Ученые надеются, что новый запуск БАК позволит им рзаглянуть за границы Стандартной модели

После ремонта, вызванной неполадками в работе электрической сети, Большой адронный коллайдер в воскресенье был запущен вновь – впервые с 2013 года, с удвоенной мощностью.

По мнению ученых, при помощи коллайдера в ближайшем будущем они смогут приблизиться к разгадке существования “темной материи”.

Пучки частиц уже совершили несколько кругов по параллельному двойному тоннелю коллайдера, однако первые результаты этой работы нужно ожидать нескоро. Столкновения начнут происходить примерно через месяц, тогда же коллайдер достигнет ожидаемой мощности в 13 триллионов элетронвольт.

Во время запуска с удвоенной энергией ученые надеются заглянуть за пределы Стандартной модели.

Большая неизвестность

Ученые планируют впервые выявить так называемые суперсимметричные частицы, или глюино. Если они появятся в коллайдере, это станет первым непосредственным эмпирическим подтверждением существования “темной материи”, которая теоретически предсказана в рамках принятой в настоящее время научным сообществом модели Вселенной.

Стандартная модель физики описывает 17 субатомных частиц, в том числе 12 фермионов и 5 бозонов, последний из которых, бозон Хиггса, был обнаружен во время предыдущего запуска коллайдера в 2012 году.

Профессор Тара Ширс из университета Ливерпуля, работающая на БАК, сказала Би-би-си: “В каждой части любого эксперимента, который мы когда-либо проводили, мы ожидали большого открытия. Но теперь это особенно актуально, потому что с открытием бозона Хиггса во время прошлого запуска, мы обнаружили все то, что наша теория только предсказывала”.

Стремясь объяснить некоторые загадочные свойства Вселенной, были предложены теории, лежащие за пределами Стандартной модели. Однако доказательства этих идей пока не найдены.

Автор фото, Reuters

Ученые советуют запастись терпением

Это и “темная энергия” – всепроникающая сила, позволяющая Вселенной расширяться; и темная материя – “паутина”, удерживающая видимую материю на месте и объясняющая, почему галактики вращаются быстрее чем предполагали ученые.

Если теория суперсимметрии найдет свои доказательства во время запуска БАК, некоторые пробелы в знаниях будут заполнены.

Ожидание

Проводя невиданный ранее эксперимент, когда во время столкновения частиц в БАКе создается температура, невиданная со времен Большого взрыва, физики надеются найти что-то, что даст ответы на их вопросы.

Но самое главное – остаточный продукт, который надеются зафиксировать ученые. Это нейтралино, наиболее легкая и стабильная суперчастица. Согласно теории, именно она является главным компонентом темной материи, она поможет решить проблему скрытой массы, которая необходима для объяснения связи галактик, но не выявляется при помощи телескопов.

Не раньше мая физики получат доступ к новой информации, и только тогда может начаться её анализ.

Стивен Голдфарб, работающий в научной группе Atlas, предостерегает от слишком больших ожиданий. Он работал на предыдущей версии коллайдера, который был запущен в 1989 году и говорит, что и тогда ученые ожидали найти доказательства теории суперсимметрии и бозон Хиггса.

“Многое из того, что мы искали тогда, мы ищем и сейчас, – говорит он. – В конце концов, мы получаем все более и более точные данные о Стандартной модели. Мы смогли выставить границы, благодаря которым был найден бозон Хиггса. Но пока мы не сделали ни одного открытия, которое стало бы прорывом”.

“Это станет нашей задачей на несколько ближайших лет”, – добавляет он.

По словам ученого, теперь работа будет носить скорее исследовательский характер. “Мы просим вас запастись терпением! Ведь это и есть наша основная работа”, – говорит Голдфарб.

LHC готовится к новым достижениям

После выдающейся работы Большой адронный коллайдер (LHC), ускорительный комплекс и эксперименты теперь останавливаются на два года для значительных улучшений и обновлений.

Женева, 3 декабря 2018 г. Рано утром операторы Центра управления ЦЕРН выключили Большой адронный коллайдер (БАК), положив конец очень успешному второму запуску самого мощного в мире ускорителя элементарных частиц. Акселераторный комплекс ЦЕРН будет остановлен примерно на два года, чтобы можно было провести капитальные работы по модернизации и ремонту.

Во время этого второго сеанса (2015–2018 гг.) LHC превзошел все ожидания, достигнув примерно 16 миллионов миллиардов протон-протонных столкновений при энергии 13 ТэВ и больших наборов данных для столкновений свинца со свинцом при энергии 5,02 ТэВ. Эти коллизии привели к возникновению огромного количества данных, более 300 петабайт (300 миллионов гигабайт) в настоящее время постоянно заархивированы в ленточных библиотеках центра обработки данных CERN. Это эквивалент 1000 лет потокового видео в режиме 24/7! Анализируя эти данные, эксперименты на LHC уже дали большое количество результатов, расширяющих наши знания в области фундаментальной физики и Вселенной.

«Второй запуск LHC был впечатляющим, поскольку мы смогли превзойти наши цели и ожидания, предоставив в пять раз больше данных, чем во время первого запуска, с беспрецедентной энергией 13 ТэВ», – говорит Фредерик Бордри, директор CERN. Ускорители и технологии. «С началом этого второго длительного останова мы подготовим машину к еще большему количеству столкновений при расчетной энергии 14 ТэВ».

«Помимо многих других прекрасных результатов, за последние несколько лет эксперименты на LHC сделали огромный прогресс в понимании свойств бозона Хиггса», – добавляет Фабиола Джанотти, генеральный директор ЦЕРН.«Бозон Хиггса – особая частица, сильно отличающаяся от других наблюдаемых до сих пор элементарных частиц; его свойства могут дать нам полезные сведения о физике за пределами Стандартной модели ».

