Обнаружение бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере в 2012 году стало завершающим в череде исследований, подтвердивших правильность Стандартной модели. Все фундаментальные частицы были найдены экспериментально, а их характеристики были измерены и согласованы с теорией. Впрочем, остаются небольшие расхождения между теорией и практикой, что заставляет продолжать эксперименты, и особенно это касается такой «молодой» частицы, как бозон Хиггса.

Источник изображения: ATLAS

На стартовавшей на днях конференции «Физика большого адронного коллайдера» (LHCP) представители коллабораций ATLAS и CMS рассказали, как они сообща обнаружили редчайшее событие — распад бозона Хиггса на электрически нейтральный носитель слабого взаимодействия (Z-бозон) и носитель электромагнитной силы (фотон). Бозон Хиггса в столкновениях частиц на ускорителе может распадаться по целому ряду каналов и распад на Z-бозон и фотон в рамках Стандартной модели — это очень и очень редкое событие, которое должно случаться с вероятностью всего 0,15 %.

Следует сказать, что в данных БАК учёные ещё не встречали распада бозона Хиггса на Z-бозон и фотон, что косвенно подтверждает редкость такого явления. Обнаружить явление смогли комбинированные данные коллективов ATLAS и CMS, собранные на БАК в период с 2013 по 2018 год, а также использование машинного обучения для поиска интересующих событий.

По-отдельности статистическая точность обнаружения указанного канала распада в данных ATLAS составила 2,2σ (сигма — стандартное отклонение), а в данных CMS — 2,6σ. В сумме статистическая значимость события достигла величины 3,4σ, чего не хватило для заявки на открытие (для этого требуется величина отклонения не менее 5 сигм), но этого оказалось достаточно для почти надёжного подтверждения события.

Учёные подтвердили, что бозон Хиггса действительно может распадаться на Z-бозон и фотон. Дальнейшие наблюдения за подобным каналом распада или подтвердит физику в рамках Стандартной модели, или заставит усомниться в её завершённости. Новые наблюдения за бозоном Хиггса будут проводиться на модернизированном БАК, возможности которого улучшались поэтапно и теперь достигли максимального значения — в прошлом году энергию столкновений подняли до 13,6 ТэВ. В ближайшие годы статистика по распаду бозона Хиггса на Z-бозон и фотон будет набираться и даст чёткий ответ на вопрос: понимаем ли мы устройство нашего мира, или нет?

Нейтрино являются вторыми по распространённости во Вселенной фундаментальными частицами после фотонов, но они настолько слабо взаимодействуют с веществом, что одно время даже были кандидатами на роль тёмной материи. Всё-таки их можно улавливать и учёные это делают с 1956 года. Однако в коллайдерах нейтрино ещё не получали, пока в 2022 году на БАК не поставили серию экспериментов, уверенно доказавших детектирование нейтрино, полученных искусственным путём.

Трек нейтрино на фотоэмульсионной плёнке. Источник изображений: FASER

Любопытно, что установка FASERnu для детектирования нейтрино в ходе экспериментов на БАК собрана из комплектующих, оставшихся от прошлых экспериментов. Детектор поместили в один из боковых служебных коридоров коллайдера, но это не означает, что открытие рукотворных «призрачных частиц» не имеет важного научного значения. До сих пор учёные фиксировали в основном нейтрино низких энергий, тогда как из глубин космоса к нам приходят нейтрино высоких энергий. На БАК были получены как раз высокоэнергичные частицы, что открывает возможность использовать полученные данные для понимания астрофизических процессов.

Отдельно приятно, что значительную часть теоретической работы и обработку данных провели российские физики. В коллаборации FASER эту задачу взял на себя Объединённый институт ядерных исследований (ОИЯИ). В экспериментах по физике нейтрино для регистрации частиц использовалась ядерная фотоэмульсия — чередование вольфрамовых пластин для замедления нейтрино с фоточувствительной эмульсией.

Устройство детектора FASERnu

«Группа ОИЯИ участвует в моделировании сигнала, реконструкции и анализе фотоэмульсионных данных, проектировании и создании системы охлаждения с возможностью контроля и стабилизации температуры для FASERnu», — рассказала участник коллаборации FASER от ОИЯИ, научный сотрудник Сектора экспериментальной нейтринной физики Светлана Васина.

