения количества сгустков в пучках и количества протонов в каждом сгустке. Для того чтобы набрать запланированный на 2010–2011 годы объем данных, пиковую светимость надо будет поднять еще в несколько тысяч раз. А детекторы тем временем будут продолжать находить одну за другой известные уже элементарные частицы, как бы «переоткрывая» для себя Стандартную модель.

На днях в архиве электронных препринтов появилась вторая по счету научная статья коллаборации ALICE, работающей на одноименном детекторе на Большом адронном коллайдере (полный текст статьи свободно доступен онлайн). В этой статье представлены первые результаты, полученные в протонных столкновениях с полной энергией 7 ТэВ. Из-за очень малой накопленной статистики ни о каких серьезных результатах пока говорить не приходится, однако данные уже позволяют измерить количество заряженных частиц, рождающихся в типичном протон-протонном столкновении, и их распределение по быстроте. Сами по себе эти величины не особенно интересны, но в будущем они будут важны при отделении редких интересных событий от «фона». Поэтому их значения в любом случае надо узнать на первых этапах работы коллайдера.

Сейчас в распоряжении физиков имеются результаты измерений этих величин при трех энергиях — 0,9 ТэВ, 2,36 ТэВ и 7 ТэВ. Это позволяет изучить, как количество заряженных частиц растет с энергией. Как оказалось, этот рост намного более сильный, чем то, что предсказывали модели. С одной стороны, большого сюрприза тут нет, поскольку подобные характеристики столкновений не удается пока вычислить из первых принципов, и потому их приходится просто моделировать. Но с другой стороны, это значит, что имеющиеся сейчас модели придется подкорректировать для того, чтобы в будущем более надежно оценивать вклад «фоновых» процессов.

30 марта на Большом адронном коллайдере начались столкновения протонов с энергией 3,5 ТэВ и стартовал первый полноценный научный сеанс работы коллайдера. Если до этого основная часть времени уходила на тесты и отладку ускорителя, то сейчас акцент смещается на накопление как можно большей статистики протонных столкновений. Чем больше столкновений будет зарегистрировано, тем более редкие события в ней можно будет углядеть, а значит, тем более интересные физические результаты можно будет получить на ее основе.

За прошедшие почти две недели состоялось несколько длительных циклов набора статистики. В каждом цикле пучки в режиме по два сгустка на пучок впрыскивались в ускоритель, примерно за 40 минут разгонялись до энергии 3,5 ТэВ и затем в течение нескольких часов сталкивались (рекорд пока — 19 часов непрерывных столкновений), а все четыре детектора регистрировали по нескольку десятков столкновений в секунду. Убедившись в том, что 3,5-тэвные пучки стабильны, управляемы и сталкиваются так, как надо, физики приступили к следующему этапу ввода коллайдера в строй — увеличению его светимости. Именно этой задачей они будут заниматься ближайшие несколько месяцев.

Сейчас светимость составляет лишь десятимиллионную долю от расчетного значения. Увеличивать ее будут последовательно в несколько шагов. Во-первых, пучки будут сжимать в поперечных размерах: чем плотнее сжаты пучки в месте встречи, тем больше вероятность столкновения отдельных протонов. Этот этап уже успешно был пройден 7 апреля. Правда, сгустками теперь стало труднее «попадать» друг по другу, и поэтому потребуется некоторая доводка поперечных координат пучков, после которой частота столкновений должна возрасти в несколько раз.

Следующим шагом станет увеличение «интенсивности» сгустков, то есть количества протонов в каждом из них. Первоначально столкновения проводились со сгустками по 5 млрд протонов (это так называемый «пилотный пучок»). В ходе опытов ночью с 9-го на 10 апреля интенсивность одного сгустка была успешна доведена до проектного значения — 100 млрд протонов. Таким образом, в ближайшие дни стоит ожидать перехода к повышенной интенсивности (20–30 млрд протонов на сгусток), а значит, и дальнейшее увеличение частоты столкновений.

Ожидается, что эти изменения будут реализованы в ближайшие пару недель. После этого специалисты приступят к третьей фазе повышения светимости — увеличению количества сгустков в каждом пучке. Вначале их число будет доведено до 4, затем до 43, потом до 156 (проектное значение — 2808, но к нему в ближайшие два года стремиться не будут). Этот этап займет несколько месяцев, поскольку увеличение количества сгустков означает повышение энергии всего пучка, а это необходимо делать чрезвычайно осторожно, с многочисленными проверками. Если это будет успешно реализовано, то частота столкновений возрастет примерно на 3 порядка по сравнению с текущими значениями, и только в этом случае можно будет надеяться получить первые интересные результаты на LHC к концу 2011 года.