Краеугольный камень Стандартной модели физики элементарных частиц – теории, которая лучше всего описывает элементарные частицы и силы, связывающие их вместе – бозон Хиггса был открыт в ЦЕРНе в 2012 году и с тех пор изучается. В частности, физики анализируют то, как он распадается или превращается в другие частицы, чтобы проверить предсказания Стандартной модели.За последние три года эксперименты на LHC расширили измерения скорости распадов бозона Хиггса, включая наиболее распространенный, но трудно обнаруживаемый распад на нижние кварки и редкое образование бозона Хиггса в сочетании с верхними кварками. Эксперименты ATLAS и CMS также представили обновленные измерения массы бозона Хиггса с лучшей на сегодняшний день точностью.

Помимо бозона Хиггса, эксперименты на LHC привели к широкому спектру результатов и сотням научных публикаций, включая открытие экзотических новых частиц, таких как Ξcc ++ и пентакварки, в эксперименте LHCb, а также открытие пока еще ненаблюдаемых явлений в протонах. столкновения протонов и протонов со свинцом в ALICE.

Во время двухлетнего перерыва Long Shutdown 2 (LS2) весь ускорительный комплекс и детекторы будут усилены и модернизированы для следующего запуска LHC, начиная с 2021 года, а также для проекта High-Luminosity LHC (HL-LHC), который начнет работать после 2025 года. Увеличение яркости LHC означает получение гораздо большего количества данных.

«Богатый урожай второго запуска позволяет исследователям искать очень редкие процессы», – объясняет Экхард Эльсен, директор по исследованиям и вычислениям в CERN.«Они будут заняты на протяжении всего останова, исследуя огромную выборку данных на предмет возможных признаков новой физики, которая не имела возможности проявиться в результате доминирующего вклада процессов Стандартной модели. Это приведет нас к HL-LHC, когда выборка данных увеличится еще на порядок ».

Некоторые компоненты цепи ускорителя (инжекторы), которые питают LHC протонами, будут обновлены для получения более интенсивных пучков. Первое звено в этой цепочке, линейный ускоритель Linac2, будет заменено на Linac4.Новый линейный ускоритель будет ускорять ионы H−, которые позже превращаются в протоны, что позволяет получать более яркие пучки. Второй ускоритель в цепочке, Proton Synchrotron Booster, будет оснащен совершенно новыми системами впрыска и ускорения. Супер протонный синхротрон (SPS), последний инжектор перед LHC, будет иметь новую мощность радиочастоты для ускорения более интенсивных лучей и будет подключен к модернизированным линиям передачи.

Некоторые улучшения LHC также запланированы на LS2.Обходные диоды – электрические компоненты, которые защищают магниты в случае гашения – будут экранированы в качестве предварительного условия для увеличения энергии пучка LHC до 7 ТэВ после LS2, и будет заменено более 20 основных сверхпроводящих магнитов. Кроме того, продолжатся строительные работы для HL-LHC, начатые в июне 2018 года, новые галереи будут подключены к туннелю LHC, и впервые будут испытаны новые мощные магниты и сверхпроводящие технологии.

Все эксперименты на LHC модернизируют важные части их детекторов в следующие два года.Практически весь эксперимент LHCb будет заменен более быстрыми компонентами детектора, которые позволят коллаборации регистрировать события с полной протон-протонной скоростью. Точно так же ALICE модернизирует технологию своих детекторов слежения. ATLAS и CMS будут улучшены и начнут готовиться к большим экспериментам по обновлению HL-LHC.

протонов возобновятся весной 2021 года с третьим запуском LHC.

Подробнее:

Ссылка на новости CMS
Ссылка на новости LHCb
Ссылка на новости ATLAS

Сноски

Заключительный этап трассы LHC для протонов в 2018 г.

Прогон протонов LHC завершился в среду, 24 октября, с отличным результатом в 160 фб-1 данных, накопленных с начала 2015 года.

Сегодня протоны попрощались с Большим адронным коллайдером на последнем круге трассы.В 6 часов утра балки из насыпи № 7334 были выброшены в сторону балочных отвалов. Это был последний запуск протонов с LHC до 2021 года, так как ускорительный комплекс ЦЕРН будет закрыт с 10 декабря для проведения полной реконструкции.

Теперь пришло время ученым, которые считывают показания счетчика столкновений, сделать первую оценку.Интегрированная светимость в 2018 году (или количество столкновений, которые могут произойти в течение 2018 года) достигла 66 обратных фемтобарнов (fb ^-1 ) для ATLAS и CMS, что на 6 пунктов лучше, чем ожидалось. В два эксперимента было доставлено около 13 миллионов миллиардов потенциальных столкновений. LHCb накопил 2,5 fb ^-1 , что больше, чем прогнозировалось 2,0, а ALICE – 27 обратных пикобарн. Замечательная эффективность LHC в этом году объясняется отличной эксплуатационной готовностью машины и мгновенной яркостью, которая регулярно превышает номинальное значение.С начала второго сеанса при энергии столкновения 13 ТэВ интегральная светимость составила 160 фб ^-1 , что выше ожидаемых 150 фб ^-1 .

Однако это не означает, что запуски LHC в этом году завершены. Шоу продлится еще четыре недели, в течение которых коллайдер осваивает другой вид частиц, ионы свинца (атомы свинца, которые были ионизированы, то есть у них были удалены электроны). После нескольких дней машинных испытаний команды введут эти тяжелые ионы в инжекторы, которые были подготовлены в течение последних месяцев.Столкновения ионов свинца позволяют проводить исследования кварк-глюонной плазмы, состояния вещества, которое, как считается, существовало через несколько миллионных долей секунды после Большого взрыва.