В предыдущих экспериментах на БАК были детектированы шесть частиц-кандидатов на роль высокоэнергетических нейтрино. Третий запуск БАК в 2022 году с повышенной яркостью дал настолько много данных, что их статистическая значимость превысила 16 сигм при требуемом уровне достоверности 5 сигм. Иначе говоря, сомнения в детектировании на БАК высокоэнергетических нейтрино при таких условиях стремятся к нулю.

Как выглядит детектор FASERnu в реальности

Нейтрино невозможно обнаружить напрямую при сталкивании пучков частиц, но благодаря детектору FASERnu где-то в боковом тоннеле БАК это стало возможным. Тем самым БАК стал инструментом, который полностью воспроизводит весь спектр известных современной физике элементарных частиц, включая бозон Хиггса, ради поиска которого, собственно, Большой адронный коллайдер и строился.

Ранее сообщалось, что руководство Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) разрабатывает планы экономии электроэнергии. Один только Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе потребляет в пике до 200 МВт, что соответствует примерно трети потребления расположенной рядом Женевы. Чтобы не останавливать эксперименты на БАК, планировалось приостановить работу других ускорителей в комплексе, но теперь озвучено иное решение.

Источник изображения: Keystone / Christian Beutler

Как сообщает портал N + 1 со ссылкой на участника коллаборации ATLAS и профессора МИФИ Анатолия Романюка, руководством организации было принято решение сдвинуть на две недели раньше сроки традиционной зимней остановки Большого адронного коллайдера. «Решение уже принято, оно пока не объявлено официально, но на уровне машины оно принято», — сказал Романюк.

Согласно ранее утверждённым планам по проведению экспериментов на БАК, остановка самого главного ускорителя ЦЕРН должна была произойти 13 декабря. Согласно изменённому плану, остановка БАК начнётся 28 ноября. При этом под вопросом остаётся возможность запустить БАК в марте 2023 года. Чем закончится эта зима для Европы, сегодня сказать невозможно, поэтому перенос экспериментов может произойти не только этой осенью, но также весной.

В этой связи напомним, что учёные начали призывать к «озеленению» фундаментальной науки. Современные научные инструменты и инструменты ближайшего будущего должны быть более энергоэффективными, поскольку они потребляют всё больше и больше энергии. В этом плане можно было бы позавидовать России с её богатейшими запасами разнообразных энергоресурсов. Однако необходимо понимать простую вещь, наука может успешно развиваться только в международном сотрудничестве. Так было всегда и стало особенно важным по мере умножения научных знаний.

Время дешёвой энергии прошло, что требует от научных изысканий в физике элементарных частиц соответствовать моменту. Современные инструменты для изучения частиц и, прежде всего, разнообразные ускорители, потребляют так много энергии, что оказывают пагубное с точки зрения экологии воздействие на окружающую среду. Это ведёт к устойчивому мнению, что все будущие проекты ускорителей должны подвергаться строжайшей экологической экспертизе.

Примерное расположение коллайдера Future Circular Collider. Источник изображения: CERN

Комплекс ускорителей в ЦЕРНе, жемчужиной которого является Большой адронный коллайдер (БАК), потребляет на уровне 200 МВт в пике, что примерно равно трети потребления расположенной недалеко Женевы с населением порядка 200 тыс. человек. В будущем ЦЕРН намерен создать ещё более мощный инструмент для исследования бозона Хиггса и других элементарных частиц — коллайдер Future Circular Collider (FCC) окружностью 100 км. Его ещё называют «хиггсовской фабрикой». Это колоссально поднимет потребление энергии комплексом, что заставляется задуматься о будущей энергоэффективности экспериментов.

Проект FCC ещё не утверждён, что даёт возможность оценить предложенные варианты с точки зрения воздействия на окружающую среду. Предварительные выкладки показывают, что в зависимости от выбранного проекта «сталкивателя частиц» углеродный след «хиггсовской фабрики» может отличаться в 100 раз. К такому выводу пришли европейские физики, изучившие потенциал преемников БАК. И самый масштабный проект в лице FCC со 100-км окружностью оказался самым эффективным с точки зрения затраченной энергии на получение каждого бозона Хиггса.

В настоящее время существует пять предложений по созданию высокоэнергетического позитронно-электронного коллайдера. Это три коллайдера на линейных ускорителях — Международный линейный коллайдер (ILC) в Японии, американский коллайдер C3 и Компактный линейный коллайдер в ЦЕРНе, а также два кольцевых коллайдера — ЦЕРНовский FCC и китайский электрон-позитронный коллайдер (CEPC). Физики из ЦЕРНа проанализировали каждый проект и пришли к выводу, что Future Circular Collider будет самым энергоэффективным даже с учётом влияния на окружающую среду сооружений коллайдера и всех необходимых строительных работ (хотя все приведенные ниже выкладки учитывают только энергетическую составляющую работы коллайдеров как самую значимую).

