LHC: хронология создания и работы

5 апреля 1976 года были запущены первые пучки протонов в новый 7-километровый ускоритель в ЦЕРНе — Протонный суперсинхротрон (SPS). Протоны разгонялись в нём до рекордной энергии 400 ГэВ и направлялись на неподвижные мишени. SPS продолжал успешно работать и в эру LEP, и даже в XXI веке. Начиная с 2010 года основная функция SPS — предварительный разгон и поставка протонов в Большой адронный коллайдер (LHC).

18 августа 1977 года был опубликован первый проект Большого электрон-позитронного коллайдера (LEP) в ЦЕРНе, который будет установлен в специальном кольцевом туннеле длиной почти 30 км. Тогда же была высказана и мысль, что в будущем в том же туннеле можно будет разместить и адронный коллайдер, который, возможно, будет работать одновременно с LEP. Поэтому туннель для LEP проектировали с учетом и такой возможности.

Начались разработки магнитов для LHC — основы будущего коллайдера. Магниты должны держать поле порядка 10 Тесла, а значит, их необходимо делать сверхпроводящими, но при этом они должны уместиться в тесном пространстве подземного туннеля. Основной упор делался на конфигурацию «два в одном» (две отдельные вакуумные трубы для встречных протонных пучков, помещенные в единый криостат), но рассматривались и другие варианты. Конфигурация «два-в-одном» стала впоследствии эмблемой LHC.

В течение пяти лет в ЦЕРНе ведутся экскавационные работы по прокладе кольцевого 27-километрового туннеля. В нём будет расположен Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP), а по окончании его работы, в 2000-е годы, в том же туннеле будет смонтирован и Большой адронный коллайдер (LHC). Прокладка туннеля стала крупнейшим на то время экскавационным проектом в Европе (рекорд был побит в 1988 году, когда начались работы по прокладке подземного туннеля под Ламаншем.) Стоимость этих работ составила более половины всего бюджета LEP. Подробнее про раннюю историю LEP см. в лекции Стива Майера (1990 год).

В ЦЕРНе опубликован технический отчет, содержащий предварительные оценки того, как мог бы работать адронный коллайдер в туннеле LEP. Отчет вышел под номером «LEP Note 440», и впоследствии он получил также номер «LHC Note 1».

В Национальной лаборатории им. Э. Ферми в США начал свою работу Тэватрон — протон-антипротонный коллайдер, сталкивающий частицы на энергии 512 ГэВ (в дальнейшем энергия частиц была поднята до 980 ГэВ). В 1990-2000-е годы на Тэватроне было сделано много работ по физике сильных и электрослабых взаимодействий, включая открытие топ-кварка. В 2010-2012 годах Тэватрон будет оставаться главным конкурентом LHC в поиске хиггсовского бозона.

ЦЕРН совместно с Европейским комитетом по будущим ускорителям организовал с 21 по 27 марта 1984 года рабочую конференцию по LHC в Лозанне (Швейцария). На ней были представлены результаты изучения разных путей для создания коллайдера, а также общие наброски детекторов для LHC. Разработки магнитной системы ускорителя ориентировались на энергию протонов от 5 до 9 ТэВ; обсуждались возможности сталкивать ядра тяжелых ионов, а также проект электрон-протонного коллайдера (при одновременной работе LEP и LHC, смонтированных друг над другом).

См. также: Early days: Lausanne LHC workshop (CERN Courier, 19.09.2008)

Нобелевская премия по физике за 1984 год была вручена Карло Руббиа и Симону ван-дер-Мееру за их ключевую роль в открытии в экспериментах на SPS частиц-переносчиков слабого взаимодействия — W- и Z-бозонов. Это открытие, подтвердившее теорию электрослабой симметрии, стало возможным благодаря тому, что в 1981 году SPS превратился из протонного ускорителя в протон-антипротонный коллайдер.

В ЦЕРНе начинает работу проект LAA, задачей которого является выработка общих принципов, по которым будут проектироваться детекторы для будущего адронного коллайдера.

Специальная комиссия, созданная в 1987 году, изучила возможности увеличения светимости LHC по сравнению с первоначальными планами и в своем отчете от 22 апреля 1988 года дала положительное заключение. Ориентиром светимости для LHC стало значение 10³⁴см^–2с^–1.