Проявлена ​​ли новая призрачная частица на Большом адронном коллайдере? | Физика элементарных частиц

Ученые лаборатории ядерной физики Cern недалеко от Женевы исследуют, не возникла ли странная и неожиданная новая частица во время экспериментов на Большом адронном коллайдере.

Исследователи многоцелевого детектора на компактных мюонных соленоидах (CMS) обнаружили в своих данных любопытные неровности, которые могут быть визитной карточкой неизвестной частицы, масса которой более чем в два раза превышает массу атома углерода.

Перспектива появления такой загадочной частицы озадачила физиков так же сильно, как и взволновала их. На данный момент ни одна из их любимых теорий реальности не включает частицы, хотя многие теоретики сейчас усиленно работают над моделями, которые включают.

«Я бы сказал, что теоретики взволнованы, а экспериментаторы настроены очень скептически, – сказал Александр Никитенко, теоретик из команды CMS, работавший с данными.«Как физик я должен быть очень критичным, но как автор этого анализа я тоже должен иметь некоторый оптимизм».

Старшие ученые лаборатории запланировали на этот четверг беседу, на которой Никитенко и его коллега Йотам Сорек обсудят работу. Они расскажут, как они заметили неровности в данных CMS при поиске свидетельств более легкого родственника бозона Хиггса, неуловимой частицы, обнаруженной на LHC в 2012 году.

Большой адронный коллайдер создает частицы, разбивая субатомные протоны в одну другой со скоростью, близкой к скорости света.Когда протоны встречаются, энергия столкновения преобразуется в массу, и частицы, в соответствии с уравнением Эйнштейна, E = mc ² .

Многие частицы, созданные в LHC, очень нестабильны и сразу же распадаются на более легкие и более стабильные частицы, такие как фотоны и электроны. Физики стремятся находить новые частицы, ища избыток этих частиц, который проявляется в виде выпуклости в данных. Например, один из способов, которым бозон Хиггса выдал свое существование, заключался в необычно большом количестве фотонов, зарегистрированных в столкновениях, в которых была создана частица.

Но физика элементарных частиц – нелегкое занятие. К бесконечному разочарованию его практиков, все время возникают скачки в данных, порожденные не чем иным, как статистическими колебаниями. Лучший способ отличить эти открытия от открытий, удостоенных Нобелевской премии, – это анализировать все больше и больше данных: статистические случайности со временем исчезают.

В двух отдельных анализах команда CMS обнаружила данные, указывающие на накопление мюонов или тяжелых электронов в их детекторе. Если это правда, данные указывают на новую частицу с массой 28 ГэВ или 1 миллиард электрон-вольт, что чуть меньше четверти массы бозона Хиггса.Как бы то ни было, это не та частица, которую искали Никитенко и его коллеги.

Чтобы еще больше усложнить ситуацию, удары были более выражены в столкновениях с низкой энергией LHC, чем в столкновениях с большей энергией, которые машина выполняла после модернизации. По словам Никитенко, это можно объяснить, если при более высоких энергиях образуется больше «фоновых» частиц, которые затем заглушают сигнал.

Поскольку анализ занимает много времени, команде CMS может потребоваться еще год, чтобы подтвердить или исключить существование новой частицы.Но Карл Якобс, представитель группы Cern, которая работает над Atlas, другим многоцелевым детектором LHC, сказал, что он проверяет свои собственные данные на наличие признаков предполагаемой частицы. «Мы работаем над аналогичным анализом данных Атласа, однако я пока не могу назвать вам график, когда результаты станут общедоступными», – сказал он.

Для «Атласа» результат был «решающим», сказал Никитенко. «Если это подтвердит Атлас, это будет реальность. Это будет действительно что-то ужасно новое.”

Одно независимое исследование уже сообщило о потенциальных доказательствах наличия частицы. Арно Хейстер, бывший член команды CMS, который знал о неровностях данных, проанализировал более старые результаты, собранные Aleph, детектором на предыдущем ускорителе частиц Cern, известном как Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP). Он обнаружил похожую шишку на 30 ГэВ. «Это превышение, если оно реально, является чем-то очень неожиданным», – сказал он Guardian.

Георг Вейгляйн, теоретик немецкой электронно-синхротронной машины (DESY), сказал, что будет трудно придумать модель, в которой есть частица, подобная той, которую требует удар CMS.«Это не исключает возможности того, что такой сигнал действительно может существовать. Напротив, было бы еще более захватывающе, если бы наблюдался сигнал, который, кажется, не соответствует нашим нынешним моделям », – сказал он. «С нетерпением ждем дальнейшей экспериментальной информации».

Микеланджело Мангано, исследователь из Cern, сказал: «Конечно, теоретики всегда счастливы, когда в данных обнаруживается какая-то аномалия. И я уверен, что многие коллеги начали этим заниматься. Однако радоваться рано.

«Учитывая, что Atlas еще не опубликовал свой анализ, и учитывая, что на магнитной ленте есть гораздо больше данных, очевидно, что эффект скоро будет подтвержден или ослаблен», – сказал он.

Десять лет открытий Большого адронного коллайдера – это только начало расшифровки Вселенной

Десять лет! Десять лет с момента начала эксплуатации Большого адронного коллайдера (БАК), одной из самых сложных машин, когда-либо созданных. LHC – это крупнейший в мире ускоритель элементарных частиц, расположенный в 100 метрах под землей Франции и Швейцарии с протяженностью 17 миль в окружности.

10 сентября 2008 года протоны, центр атома водорода, впервые прошли циркуляцию вокруг ускорителя LHC. Однако волнение было недолгим, потому что 22 сентября произошел инцидент, повредивший более 50 из более чем 6000 магнитов БАК, которые имеют решающее значение для поддержания протонов, движущихся по круговой траектории. Ремонт занял больше года, но в марте 2010 года на LHC начались столкновения протонов. LHC – это жемчужина ЦЕРНа, европейской лаборатории физики элементарных частиц, которая была основана после Второй мировой войны как способ воссоединить и восстановить науку в охваченной войной Европе.Сейчас там проводят эксперименты ученые шести континентов и 100 стран.