Подробности работы в течение последних двух недель можно узнать из доклада LHC status report, представленного 9 апреля. Примерный план увеличения светимости см. на странице LHC 2010 potential luminosity performance.

Около 13:00 по центральноевропейскому времени на Большом адронном коллайдере были зафиксированы первые столкновения протонов с полной энергией 7 ТэВ, что втрое превышает предыдущий рекорд LHC. В блоге CMS e-commentary, ведущемся из пультовой детектора CMS, появились изображения первых событий (см. также первые столкновения на детекторе ATLAS). Сейчас пучки стабилизированы, и теперь в течение ближайших часов ожидается набор статистики на всех четырех детекторах LHC. Затем последуют плановый сброс пучка, инжекция и разгон новых сгустков и новый цикл набора статистики. В таком режиме коллайдер проработает несколько дней, после чего физики будут пытаться увеличивать количество сгустков в каждом пучке.

Сегодня, 30 марта, должен начаться первый длительный сеанс научной работы Большого адронного коллайдера. В связи с этим в ЦЕРНе был организован комплекс мероприятий для аккредитованных СМИ, а на специальной странице LHC First Physics в реальном времени транслируется видеопоток из пультовых как самого ускорителя, так и всех четырех основных детекторов.

Минувшей ночью пучки уже стабильно циркулировали в коллайдере на энергии 3,5 ТэВ, но без столкновений. Физики проводили последние измерения перед началом столкновений, которое было запланировано на раннее утро по центральноевропейскому времени. Однако первые две попытки довести пучки до 3,5 ТэВ утром не удались — пучки были потеряны при достижении энергии 1,3 ТэВ. Как показывает проведенный по горячим следам анализ, причиной скорее всего было неправильное согласование между магнитными системами предварительного ускорителя SPS и основного кольца LHC. В настоящее время идет подготовка к третьей попытке разгона пучков до нужной энергии. Все детекторы готовы к регистрации столкновений протонов.

Кроме видео, за развитием событий можно следить по онлайн-мониторам Большого адронного коллайдера (LHC1 и LHC operation), через твиттер-аккаут ЦЕРНа, в блогах CMS e-commentary, ATLAS blog. Текущий статус коллайдера отображается в твиттер-аккаунте LHC status, а также в анимированном виде на страничке LHC status display. См. также подборку фотографий из пультовой ЦЕРНа, из пультовой детекторов ATLAS и CMS.

В опубликованном сегодня пресс-релизе ЦЕРНа сообщается, что столкновения протонов с суммарной энергией 7 ТэВ начнутся через неделю — 30 марта. Объявление о дате начала столкновений стало возможным после того, как физики убедились, что 3,5-тэвные пучки ведут себя должным образом и хорошо управляемы. Дополнительная информация будет появляться на специальной странице LHC First Physics, посвященной первому научному сеансу работы коллайдера. Отметим также, что на пятницу 26 марта запланирован доклад о текущем состоянии коллайдера.

С 13 по 20 марта в городке Ла-Тюиль в итальянских Альпах прошла очередная конференция из серии Rencontres de Moriond (QCD). На ней были зачитаны доклады о новых экспериментальных данных и теоретических исследованиях, касающихся физики сильного взаимодействия. Традиционный интерес на таких конференциях представляют сообщения экспериментальных групп с американского протон-антипротонного ускорителя Тэватрон о поиске хиггсовского бозона и других новых частиц и явлений. Несколько таких докладов прозвучали и на этой конференции. Кардинально ситуация пока не изменилась — новых частиц пока не найдено, а были лишь усилены ограничения на их массы и свойства. Совместный анализ данных с детекторов CDF и DZero теперь позволяет на уровне достоверности 95% исключить хиггсовский бозон в интервале масс 162–166 ГэВ (см. PDF-файл доклада, 2,9 Мб). Ситуацию четырехмесячной давности см. в нашей новости; там же есть ссылки на более ранние результаты и подробные пояснения методики.