Протестированы самые первые небольшие модели сверхпроводящих магнитов длиной, изготовленные итальянской фирмой Ansaldo Componenti в сотрудничестве с ЦЕРНом. Магнитное поле удалось поднять до 8,5 Тесла без срыва сверхпроводимости. В последующие годы было достигнуто магнитное поле напряженностью 10,2 Тесла. Сравнение разных вариантов магнитов и оптимизация их конструкции продолжались еще несколько лет.

Сотрудник ЦЕРНа Тим Бернерс-Ли предложил новую гипертекстовую систему обработки информации, из которой затем вырос WWW.

14 июля 1989 года в Большой электрон-позитронный коллайдер LEP были запущены первые электроны и позитроны. Месяц спустя начались первые столкновения. В последующие одиннадцать лет LEP выполнил большую программу исследований по изучению Стандартной модели физики элементарных частиц.

Европейский комитет по будущим ускорителям организовал в Ахене (ФРГ) конференцию, посвященную LHC. На ней были представлены, среди прочих докладов, и проекты двух разных детекторов для LHC.

См. также: Early days: Aachen: the case for LHC (CERN Courier, 19.09.2008)

Опубликован 212-страничный отчет («The Pink Book») группы, изучавшей возможность создания LHC. Планируемая энергия протонов — 7,7 ТэВ.

В резолюции, утвержденной Советом ЦЕРНа, констатируется, что LHC — подходящий проект для ЦЕРНа после завершения работы коллайдера LEP. Конкурентом LHC был проект линейного электрон-позитронного коллайдера.

С 5 по 8 марта 1992 года в Эвиан-ле-Бен (Франция) прошла конференция, после которой начала в деталях вырисовываться физическая программа исследований на LHC.

По результатам мартовской конференции в Эвиан-ле-Бен (Франция) в ЦЕРНе был сформирован Комитет по экспериментам на LHC (LHCC). Первое заседания комитета состоялось 23 октября 1992 года.

В ноябре 1992 года Комитету по экспериментам на LHC были представлены заявки (Letter of Intent) на создание трех крупных детекторов: ATLAS (который образовался из слияния двух ранних проектов EAGLE и ASCOT), CMS и L3P. В 1993 году Комитет поддержал заявки ATLAS и CMS и отклонил заявку L3P. В марте 1993 года также была представлена заявка на создание детектора ALICE, а в августе 1995 года — заявка детектора LHCb.

Линдон Эванс назначен руководителем проекта LHC и остается им по сей день. В 1990-х годах он сыграл огромную роль не только в разработке магнитной системы коллайдера, но и в привлечении к проекту LHC новых стран и, как следствие, дополнительного финансирования.

Конгресс США отказался продолжать финансирование американского суперколлайдера SSC, рассчитанного на энергию протонов 20 ТэВ. Проекту был выделен последний денежный транш в размере 640 млн. долларов для сворачивания работ. В последующие годы американские физики начали присоединяться к группам, работающим над LHC.

Комитету по экспериментам на LHC представлены технические проекты (Technical Proposal) детекторов ATLAS и CMS.

Cовет ЦЕРНа официально утвердил проект по созданию LHC как один из ключевых проектов ЦЕРНа. Проект предусматривал создание ускорителя в два этапа (энергия протонов 4,5 ТэВ к 2004 году и 7 ТэВ к 2008 году), с возможностью пересмотра стратегии в 1997 году.

Создание и тестирование ячейки String 1 — прототипа участка LHC длиной 42 м, который состоял из четырех магнитов, поддерживаемых при температуре 1,9 К.

ЦЕРН заключил взаимовыгодное соглашение о сотрудничестве с Министерством науки РФ. В рамках этого соглашения в России будут изготавливаться и поставляться в ЦЕРН компоненты как для ускорительного комплекса LHC, так и для детекторов. Таким образом Россия получает в ЦЕРНе статус государства-наблюдателя со всеми его преимуществами, но оплачивает свое участие не деньгами, а готовой техникой. В 1997 году был в дополнение к этому подписан отдельный протокол об участии ОИЯИ (Дубна) в создании LHC. Подробнее о взаимодействии ЦЕРНа и СССР/России в эти годы см. в книге Николаса Кульберга «ЦЕРН и институты России».

