Идея сталкивать частицы для изучения материи родилась не в двадцать первом веке. Ещё в 1956 году американский физик Дональд Керст предложил использовать два встречных пучка ускоренных частиц, чтобы увеличить энергию их столкновения для экспериментов. Эта гениальная догадка легла в основу всего последующего развития коллайдерной техники, позволив обойти ограничения на энергию неподвижной мишени.
Первый в мире коллайдер, хоть и совсем маленький, был запущен в 1963 году в Италии, в лаборатории Фраскати. Он назывался AdA (Anello di Accumulazione), что переводится как «накопительное кольцо». В этом скромном аппарате сталкивались электроны и позитроны, и его успешная работа доказала саму принципиальную возможность реализации идеи Керста на практике.
Параллельно с европейцами, в Новосибирске в Институте ядерной физики имени Будкера в 1965 году был запущен коллайдер ВЭП-1. Советские физики, под руководством Герша Будкера, независимо пришли к концепции встречных пучков и создали свою установку. Именно Будкер предложил использовать для фокусировки частиц электронное охлаждение, что стало важнейшим вкладом СССР в мировую науку.
Следующим гигантским шагом стал Протонный суперсинхротрон (SPS) в ЦЕРНе, запущенный в 1976 году. Хотя изначально он не был коллайдером, а просто ускорителем, его кольцо длиной 7 километров позже стало одним из ключевых элементов предшественника БАК - Большого электрон-позитронного коллайдера. SPS работает до сих пор, выполняя роль предварительного ускорителя для БАК.
Настоящим прототипом и «тренировочной площадкой» для БАК стал Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP), запущенный в ЦЕРНе в 1989 году. Он был построен в том самом туннеле, который сейчас занимает БАК. Длина его кольца составляла 27 километров, и на момент запуска это был крупнейший научный инструмент своего времени.
Строительство LEP было сопряжено с фантастическими инженерными задачами, например, необходимостью сделать туннель идеально ровным с перепадом высот не более пары сантиметров на всём его протяжении. Для этого пришлось учитывать кривизну Земли и проводить сверхточные геодезические измерения, что в восьмидесятые годы было нетривиальной задачей.
Идея построить на месте LEP ещё более грандиозный протонный коллайдер возникла ещё до его закрытия. Физики понимали, что энергетических возможностей электрон-позитронного коллайдера скоро станет недостаточно для поиска бозона Хиггса и исследований вне Стандартной модели. Так родился концепт LHC - Large Hadron Collider.
Одной из главных технических проблем при проектировании БАК стали сверхпроводящие магниты. Для удержания протонов с рекордной энергией на круговой траектории требовалось невероятно мощное магнитное поле, достижимое только с помощью сверхпроводимости при температуре, близкой к абсолютному нулю.
Чтобы достичь необходимых условий, был создана криогенная система, охлаждающая тысячи магнитов до температуры -271.3°C, что всего на 1.9 градуса выше абсолютного нуля. Это холоднее, чем в открытом космосе! Для этого потребовалось 120 тонн жидкого гелия, что делает её крупнейшей криогенной системой в мире.
Строительство БАК официально началось в 1998 году, но ещё до заливки первого бетона инженерам пришлось решать колоссальные логистические задачи. Например, как опускать на стометровую глубину огромные сегменты магнитов, некоторые из которых весили до 30 тонн, не повредив их ювелирную начинку.
Туннель коллайдера пересекает границу двух стран - Швейцарии и Франции. Причём не на поверхности, а глубоко под землёй. Это потребовало не только сложных дипломатических согласований, но и создания уникальной юридической структуры для проведения работ на приграничной территории.
Финансирование столь масштабного проекта всегда было головной болью. БАК строился на деньги не одной страны, а двадцати государств-участниц ЦЕРНа, а также при значительном вкладе других стран-наблюдателей, включая Россию и США. Бюджет постоянно рос и в итоге превысил 6 миллиардов евро.
Для работы коллайдера требуется огромное количество энергии - около 200 мегаватт в пиковые моменты, что сопоставимо с энергопотреблением всего города Женева. Причём большая часть этой энергии уходит на питание системы охлаждения магнитов, чтобы поддерживать их в сверхпроводящем состоянии.
Первый пучок протонов был успешно запущен в БАК 10 сентября 2008 года. Это событие широко освещалось в прессе, но мало кто знает, что всего через 9 дней произошла серьёзная авария. Из-за плохого контакта между сверхпроводящими магнитами произошёл резкий выброс гелия, который физически разрушил несколько секций.
Ликвидация последствий той аварии заняла больше года и обошлась в десятки миллионов долларов. Инженерам пришлось не только заменить повреждённые магниты, но и полностью переработать систему защиты от таких инцидентов, установив тысячи новых датчиков и аварийных клапанов.