В частности, исследователи подсчитали, что Future Circular Collider будет потреблять 3 МВт·ч на каждый произведенный бозон Хиггса. На втором месте по эффективности оказался китайский CEPC — 4,1 МВт·ч на бозон Хиггса. Самым энергозатратным признан американский коллайдер C3, который на каждый бозон Хиггса будет расходовать 18 МВт·ч.

С учётом углеродного следа от производства электроэнергии в каждой из стран, где планируется строить будущие и более мощные коллайдеры, круговой коллайдер Future Circular Collider снова оказался самым дружественным к природе — производство каждого бозона Хиггса на FCC будет сопровождаться выбросом 0,17 т эквивалента CO₂. Японский ILC, к примеру, будет производить в 50 раз больше выбросов на каждый бозон Хиггса (9,4 т эквивалента CO₂). Такая громадная разница возникла преимущественно по той причине, что Future Circular Collider будет запитан от французских энергосетей, в которых преобладает электричество от атомных электростанций.

Более того, если Future Circular Collider увеличит число точек взаимодействия частиц с 2 до 4, то его эффективность вырастет ещё в два раза — до 1,8 МВт·ч на каждый бозон Хиггса и выбросов до 0,1 т эквивалента CO₂.

Как ещё один вариант для снижения воздействия коллайдеров ЦЕРНа на окружающую среду предложено протянуть линию электропередачи от солнечных электростанций в Северной Африке, хотя это уже другая история. Факт в том, что фундаментальная наука сможет двигаться вперёд далеко не во всех странах и регионах. И это ещё непонятно, как на всём этом скажется нынешний энергетический кризис. В ЦЕРН уже задумались о сокращении ряда второстепенных экспериментов, и с этим придётся жить дальше.

Государственная корпорация «Ростех» сообщает о том, что в РФ в рамках программы импортозамещения будет разработано семейство специализированных ферритовых приборов — электронных компонентов для усилительной техники. Эти устройства найдут применение в сверхмощных отечественных коллайдерах.

Источник изображений: pixabay.com

Проект реализует НИИ «Феррит-Домен» холдинга «Росэлектроника». Речь идёт о создании узкополосных циркуляторов высокого уровня мощности на базе ферритов. В настоящее время проектируются опытные образцы, а начало серийного производства запланировано на третий квартал 2023 года.

Ожидается, что изделия найдут применение в различных сферах. Это, в частности, оборудование для цифрового телевидения, промышленные установки генерации плазмы, комплексы для исследования элементарных частиц и термоядерного синтеза, а также перспективные ускорители для научных и медицинских целей.

Новые ферритовые приборы помогут в строительстве сверхмощных коллайдеров, которые должны появиться в Сарове, Новосибирске и на Дальнем Востоке. Циркуляторы будут производиться в форм-факторе Drop-In. Это позволит максимально эффективно интегрировать их в архитектуру радиоэлектронной аппаратуры, которая всё чаще создаётся на базе твердотельной техники вместо электровакуумной.

«Новая разработка холдинга "Росэлектроника" является востребованным электронным компонентом для усилительного оборудования различного типа, в том числе в составе уникальных научных установок класса "мегасайенс"», — говорится в сообщении.

Вчера Большой адронный коллайдер (БАК) вывели на полную мощность, что стало возможным после нового цикла модернизации установки. До этого БАК сталкивал встречные пучки протонов с энергией 13 ТэВ, а после модернизации энергию столкновений подняли до 13,6 ТэВ. И хотя подъём кажется незначительным, возросшая интенсивность столкновений, рост числа протонов в пучках и установка новых детекторов позволят до двух раз ускорить научные исследования на БАК.

Источник изображения: CERN

БАК работает циклами (Run), за период которых собираются данные для последующего анализа. После нескольких лет модернизации, что даёт возможность как усилить энергию столкновений, так и добавить новые детекторы в установку, запускается новый цикл по сбору данных. Текущий цикл третий по счёту (Run 3). БАК был остановлен в 2018 году после цикла Run 2 и почти три года проходил техническое обслуживание и модернизацию.