Благодаря дополнительному финансированию от новых стран-участников проекта, Совет ЦЕРНа принял решение реализовать строительство LHC не в два, а сразу в один этап. Завершение строительства ожидалось в 2005 году.

В ЦЕРН из Италии прибыл первый прототип 15-метрового поворотного магнита, изготовленный по улучшенной технологии с учетом результатов String-1.

Представители США и ЦЕРНа подписали соглашение об участии США в строительстве Большого адронного коллайдера. Финансовый вклад США в постройку ускорителя и детекторов ATLAS и CMS оценивается в 531 млн долларов.

В апреле 1998 года начинаются экскавационные работы в «точке 1» — роют подземный зал, в котором будет размещен детектор ATLAS, и две широкие шахты, соединяющие его с поверхностью. В августе 1998 начинаются такие же работы в противоположной точке ускорительного кольца, где будет установлен детектор CMS.

В ЦЕРН начинают прибывать первые компоненты детекторов.

В ЦЕРН прибыл «туннеллер» — машина для прокладки двух туннелей длиной несколько километров, соединяющих старый протонный ускоритель SPS с главным ускорительным кольцом LHC. В этих двух туннелях будут установлены линии доставки пучков из SPS в LHC. Прокладка туннелей была закончена к ноябрю 2001 года.

Строительство детектора CMS началось в ноябре 1999 года с монтажа массивного магнитного ярма. Пока готовился подземный зал, все работы велись в наземных помещениях. Детектор был полностью собран в 2006 году, протестирован, разобран на отдельные блоки, только после этого спущен под землю, и там собран вновь. Детектор был окончательно закрыт 3 сентября 2008 года, за неделю до запуска пучков.

В рамках пре-индустриального этапа изготавливаются три партии по 30 дипольных магнитов для LHC, причем технология изготовления продолжает оттачиваться прямо в процессе производства.

2 ноября 2000 года, после 11 лет работы, был остановлен Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP). В декабре начался демонтаж аппаратуры и поднятие ее на поверхность; последний дипольный магнит LEP был поднят 12 февраля 2002 года. За 14 месяцев работы их туннеля было вывезено 40 тыс. тонн аппаратуры.

Монтаж и тестирование LHC Test String 2 — прототипа полноценной 107-метровой ячейки LHC (шесть поворотных магнитов, прямая секция, криогенная и электрическая система).

В ЦЕРН прибыл последний из 540 магнитов, собранных в Новосибирском ИЯФе. Эти магниты будут установлены в линии доставки пучков из предварительного ускорителя SPS в основное кольцо LHC.

См. также: Last LHC magnets from Siberia reach CERN (CERN Courier, 29.08.2001)

вет ЦЕРНа утвердил IT-проект LHC Computing GRID как часть общего проекта LHC.

См. также: Green light for massive increase in computing power for LHC data (CERN Courier, 31.10.2001)

В туннеле, освобожденном от всех компонентов предыдущего ускорителя (LEP), начинаются разметочные работы. В течение двух лет предстоит нанести 7 тысяч меток, относительно которых в дальнейшем будут устанавливаться магниты LHC.

В подземном зале ведется сооружение детектора ALICE.

В ЦЕРН по частям поставляются огромные тороидальные магниты для детектора ATLAS.

С 1999 по 2002 год в ЦЕРНе велся монтаж самого тяжелого компонента детектора CMS — массивного возвратного ярма. Благодаря нему сильное магнитное поле удерживается во всём поперечнике детектора.

В уже готовом подземном зале, оставшемся со времен LEP, ведется сооружение детектора LHCb.

В ЦЕРН прибыл первый американский сверхпроводящий магнит. Всего в ускорительном кольце LHC будут задействованы тысячи сверхпроводящих магнитов.

Начинается установка магнитов в две линии передачи, соединяющие по дуге предварительный ускоритель SPS и главным ускорительным кольцом LHC.

Все подземные экскавационные работы, длившиеся несколько лет, закончены.

Три европейские фирмы — Alstom MSA-Jeumont (Франция), Ansaldo Superconduttori (Италия), Babcock Noell Nuclear (Германия), — выигравшие тендер на изготовление дипольных магнитов, приступили к массовому их производству и постепенно поставляют магниты в ЦЕРН. В самом ЦЕРНе магниты тестируются и проходят процедуру «тренировки».

