Итоги работы Большого адронного коллайдера в 2022 году

Рис. 1. Событие рождения и распада топ-кварк-антикварковой пары в детекторе CMS в ходе сеанса Run 3. Рисунок с сайта home.web.cern.ch

В 2022 году на Большом адронном коллайдере стартовал третий сеанс работы (LHC Run 3). По сравнению с прошлыми сеансами, в работу коллайдера в этом году существенным образом вмешивались внешние факторы, прежде всего антиковидные ограничения последних лет и энергетический кризис в Европе. Тем не менее начало сеанса Run 3 можно считать успешным: коллайдер быстро вышел на пик производительности и готов в следующем году набирать статистику ударными темпами. Параллельно физики продолжают обработку данных прошлых сеансов и публикуют новые результаты о фундаментальном устройстве микромира; некоторые из них позволяют надеяться на громкие открытия в ближайшем будущем.

Статус коллайдера в 2022 году

В 2022 году на Большом адронном коллайдере наконец-то стартовал третий сеанс работы LHC Run 3. «Наконец-то» — потому что исходно планировалось начать сеанс год назад, но практически полная остановка работ в 2020 году и сохранявшиеся некоторое время антиковидные ограничения вынудили руководство ЦЕРНа отложить старт на год. Несмотря на трехлетнюю паузу и обширную программу модернизации, перезапуск коллайдера прошел гладко. В конце апреля протонные пучки вернулись в основное кольцо LHC, а 25 апреля коллайдер поставил очередной рекорд: протоны были разогнаны до энергии 6,8 ТэВ, что пусть ненамного, но превышает энергию в сеансе Run 2 (она составляла 6,5 ТэВ). 5 июля, после двух с лишним месяцев пуско-наладочных работ, начались столкновения протонов.

Из соображений безопасности работа коллайдера после перезапуска всегда начинается с пучков низкой интенсивности, из-за чего светимость коллайдера на первых порах оставалась небольшой. Напомним, что светимость коллайдера характеризует, насколько часто происходят столкновения протонов, а значит, насколько быстро накапливается статистика интересных событий. Повышать светимость можно разными способами: увеличивать количество сгустков в пучке, накапливать побольше протонов в каждом сгустке или как можно плотнее фокусировать пучки в месте их столкновений. Однако всё это надо делать осторожно: слишком интенсивные пучки или слишком плотная их фокусировка могут привести к опасным инструментальным эффектам. Пучки могут потерять управляемость, могут порождать «электронные облака» из-за взаимодействия с оставшимися молекулами газа и со стенками вакуумных труб и приводить к нежелательному энерговыделению и срыву сверхпроводимости в магнитной системе коллайдера. Все эти проблемы усиливаются при наличии малейших дефектов в системе. В этом смысле очень показательно, как в 2017–2018 годах физики и техники боролись с проблемой в секции 16L2 и как эта злополучная секция мешала наращивать светимость коллайдера.

Опыт прошлых лет позволил сейчас физикам-ускорительщикам быстро нащупать тот баланс, при котором коллайдер работает на максимуме производительности и не слишком часто досаждает им новыми проблемами. В результате уже во второй половине августа работа велась с полностью загруженными пучками, а пиковая светимость вдвое превышала проектное значение 10³⁴ см⁻²с⁻¹. В конце ноября была обновлен рекорд пиковой светимости: 2,6×10³⁴ см⁻²с⁻¹. При этом, что немаловажно, система охлаждения справлялась с возросшим энерговыделением, не допуская срыва сверхпроводимости и потери многих часов работы на восстановление ускорителя.

Быстрый выход на пик производительности в первый год нового сеанса можно считать главным техническим достижением коллайдера в 2022 году. К концу года детекторы ATLAS и CMS набрали интегральную светимость 40 fb⁻¹ (см. страницу статистики на сайте ЦЕРНа) — и это несмотря на небольшую поломку в датчике системы охлаждения, которая в середине года задержала на месяц работу коллайдера. Для сравнения отметим, что на старте сеанса Run 2 за весь 2015 год было набрано всего 4 fb⁻¹ (рис. 2).