К работе установку начали возвращать в апреле текущего года. Поскольку это чрезвычайно сложный инструмент с тысячами контроллеров, то запустить его по «щелчку переключателя» невозможно в принципе. Инженеры постепенно наращивали энергию пучков, пока 5 июля не смогли добиться максимально возможного значения в 13,6 ТэВ.

«Одних соединений, переключений, контроллеров всевозможных тысячи и десятки тысяч. Мы же не можем включить один большой рубильник и сказать — всё, теперь работаем. Надо настраивать большое количество магнитов, и это требует больших усилий и много времени. Это удивительно сложная работа, и наши коллеги-инженеры, которые начали работать с ускорителем, уложились с этими тестами и настройками всего за 3–4 месяца, это героический поступок», — рассказал РБК ректор НИЯУ МИФИ доктор физико-математических наук Владимир Шевченко.

По словам российских физиков, возросшая интенсивность столкновений протонов в коллайдере до двух раз ускорит научные исследования на нём. Вместо 10–15 лет работы на сбор необходимых данных будет уходить до 5 лет и даже меньше. Научные открытия будут совершаться чаще и в более сжатые сроки.

До лета–осени 2024 года российские и белорусские физики продолжат работать на Большом адронном коллайдере по уже открытым проектам. Новые проекты временно открывать запрещено, хотя в будущем вопрос сотрудничества с РФ и Республикой Беларусь может быть рассмотрен заново.

Большой адронный коллайдер построили в 2008 году для проверки Стандартной модели физики и поиска новых данных о фундаментальных частицах. Адронами называют частицы, состоящие из кварков. Простейшими адронами, например, являются нейтроны и протоны. Атомы и молекулы тоже относятся к адронам, как и мы с вами в целом. Из это следует название установки — Большой адронный коллайдер (сталкиватель).

Увеличение энергии столкновений приведёт к росту частоты тех или иных событий, что позволит уточнить параметры частиц Стандартной модели и попытаться обнаружить отклонения от этой модели. А любые отклонения — это путь к неизвестному, например, к обнаружению тёмного вещества, тёмной энергии или антиматерии.

Вновь начавший работу после модернизации Большой адронный коллайдер (БАК) будет «разогнан» до рекордной энергии 13,6 триллиона электронвольт (ТэВ). Более трёх лет работ по обновлению программно-аппаратной составляющей позволят мощнейшему в мире ускорителю частиц в дальнейшем работать около 4 лет, обеспечивая недостижимый ранее потенциал для новых открытий.

Источник изображения: CERN

Как сообщает «Интерфакс», курируемый Европейской организацией по ядерным исследованиям (CERN) проект уже действует с апреля, но постепенно он будет выводиться на максимальную мощность — машина БАК и ее инжекторы вводятся в эксплуатацию для работы с новыми пучками повышенной интенсивности с увеличенной энергией.

Благодаря этому учёные смогут более эффективно исследовать природу бозона Хиггса «с беспрецедентной точностью по новым каналам». Кроме того, они получат возможность исследовать и другие, ранее недоступные процессы и повысить точность измерений для решения актуальных вопросов вроде природы «асимметрии» присутствия материи-антиматерии во вселенной. Дополнительно будут изучаться свойства материи при экстремальной температуре и плотности, а также будет вестись поиск «кандидатов» в тёмную материю — как прямым поиском, так и с помощью точных измерений свойств уже известных частиц.

По данным CERN предполагается дальнейшее изучение бозонов Хиггса и, в частности, возможность их распада на частицы тёмной материи. В рамках программы по изучению столкновений тяжёлых ионов планируется исследование кварк-глюонной плазмы — вещества, предположительно существовавшего в течение 10 секунд после Большого взрыва, в результате которого согласно современной научной модели образовалась Вселенная.

Научное объединение ATLAS перешло на обновленную версию программного обеспечения для автономного анализа данных (Athena). Новое ПО работает быстрее, занимает меньше места в памяти и имеет массу новых инструментов для оценки физических опытов на БАК. С его помощью сложнейшие процессы в коллайдере будут детализироваться с невозможной ранее точностью, что поможет сделать новые открытия в физике.

