Завершен первый этап проекта HL-LHC

Общий план работы Большого адронного коллайдера в ближайшее десятилетие. Изображение с сайта hilumilhc.web.cern.ch

Большой адронный коллайдер проработает в нынешней конфигурации примерно до 2023 года. После этой даты запланирован переход к новому режиму работы — HL-LHC (High Luminosity LHC, LHC на повышенной светимости). Он потребует кардинальной модернизации оборудования и, как следствие, развития новых технологий. Проект HL-LHC включает в себя три этапа: разработку ускорительных и детекторных технологий, прототипирование установок и массовое изготовление и сборку. И хотя работа в новом режиме начнется не ранее 2026 года, физики и техники уже давно и плотно занимаются необходимым для этого инструментарием.

На этой неделе в ЦЕРНе прошла итоговая конференция, посвященная завершению первого этапа проекта HL-LHC — пятилетней кампании по разработке новых технологий. Информация о мероприятии приводится также в пресс-релизе ЦЕРНа.

Одна из важнейших инструментальных характеристик коллайдера — светимость. Она показывает, как часто частицы сталкиваются друг с другом. Чем выше светимость, тем большую статистику столкновений можно накопить за год работы, и значит, тем более редкие процессы можно заметить и изучить. Поскольку главной задачей коллайдера является поиск Новой физики, а Новая физика будет лучше всего проявляться как раз в очень редких процессах, ясно, что повышение светимости даст нам возможность шагнуть дальше за пределы известного.

Статистика, накопленная за время Run 1, отвечает интегральной светимости 25 fb⁻¹ (в расчете на один детектор ATLAS или CMS). Во время сеансов Run 2 (2015–2018 годы) и Run 3 (2021–2023 годы) планируется накопить в двадцать раз больше статистики — примерно 500 fb⁻¹. Повышать светимость дальше с нынешней аппаратурой невозможно. Тем более что к концу сеанса Run 3 ожидается износ ключевых элементов аппаратуры, которые находятся близко к пучку и испытывают огромную радиационную нагрузку. Ведь частицы, разлетающиеся после столкновений на коллайдере, — это самая настоящая жесткая радиация, которую должны выдерживать все узлы коллайдера.

Новые технологии, которые потребуются для успешной работы коллайдера в режиме высокой светимости. Изображение с сайта cds.cern.ch

Чтобы накапливать статистику дальше, потребуется существенно модернизировать аппаратуру и резко повысить пиковую светимость ускорителя. Этого можно достичь, увеличив интенсивность пучков и усилив их фокусировку в точку пересечения путем внедрения специальных устройств (crab cavities), которые разворачивают сгустки перед столкновением, а также дополнительно защитив сверхчувствительную аппаратуру новыми коллиматорами. К тому времени в работу должен будет вступить и новый предварительный ускоритель Linac4 с повышенной пропускной способностью. В целом, физики рассчитывают с помощью массовой модернизации аппаратуры достичь амбициозных целей по светимости: накапливать уже по 300 fb⁻¹ в год (а не за десятилетие!) и набрать ориентировочно 3000 fb⁻¹ за все время работы коллайдера. Это в сто с лишним раз превышает нынешний объем данных.

Подобный апгрейд главных инструментов потребует и обновления обслуживающей аппаратуры. Например, для передачи электроэнергии от станций к ускорителю будут применяться сверхпроводящие кабели на основе нового сверхпроводника MgB₂, которые будут передавать ток 100 кА на расстояние в сотню метров. Наконец, будут прорыты две 100-метровых шахты для спуска аппаратуры под землю и два новых 300-метровых туннеля рядом с детекторами ATLAS и CMS, куда будет перемещена часть обслуживающей аппаратуры.

Первая пятилетняя кампания по разработке ускорительных и детекторных технологий, HiLumi LHC Design Study, стартовала в 2011 году. Отметим, что эта кампания не ограничивалась рамками одного лишь ЦЕРНа, а включала интенсивную работу в многочисленных лабораториях США, России и Японии. Подробную документацию по этой кампании можно найти на ее сайте; технические достижения и отчеты собраны на специальной странице. Нынешняя конференция подводит итог этой работы; в ближайшие дни ожидается публикация окончательного интегрального документа — технического отчета (Technical Design Report). Она также знаменует собой переход к новому этапу развития проекта: сейчас, когда технологии уже продемонстрированы, начнется прототипирование установок, размещение предварительных заказов в фирмах, проверка результатов. После того как все будет отлажено на прототипах, начнется третий, последний этап — массовое изготовление и сборка. Предварительный бюджет ЦЕРНа, зарезервированный на этот проект, составляет 950 млн швейцарских франков на десятилетний период.