Рейтинг@Mail.ru
Ловушка для антивещества. Физики перезапустили Большой адронный коллайдер - РИА Новости, 04.07.2022
Регистрация пройдена успешно!
Пожалуйста, перейдите по ссылке из письма, отправленного на
Детектор ALICE

Ловушка для антивещества

Физики перезапустили Большой адронный коллайдер
Владислав Стрекопытов
После трехлетнего перерыва в ЦЕРН вновь заработал Большой адронный коллайдер. О том, как изменился крупнейший в мире ускоритель, новых планах и ожиданиях ученых — в материале РИА Новости.
В тоннеле ATLAS, 23 сентября 2021
В тоннеле Большого адронного коллайдера, 23 сентября 2021
Подтверждение Стандартной модели
Десять лет назад, 4 июля 2012-го, в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) объявили об открытии бозона Хиггса. Это была последняя до тех пор не обнаруженная элементарная частица из предсказанных теоретически. Собственно, в том и заключалось предназначение Большого адронного коллайдера (БАК), запущенного в 2008-м, — подтвердить Стандартную модель или обнаружить какие-то отклонения от нее.
Эксперимент на детекторе CMS по поиску бозона Хиггса
Схема эксперимента на детекторе CMS большого адронного коллайдера по поиску бозона Хиггса
С первой частью задачи БАК справился прекрасно. Исследователи не только зарегистрировали квант поля Хиггса, необходимый для объяснения того, как другие частицы получают массу, но и с большой точностью определили его параметры. После этого был целый ряд более мелких открытий: изучили основные статистические характеристики протонных столкновений, показали отсутствие асимметрии протонов и антипротонов, получили доказательства существования кварк-глюонной плазмы. Но продвинуться за пределы традиционной теории так и не удалось.
В поисках новой физики
Стандартная модель, разработанная в начале 1970-х, утверждает, что обычная материя состоит из легких частиц, называемых кварками, которые, объединяясь, образуют протоны и нейтроны, а также из лептонов — электронов, мюонов и нейтрино. Все они связаны бозонами: фотоны передают электромагнитные кванты, W- и Z-бозоны — слабое взаимодействие, глюоны — сильное.
Но этой модели недостаточно. Из четырех известных фундаментальных типов взаимодействий, управляющих всем, от микромира до галактик, — электромагнитного, сильного, слабого и гравитационного — она объясняет только первые три, не охватывает темную материю и темную энергию, а с Общей теорией относительности, описывающей гравитацию, вообще не стыкуется.
Фермионы и бозоны
Классификация элементарных частиц в соответствии со Стандартной моделью
Есть и другие вопросы. Так, согласно Стандартной модели, нейтрино — невесомые частицы. Тем не менее эксперименты показали, что у них есть масса. Кроме того, предполагается симметрия материи и антиматерии, хотя очевидно, что последней во Вселенной ничтожно мало. Ученые надеялись, что Большой адронный коллайдер поможет хотя бы частично снять эти противоречия.
Проектная мощность БАК почти в семь раз превышает энергию любого другого ускорителя, поэтому на нем рассчитывали увидеть образование новых, ранее неизвестных частиц. В том числе предсказанных гипотезой суперсимметрии, по которой у всех элементарных частиц есть суперпартнеры с другим моментом импульса — спиновым числом.
Бозон Хиггса зарегистрировали относительно быстро. Отчасти потому, что он оказался менее массивным, чем предсказывала теория, и для его образования потребовалась меньшая мощность коллайдера. Но за последующие десять лет физики не обнаружили ни одной новой частицы. К тому же наблюдения за распадом В-мезонов — составных частиц из равного числа кварков и антикварков — не выявили суперсимметрии. Впрочем, физики указывают, что Большой адронный коллайдер еще не вышел на полную мощность и, возможно, главные открытия еще впереди.
После трех лет модернизации БАК приступает к третьему циклу исследований из пяти, запланированных до 2040 года. Первый провели в 2010-2012-м, второй — 2015-2018-м. Между ними также занимались модернизацией.
Циклы работы БАКЦиклы работы БАК
Больше энергии и данных
Коллайдер представляет собой подземное кольцо из вакуумных труб длиной 26,7 километра. Частицами управляют с помощью электромагнитных устройств. Ускорительный комплекс разгоняет пучки протонов и направляет их навстречу друг другу. Вероятность столкновений ничтожно мала, но иногда эти события все же происходят. Исследователи наблюдают за частицами, возникающими в результате этих ударов, и корректируют по ним законы физики.