Рис. 2. Рост интегральной светимости по годам с начала работы LHC. Изображение из доклада Daniele Mirarchi на 152-м заседании Комитета по экспериментам на LHC

Задирать пиковую светимость выше определенного значения, впрочем, не стоит, поскольку при этом усложняется анализ результатов столкновений. При однократном пролете протонных сгустков друг сквозь друга происходит вовсе не одно, не два, а под сотню независимых протон-протонных столкновений. В каждом из них рождаются и разлетаются во все стороны многочисленные адроны, и детектор фиксирует все эти частицы на едином «снимке». Разделить наложившиеся друг на друга картины столкновений и выделить то единственное соударение, которое было вызвано по-настоящему интересным процессом — задача и без того непростая, но она резко усложняется с ростом числа одновременных событий. Несколько десятков столкновений детектор еще может надежно распутать, несколько сотен — уже вряд ли. Этот эффект называется «pile-up», нагромождение событий; работать в режиме, когда вы не можете разобраться с результатами столкновений, бессмысленно.

Все эти сложности привели к идее специального режима работы под названием «выравнивание светимости» (luminosity levelling). Суть в том, чтобы подготовить пучки к столкновениям, но не задирать сразу светимость до максимума, а удерживать ее на умеренно высоком значении. По мере того как протоны выбывают из-за столкновений и пучки истощаются, физики «подтягивают» параметры пучков, возвращая светимость к желаемому уровню (рис. 3). В результате в течение нескольких часов столкновения идут при постоянной средней светимости, что упрощает работу детекторов и последующий анализ данных. Такой режим был уже протестирован ранее, но его начали регулярно применять лишь в 2022 году.

Рис. 3. Экран онлайн-монитора Vistar Page 1 от 4 ноября 2022 года. Пилообразный график светимости — результат работы в режиме выравнивания светимости

В уходящем году LHC обновил еще один технический рекорд (рис. 4). 25 сентября был зафиксированный самый долгий цикл работы без сброса пучков — его длительность превысила 57 часов (прошлый рекорд составлял 38 часов). При обычной работе на максимуме производительности пучки истощаются за 10–20 часов, после чего их сбрасывают и в коллайдер поступает новая порция протонов. Но когда работа ведется в специальном режиме расфокусированных пучков, светимость невелика и протоны выбывают редко. Такие пучки могут циркулировать в ускорителе очень долго; их инструментальное «время жизни» определяется лишь слаженной работой всех систем ускорительного кольца. Тот факт, что сейчас удалось вести непрерывную работу свыше двух суток, лишний раз подчеркивает, что техники научились держать все компоненты коллайдера под контролем.

Рис. 4. Экран онлайн-монитора Vistar Page 1 от 25 сентября 2022 года с сообщением о рекордном по длительности рабочем цикле

К сожалению, на работу коллайдера в этом году повлиял и форс-мажор. Взлетевшие цены на энергоносители и перспективы нехватки электроэнергии зимой поставили под сомнение целесообразность работы коллайдера в холодное время года. В результате Совет ЦЕРНа действительно изменил планы на остаток года: 28 ноября коллайдер остановили на зиму. От полноценного сеанса столкновений ядер пришлось отказаться, перенеся его на следующий год и ограничившись сейчас лишь двухдневным тестовым сеансом (см. окончательное расписание коллайдера в 2022 году).

Что касается планов на будущее, то, согласно нынешней версии расписания на 2023 год, зимняя пауза продлится до начала марта. Работа с пучками должна начаться в апреле; столкновения на высокой светимости пройдут с середины мая по середину сентября. Затем выделен месяц на столкновения ионов свинца, и к началу ноября LHC снова будет остановлен. Если набор данных будет вестись темпами этого года, то коллайдеру будет вполне по силам достичь запланированных показателей сеанса Run 3: набрать к концу 2025 года интегральную светимость 250 fb⁻¹.

В дальней перспективе работа LHC, а точнее, его реинкарнации на повышенной светимости (HL-LHC), может быть продлена на несколько лет, вплоть до 2042 года. Решение об этом будет приниматься во второй половине 2020-х годов, однако такой сценарий сейчас активно прорабатывается.