В том же докладе были представлены и интересные данные, касающиеся возможного существования кварков четвертого поколения. До сих пор все экспериментальные данные свидетельствовали о том, что в нашем мире есть лишь три «поколения» частиц материи — кварков и лептонов. Однако теоретики рассматривают возможность того, что в дополнение к ним могут существовать и более тяжелые кварки, которые из-за своей большой массы до сих пор не были открыты на предыдущих коллайдерах. Однако установлено, что если бы такие кварки существовали, то они должны существенно увеличить вероятность рождения хиггсовского бозона на адронных коллайдерах (новые кварки резко усиливают связь хиггсовского бозона с глюонами). Ничего подобного на Тэватроне не наблюдается.

Эти результаты можно интерпретировать двояко. Либо можно говорить об отсутствии в природе новых тяжелых кварков (если предположить, что хиггсовский бозон существует и не слишком тяжелый), либо можно говорить об отсутствии легкого хиггсовского бозона вплоть до массы 210 ГэВ (если предположить, что четвертое поколение кварков всё же существует). Заметим, что имеющаяся тут неоднозначность с выводами окончательно рассеется, как только будет обнаружен бозон Хиггса и измерена его масса.

В мартовском выпуске журнала Journal of Instrumentation вышла серия из 23 статей, посвященных функционированию детектора CMS. В этих статьях подробно рассказывается о том, как различные субдетекторы регистрируют частицы, описывается длительная процедура настройки и выравнивания всех компонентов этого детектора и оцениваются остаточные погрешности. Эти технические данные сами по себе не несут новой научной информации, но они важны для всей последующей работы детектора. В будущем, при открытии новых частиц и изучении новых явлений, коллаборация будет вычислять систематическую погрешность своих измерений в соответствии с этими результатами.

В согласии с информационной политикой ЦЕРНа, все эти статьи находятся в открытом доступе. Аналогичное описание для детектора ATLAS было опубликовано еще год назад.

В четверг 18 марта процесс запуска Большого адронного коллайдера вступил в новую фазу — начались эксперименты на энергии протонов 3,5 ТэВ. Именно на этой энергии планируется работа коллайдера в течение 2010–2011 годов. До сих пор энергии пучков ограничивались лишь значением 1,18 ТэВ, которого коллайдер достиг еще в 2009 году. В феврале 2010 года были проведены тесты сверхпроводящих магнитов, призванные убедиться в том, что энергию протонов можно будет поднять втрое, до значения 3,5 ТэВ. Тесты прошли успешно, за исключением лишь того факта, что новая система безопасности магнитов оказалась слишком чувствительной и не всегда позволяла поднимать силу тока магнитов до нужного значения. На днях эта трудность была преодолена, и теперь физики успешно повышают силу тока в сверхпроводящих магнитах до 6 кА (именно такой ток создает магнитное поле, способное удерживать на орбите протоны с энергией 3,5 ТэВ). Вначале увеличение магнитного поля проводилось в тестовом режиме, без пучков, а в ночь на пятницу был проведен и сеанс с пучками. После ряда подстроек магнитной системы, протоны были впервые разогнаны до энергии 3,5 ТэВ и стабильно циркулировали в ускорителе (их время жизни оценивалось в 100 часов).

Напомним, что за текущим состоянием опытов на LHC можно следить через онлайн-монитор Vistar LHC1.

На днях в архиве e-принтов появилась статья коллаборации ATLAS с анализом результатов столкновений, зарегистрированных в 2009 году. Статей, посвященных техническим аспектам детектора ATLAS, опубликован уже не один десяток, но это первая статья коллаборации, в которой анализируются именно научные данные, касающиеся физики элементарных частиц при полной энергии 0,9 ТэВ. Поскольку в 2009 году было набрано очень мало статистики, полученные на ее основе научные результаты касаются только самых общих свойств процессов рождения адронов в столкновении протонов. А именно, в статье изучалось количество заряженных частиц и их распределение по быстроте. Эту величину пока невозможно теоретически сосчитать из первых принципов, поэтому ее получают с помощью моделирования по методу Монте-Карло. Результаты ATLAS показали, что в реальном эксперименте заряженных частиц рождалось на 5–15% больше, чем предсказывали модели Монте-Карло.

Относительно популярный рассказ об этой работе см. в блоге Muon. Стоит сказать также, что аналогичные результаты с детектора CMS были опубликованы полтора месяца назад.

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.