После ремонта и модернизации, в 2009 году БАК был запущен заново и заработал на пониженных энергиях. Постепенно набираясь опыта, инженеры ЦЕРНа повышали энергию столкновений, пока в 2012 году не было объявлено о сенсационном открытии - обнаружении бозона Хиггса.
Открытие бозона Хиггса было главной, но далеко не единственной целью коллайдера. На нём работает несколько крупных детекторов, каждый из которых является самостоятельным чудом инженерии. Например, детектор ATLAS - это сооружение высотой с семиэтажный дом и весом 7000 тонн.
Другой гигантский детектор, CMS, имеет схожие с ATLAS задачи, но построен по совершенно иной технологической схеме. Такое дублирование нужно для перекрёстной проверки результатов - если оба детектора видят одно и то же, значит, открытие действительно состоялось.
Специализированный детектор LHCb предназначен для изучения прекрасного кварка (beauty quark). Его главная задача - исследовать тонкие различия между материей и антиматерией, чтобы понять, почему после Большого взрыва во Вселенной осталось так мало антиматерии, что и позволило сформироваться всему сущему.
Детектор ALICE создан для изучения кварк-глюонной плазмы - состояния вещества, которое, как предполагается, существовало в первые мгновения после Большого взрыва. Для этого в БАК сталкиваются не только протоны, но и тяжелые ионы свинца, чтобы на крошечный миг воссоздать условия рождения Вселенной.
Работа с данными БАК - это отдельный вызов. Детекторы генерируют около 30 петабайт информации в год. Чтобы справиться с этим потоком, была создана распределённая сеть Grid, объединяющая сотни вычислительных центров по всему миру в единый виртуальный суперкомпьютер.
После первого длительного сеанса работы (Run 1) БАК был остановлен на первую большую модернизацию в 2013 году. Два года инженеры и физики работали над тем, чтобы повысить энергию столкновений с 8 тераэлектронвольт до проектных 13, а затем и 14 ТэВ. Этот период называется Long Shutdown 1.
В 2015 году коллайдер заработал на новых энергиях, начался Run 2. Именно на этих энергиях была подробно изучена природа бозона Хиггса и начались поиски физики за пределами Стандартной модели, например, тёмной материи или суперсимметрии.
В 2018 году был поставлен рекорд светимости - количества столкновений частиц в секунду. Высокая светимость критически важна для обнаружения редких процессов - чем больше столкновений, тем выше шанс увидеть что-то необычное. БАК превзошёл все запланированные цели.
Сейчас коллайдер находится в состоянии Long Shutdown 2, который завершился в 2022 году. В этот период проводилась масштабная подготовка к следующему этапу - High-Luminosity LHC (HL-LHC). Цель - увеличить светимость ещё в десять раз, накопив за десять лет работы в десять раз больше данных.
Для HL-LHC разрабатываются принципиально новые магниты, более мощные и компактные. В их создании принимают участие учёные и инженеры со всего мира. Например, Россия поставляет ниобий-оловянные сверхпроводящие провода, которые являются ключевым элементом новых дипольных магнитов.
Одна из инноваций для HL-LHC - это «крабовые полости». Это специальные устройства, которые будут «наклонять» сгустки протонов в точке столкновения, чтобы увеличить площадь их перекрытия и, как следствие, количество продуктивных столкновений частиц. Технология невероятно сложна и требует ювелирной точности.
БАК - не единственный коллайдер в мире, хотя и самый большой. Например, в США работает Релятивистский коллайдер тяжёлых ионов (RHIC), где изучают ту самую кварк-глюонную плазму. А в Японии существует коллайдер SuperKEKB, нацеленный на изучение асимметрии материи и антиматерии.
Существуют проекты и больше БАК. Это так называемые коллайдеры будущего. Например, Future Circular Collider (FCC) - проект ЦЕРНа с длиной туннеля 100 километров. Или Международный линейный коллайдер (ILC) в Японии, где частицы будут разгоняться не по кольцу, а по прямой линии.
Строительство FCC - это задача на несколько десятилетий вперёд. Инженерам предстоит решить колоссальные проблемы, например, создать ещё более мощные магниты или найти способ утилизировать гигантское количество энергии, которое будет выделяться при работе такого монстра.
Китай также разрабатывает свой собственный суперколлайдер - Circular Electron Positron Collider (CEPC). Его первый этап планируется завершить к 2030 году, и по размерам кольца он будет превосходить БАК. Это сделает Китай новым мировым центром физики высоких энергий.
Коллайдеры приносят практическую пользу уже сейчас. Технологии, созданные для них, находят применение в медицине (например, адронная терапия для лечения рака), в IT (всемирная паутина была изобретена в ЦЕРНе для обмена данными), и в материаловедении.
Работа на БАК - это пример глобального международного сотрудничества. На проекте одновременно работают тысячи учёных из сотни стран, которые в обычной жизни могли бы быть политическими или экономическими конкурентами. Но наука объединяет их для решения общих фундаментальных задач.