См. также: LHC dipole production begins to take off (CERN Courier, 27.01.2004)

В ноябре 2003 года в огромном подземном зале началось сооружение детектора ATLAS (отдельные компоненты уже были к тому времени собраны в десятках институтов по всему миру и постепенно прибывали в ЦЕРН). См. видео, на котором многолетная работа по возведению ATLAS ужата в несколько минут. Детектор был собран и закрыт в июле 2008 года.

В ЦЕРН доставлены последние рефрижираторы, которые будут охлаждать магниты LHC до температуры всего 1,9 К.

В подземном зале установлен один из основных компонентов детектора LHCb — массивный дипольный магнит.

Эксперимент TOTEM официально утвержден Комитетом по экспериментам на LHC. Специальные секции вакуумной трубы, держащие компоненты этого детектора, были установлены на LHC в октябре 2007 года.

В наземном зале собран и протестирован один полноценный, со всеми компонентами, сектор детектора ATLAS.

Изготовлена и протестирована первая ускоряющая секция для LHC. Цепочка из нескольких таких секций будет разгонять протонные пучки до рекордных энергий.

Протестирована первая линия доставки (TI8) пучков из предварительного ускорителя SPS в кольцо LHC. Вторая линия доставки (TI2) была собрана и протестирована лишь в конце 2007 года.

Собран сверхпроводящий магнит детектора CMS — самый крупный сверхпроводящий магнит в истории.

7 марта 2005 года под землю был спущен первый дипольный магнит — монтаж LHC в подземном туннеле официально стартовал. Коллайдер был полностью собран в июне 2008 года, когда в центре детектора ATLAS был установлен последний участок вакуумной трубы.

Спущенные в туннель и установленные на место магниты и компоненты инфраструктуры соединяют в единую цепь (первое соединение: 3 марта 2005 года, последнее — 7 ноября 2007 года).

В подземном зале завершилась установка всех 25-метровых тороидальных магнитов детектора ATLAS.

Заработала новая пультовая ЦЕРНа. Именно отсюда будет вестись управление восемью ускорителями ЦЕРНа, в том числе и Большим адронным коллайдером.

Эксперимент LHCf официально утвержден Комитетом по экспериментам на LHC.

После 8 лет сборки детектор CMS был наконец готов к тестам в наземном зале. В ходе тестов 28 августа 2006 года в детекторе впервые было достигнуто рабочее магнитное поле напряженностью 4 Тесла. Мюоны из космических лучей, проходя сквозь детектор, вычерчивали в этом поле характерный изогнутый след. По окончании тестов детектор был вновь разобран на отдельные компоненты, и начался их спуск в подземный зал.

Завершился монтаж криогенной системы LHC — «самого большого холодильника в мире».

Полностью собран сектор 7-8 — первый из восьми секторов ускорительного кольца LHC. В 2007 году он первым будет охлажден до рабочей температуры и начнет проходить электрические тесты.

В подземный зал спущена большая, но очень хрупкая время-проекционная камера детектора ALICE — главная изюминка его конструкции.

В ходе механических тестов произошла поломка в одном из фокусирующих магнитов вблизи детектора CMS. Расследование показало, что причиной поломки стал инженерный просчет. Американская национальная лаборатория им. Э. Ферми, поставлявшая эти магниты, в сотрудничестве с ЦЕРНом в срочном порядке разработала методику укрепления всех таких магнитов. К осени все магниты были укреплены и успешно прошли тесты.

Под землю спущен последний сверхпроводящий магнит Большого адронного коллайдера.

Введена в эксплуатацию новая система допуска в подземные залы, работающая на распознавании рисунка радужной оболочки глаз.

Успешно протестирована вся цепочка предварительных ускорителей, поставляющих ионы в LHC.

Постепенно, сектор за сектором, Большой адронный коллайдер охлаждается до рабочей температуры — 1,9 К. Охлажденные сектора проходят серию электрических тестов.

В августе-сентябре было выполнено несколько тестов линии инжекции, передающий пучки из предварительного ускорителя SPS в LHC. В последних тестах пучок уже проходил половину кольца LHC.

Пучки протонов впервые начали циркулировать в ускорителе.

Короткое замыкание вследствие дефектного электрического контакта в одном из магнитов привело к серьезной аварии.