Россия, Беларусь и Объединенный институт ядерных исследований в Дубне пока остаются участниками исследований на Большом адронном коллайдере. Летом этого года ЦЕРН принял решение отказаться от автоматического продления двусторонних соглашений о сотрудничестве с РФ, РБ и ОИЯИ, оставив, однако, в силе текущие соглашения, которые заканчиваются лишь в 2024 году. Комитет по экспериментам на LHC признает значительный научно-технический вклад специалистов из РФ, РБ и ОИЯИ в создании и работе коллайдера. Однако он считает неприемлемым полагаться на дальнейшее продолжение этого сотрудничества, в особенности в свете грядущей модернизации коллайдера и перехода к стадии HL-LHC. Поэтому уже сейчас начинается поиск институтов и организаций, способных в ближайшем будущем заместить вклад России, Беларуси и ОИЯИ в дальнейшую реализацию проекта (см. раздел 5 материалов 151-й встречи Комитета по экспериментам на LHC).

Новые результаты LHC

В прошедшем году параллельно с набором данных Run 3 продолжался и анализ столкновений, зарегистрированных в 2015–2018 годах в ходе предыдущего сеанса работы. По результатам этих исследований были представлены сотни научных статей с самыми разнообразными результатами. Пройдемся лишь по некоторым любопытным сообщениям.

4 июля 2022 года, отмечая десятилетие открытия бозона Хиггса, коллаборации ATLAS и CMS представили новые данные по всестороннему изучению хиггсовского бозона. Увы, никаких сенсаций тут не видно: все измеренные характеристики этой частицы в пределах погрешностей согласуются с предсказаниями Стандартной модели. Подробный рассказ о «портрете» бозона Хиггса можно найти в нашей новости Бозону Хиггса — 10 лет («Элементы», 01.07.2022); ссылки на ключевые статьи и обзорные материалы собраны в краткой новости Физики подводят промежуточные итоги изучения свойств хиггсовского бозона.

Если перейти к другим частицам и явлениям, то тут ситуация вовсе не такая пресная, как в случае бозона Хиггса. Напомним, что после первого сезона работы коллайдера обнаружился целый список очень любопытных отклонений от предсказаний Стандартной модели, которые вызвали у теоретиков настоящий ажиотаж. Тогда казалось, что чуть-чуть поднажать — и перед нами откроется новый уровень описания микромира. Однако второй сеанс коллайдера расставил всё по своим местам, безоговорочно закрыв большинство отклонений. Из всего списка остались лишь загадочные аномалии в распадах B-мезонов. А точнее, не просто остались, но и окрепли; и многие физики сейчас считают эти отклонения главной заявкой коллайдера на открытие Новой физики.

Одно из них касается распадов B-мезонов на D-мезоны и тау-лептон со своим нейтрино, а также на тот же D-мезон плюс мюон со своим нейтрино. Поделив вероятности этих двух распадов друг на друга, можно получить отношение, обозначаемое R(D), которое с высокой точностью предсказывается теоретически. Кроме того, можно изучать и другую пару распадов, при которых в конце появляется возбужденный аналог D-мезона — частица D*. В этом случае отношение обозначается R(D*).

Начиная с 2012 года эксперименты BaBar и Belle на электрон-позитронных коллайдерах, к удивлению многих, начали показывать очень существенные отличия от предсказаний Стандартной модели. По результатам измерений отношения R(D) и R(D*) оказались существенно больше, чем предсказывала теория. На рис. 5 показана совокупная картина измерений этих величин. Можно заметить, что эллипсы, отвечающие каждому эксперименту, лежат в стороне от предсказаний Стандартной модели (черная точка с погрешностями).