Вам может быть интересно, что делает LHC и почему это так важно. Отличные вопросы. LHC сталкивает два пучка протонов вместе при самых высоких энергиях, когда-либо достигнутых в лаборатории. Шесть экспериментов, расположенных вокруг 17-мильного кольца, изучают результаты этих столкновений с массивными детекторами, встроенными в подземные пещеры. Вот что, но почему? Цель состоит в том, чтобы понять природу самых основных строительных блоков вселенной и то, как они взаимодействуют друг с другом.Это фундаментальная наука в самой своей основе.

БАК не разочаровал. Одно из открытий, сделанных с помощью LHC, включает в себя долгожданный бозон Хиггса, предсказанный в 1964 году учеными, работающими над объединением теорий двух фундаментальных сил природы.

Я работаю над одним из шести экспериментов на LHC – экспериментом с компактным мюонным соленоидом, предназначенным для обнаружения бозона Хиггса и поиска признаков ранее неизвестных частиц или сил.Мое учреждение, Университет штата Флорида, присоединилось к коллаборации с компактным мюонным соленоидом в 1994 году, когда я был молодым аспирантом другой школы и работал над другим экспериментом в другой лаборатории. Планирование LHC началось в 1984 году. LHC было сложно построить и дорого – 10 миллиардов евро – и потребовалось 24 года, чтобы воплотить его в жизнь. Сейчас мы празднуем 10 лет с момента начала работы LHC.

Открытия с LHC

Самым значительным открытием, которое предстоит сделать на LHC, является открытие бозона Хиггса 4 июля 2012 года. Объявление было сделано в ЦЕРНе и привлекло внимание мировой аудитории. Фактически, мы с женой смотрели его через интернет-трансляцию на большом экране телевизора в нашей гостиной. Поскольку анонс был в 3 а.м. По времени Флориды, мы пошли на блины в IHOP, чтобы потом отпраздновать это событие.

Бозон Хиггса был последней оставшейся частью того, что мы называем стандартной моделью физики элементарных частиц. Эта теория охватывает все известные фундаментальные частицы – 17 из них – и три из четырех сил, посредством которых они взаимодействуют, хотя гравитация еще не включена. Стандартная модель – это невероятно хорошо проверенная теория. Двое из шести ученых, разработавших часть стандартной модели, предсказывающую бозон Хиггса, в 2013 году получили Нобелевскую премию.

Меня часто спрашивают, почему мы продолжаем проводить эксперименты, сталкивая протоны, если мы уже открыли бозон Хиггса? Разве мы не закончили? Что ж, еще многое предстоит понять. Есть ряд вопросов, на которые стандартная модель не отвечает. Например, исследования галактик и других крупномасштабных структур во Вселенной показывают, что материи намного больше, чем мы наблюдаем.Мы называем это темной материей, потому что не видим ее. На сегодняшний день наиболее распространенное объяснение состоит в том, что темная материя состоит из неизвестной частицы. Физики надеются, что БАК сможет создать эту загадочную частицу и изучить ее. Это было бы потрясающим открытием.

Буквально на прошлой неделе коллаборации ATLAS и Compact Muon Solenoid объявили о первом наблюдении распада бозона Хиггса на нижние кварки. Бозон Хиггса распадается по-разному – некоторые редко, некоторые часто.Стандартная модель делает прогнозы о том, как часто происходит каждый тип распада. Чтобы полностью протестировать модель, нам нужно наблюдать все предсказанные распады. Наше недавнее наблюдение согласуется со стандартной моделью – еще один успех.

Еще вопросы, впереди еще ответы

Во Вселенной есть много других загадок, и нам могут потребоваться новые теории физики для объяснения таких явлений – например, асимметрия материи / антиматерии, чтобы объяснить, почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии, или проблему иерархии, чтобы понять почему гравитация намного слабее других сил.

Но для меня поиск новых необъяснимых данных важен, потому что каждый раз, когда физики думают, что мы все это выяснили, природа преподносит сюрприз, который ведет к более глубокому пониманию нашего мира.

LHC продолжает тестирование стандартной модели физики элементарных частиц.Ученые любят, когда теория соответствует данным. Но обычно мы узнаем больше, когда они этого не делают. Это означает, что мы не до конца понимаем, что происходит. И это для многих из нас является будущей целью LHC: найти доказательства того, чего мы не понимаем. Существуют тысячи теорий, предсказывающих новую физику, которую мы не наблюдали. Какие правильные? Нам нужно открытие, чтобы узнать, верны ли они.

ЦЕРН планирует продолжить работу на LHC еще долгое время. Мы планируем модернизацию ускорителя и детекторов, чтобы он проработал до 2035 года.Непонятно, кто выйдет на пенсию первым, я или LHC. Десять лет назад мы с нетерпением ждали первых пучков протонов. Сейчас мы заняты изучением огромного количества данных и надеемся на сюрприз, который приведет нас на новый путь. С нетерпением жду следующих 20 лет.

Внутри планов китайского мега-коллайдера, который превзойдет LHC

Ван Ифан руководит Институтом физики высоких энергий в Пекине Фото: Тим Крамер / Рурский университет Бохума

Физики из Пекинского института физики высоких энергий (ИФВЭ) создают крупнейший в мире измельчитель частиц.В случае строительства объект с окружностью 100 км затмил бы 27-километровый Большой адронный коллайдер (LHC) в ЦЕРНе, европейской лаборатории физики элементарных частиц недалеко от Женевы, Швейцария, и стоил бы примерно вдвое дешевле.