В течение девяти месяцев идет прогрев секторов, ремонт и замена поврежденных магнитов, восстановление целостности ускорителя. Были также обнаружены и другие дефектные контакты; соответствующие магниты были заменены.

Началось возведение зданий для нового небольшого линейного ускорителя Linac 4. Через несколько лет он придет на смену Linac 2, который работает сейчас в качестве «первой ступени» ускорительного комплекса по получению и предварительному разгону протонных пучков. Новый линак станет первым этапом модернизации этой цепочки ускорителей, необходимой для полноценной работы Большого адронного коллайдера коллайдера в режиме супер-LHC.

В ЦЕРНе прошла официальная инаугурация LHC.

Воспользовавшись паузой в работе LHC, физики занялись доделкой и доводкой своих детекторов до окончательного рабочего состояния.

Разработана и установлена новая система защиты магнитов, которая позволит предотвратить аварии, подобный инциденту 19 сентября 2008 года.

Директорат ЦЕРНа принял решение, что LHC не будет останавливаться на зимние месяцы. ЦЕРН перешел на полутора-двухлетний цикл работы вместо привычного годичного.

Тестирование всей цепочки предварительных ускорителей, охлаждение LHC и подготовка к приему пучка.

Принято решение в 2010 году ускорять протоны лишь до энергии 3,5 ТэВ, т. е. столкновения протонов будут происходить при полной энергии 7 ТэВ.

LHC запущен вновь и быстро введен в режим стабильно циркулирующих пучков.

Детекторы зарегистрировали первые протон-протонные столкновения. LHC «официально» стал коллайдером.

Протоны разогнаны до энергии 1,18 ТэВ. LHC побил рекорд Тэватрона по энергии протонов.

Подготовка к запуску коллайдера на энергию протонов 3,5 ТэВ.

LHC Run I — первый этап работы коллайдера. Набор статистики протонных столкновений на энергии протонов вначале 3,5 ТэВ, а затем 4 ТэВ, а также ядерных и протон-ядерных соударений. Набранная светимость в протонных столкновениях: почти 30 fb^–1(в детекторах CMS и ATLAS).

Начали появляться статьи с первыми научными результатами протонных столкновений на полной энергии 7 ТэВ. В дальнейшем публикации эксприментальных групп превращаются в непрерывный поток, см. полный список статей за последние 12 месяцев.

Начали появляться первые результаты поиска эффектов, выходящих за рамки Стандартной модели. Все эти результаты пока остаются отрицательными.

Коллаборация CMS сообщила о наблюдении первого эффекта, который не вполне ожидался теоретиками — необычных корреляций частиц при рождении многочисленных адронов.

Сеанс столкновений ядер свинца на энергии 1,38 ТэВ/нуклон.

Короткий сеанс столкновений протонов с энергией 1,38 ТэВ; он нужен для сравнения с ядерными столкновениями.

На ключевой конференции года EPS-HEP 2011 представлены первые серьезные данные, полученные на LHC.

Сеанс столкновений ядер свинца на энергии 1,38 ТэВ/нуклон.

Коллаборации ATLAS и CMS сообщают, что в их данных начинают появляться намеки на хиггсовский бозон с массой около 125 ГэВ.

Энергия протонов увеличена до 4 ТэВ.

На специальном семинаре в ЦЕРНе объявлено об открытии бозона Хиггса.

LHC по-прежнему не видит никаких следов суперсимметрии.

Коллаборация LHCb сообщила о первых намеках на распад B_s → μ⁺μ^– — сверхредкий процесс, за которым физики охотились не одно десятилетие.

Сеанс протон-ядерных столкновений.

Long Shutdown 1 — Коллайдер остановлен на двухлетнюю модернизацию, которая коснулась как самого ускорителя, так и детекторов.

В течение 2011–2012 годов распад бозона Хиггса на два фотона выглядел в данных LHC аномально интенсивным по сравнению с ожиданиями Стандартной модели. Это примерно двукратное превышение воодушевляло теоретиков, поскольку выглядело первым намеком на долгожданную Новую физику. Однако новые данные CMS резко охладили их пыл. Начиная с этого момента двухфотонный распад хиггсовского бозона становился всё больше похожим на стандартный.