Рис. 5. Измерения отношений R(D) и R(D*) в нескольких экспериментах. Точка с погрешностями — предсказание Стандартной модели. Эллипс, подписанный LHCb2022, — результат нового анализа. Красный эллипс — предварительное объединение результатов всех экспериментов, выполненное коллективом HFLAV. График с сайта lhcb-outreach.web.cern.ch

В 2015 году к расследованию этой загадки подключился и LHC, а конкретно — детектор LHCb, специально сконструированный для изучения B-мезонов. В силу особенностей анализа, этому детектору удавалось до сих пор измерить только одну из двух величин — R(D*). Из-за этого результат LHCb был долгое время представлен на этом графике полосой, а не эллипсом. К тому же, из-за больших погрешностей, результаты LHCb не противоречили ни Стандартной модели, ни измерениям BaBar и Belle.

В 2022 году коллаборация LHCb впервые сумела измерить одновременно оба отношения R(D) и R(D*) и добавить к этому графику полноценный эллипс. Оказалось, несмотря на погрешности, что он все-таки заметно отклоняется от Стандартной модели, причем в ту же сторону, что и данные BaBar и Belle. Сообщение об этой работе появилось в октябре, результат был представлен на конференциях, и сейчас коллаборация LHCb готовит к публикации полноценную статью по этим данным. Рабочая группа HFLAV, которая уже много лет занимается объединением таких измерений, включила этот предварительный результат в свой апдейт. Как видно, расхождение между теорией и объединенными данными (красный эллипс на рис. 5) существенное и достигает 3,3 сигма.

Сейчас и LHCb, и Belle набирают новые порции данных, что позволит существенно уменьшить погрешности. В ближайшие годы совершенно определенно можно ожидать важные новости на этом фронте. Если расхождение окрепнет до 5 стандартных отклонений в каждом отдельном эксперименте, появятся все основания заявить о настоящем открытии Новой физики.

Напомним также, что B-мезоны демонстрируют и другие отклонения. Более того, некоторые теоретические исследования утверждали, что некоторые из них могут оказаться разными гранями одного и того же нового эффекта. Эти отклонения тоже держатся несколько лет, не ослабевая. А точнее — держались. Буквально в день написания этой заметки в архиве препринтов появились две новые статьи коллаборации LHCb (короткая 2212.09152 и длинная 2212.09153), которые одним ударом перечеркнули надежды на Новую физику в распадах B-мезона на каоны и лептонную пару. Неприятнее всего в этой истории — узнать, что открытие отменяется вовсе не из-за новых данных, а из-за уточненной методики регистрации электронов и моделирования фона. Новые статьи используют ровно ту же статистику, что и результат LHCb полуторалетней давности (LHCb collaboration, 2022. Test of lepton universality in beauty-quark decays). Но только если раньше наблюдалось отклонение в 3,1σ, то сейчас, на основании тех же данных, обнаружилось полное согласие с предсказаниями Стандартной модели.

Впрочем, надежды на открытие принципиально новых явлений подпитываются не только B-мезонами. В последние месяцы число любопытных отклонений, напоминающих эффекты Новой физики, продолжает неуклонно расти. Некоторые из них касаются поиска необычных распадов с участием бозона Хиггса, другие относятся к явлениям с большими инвариантными массами порядка 1 ТэВ и выше. Статистическая значимость отклонений не слишком велика, да и к тому же они не прошли перекрестную проверку в обоих крупных детекторах, поэтому никаких громких заявлений экспериментаторы пока не делают. Даже физики-теоретики, обжегшись на «открытии-мираже» 2015 года, не слишком бурно реагируют на эти отклонения, предпочитая дождаться новых данных. Их судьба должна проясниться в ходе сеанса Run 3.

Наконец, имеется и большое число результатов, касающихся сильных взаимодействий в разных ситуациях. Так, продолжает бурно развиваться физика многокварковых адронов — тетракварков, пентакварков, дибарионов. Подробное популярное введение в этот раздел физики частиц можно найти в новости Эксперимент LHCb окончательно доказал реальность экзотического мезона Z(4430) («Элементы», 15.04.2014). За последнее десятилетие детекторы Большого адронного коллайдера — как специализированный LHCb, так и универсалы ATLAS и CMS — открыли уже несколько десятков таких частиц. Из достижений 2022 года можно отметить, например, активную программу всех трех экспериментов по изучению тетракварков, полностью состоящих из очарованных кварков (cc-анти-cc). Их впервые обнаружил LHCb два года назад в виде резонансной структуры в процессе рождения двух J/ψ-мезонов, а сейчас в программу исследований включились ATLAS (ATLAS-CONF-2022-040, популярная новость) и CMS (CMS-PAS-BPH-21-003).