Каждый год ЦЕРН выпускает огромное количество научных публикаций, которые становятся достоянием всего человечества. Все данные экспериментов (за исключением сырых, требующих обработки) через определённое время становятся открытыми и доступными для учёных по всему миру.
БАК помог развить новые направления в машинном обучении и науке о данных. Методы, разработанные для отсеивания нужных событий из терабайтов шума, теперь используются для анализа финансовых рынков, медицинских диагностических снимков и даже для улучшения поисковых алгоритмов.
Существует множество мифов о коллайдере, самый известный из которых - что он может создать чёрную дыру, которая поглотит Землю. Учёные неоднократно опровергали это, объясняя, что любые возможные микроскопические чёрные дыры будут мгновенно испаряться из-за излучения Хокинга.
Температура в разных частях БАК радикально различается. В то время как магниты охлаждены до температур, близких к абсолютному нулю, в точках столкновения частиц, наоборот, на мгновение создаются температуры в триллионы градусов, превышающие температуру в центре Солнца.
Вакуум внутри балочной трубы настолько высок, что его сложно достичь даже в лабораторных условиях в малом объеме. А здесь он поддерживается на протяжении десятков километров! Давление там примерно в десять раз выше, чем на Луне.
Для точного позиционирования тысяч многотонных компонентов коллайдера под землёй инженеры использовали техники, разработанные для строительства тоннелей под Ла-Маншем. Требовалась точность до миллиметра на километр длины, что является фантастическим инженерным достижением.
Все сверхпроводящие магниты соединены между собой особым образом. Если один из них выходит из сверхпроводящего состояния (этот процесс называется гашение), то за ним могут последовать и соседние. Чтобы предотвратить цепную реакцию, была разработана сложнейшая система защиты, которая за доли секунды отводит огромные токи.
Сами протонные пучки в коллайдере хоть и несут гигантскую энергию в совокупности, но содержат очень мало вещества. Если собрать все миллионы миллиардов протонов, циркулирующих в кольце, их общая масса составит лишь несколько нанограммов. Энергия заключена не в массе, а в их скорости.
Управление таким сложным объектом, как БАК, невозможно без продвинутых систем автоматизации. За всеми процессами следят тысячи датчиков, а решения принимаются как автоматически, так и большой командой операторов и инженеров, дежурящих в контрольном центре ЦЕРНа 24/7.
Коллайдер - нестабильная система. Пучок протонов - это живой организм, который может «сбежать» в любую секунду. Его постоянно нужно «подкармливать» (поддерживать энергию), «охлаждать» (фокусировать) и аккуратно вести по 27-километровому пути, чтобы он не касался стенок вакуумной камеры.
Помимо основных детекторов, на БАК есть и небольшие эксперименты. Например, LHCf изучает частицы, летящие вперёд под очень малыми углами, по образу и подобию космических лучей. Эти данные помогают калибровать наземные детекторы космических лучей.
Срок службы БАК рассчитан на десятилетия. Сейчас идёт подготовка к его работе до 2040 года, а после этого, возможно, начнётся строительство нового, ещё более мощного коллайдера. Таким образом, нынешнее поколение учёных закладывает основы для открытий, которые сделают их дети.
ЦЕРН и БАК стали культурным феноменом. О них снимают документальные и художественные фильмы, пишут книги и комиксы. Ускоритель частиц стал символом стремления человечества к познанию фундаментальных тайн мироздания, невзирая на политические и экономические трудности.
Каждый запуск коллайдера после остановки - это многоступенчатый ритуал. Сначала запускаются линейные ускорители, затем протоны попадают в бустер, потом в протонный синхротрон (PS), далее в суперсинхротрон (SPS) и только потом, достигнув высокой энергии, осторожно вводятся в основное кольцо БАК.
В туннеле коллайдера поддерживается особый микроклимат. Из-за работы криогенной системы и других инженерных систем там достаточно прохладно и очень шумно. Работы в нём ведутся только во время длительных остановок, а доступ строго регламентирован по соображениям безопасности.
Несмотря на всю автоматизацию, иногда для диагностики проблем используются довольно простые методы. Например, для проверки вакуума в трубе однажды использовали... шарик для пинг-понга на верёвочке! Его прокатывали по трубе, и по изменению его движения определяли места утечек.
Будущее коллайдеров видится не только в увеличении размеров. Разрабатываются концепции мюонных коллайдеров, где будут сталкиваться мюоны - более тяжёлые «кузены» электронов. Это позволит достичь высоких энергий без необходимости строить кольца чудовищных размеров, но создаёт свои уникальные технологические проблемы.
Адронный коллайдер - это, без преувеличения, величайшее экспериментальное сооружение из когда-либо созданных человеком. Он олицетворяет собой нашу неутолимую жажду знаний и готовность объединять ресурсы и умы для достижения, казалось бы, недостижимых целей. И его история ещё далека от завершения.