Коллаборация LHCb обнародовала на конференции EPS HEP 2013 сообщение о том, что в двух редких распадах B-мезонов обнаружились существенные расхождения с теоретическими предсказаниями на основе Стандартной модели. Теоретики принялись активно обсуждать эти отклонения в контексте моделей Новой физики.

Данные Run 1 показывают, что процесс рождения бозона Хиггса вместе с топ-кварк-антикварковой парой идет намного интенсивнее, чем предсказывается Стандартной моделью.

Коллаборация CMS сообщает о намеках на распад бозона Хиггса на μτ, который невозможен в Стандартной модели и потому вызывает большой интерес у теоретиков.

Второй сеанс работы коллайдера. Энергия протонов составляет 6,5 ТэВ, планы по набору светимости — 120 fb^–1.

Коллаборация LHCb впервые измерила переход b-кварка в u-кварк в барионном распаде. Этот результат обостряет давно существовавшую проблему с b-кварками.

Коллаборация LHCb подтверждает, что в распадах B-мезонов наблюдается отклонение от лептонной универсальности слабого взаимодействия.

Первые столкновения на полной энергии 13 ТэВ.

Коллаборации ATLAS и CMS видят намеки на всплеск в рождении пар W или Z-бозонов при инвариантных массах около 2 ТэВ.

В распадах двух B-мезонов продолжают накапливаться подозрительные отклонения от Стандартной модели. Статистическая значимость отклонений достигает 3,5–4σ.

Коллаборация LHCb неожиданно открыла тяжелый пентакварк.

Коллаборация ALICE измерила массы и энергии связи легких антиядер, вступив тем самым в область «антиядерной» физике.

Столкновения тяжелых ядер с энергией 6,37 ТэВ в расчете на нуклонную пару.

ATLAS и CMS сообщают, что в первых данных Run 2 виден всплеск в двухфотонном канале на 750 ГэВ. Сообщение вызвало ажиотаж среди физиков и породило мощный поток теоретических статей с вариантами объяснения.

Вышла совместная статья ATLAS и CMS, подводящая итоги изучению бозона Хиггса в данных Run 1. За исключением топ-антитоп-Хиггс аномалии, свойства хиггсовского бозона выглядят совершенно стандартными.

Коллайдер впервые достиг проектной пиковой светимости 10³⁴см⁻²с⁻¹.

Новые данные сеанса Run 2, представленные на конференции ICHEP 2016, даже близко не подтверждают наличие двухфотонного пика при 750 ГэВ, перечеркнув надежды многих теоретиков на грядущий фейерверк новых открытий.

На ключевой конференции года ICHEP 2016 представлены результаты на основе статистики начала 2016 года. Многие из намеков на Новую физику, обнаружившиеся по итогам Run 1, оказались закрыты. Новых серьезных отклонений тоже не наблюдается.

Прошел очередной сеанс протон-ядерных столкновений на энергиях 5,02 ТэВ и 8,16 ТэВ в расчете на нуклонную пару.

Коллаборация LHCb в одном анализе открыла сразу пять новых частиц из семейства Ω_c-барионов с кварковым составом [css].

LHCb в очередной раз подтверждает нарушение лептонной универсальности слабого взаимодействия. Совокупное отклонение от Стандартной модели, накопившееся в нескольких распадах B-мезонов, достигает примерно 5σ и постепенно становится самой горячей темой в коллайдерной физике частиц.

На конференции EPS HEP 2017 представлены многочисленные результаты, полученные на основе рекордно большой статистики 2016 года. В целом картина по-прежнему выглядит стандартной: никаких существенных намеков на Новую физику не видно.

Long Shutdown 2 — второй длительный перерыв на оптимизацию ускорителя и повышение энергии протонов до проектных 7 ТэВ.

Третий сеанс работы коллайдера. Энергия протонов будет поднята до 7 ТэВ, цель по светимости — 300 fb^–1.

Long Shutdown 3 — кардинальная модернизация ускорителя и детекторов, переход к новому режиму работы — HL-LHC, LHC на повышенной светимости.

LHC на повышенной светимости. Цель — набрать за десятилетие порядка 3000 fb^–1.

Возможный переход к режиму работы на удвоенной энергии. Потребуется полная замена всего ускорителя и существенная модернизация детекторов. Проект HE-LHC находится пока в стадии обсуждения.