Датчик ATLAS, который получил данные для обнаружения бозона Хиггса. Источник изображения: CERN

В настоящий момент обновлённое ПО начало повторно анализировать данные с детекторов Большого адронного коллайдера, полученные в период с 2015 по 2018 год. Обработка идёт быстрее и позволяет не только найти новые треки частиц в результатах по столкновениям, но также помогает точнее откалибровать датчики для будущих экспериментов. Так, если раньше треки на периферии датчиков было очень сложно отследить из-за высочайшей нагрузки на вычислительные мощности, то модернизированная база данных и программа делают это в разы быстрее и с меньшими ресурсными затратами. На периферии же могут скрываться частицы, о которых наука пока не подозревает.

«Нашей целью было значительно сократить объём памяти, необходимой для работы программного обеспечения, расширить виды физического анализа, которые оно может выполнять и, что наиболее важно, позволить анализировать текущие и будущие наборы данных ATLAS вместе, — сказал Зак Маршалл (Zach Marshall), координатор вычислений ATLAS. — Эти усовершенствования являются ключевой частью нашей подготовки к будущим высокоинтенсивным операциям БАК, в частности, к запуску БАК высокой светимости (HL-LHC), что ожидается примерно в 2028 году и в ходе которого вычислительные ресурсы ATLAS будут чрезвычайно востребованы».

Объём полученных за три года данных этапа исследований Run2 по ATLAS достигает 18 Пбайт. И это число будет только расти. Чтобы физики понимали происходящее на ускорителе, сырые данные должны быть интерпретированы до более-менее понятных значений. Всё это требует колоссальных вычислительных ресурсов, и оптимизация, включая многопоточность, делает это возможным. В архивах вполне могут скрываться открытия, которые до сих пор ускользали от внимания учёных и которые могут многое изменить в фундаментальной физике и в нашем понимании устройства мира.

Без малого сто лет назад физики Грегори Брайт и Джон Уилер теоретически доказали, что из чистого света можно получить материю. Звучит как фантастика, но это вполне согласуется со знаменитой эйнштейновской формулой E = mc². Другое дело, что на практике получить из света (фотонов) материю очень и очень сложно. Но теперь такое явление обнаружено и экспериментально подтверждено.

Согласно теории Брайта и Уилера, которая впоследствии стала называться эффектом Брайта-Уиллера, при взаимодействии двух квантов света (фотонов) возникают две частицы: электрон и позитрон (античастица электрона). Электрон — это вполне себе материя, тогда как позитрон — тоже материя, но с противоположным знаком, то есть антиматерия, как принято говорить.

В природе вокруг себя и даже глубоко во Вселенной мы не наблюдаем антиматерию, что говорит об исключительной редкости столкновений фотонов. Но процессы аннигиляции — самоуничтожение электронов и позитронов при столкновении с выделением двух квантов света в экспериментальных установках наблюдаются давно. Учёные из коллаборации STAR, исследующие подобные явления на коллайдере в Брукхейвенской национальной лаборатории, решили поискать в массиве данных по экспериментам подтверждения эффекта Брайта-Уиллера и нашли их.

Выяснилось, что разгон ядер (ионов) золота до релятивистских скоростей (до 99,99 % от скорости света) и соударение их приводит к эффекту, предсказанному в 1934 году Грегори Брайтом и Джоном Уилером. Разогнанные до таких скоростей частицы сжимаются по оси движения и генерируют сильнейшие электромагнитные поля перпендикулярно оси полёта. Эти электромагнитные поля представляют собой ни что иное, как реальные фотоны — фактически облако фотонов вокруг ядер. Столкновение таких частиц часто сопровождалось столкновением реальных фотонов с фиксацией электронов и позитронов после столкновения.

После изучения массива полученных на коллайдере RHIC данных обнаружились свыше 6 тыс. фактов соударения фотонов с последующим синтезом материи (электронов и их античастиц позитронов), о чём в издании Physical Review Letters некоторое время назад вышла научная статья. Первый шаг к синтезатору материи сделан, как бы фантастически это ни звучало. Но камнем преткновения, как всегда, будет проблема высочайших энергозатрат.

Ответ на одну из загадок Вселенной о полном дисбалансе вещества и антивещества будут искать в новых экспериментах на Большом адроном коллайдере (БАК) с помощью детектора LHCb. Для этого и других экспериментов БАК переводится в режим повышенной светимости, что означает рост радиоактивности из-за увеличения количества соударений частиц в секунду. В таких условиях старые датчики малоэффективны, что поможет обойти российская разработка.