Рис. 6. Условное изображение «максимально очарованного» тетракварка, состоящего из двух очарованных кварков и их же антикварков. Рисунок с сайта atlas.cern

Любопытно также, что те же J/ψ-мезоны, открытие которых было отмечено в далеком 1976 году Нобелевской премией по физике, уже давно из самоцели превратились в удобный инструмент исследований сильных взаимодействий. Например, год назад коллаборация CMS обнаружила процесс одновременного рождения сразу трех J/ψ-мезонов, которое происходит за счет независимого столкновения аж трех пар партонов из двух встречных протонов, — редчайший пример чистых многопартонных столкновений (рис. 7). Статья коллаборации принята к печати в Nature Physics и должна появиться в ближайших выпусках журнала.

Рис. 7. Схематичное изображение тройного партонного столкновения, при котором рождаются сразу три J/ψ-мезона. Рисунок с сайта cms.cern

Не остается в стороне и четвертый крупный детектор Большого адронного коллайдера — ALICE. Он заточен под изучение столкновений тяжелых ядер и способен надежно регистрировать тысячи адронов с небольшими поперечными импульсами — задача, перед которой пасуют другие детекторы. Так, в мае этого года в СМИ широко освещался результат, опубликованный коллаборацией ALICE в престижном журнале Nature (ALICE Collaboration, 2022. Direct observation of the dead-cone effect in quantum chromodynamics). Речь идет о прямом наблюдении так называемого эффекта «мертвого конуса» при адронизации (превращении кварков в адроны) — эффекта давно предсказанного, но до сих пор не проверенного из-за сложности восстановления детальной картины адронизации. Популярное изложение работы можно найти в статье На БАКе подтвердили эффект мертвого конуса.

Измерения детектора ALICE ценны и для астрофизики. В статье коллаборации, вышедшей на днях в журнале Nature Physics, сообщается о детальных исследованиях того, как антиядро гелия-3 продирается сквозь обычное вещество. Зарегистрировать легкие антиядра, прилетающие из глубокого космоса, — заветная мечта таких космических детекторов, как AMS-02, собранный в ЦЕРНе и уже свыше десяти лет работающий на Международной космической станции. Дело в том, что антивещества в космосе практически нет, и породить антиядра в обычных космических процессах очень непросто. Антиядра могут, впрочем, появиться при аннигиляции частиц темной материи. Поэтому надежное наблюдение легких космических антиядер может быть сильным аргументом в пользу темной материи и их взаимодействия с обычным частицами. Впрочем, даже если антиядра родятся тем или иным способом, они могут просто проаннигилировать с ядрами межзвездной среды на пути к Земле (рис. 8). В результате возникает задача с множеством плохо известных параметров, и любое лабораторное уточнение этих величин будет очень полезным для астрофизики. Коллаборация ALICE смогла измерить сечение неупругого взаимодействия антиядер гелия-3 с обычным веществом и тем самым уточнила, в какой мере наша Галактика прозрачна для таких ядер.

Рис. 8. Вверху: предполагаемая плотность темной материи в нашей Галактике в зависимости от расстояния (в килопарсеках) до центра Галактики. Внизу: разнообразные механизмы рождения антиядер гелия-3 и их распространения на пути к Земле. Измерения детектора ALICE позволяют уточнить модели распространения антиядер в межзвездной среде. Рисунок из статьи The ALICE Collaboration, 2022. Measurement of anti-3He nuclei absorption in matter and impact on their propagation in the Galaxy

В целом, несмотря на многочисленные трудности и форс-мажорные обстоятельства, исследования на Большом адронном коллайдере продолжаются. Они позволяют человечеству еще четче вглядываться в глубины микромира и в космические дали, а также приручать фундаментальные законы физики на благо человечества.

Игорь Иванов