Амбициозный объект стоимостью 30 миллиардов юаней (4,3 миллиарда долларов США), известный как Круговой электронно-позитронный коллайдер (CEPC), является детищем директора ИФВЭ Ван Ифана. Он возглавляет этот проект с момента открытия элементарной частицы, называемой бозоном Хиггса, на LHC в 2012 году.

CEPC будет производить бозоны Хиггса, сталкивая электроны и их аналоги из антивещества, позитроны. Поскольку это фундаментальные частицы, их столкновения чище и легче поддаются расшифровке, чем протон-протонные столкновения LHC, поэтому, как только китайский объект откроется, примерно в 2030 году, он позволит физикам изучать загадочную частицу и ее распад в изысканном виде. деталь.

На прошлой неделе ИФВЭ опубликовал отчет об основных этапах разработки коллайдера.Первоначальное финансирование исследований и разработок поступило от правительства Китая, но разработка является результатом международного сотрудничества физиков, и команда надеется получить финансирование со всего мира. (Исследователи, стоящие за давно запланированным конкурентом «фабрикой Хиггса», известной как Международный линейный коллайдер, ожидают узнать к концу этого года, потратит ли Япония деньги на его размещение.)

Чертежи показывают, что китайский коллайдер будет работать. в круге на глубине 100 метров под землей в месте, которое еще предстоит определить, и разместить два детектора.По истечении десятилетнего срока службы электронно-позитронная машина может быть модернизирована для столкновения протонов с энергиями, в семь раз превышающими энергию БАК на его пике. В преддверии публикации отчета агентство Nature поговорило с Вангом о проекте.

После шести лет проектных работ международная комиссия экспертов заявляет, что коллайдер готов к работе. Строительство может начаться уже в 2022 году. Что происходит сейчас?

В данный момент мы работаем над технологическими исследованиями и разработками (R&D).Никто раньше не строил такой большой машины, и мы хотим минимизировать затраты. Его технические характеристики отличаются от характеристик любой другой машины в мире в прошлом, и мы должны доказать, что это возможно.

Два года назад международный консультативный комитет коллайдера заявил, что в проекте не участвует международное сообщество. Есть ли прогресс в этом направлении?

Существенных изменений не произошло, поскольку международное участие по-прежнему ограничено финансовыми обязательствами международных партнеров.Все они заинтересованы, но им нужно получить поддержку от своих финансирующих агентств. Они ждут, чтобы услышать позицию китайского правительства о том, финансировать ли это, и это решение зависит от результатов НИОКР. Но CERN работает над новой европейской стратегией физики элементарных частиц, поэтому мы надеемся, что на этот раз CEPC может быть включен. Аналогичный процесс произойдет в Соединенных Штатах, вероятно, в следующем или 2020 году. Мы надеемся, что он будет включен в оба.

Китайский коллайдер, работающий в 2030-х годах, будет напрямую конкурировать с собственными планами ЦЕРН по созданию преемника LHC.Как вы думаете, есть ли необходимость в более чем одном мегаколлайдере?

Пока рано говорить о соревновании. Я думаю, что хорошо иметь разные предложения и тщательно изучать преимущества и недостатки каждого предложения. Тогда мы сможем увидеть, какой из них более осуществим, и сообщество примет решение.

Считаете ли вы, что международное сообщество согласится с тем, что Китай станет глобальным центром физики высоких энергий, учитывая, что в стране нет свободного доступа к Интернету и существует значительный государственный контроль?

Такой центр помог бы Китаю стать более интернационализированным, более открытым по отношению к миру.И это принесет больше ресурсов научному сообществу. Людям в самом начале может показаться, что это не так удобно по сравнению со Швейцарией. Но мы надеемся, что коллайдер будет полезен, по крайней мере, для китайцев. Кроме того, я не думаю, что это будет единственный центр в мире. Исторически у нас всегда было много центров физики элементарных частиц, но теперь их становится все меньше и меньше. Но я очень надеюсь, что мы не будем единственными. Если у вас нет конкурентов в поле, в какой-то момент вы умрете.

В настоящее время в Китае происходит что-то вроде бума ускорительных мощностей. Расскажи мне о некоторых из этих планов.

Источник нейтронов расщепления в Дунгуане в настоящее время работает. Он маленький, но достаточно хороший. IHEP также планирует построить источник света с окружностью 1,4 км в Хуайжоу на севере Пекина стоимостью 4,8 млрд юаней. Это круговой ускоритель электронов, который может генерировать синхротронное излучение – рентгеновское излучение чрезвычайно высокой интенсивности.Они полезны практически для каждой исследовательской дисциплины, включая материаловедение, химию, биологию, экологию, геологию и медицину. Мы полагаем, что правительство окончательно утвердит проект к началу следующего года, и тогда мы сможем приступить к строительству. Мы думаем, что это будет ведущая машина в мире. Большинство источников света являются модернизацией существующих машин, поэтому их количество ограничено. Мы можем использовать лучшие конфигурации, лучшие технологии без ограничений.

Институт также готовится запустить эксперимент – детектор, измеряющий высокоэнергетические частицы, известные как космические лучи, – на китайской космической станции с экипажем, запуск которой запланирован на 2020 год.Что он будет делать и как улучшит существующие эксперименты?

Мы хотим знать, откуда приходят космические лучи и как они получают такую ​​высокую энергию. Ответы на эти вопросы помогут нам понять Вселенную. Мы также хотели бы использовать его для поиска новых частиц, таких как темная материя, которые пока не могут быть созданы ускорителями на Земле. Один из лучших на сегодняшний день экспериментов по изучению этого – альфа-магнитный спектрометр (AMS) на Международной космической станции, который еще не обнаружил явных доказательств существования темной материи.Это означает, что нам нужны эксперименты, которые могут обнаруживать больше частиц и при более высоких энергиях. Эксперимент по обнаружению космического излучения высоких энергий позволит изучать частицы, энергия которых примерно в десять раз превышает энергию AMS, и измерять их энергии с лучшим разрешением. Мы почти закончили проектирование и пытаемся заручиться поддержкой правительства Китая. Мы, вероятно, говорим о стоимости детектора от 200 до 300 миллионов долларов. Он включен в список кандидатов на возможные проекты будущей китайской космической станции.Придется подождать, но я настроен оптимистично.

