Големият адронен колайдер (LHC) завърши последния си работен период и официално навлезе в Дълго прекъсване 3 (LS3). Това поставя началото на най-мащабната програма за модернизация и обновяване, предприемана в Европейската организация за ядрени изследвания (ЦЕРН) от първоначалното изграждане на ускорителя до днес.

Това планирано спиране ще се фокусира върху поддръжката, обновяването и разширяването на целия ускорителен комплекс на ЦЕРН. Основната цел е пълната подготовка за проекта „Високолуминозен Голям адронен колайдер“ (HiLumi LHC), който по план трябва да започне работа през 2030 година. Модернизираната машина ще осигури много по-висока честота на сблъсъци между частиците. Това ще позволи на учените да съберат огромно количество нови данни и да проведат много по-точни изследвания на основната структура на Вселената.

Въпреки че движението на лъчите от частици в тунела вече е спряно, научната работа в ЦЕРН няма да прекъсне през този период. Хиляди изследователи ще продължат да анализират вече събраните данни от досегашните експерименти. В същото време инженери и техници ще преобразят ускорителя и неговите детектори, за да ги подготвят за следващото поколение открития.

Забележителното наследство на Големия адронен колайдер

Откакто пусна първите си протонни лъчи през септември 2008 година, Големият адронен колайдер се утвърди като най-мощния ускорител на частици в света и един от най-сложните научни инструменти, създавани някога от човечеството. Разположен в 27-километров подземен тунел на границата между Франция и Швейцария, той представлява истинско инженерно чудо, работещо при температури, по-ниски от тези в дълбокия Космос.

След първите сблъсъци на протони през 2009 година, колайдерът премина през три основни периода на работа, известни като Етап 1, 2 и 3. По време на тези работни цикли беше генериран безпрецедентен обем от научни данни, които се обработват от огромни международни екипи.

Най-важното научно постижение до момента се случи през юли 2012 година с откриването на известния Хигс бозон от експериментите ATLAS и CMS. Това откритие потвърди ключово предсказание на Стандартния модел във физиката (теорията, която описва основните градивни елементи и сили във Вселената) и даде отговор на един от най-големите въпроси в науката – как частиците получават своята маса.

През последното десетилетие колайдерът продължи да разширява познанията ни, като благодарение на него бяха открити повече от 85 нови адрона. Адроните са частици, изградени от още по-малки елементи, наречени кварки (подобно на познатите ни протони и неутрони). Учените успяха също така да направят изключително точни измервания на характеристиките на вече известни частици.

Изследователите проучиха и поведението на така наречената кварк-глуонна плазма – специално горещо състояние на материята, което е съществувало в първите мигове след Големия взрив. Те изследваха сериозно и дисбаланса между материя и антиматерия във Вселената, като поставиха по-строги граници пред теориите, които предсказват съществуването на напълно нови, непознати досега екзотични частици.

Извън чистата физика, този огромен международен проект даде мощен тласък на технологиите в областта на свръхпроводящите магнити, ускорителното инженерство, криогениката, обработката на големи масиви от данни чрез споделени компютърни мрежи и глобалното научно сътрудничество.

Дълго прекъсване 3 ще преобрази ускорителния комплекс на ЦЕРН

Програмата за Дълго прекъсване 3 е нещо много по-голямо от обикновена рутинна поддръжка. В този проект, който ще продължи няколко години, ще се включат хиляди инженери, физици и технически специалисти от ЦЕРН и десетки партньорски институции от целия свят.

Работата ще обхване цялата верига от ускорители, които захранват основния пръстен. Това включва сериозни подобрения в системите за инжектиране (вкарване) на частици в колайдера и цялостно обновяване на експерименталните съоръжения. Сред най-големите задачи в този период са:

Укрепване и модернизация на Северната зона на Супер протонния синхротрон. Демонтиране на бившата целева зона „ЦЕРН неутрино към Гран Сасо“. Превръщане на Експериментална подземна зала Север 3 в съоръжение с висок интензитет за експерименти с фиксирана мишена. Модернизация на изследователския център ISOLDE, който се занимава с изследване на редки радиоактивни атомни ядра.

По време на спирането ще бъдат извършени и наложителни подобрения на електрическата инфраструктура, техническите тунели и галерии, както и на системите за безопасност на персонала. За да се постигне огромното увеличение на сблъсъците, учените ще инсталират изцяло нови, изключително мощни свръхпроводящи магнити от ново поколение, направени от специална ниобий-калайена сплав. Тези магнити ще свиват лъчите от частици до невероятно тънки снопове точно преди мястото на удара. Допълнително ще бъдат добавени и иновативни устройства, наречени „краб-кухини“, които завъртат леко сноповете частици, за да увеличат максимално шанса те да се ударят челно.

Модернизация на детекторите за Високолуминозния колайдер

Двата основни детектора с общо предназначение – ATLAS и CMS – ще претърпят пълна и радикална промяна, за да могат да се справят с драстично увеличената мощност на бъдещия Високолуминозен колайдер.

Когато бъде пусната в експлоатация, модернизираната машина ще увеличи своята луминозност (което на достъпен език означава яркостта, гъстотата и интензивността на лъча) до десет пъти спрямо първоначалния си дизайн. Това ще води до впечатляващите между 140 и 200 сблъсъка на протони при всяко единично пресичане на сноповете, в сравнение с около 60 сблъсъка по време на последния работен период.

За да могат изобщо да се справят с този огромен наплив от информация, и двата експеримента ще заменят изцяло своите тригерни системи. Това са свръхбързи компютърни системи, които за частица от секундата улавят, анализират и избират най-ценните за науката сблъсъци измежду милиардите взаимодействия, случващи се във всяка една секунда.

Детекторите ще получат и следните ключови подобрения:

Ново поколение изцяло силициеви системи за проследяване на траекторията на частиците, съдържащие милиарди отделни канали за отчитане на данни. Изключително бързи времеви детектори, които могат да измерват времето на събитията с прецизност от само няколко десетки пикосекунди (като една пикосекунда е изключително кратка единица време, равна на една трилионна част от секундата). Модернизирани калориметри – специализирани уреди за измерване на енергията на частиците, проектирани да работят безпроблемно при изключително високи скорости на трансфер на данни. Подготовка за нова глава във физиката на елементарните частици

Въпреки че Големият адронен колайдер ще остане извън експлоатация по време на Дългото прекъсване 3, това спиране не е пауза в научния прогрес, а жизненоважна инвестиция в бъдещето на физиката на високите енергии. Учените ще продължат да извличат нови открития от вече събраните огромни бази данни, докато успоредно с това подготвят физическите експерименти за следващата вълнуваща фаза на изследвания.

Очаква се поетапното и постепенно рестартиране на целия ускорителен комплекс на ЦЕРН да започне през 2028 година, преди Високолуминозният колайдер да премине към пълноценна и постоянна работа през 2030 година.

С огромното подобрение в производителността и много по-големите масиви от данни, модернизираният колайдер ще позволи провеждането на най-подробните и детайлни проучвания на Хигс бозона, правени някога. Това значително ще увеличи шансовете за откриване на така наречената „нова физика“ извън границите на Стандартния модел – като например разкриване на тайната зад мистериозната тъмна материя или намиране на доказателства за допълнителни пространствени измерения. По този начин ще се отвори изцяло нова глава в стремежа на човечеството да разбере фундаменталните природни закони, които управляват нашата Вселена.