Большой адронный коллайдер (LHC) — самый большой и самый мощный ускоритель частиц из когда-либо созданных. Он ускоряет протоны почти до скорости света — по часовой стрелке и против часовой — и затем сталкивает их. В точках столкновения частиц находятся четыре основных детектора: ATLAS, CMS, LHCb и ALICE, которые регистрируют осколки этих столкновений. Кроме того, есть несколько вспомогательных установок. Рассказываем, какие задачи решают все эти сложные устройства.

ATLAS и CMS

ATLAS и CMS — два детектора общего назначения, которые рассчитаны на решение широкого спектра задач физики — от открытия новых частиц (в том числе составляющих темной материи, которые до сих пор не были найдены) до поиска экзотических явлений, таких как дополнительные измерения, гравитоны и микроскопические черные дыры. Именно с помощью этих установок в 2012 году был открыт бозон Хиггса. 

7000-тонный детектор ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) является крупнейшим из когда-либо созданных объемных детекторов частиц. В его центре сталкиваются пучки ускоренных частиц с БАК, в результате чего рождаются новые частицы, которые вылетают из точки столкновения во всех направлениях. Системы детектора фиксируют их траектории, импульс и энергию. 

Детектор CMS (Compact Muon Solenoid) построен вокруг огромного магнита, который создает сильное магнитное поле 4 тесла внутри и снаружи цилиндра диаметром 6 метров и длиной 12,5 метров. Внутри цилиндра помещаются трековые детекторы и калориметры, а наружное поле используется для отклонения мюонов — неустойчивых частиц с отрицательным зарядом. Вылетая из центра детектора, эти частицы вычерчивают траекторию, похожую на букву S. 

Такой акцент на регистрации мюонов не случаен. Мюоны с высокой энергией указывают на то, что при столкновении протонов наверняка произошло нечто интересное, связанное с электрослабыми взаимодействиями или экзотическими частицами.

LHCb

Эксперимент LHCb (Large Hadron Collider beauty) специализируется на изучении небольших различий между веществом и антивеществом. Он фиксирует частицы, известные как b-кварки и b-антикварки (или прелестные кварки и антикварки). Хотя сегодня во Вселенной b-кварки отсутствуют, они были обычным явлением вскоре после Большого взрыва. Прелестные кварки и антикварки могут рождаться во время столкновения протонов в БАК, но они очень быстро распадаются. Физики считают, что, сравнивая распады этих недолговечных частиц, они могут получить полезные сведения о том, почему природа предпочитает материю, а не антиматерию.

С помощью детектора LHCb в 2014 году было подтверждено существование тетракварков, а в 2015 году были открыты пентакварки.

ALICE

Детектор ALICE (A Large Ion Collider Experiment) предназначен для изучения физики сильновзаимодействующего вещества при экстремальных плотностях энергии. В столкновениях тяжелых ионов рождается особое состояние вещества — кварк-глюонная плазма. 

Каждый атом вещества содержит ядро, состоящее из протонов и нейтронов, окруженное облаком электронов. Протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из кварков, связанных между собой другими частицами, называемыми глюонами. В обычных условиях кварки не могут существовать по отдельности: они неразрывно связаны друг с другом. Это явление называется конфайнментом. 

При столкновении тяжелых ионов свинца создаются температуры, в 100 тысяч раз более высокие, чем в центре Солнца. В таких экстремальных условиях кварки и глюоны не склеиваются в протоны и нейтроны, а ведут себя более независимо друг от друга, образуя кварк-глюонную плазму. Предполагается, что именно в этом состоянии находилось вещество в первые мгновения после Большого взрыва. С помощью детектора ALICE физики могут изучать кварк-глюонную плазму, наблюдая, как по мере охлаждения она постепенно порождает частицы, составляющие сегодня вещество нашей Вселенной.

TOTEM, LHCf и MoEDAL

Эти вспомогательные установки предназначены для решения самых разнообразных задач. 

Эксперимент TOTEM посвящен точному измерению сечения протон-протонного взаимодействия, а также углубленному изучению структуры протона, которая до сих пор плохо исследована. 

Целью эксперимента MOEDAL является прямой поиск магнитного монополя — гипотетической частицы с магнитным зарядом, а также высокоионизированных стабильных массивных частиц (SMP), предсказанных теориями, выходящими за рамки Стандартной модели. 

Детекторы эксперимента LHCf используют частицы, выброшенные в результате столкновений в Большом адронном коллайдере в качестве источника для моделирования космических лучей в лабораторных условиях. Столкновения внутри БАК вызывают каскады частиц, похожие на те каскады, которые образуются при столкновении заряженных частиц из космоса с ядрами в верхних слоях атмосферы. Их изучение поможет физикам интерпретировать и калибровать крупномасштабные эксперименты с космическими лучами.

FASER

В 2019 году CERN одобрил новый эксперимент — FASER (ForwArd Search ExpeRiment). Он предназначен для поиска легких и слабовзаимодействующих частиц — некоторые из них могут быть связаны с темной материей. Новые легкие частицы могут постоянно образовываться в больших количествах в протон-протонных столкновениях на БАК, но ускользают от основных детекторов. Дело в том, что после образования такие частицы проходят вдоль оси столкновения протонного пучка и отловить их там детекторы не в состоянии. Кроме того, заметить такие частицы мешает высокий фон (сопутствующие события). Новый детектор FASER будет установлен в 480 метрах от точки столкновения протонов, которая используется в эксперименте ATLAS. Ожидается, что FASER будет запущен в 2021 году.