Важнейшие характеристики ускорителя — энергия потока и количество столкновений на квадратный сантиметр сечения. Первый параметр особенно важен, так как чем выше энергия, тем более массивные частицы образуются после удара. Ученые рассчитывают на открытия именно в сверхтяжелом диапазоне, поэтому последовательно увеличивают энергию потока. В первом цикле было семь-восемь тераэлектронвольт (ТэВ), втором — 13, сейчас подняли до 13,6.
Кроме того, модернизировали четыре основных детектора — ALICE, ATLAS, CMS и LHCb, на каждом из которых проводят самостоятельные эксперименты, — и три вспомогательных. Добавили и два новых, специально предназначенных для поиска явлений, не укладывающихся в Стандартную модель, а также усовершенствовали и саму технологию наблюдений. Теперь коллайдер будет работать с постоянной частотой, что должно увеличить поток данных в полтора раза.
Детекторы БАКДетекторы БАК
Направления определены
Ученые уже накопили солидный список расхождений между наблюдениями и предсказаниями Стандартной модели. Именно в этом направлении и продолжат работу в течение следующих трех лет.
Так, на детекторе LHCb обнаружили, что B-мезоны — частицы, содержащие нижний и прелестный кварки, примерно на 15 процентов чаще распадаются на электрон и позитрон, чем на мюон и антимюон. Это противоречит Стандартной модели. Различие можно объяснить гипотетическими тяжелыми частицами — лептокварками.
Два варианта распада одной из разновидностей В-мезонов, состоящих из тяжелого b-кварка и легкого d-антикварка с образованием К-мезона (каона), состоящего из s-кварка и d-антикварка. В первом случае при распаде b-кварка образуется пара противоположно заряженных мюонов, во втором — пара электрон — позитрон
Два варианта распада одной из разновидностей В-мезонов, состоящих из тяжелого b-кварка и легкого d-антикварка с образованием К-мезона (каона), состоящего из s-кварка и d-антикварка. В первом случае при распаде b-кварка образуется пара противоположно заряженных мюонов, во втором — пара электрон — позитрон
В других экспериментах также получили намеки на существование лептокварков или других частиц. На это указывают разность в скорости распада бозона Хиггса на мюон и антимюон, а также более высокая намагниченность мюона, чем предсказывает теория.
В марте исследователи CMS опубликовали сразу три доклада, посвященных явлениям, которые выходят за рамки Стандартной модели. Во-первых, речь идет о так называемых векторных лептонах, при распаде которых образуется избыток нижних кварков и тау-лептонов. Во-вторых — о двух новых частицах, распадающихся на два тау-лептона на верхнем пределе энергии потока. И в-третьих — о потенциальных высокоэнергетических частицах, рождающихся парами и распадающихся на пары (диджетах).
Недавно ученые из коллаборации ATLAS в результатах триллионов столкновений, зафиксированных за три года, нашли семь частиц с энергией около 1,4 ТэВ. Это примерно в восемь раз больше, чем у самой тяжелой известной частицы.
На всех трех детекторах продолжат поиски в намеченных направлениях. Четвертый — ALICE — предназначен для изучения кварк-глюонной плазмы — горячего плотного "супа" из элементарных частиц, образовавшегося в результате столкновений тяжелых ионов. Считается, что в таком виде находилось вещество Вселенной сразу после Большого взрыва.
В первых двух циклах работы БАК ученые подтвердили, что похожее состояние материи возникает при столкновении ионов свинца. После модернизации ALICE сможет фиксировать в сто раз больше событий, чем раньше, а благодаря усовершенствованной электронике — точнее определять температуру плазмы и содержание в ней кварков различного типа.
© 2019 CERNДетектор ALICE
Детектор ALICE
Детектор ALICE
© 2021 CERNДетектор ALICE
Детектор ALICE
Детектор ALICE
© 2015 CERNОдно из первых столкновений ядер свинца, зарегистрированное детектором ALICE в ноябре 2010-го
Одно из первых столкновений ядер свинца, зарегистрированное детектором ALICE в ноябре 2010-го
Одно из первых столкновений ядер свинца, зарегистрированное детектором ALICE в ноябре 2010-го
1.
Детектор ALICE
2.
Детектор ALICE
3.
Одно из первых столкновений ядер свинца, зарегистрированное детектором ALICE в ноябре 2010-го
С 22 апреля обновленный Большой адронный коллайдер работал в тестовом режиме. Физики настраивали пучки заряженных частиц, добиваясь стабильности потоков. Ожидается, что 5 июля включатся все основные детекторы и начнется сбор данных.
 
 
 
Лента новостей
0
Сначала новыеСначала старые
loader
Онлайн
Заголовок открываемого материала
Чтобы участвовать в дискуссии
авторизуйтесь или зарегистрируйтесь
loader
Чаты
Заголовок открываемого материала