Источник изображения: НИТУ «МИСиС»

Учёные НИТУ «МИСиС» разработала новую технологию производства абсорбера для электромагнитного калориметра эксперимента LHCb. Абсорбер или поглотитель состоит из металлической секции в виде монолитной болванки со строго расположенными сквозными отверстиями. Допуск составляет 50 мкм. Это наложило крайне жёсткие требования на материал, который не должен допускать усадки в процессе литья. В ходе подбора материала идеальным оказался сплав свинца, сурьмы и олова.

Для проверки датчиков были выбраны сцинтилляционные волокна на основе полистирола, производства НИЦ «Курчатовский институт» ИФВЭ, г. Протвино. Такие волокна испускают свет при попадании в них продуктов распада частиц после соударения. Этот подход позволяет измерить энергию и траекторию движения частиц после разрушения протонов, встретившихся в БАК на скорости близкой к скорости света на встречных курсах.

Источник изображения: НИТУ «МИСиС»

Предложенные российскими учёными датчики выгодно отличаются от старых тем, что они монтируются кассетами и могут легко заменяться на новые после износа. Также они выдерживают большие энергии частиц и способны собирать статистику в новых условиях повышенной светимости. Но в целом новые датчики дополнят работу старых и позволят ещё лучше детализировать результаты экспериментов, а повышенная точность измерений — это путь к новым открытиям. Подробнее на сайте института.

В рамках проекта по изучению частиц на Большом адронном коллайдере учёным удалось обнаружить совершенно новую частицу — дважды очарованный тетракварк. Такое название частица получила из-за того, что она состоит из двух очарованных кварков и двух лёгких антикварков, верхнего и нижнего. Об открытии было объявлено на конференции Европейского физического общества, в проекте участвовали учёные Института ядерной физики имени Г.И. Будкера (Сибирское отделение РАН, Новосибирск).

Спектр продуктов распада тетракварка на мезоны, пик свидетельствует о регистрации частицы. Источник: desy.de

Изначально считалось, что адроны могут состоять либо из двух кварков, образуя мезон в паре кварк-антикварк, либо из трёх кварков, образуя барион (например, протон или нейтрон). Однако около 50 лет назад, когда кварковая модель ещё создавалась, её автор Марри Гелл-Манн (Murray Gell-Mann) предсказал, что могут существовать и более сложные частицы. Такие частицы не укладывались в традиционную модель, поэтому они получили название экзотических. Экзотические частицы появляются за счёт встраивания пары кварк-антикварк в структуру мезона либо бариона.

Данная гипотеза в течение долгого времени оставалась только теорией, пока в 2014 году в ходе эксперимента LHCb на Большом адронном коллайдере учёным не удалось пронаблюдать первый тетракварк. В 2015 году было объявлено об открытии пентакварка. Всего на текущий момент было открыто четыре пентакварка и около двадцати тетракварков.

Все открытые и подтверждённые до настоящего момента тетракварки имели скрытое очарование. Очарование — это квантовое число, отражающее один из типов кварка или лептона — ароматов. Скрытое очарование означает, что они включали в себя разные комбинации кварков, но в любом случае в эти комбинации всегда входили один очарованный кварк и один очарованный антикварк. Уникальность новой частицы состоит в том, что она состоит из двух очарованных кварков (c-кварков), относительно тяжёлых, массой порядка гигаэлектронвольта, что сравнимо с массой протона, а также двух лёгких u- и d-антикварков, их масса на три порядка меньше, она измеряется единицами мегаэлектронвольтов. Из-за присутствия двух очарованных кварков новая частица получила название T_cc⁺. Буква «Т» означает «тетракварк», буквы «cc» указывают на два очарованных кварка (c-кварка, от английского «charmed»).

Тетракварк рождается в протон-протонных столкновениях и последующем распаде на мезоны. Источник: desy.de

В рамках исследования учёные провели анализ данных, которые были собраны в первом и втором сезонах работы коллайдера с 2011 по 2018 год. По результатам анализа экспериментальных данных удалось зафиксировать около двухсот событий рождения частицы T_cc⁺. Её открытие было подтверждено со значимостью в 10 стандартных отклонений, а это значит, что вероятность случайной флуктуации, которую учёные могли бы принять за сигнал, практически исключена.

Ещё одним примечательным моментом является относительно узкая ширина распада новой частицы, она составляет примерно 0,5 МэВ при типичных значениях в десятки и даже сотни МэВ. Иными словами, T_cc⁺ существует на порядки дольше схожих квантовых структур, что делает её самым стабильным экзотическим адроном. И, наконец, продукты распада нового тетракварка относительно легко детектировать, что с учётом высокой стабильности частицы облегчит точные измерения её свойств.

