Исследователи переходят от наладки БАК к полноценным экспериментам

С момента, когда в Большом адронном коллайдере (БАК) начались столкновения протонов с энергией в 3,5 ТэВ, прошел год. За это время от отладочных работ исследователи перешли к научной работе — в частности, неделю назад прошел эксперимент, призванный помочь в изучении природы кварк-глюонной плазмы, материи, существовавшей сразу после возникновения Вселенной.

С 24 по 28 марта физики проводили эксперимент, в ходе которого энергию уменьшили до 1,38 ТэВ. Это было сделано не из-за технических проблем, а для изучения вполне определенного объекта, способного пролить свет на фундаментальные загадки Вселенной — кварк-глюонной плазмы.

БАК может работать в двух режимах — сталкивая либо протоны, либо ядра атомов свинца. «Протонный» режим считается основным, в нем коллайдер работает большую часть времени — он позволяет рассчитывать на обнаружение новых элементарных частиц и проверку существующих теорий. А в ядерном режиме, который задействуется реже, столкновение двух ядер порождает микроскопический сгусток материи, существовавшей в первые мгновения после Большого взрыва.

Высокая энергия сталкиваемых ядер приводит к тому, что они не просто разваливаются на отдельные протоны и нейтроны, как при ядерных реакциях. Энергии хватает на то, чтобы на доли секунды высвободить из них отдельные кварки. В получившемся сгустке нет ни ядер атомов, ни протонов — только кварки и связывающие их вместе глюоны (glue — «клей», отсюда и название частиц, «склеивающих» первокирпичики материи).

Изучая то, что получается при исчезновении кварк-глюонной плазмы (саму ее нельзя увидеть из-за малого времени жизни), можно вернуться в момент формирования Вселенной. Почему обычных частиц много больше, чем антиматерии, почему Вселенная во всех направлениях примерно одинакова, почему вначале она состояла почти целиком из водорода — ответы на эти вопросы можно искать не только с помощью наблюдений в космосе, но и непосредственно в эксперименте. Но в опытах ученым приходится решать несколько проблем.

Во-первых, в ядре свинца помимо 82 протонов еще 124 нейтрона, которые электромагнитное поле ускорителя «зацепить» не может в принципе. Разгонять связку протонов с нейтронами все равно что разгонять машину с буксируемым прицепом, поэтому дойти до отметки мощности в 3,5 ТэВ на частицу уже нельзя. Только 1,38 ТэВ — из-за падения эффективности в 82/(82+124) раза. Во-вторых, важно отличать эффекты, связанные с кварк-глюон­ной плазмой, от эффектов, возникающих при столкновении одиночных протонов с той же энергией. Для этого ученым и требуется сначала столкнуть множество отдельных протонов, а потом перейти к опытам с ядрами — все новые эффекты будут связаны с этим переходом.

«Столкновения ядер с энергией 1,38 ТэВ в расчете на каждый нуклон на LHC уже проводились, а столкновений отдельных протонов еще не было. Поэтому до сих пор протонные данные приходилось интерполировать между большими и малыми энергиями, что служило дополнительным источником погрешности. Сейчас же физики получат возможность устранить эту погрешность и тем самым сделать исследования кварк-глюонной плазмы более точными», — говорит Игорь Иванов, физик-теоретик из университета Льежа и ведущий раздела LHC на научно-популярном сайте elementy.ru.

По завершении такого «проходного» эксперимента последовала временная остановка коллайдера, в ходе которой в очередной раз было перенастроено оборудование для продолжения работы. Первая неделя апреля уйдет на отработку запуска в большое кольцо коллайдера протонных пучков — спешить ученые не планируют, невзирая на грядущую через год остановку всего LHC на годовой ремонт.

Что вполне понятно — один протон в LHC по своей энергии проигрывает летящему комару, а вот сгусток из таких протонов уже способен не просто пробить насквозь метровую стену из любого известного человечеству материала. Энергия, которая запасена в пучках коллайдера, работающего в штатном режиме, сопоставима с энергией медленно плывущего авианосца: ее хватит на моментальное расплавление тонны меди! Кроме безопасности от точности управления пучками зависит и возможность получить новые результаты — чем точнее свели вместе летящие навстречу друг другу частицы, тем больше шанс увидеть редкие процессы при их столкновении.

Кстати, сталкивается лишь мизерная часть протонов из пучка. Даже спустя несколько суток число частиц, «выбывших» за счет столкновений, очень мало — и раз в несколько десятков часов все их выбрасывают из коллайдера при помощи специальной системы вывода пучка. Магниты разворачивают протоны в штольню, заполненную графитовыми блоками, которые от этого разогреваются, но не плавятся и берут удар на себя.

После столкновений протонов с протонами и ядер свинца с ядрами свинца физики планируют провести и комбинированную серию — ядра атомов встретят одиночные частицы. Такое сочетание позволит окончательно отделить эффекты кварк-глюонной плазмы от всех прочих.

Московские новости