Как вы думаете, сохранятся ли высокие уровни финансирования науки в Китае?

Правительство, безусловно, заинтересовано в поддержке науки. Они надеются, что каждый вкладываемый ими пенни чего-то стоит, и иногда мы, занимающиеся физикой высоких энергий, разочаровываем их – мы не можем сразу получить результаты.

Повлияла ли политическая ситуация между США и Китаем на отношения между учеными двух стран?

Сейчас это сложно.Если мы организуем конференцию в Китае, люди из университетов США могут свободно приходить, но люди, работающие в национальных лабораториях США, говорят, что не могут получить разрешения. Кроме того, если пойти другим путем, китайским ученым очень сложно получить приглашение в эти лаборатории в Соединенных Штатах. Я действительно надеюсь, что это временно, и политики поймут, что обмен наукой и сотрудничество в науке взаимовыгодны.

Это интервью отредактировано для ясности и длины.

Модернизированный коллайдер, чтобы пролить более яркий свет на тайны физики в ЦЕРН

ЖЕНЕВА (Рейтер) – Европейский центр исследований физики ЦЕРН запустил модернизацию своего Большого адронного коллайдера (LHC) в пятницу, через шесть лет после того, как огромный ускоритель элементарных частиц разгадал загадку. подтвердив существование неуловимого бозона Хиггса.

сказал, что капитальный ремонт повысит «яркость» экспериментов по разрушению протонов на LHC, 27-километровом (17-мильном) кольце под швейцарско-французской границей, увеличив количество столкновений частиц в десять раз и обеспечив более четкую картину субатомного мира.

«Это позволит нам ответить на новые вопросы, нерешенные вопросы фундаментальной физики, с большим количеством возможностей найти ответы», – сказала Рейтер генеральный директор ЦЕРН Фабиола Джанотти на церемонии открытия.

Десятилетняя модернизация, предусматривающая бюджет материалов в размере 950 миллионов швейцарских франков (953 миллиона долларов), позволит LHC ежегодно собирать больше данных о столкновениях частиц, чем с момента начала его эксплуатации в 2010 году, заявили там эксперты. .

Обновление будет фокусировать лучи протонов, которые сталкиваются друг с другом, увеличивая светимость, что означает больше столкновений и больше шансов обнаружить что-то необычное.

В прошлом году LHC произвел около 3 миллионов бозонов Хиггса, долгожданную частицу, которая вместе с соответствующим силовым полем дала ответ на вопрос: откуда материя получает свою массу?

После модернизации ЦЕРН заявил, что LHC будет производить не менее 15 миллионов бозонов Хиггса в год, что позволит физикам лучше познакомиться с одним из своих последних открытий.

Они также будут искать другие частицы и ответы на вопросы об антивеществе и Большом взрыве в начале Вселенной.

Джанотти сказала, что она надеется, что модернизация – сродни замене вашей грязной 60-ваттной прикроватной лампы промышленным прожектором – даст ответы о «темной материи», которая никогда не наблюдалась, но, как известно, существует из-за ее воздействия на видимый материал вокруг него.

«Лично для меня раскрытие тайны темной материи Вселенной было бы чем-то большим», – сказала она. «Конечно, было бы фантастически создать частицу темной материи при столкновении лучей LHC.”

Ценность открытий невозможно предсказать, но ожидается, что они дадут толчок развитию науки и технологий в будущем, потенциально ускоряя производственные процессы или повышая вычислительную мощность.

Даже технологии, необходимые для модернизации LHC, откроют новые горизонты, потому что для фокусировки протонных пучков, которые сталкиваются вместе, потребуются новые сверхпроводящие магниты и электроника, которые никогда не были разработаны ранее, с потенциальными дополнительными преимуществами для общества, Джанотти сказал.

Еще неизвестно, принесет ли обновление больше Нобелевских премий по физике, которые Питер Хиггс и Франсуа Энглерт выиграли в 2013 году, когда LHC подтвердил их 50-летнюю теорию пропавшего бозона.

«Посмотрим», – сказал Джанотти. «Мы в руках природы».

(1 доллар = 0,9968 швейцарских франков)

Отчетность Тома Майлза; Под редакцией Эндрю Хевенса

Большой адронный коллайдер случайно выбросил доказательства новой физики?

Детектор частиц ATLAS Большого адронного коллайдера (LHC) в Европейском центре ядерных исследований… [+] Центр (ЦЕРН) в Женеве, Швейцария. Построенный внутри подземного туннеля длиной 27 км (17 миль) в окружности, БАК ЦЕРНа является крупнейшим и самым мощным коллайдером частиц в мире и самой большой отдельной машиной в мире. Он может записывать только крошечную часть собираемых данных.

На Большом адронном коллайдере протоны одновременно вращаются по часовой стрелке и против часовой стрелки, сталкиваясь друг с другом со скоростью 99,9999991% скорости света каждый. В двух точках, рассчитанных на максимальное количество столкновений, были сконструированы и установлены детекторы огромных частиц: детекторы CMS и ATLAS.После миллиардов и миллиардов столкновений при этих огромных энергиях БАК продвинул нас дальше в нашей охоте за фундаментальной природой Вселенной и в нашем понимании элементарных строительных блоков материи.