Открытие дважды очарованного тетракварка поможет в открытии ещё одной подобной экзотической частицы — дважды прелестного тетракварка, который вместо двух очарованных кварков (c-кварков) содержит два прелестных кварка (b-кварка). Теоретически такая частица практически не сможет распадаться на основе механизмов сильного взаимодействия, поскольку её масса окажется меньше массы продуктов распада. Она будет распадаться в слабом взаимодействии. Иными словами, время её жизни увеличится на несколько порядков в сравнении со стабильной T_cc⁺.

Европейская организация по ядерным исследованиям (CERN) утвердила планы строительства в Европе гигантского коллайдера протяжённостью 100 километров и стоимостью $23 млрд. В сравнении с новой установкой существующий Большой адронный коллайдер — ускоритель заряженных частиц диаметром 27 километров, способный работать с энергиями до 16 ТэВ (тераэлектронвольт), — будет выглядеть просто крохой.

Так называемый Будущий кольцевой коллайдер (Future Circular Collider, FCC) планируется использовать для сталкивания между собой заряженных частиц с энергией более 100 ТэВ. Благодаря этому учёные смогут создавать гораздо больше бозонов Хиггса, существование которых впервые было подтверждено CERN в 2012 году. Изучение этих элементарных частиц позволит лучше разобраться в природе тёмной материи, а также других загадок Стандартной модели физики.

«Такая машина сможет создавать огромное количество бозонов Хиггса в чистой среде, что позволит добиться значительного прогресса в картировании разнообразных взаимодействий бозона Хиггса с другими частицами, а также проводить измерения с чрезвычайно высокой точностью», — сообщила CERN в своём пресс-релизе.

В новом документе, описывающем текущие планы организации, CERN указывает, что текущий приоритет заключается в завершении модернизации существующего Большого адронного коллайдера и повышении его светимости с помощью очень мощных сверхпроводящих магнитов NbSn. Это позволит проводить внутри БАК гораздо больше столкновений частиц по сравнению с текущими возможностями, что увеличит шансы на повторное обнаружение бозонов Хиггса и других редких элементарных частиц.

Строительство нового коллайдера будет проводиться в два этапа. В рамках первого учёные создадут установку, которая позволит сталкивать электроны и позитроны, чтобы максимизировать выброс бозонов Хиггса для их дальнейшего более точного изучения. Вторая версия протон-протонного коллайдера сможет работать с энергиями более 100 ТэВ и создавать новые частицы, которые смогут дополнить Стандартную модель физики или даже изменить наше представление о ней.

CERN хотела бы начать строительство нового коллайдера к 2038 году, однако есть большая проблема — деньги. Новый проект физиков настолько дорогой, что финансирование для него придётся искать за пределами Евросоюза. Вполне возможно, что для этого даже придётся создать новую мировую научную организацию, в которую помимо европейских стран также войдут США, Китай и Япония.

Решить этот вопрос будет непросто, особенно если учесть, что перед новым коллайдером по сути не ставится такой же чёткой задачи, какая ставилась перед БАК. И всё же физика элементарных частиц и Стандартная модель — это именно те сферы, в которых содержится множество теоретических аспектов, требующих практического подтверждения.

«Единственным способом ответить на все интересующие нас вопросы являются эксперименты, а единственное место, где эти ответы могут прятаться, находится там, куда до этого мы не могли заглянуть», — подытожила в статье в журнале Nature британский физик Тара Ширс (Tara Shears).

Научные эксперименты на базе российского ускорительного комплекса NICA планируется начать в 2021 году. Об этом, как сообщает «РИА Новости», заявил советник дирекции по созданию коллайдера NICA и электронного охлаждения, член-корреспондент РАН Игорь Мешков.

Фотографии nica.jinr.ru

Проект NICA, или Nuclotron based Ion Collider fAcility, реализуется с 2013 года. Он предусматривает создание коллайдера протонов и тяжёлых ионов на базе Лаборатории физики высоких энергий (ЛФВЭ) им. В. И. Векслера и А. М. Балдина Объединённого института ядерных исследований (ОИЯИ). Комплекс располагается в городе Дубна Московской области.

Основная задача проекта — изучение свойств плотной барионной материи. Ожидается, что после запуска комплекса учёные смогут воссоздать в лабораторных условиях особое состояние вещества, в котором пребывала наша Вселенная первые мгновения после Большого Взрыва, — кварк-глюонную плазму (КГП).

