Протоны и кислород впервые сошлись лоб в лоб на БАК. Ставка — тайна начала времён

На самом мощном ускорителе частиц на планете запустили уникальные эксперименты , которые помогут учёным приблизиться к разгадке фундаментальных законов природы. Впервые за всю историю Большого адронного коллайдера (БАК) в его кольце столкнулись протоны и ионы кислорода.

Эти исследования стали частью масштабной кампании, которая продлится до 9 июля и включает серию ключевых событий. Запланированы также опыты с ионами кислорода между собой и отдельный день, посвящённый столкновениям ионов неона.

БАК , расположенный недалеко от Женевы, на границе Швейцарии и Франции, остаётся единственной научной установкой, способной разгонять частицы почти до скорости света и сталкивать их при строгом контроле условий.

Подготовка к текущим мероприятиям заняла несколько лет. Первый этап новой серии начался 29 июня, когда ускоритель перешёл на специальный режим работы.

По плану, два дня отведены на столкновения протонов с ионами кислорода, ещё два — на взаимодействие самих кислородных ионов. Завершающим этапом станет день экспериментов с участием ионов неона. Между этими фазами учёные проводят настройку оборудования и технические чекапы.

Главная цель — получить новые данные о строении материи и происхождении космических явлений. Физики рассчитывают продвинуться в изучении природы космических лучей, сильного ядерного взаимодействия и свойств кварк-глюонной плазмы — особого состояния вещества, которое, по теории, заполнило пространство Вселенной сразу после Большого взрыва .

И хотя практическая фаза стартовала недавно, первые теоретические расчёты и технические проработки велись с 2019 года. За это время инженеры перестроили все ключевые элементы ускорительного комплекса CERN, чтобы он мог работать с тяжёлыми частицами.

Процесс подготовки начинается с установки Linac3, где формируются пучки нужных частиц. Далее они проходят серию ускорительных этапов: через Кольцо низкоэнергетических ионов (LEIR), Протонный синхротрон (PS) и Суперпротонный синхротрон (SPS). Помимо столкновений внутри БАК, часть пучков кислорода будет направлена на эксперименты с фиксированными мишенями в северной зоне комплекса.

Наибольшую сложность представляет стадия, когда в одном кольце ускорителя встречаются протоны и ионы кислорода. Из-за разного соотношения массы и заряда эти частицы по-разному взаимодействуют с электромагнитными полями внутри БАК, что требует сложной коррекции траекторий. Без этого пучки не смогли бы стабильно пересекаться в нужных точках.

Чтобы добиться точных столкновений, специалисты ювелирно настраивают частоту и импульс обоих пучков. Их пересечения происходят строго в местах расположения четырёх ключевых детекторов: ALICE, ATLAS, CMS и LHCb.

Помимо прочего, недалеко от точки столкновений ATLAS, на расстоянии 140 метров, установлен специальный детектор LHCf. Он предназначен для регистрации частиц, разлетающихся под минимальными углами при столкновениях протонов с кислородом. Такие измерения позволяют получить уникальную информацию о поведении субатомных частиц, которая остаётся недоступной при стандартных методах наблюдения.

После завершения этого этапа LHCf будет демонтирован, а его место займёт калориметр — устройство для сбора данных о последующих столкновениях ионов кислорода и неона.

Также в рамках кампании тестируется система кристаллической коллимации , предназначенная для более точного управления тяжёлыми ионными пучками. Эта технология помогает минимизировать количество частиц, которые отклоняются от основного потока и могут мешать точности эксперимента.

Стандартные системы коллимации показали меньшую эффективность при работе с тяжёлыми ионами, поэтому инженеры подготовили специальные кристаллы, которые устанавливаются непосредственно перед началом столкновений кислорода между собой и неона.

Научное сообщество внимательно следит за происходящим в тоннелях коллайдера. Результаты испытаний могут серьёзно расширить наше представление о фундаментальных законах природы и приблизить разгадку процессов, которые происходили во Вселенной в первые секунды после её возникновения.