Ранее в этом месяце БАК отпраздновал 10-летие своей работы, и его венцом стало открытие бозона Хиггса. Тем не менее, несмотря на эти успехи, не было обнаружено никаких новых частиц, взаимодействий, распадов или фундаментальной физики. Хуже всего то, что большая часть данных CERN с LHC была отброшена навсегда.

CMS Collaboration, детектор которой показан здесь перед окончательной сборкой, опубликовал свои … [+] самые полные результаты за всю историю. В результатах нет никаких указаний на физику, выходящую за рамки Стандартной модели.

Это одна из наименее изученных частей головоломки физики высоких энергий, по крайней мере, среди широкой публики. БАК не просто потерял большую часть своих данных: он потерял колоссальные 99,997%.Верно; Из каждого миллиона столкновений, происходящих на LHC, только около 30 из них записывают и записывают все свои данные.

Это произошло по необходимости, из-за ограничений, накладываемых самими законами природы, а также из-за того, что технологии могут делать в настоящее время. Но при принятии этого решения возникает огромный страх, который становится еще более ощутимым из-за того, что, кроме долгожданного Хиггса, ничего нового не было обнаружено. Страх заключается в том, что есть новая физика, ожидающая своего открытия, но мы ее упустили, выбросив эти данные.

Событие-кандидат из четырех мюонов в детекторе ATLAS на Большом адронном коллайдере. Треки мюона / антимюона … [+] выделены красным, так как долгоживущие мюоны проходят дальше, чем любая другая нестабильная частица. Это интересное событие, но на каждое записанное нами событие отбрасывается миллион других.

На самом деле у нас не было выбора. Что-то нужно было выбросить. Принцип работы БАК заключается в том, что протоны ускоряются как можно ближе к скорости света в противоположных направлениях и сталкиваются друг с другом.Именно так ускорители элементарных частиц работали лучше всего на протяжении поколений. Согласно Эйнштейну, энергия частицы представляет собой комбинацию ее массы покоя (которую вы можете узнать как E = mc ² ) и энергии ее движения, также известной как ее кинетическая энергия. Чем быстрее вы летите – или, точнее, чем ближе вы приближаетесь к скорости света – тем более высокой энергии на частицу вы можете получить.

На БАК мы сталкиваем протоны вместе со скоростью 299 792 455 м / с, что всего на 3 м / с меньше скорости самого света.Разрушая их вместе с такой высокой скоростью и двигаясь в противоположных направлениях, мы делаем возможным существование частиц, которые иначе были бы невозможны.

Внутри LHC, где протоны проходят друг с другом со скоростью 299 792 455 м / с, что всего на 3 м / с меньше скорости … [+] света.

Причина в следующем: все частицы (и античастицы), которые мы можем создать, имеют определенное количество присущей им энергии в виде их массы в состоянии покоя.Когда вы сталкиваете две частицы вместе, часть этой энергии должна перейти в отдельные компоненты этих частиц, как на их энергию покоя, так и на их кинетическую энергию (то есть их энергию движения).

Но если у вас достаточно энергии, часть этой энергии может пойти на производство новых частиц! Вот где E = mc ² становится действительно интересным: не только все частицы с массой ( m ) имеют энергию ( E ), присущую их существованию, но если у вас достаточно доступной энергии, вы может создавать новые частицы.На LHC человечество достигло столкновений с большей доступной энергией для создания новых частиц, чем в любой другой лаборатории в истории.

Было огромное множество потенциальных новых физических признаков, которые физики искали на … [+] LHC, от дополнительных измерений до темной материи, суперсимметричных частиц и микрочерных дыр. Несмотря на все данные, которые мы собрали об этих столкновениях с высокими энергиями, ни один из этих сценариев не продемонстрировал доказательств их существования.

Энергия, приходящаяся на одну частицу, составляет около 7 ТэВ, что означает, что каждый протон достигает примерно 7000-кратной энергии массы покоя в форме кинетической энергии. Но столкновения случаются редко, а протоны не просто крошечные, это в основном пустое пространство. Чтобы получить большую вероятность столкновения, вам нужно вводить более одного протона за раз; вместо этого вы вводите свои протоны сгустками.

При полной интенсивности это означает, что есть много крошечных пучков протонов, движущихся по часовой стрелке и против часовой стрелки внутри LHC, когда он работает.Длина туннелей LHC составляет примерно 26 километров, и только 7,5 метров (или около 25 футов) разделяют каждую связку. Когда эти пучки лучей движутся по кругу, они сжимаются, поскольку взаимодействуют в средней точке каждого детектора. Каждые 25 наносекунд есть вероятность столкновения.

Детектор CMS в ЦЕРНе, один из двух самых мощных детекторов частиц, когда-либо созданных. В среднем каждые 25 … [+] наносекунд новый сгусток частиц сталкивается в центральной точке этого детектора.

Так что же вы делаете? У вас небольшое количество столкновений и вы записываете каждое? Это пустая трата энергии и потенциальных данных.

Вместо этого вы закачиваете достаточно протонов в каждый сгусток, чтобы обеспечить хорошее столкновение каждый раз, когда два сгустка проходят через них. И каждый раз, когда происходит столкновение, частицы проникают сквозь детектор во всех направлениях, вызывая срабатывание сложной электроники и схем, которые позволяют нам реконструировать, что было создано, когда и где было создано в детекторе.Это похоже на гигантский взрыв, и только измеряя все вылетающие осколки, мы можем реконструировать то, что произошло (и какие новые вещи были созданы) в точке возгорания.

Событие с бозоном Хиггса в детекторе компактного мюонного соленоида на Большом адронном коллайдере. Это … [+] впечатляющее столкновение на 15 порядков ниже энергии Планка, но именно точные измерения детектора позволяют нам реконструировать то, что произошло в точке столкновения (и около нее).