«Мы надеемся, что, несмотря на большие трудности, от нас мало зависящие, в 2020 году пучок уже появится в коллайдере, а в 2021 году уже начнётся работа по реальным экспериментам регистрации событий», — сообщил господин Мешков.

Ускорительный комплекс NICA будет обеспечивать пучки различных частиц с широким спектром параметров. Более подробную информацию о проекте можно найти здесь.

Россия и Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН) заключили новое соглашение о научно-техническом сотрудничестве.

Фотографии ЦЕРН

Договор, ставший расширенной версией соглашения от 1993 года, предусматривает участие РФ в экспериментах ЦЕРН, а также определяет область интересов Европейской организации по ядерным исследованиям в российских проектах.

В частности, как сообщается, специалисты ЦЕРН помогут в создании коллайдера «Супер С-тау фабрика» (Новосибирск) Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН). Кроме того, европейские учёные примут участие в проектах исследовательского нейтронного реактора ПИК (Гатчина) и ускорительного комплекса NICA (Дубна).

В свою очередь, российские эксперты помогут в реализации европейских проектов. «ИЯФ СО РАН продолжит принимать активное участие в работах по модернизации Большого адронного коллайдера в установку высокой светимости и ключевых экспериментах ATLAS, CMS, LHCb, ALICE. Специалисты института разработают и изготовят системы коллиматоров и системы твердотельных усилителей высокочастотной мощности, необходимые для Большого адронного коллайдера высокой светимости», — говорится в сообщении.

Плюс к этому российская сторона возьмёт на себя финансирование части работ, которые будут выполняться для Европейской организации по ядерным исследованиям.

Большой адронный коллайдер Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN) сейчас закрыт на два года для проведения модернизации, но исследователи уже рассматривают новые концептуальные проекты, включая Будущий круговой коллайдер (FCC) — новый проект по ускорению частиц, задуманный Лабораторией физики элементарных частиц, управляющей Большим адронным коллайдером (LHC). Чтобы построить самый мощный ускоритель частиц в мире, потребуется туннель протяжённостью около 100 километров.

Руководитель The Boring Company Илон Маск (Elon Musk) не желает упускать такой шанс. В ответе на твит MIT Technology Review с описанием кругового коллайдера господин Маск сказал, что уже общался по этому поводу с директором CERN Фабиолой Джанотти (Fabiola Gianotti) и что участие Boring Company могло бы сэкономить миллиарды евро. Если это действительно так, то его помощь наверняка оказалась бы нелишней.

Руководитель пресс-службы в CERN Арно Марсолье (Arnaud Marsollier) подтвердил, что Илон Маск и Фабиола Джанотти недавно имели возможность неформально встретиться в Королевском обществе и кратко обсудить предстоящие проекты, при этом директор Boring Company рассказал о своих технологических возможностях. Вместе с тем, пресс-служба заявила, что организация открыта к новым эффективным технологиям, которые помогут реализовать задачу, включая прокладку необходимых туннелей.

Принцип работы коллайдеров заключается в разгоне частиц до невероятной скорости по замкнутому маршруту и столкновение их для целей научных экспериментов. Над выпущенным CERN отчётом о концептуальном дизайне Будущего кругового коллайдера работали в течение 5 лет 1,5 тысячи специалистов из 150 университетов. FCC будет в четыре раза больше Большого адронного и расположится рядом, недалеко от Женевы (Швейцария). При работе на полную мощность он сможет сталкивать частицы с 10-кратно большей энергией.

Физики из CERN надеются, что это позволит лучше исследовать природу бозона Хиггса, который даёт всей материи свою массу, и откроет дверь в неизведанную область практической науки, поможет разрешить некоторые трудные вопросы. Например, из чего состоит тёмная материя или почему количество вещества больше, чем антивещества? Самая большая проблема заключается в том, что существующая модель физики не очень хорошо объясняет вселенную, например, природу гравитации. Но LHC до сих пор не предоставил каких-либо оснований для альтернативных теорий.

По оценкам, строительство самого туннеля обойдётся в $5,7 млрд. Ещё $4,6 млрд потребуется для первого коллайдера (предназначенного для столкновения частиц, называемых лептонами). Затем $17 млрд уйдёт на строительство окончательного коллайдера, который смог бы сталкивать протоны вместе. Если проект получит одобрение, он может быть реализован к 2040 году.