Однако тогда возникает проблема, заключающаяся в том, чтобы взять все эти данные и записать их. Сами детекторы большие: 22 метра для CMS и 46 метров для ATLAS. В любой момент времени есть частицы, возникающие в результате трех различных столкновений в CMS и шести отдельных столкновений в ATLAS. Чтобы записать данные, необходимо выполнить два шага:

1. Данные должны быть перемещены в память детектора, которая ограничена скоростью вашей электроники.Несмотря на то, что электрические сигналы распространяются со скоростью, близкой к скорости света, мы можем «вспомнить» только о 1 из 500 столкновений.
2. Данные в памяти должны быть записаны на диск (или другое постоянное устройство), и это гораздо более медленный процесс, чем сохранение данных в памяти; необходимо принять решение о том, что сохраняется, а что отбрасывается.

Схематическая диаграмма того, как данные поступают, запускаются и анализируются, а затем в конечном итоге отправляются в … [+] постоянное хранилище.Эта диаграмма предназначена для сотрудничества ATLAS; данные для CMS немного отличаются.

Итак, мы используем несколько уловок, чтобы убедиться, что мы выбираем наши события с умом. Мы сразу же смотрим на множество факторов, связанных с столкновением, чтобы определить, стоит ли это более внимательно или нет: то, что мы называем триггером. Если вы пройдете триггер, вы перейдете на следующий уровень. (Крошечная часть незапланированных данных также сохраняется на тот случай, если есть интересный сигнал, который мы не думали запускать.) Затем применяется второй слой фильтров и триггеров; если событие достаточно интересно, чтобы его можно было сохранить, оно помещается в буфер, чтобы гарантировать, что оно будет записано в хранилище. Мы можем быть уверены, что каждое событие, помеченное как «интересное», сохраняется вместе с небольшой долей неинтересных событий.

Вот почему, при необходимости выполнения обоих этих шагов, только 0,003% всех данных можно сохранить для анализа.

Кандидат в событие Хиггса в детекторе ATLAS.Обратите внимание, как даже с четкими сигнатурами и … [+] поперечными дорожками есть ливень других частиц; это связано с тем, что протоны – составные частицы. Это так только потому, что Хиггс придает массу фундаментальным составляющим, из которых состоят эти частицы.

Как мы узнаем, что сохраняем нужные фрагменты данных? Те, в которых, скорее всего, мы создаем новые частицы, понимаем важность новых взаимодействий или наблюдаем за новой физикой?

Когда происходят протон-протонные столкновения, большая часть того, что выходит, являются нормальными частицами в том смысле, что они почти полностью состоят из кварков, движущихся вверх и вниз.(Это означает такие частицы, как протоны, нейтроны и пионы.) И большинство столкновений – это скользящие столкновения, что означает, что большинство частиц попадают в детектор в прямом или обратном направлении.

Ускорители элементарных частиц на Земле, такие как LHC в ЦЕРНе, могут ускорять частицы, очень близкие – но … [+] не совсем до скорости света. Поскольку протоны – составные частицы, и они движутся так близко к скорости света, большинство столкновений частиц приводит к рассеянию частиц вперед или назад, а не к поперечным событиям.

Итак, чтобы сделать этот первый шаг, мы пытаемся искать следы частиц относительно высоких энергий, которые идут в поперечном направлении, а не вперед или назад. Мы пытаемся записать в память детектора события, которые, по нашему мнению, имели наиболее доступную энергию ( E ) для создания новых частиц с максимально возможной массой ( м ). Затем мы быстро выполняем вычислительное сканирование того, что находится в памяти детектора, чтобы увидеть, стоит ли записывать на диск или нет.Если мы решим это сделать, его можно поставить в очередь для перехода в постоянное хранилище.

В результате каждую секунду можно сохранить около 1000 событий. Это может показаться большим, но помните: примерно 40 000 000 сгустков сталкиваются каждую секунду.

Треки частиц, исходящие от столкновения с высокой энергией на LHC в 2014 году. Только 1 из 1 000 000 … [+] таких столкновений было записано и сохранено; большинство потеряно.

Мы думаем, что поступаем разумно, решая сохранить то, что мы экономим, но мы не можем быть уверены в этом.В 2010 году центр обработки данных CERN преодолел грандиозный рубеж в обработке данных: 10 петабайт данных. К концу 2013 года они передали 100 петабайт данных; в 2017 году они преодолели рубеж в 200 петабайт. Тем не менее, мы знаем, что выбросили – или не смогли записать – примерно в 30 000 раз больше. Возможно, мы собрали сотни петабайт, но мы отбросили и потеряли навсегда многие зеттабайты данных: больше, чем общий объем интернет-данных, созданных за год.

Общий объем данных, собранных LHC, намного превышает общий объем данных… [+] отправлено и получено через Интернет за последние 10 лет. Но только 0,003% этих данных было записано и сохранено; остальное ушло навсегда.

В высшей степени возможно, что БАК создал новые частицы, увидел доказательства новых взаимодействий, а также обнаружил и зарегистрировал все признаки новой физики. И также возможно, что из-за нашего незнания того, что мы искали, мы выбросили все это и будем продолжать это делать. Кошмарный сценарий – отсутствие новой физики за пределами Стандартной модели – похоже, сбывается.Но настоящий кошмар – это вполне реальная возможность того, что новая физика существует, мы построили идеальную машину, чтобы найти ее, мы ее нашли, и мы никогда не осознаем этого из-за решений и предположений, которые мы сделали. . Настоящий кошмар состоит в том, что мы обманом заставили себя поверить в правильность Стандартной модели, потому что мы просмотрели только 0,003% имеющихся данных. Мы думаем, что приняли разумное решение, сохранив то, что сохранили, но мы не можем быть уверены. Возможно, мы сами навлекли на себя кошмар.