Что нового в LHC Run II

Самый мощный ускоритель частиц на Земле спал в течение последних двух лет. Сейчас начинается его второй рабочий период.

С момента завершения работы в начале 2013 года, LHC и его детекторы подверглись ремонту и множеству усовершенствований. Когда ускоритель частиц перезапустят, он будет сталкивать протоны с беспрецедентной энергией: 13 трлн электрон-вольт. На шкале нашего макромира сила этих протон-протонных столкновений примерно эквивалентна созданию кратера 6 миль в поперечнике вследствие столкновения яблока с луной.

Обновленные возможности в детекторах ATLAS, CMS, ALICE и LHCb – плюс дополнительное повышение напряжения – даст ученым возможность проникнуть в ранее недоступные области физики.

В первом запуске LHC эксперименты на ATLAS и CMS завершили 50-летнюю охоту за бозоном Хиггса, предсказанным в рамках Стандартной модели частиц и сил. Теперь ученые хотят знать, если они нашли бозон Хиггса, то не скрывается ли за этим каких-либо сюрпризов.

«Все свойства бозона Хиггса уже предсказаны Стандартной моделью, так что наша работа измерить эти свойства и посмотреть, согласуются ли они с теорией, - говорит Джей Хаузер (Jay Hauser) из Калифорнийского университета Лос-Анджелеса, который работает на CMS-эксперименте. - Если что-то не согласуется, то это может быть окном в новую физику».

Поскольку бозон Хиггса ответственен за массу, ученые подозревают, что он может взаимодействовать с рядом скрытых массивных частиц, которые мы не можем видеть, например, с темной материей. Если бозон Хиггса участвует в каких-либо неизвестных процессах, то ученые должны увидеть доказательства этого в том, как он ведет себя.

Но даже если бозон Хиггса будет соответствовать всем предсказаниям, то это также будет казаться немного странным.

«Масса бозона Хиггса не соответствует здравому смыслу, - говорит Беате Хайнеманн (Beate Heinemann), физик из Университета Калифорнии, Беркли, и Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, заместитель главы эксперимента ATLAS. - Было бы понятнее, если бы он был гораздо тяжелее, поэтому мы считаем, что должно быть нечто, что экранирует бозон Хиггса и придает ему меньшую массу».

Этим телохранителем бозона Хиггса может быть что угодно, от суперсимметричных частиц до темной материи в дополнительных измерениях.

«У нас есть достаточно головоломок, - говорит Хайнеманн. - Мы считаем, что должна быть новая физика при энергии этого масштаба, но мы не знаем, что это такое».

Ученые на установке ALICE имеют свои взгляды на кое-что еще.
В начале, вся Вселенная – все звезды, планеты и галактики – были частью горячего супа материи, называемого кварк-глюонной плазмой. LHC может воссоздать те условия в миниатюре на встречных пучках тяжелых атомных ядер, которые генерируются в течение четырех недель в году. Детектор ALICE специализируется на исследовании свойств этого изначального материала.

"Кварк-глюонная плазма настолько горяча, что обычные протоны и нейтроны не могут в ней существовать, - говорит Питер Джейкобс (Peter Jacobs), физик из Беркли, который работает на установке ALICE. - Кварки и глюоны движутся в ней и взаимодействуют по-новому, что мы раньше не видели. Это новая форма материи, и мы хотим знать, как она ведет себя и каковы ее свойства как структуры, и ее поведение при различных температурах».

В первом запуске LHC, эксперимент ALICE смог охарактеризовать многие аспекты этой странной полужидкой плазмы, такие как ее вязкость.
«Кварки и глюоны взаимодействуют сильнее, чем мы первоначально думали, о чем свидетельствует то, что кварк-глюонная плазма больше напоминает жидкость, чем газ. Это почти "идеальная" жидкость, которую допускает природа», - говорит Джейкобс.

«Запуск I был запуском открытий, и мы были в состоянии исследовать много новых вещей и много странностей, - отметил Джейкобс. – В течение Запуска II, мы сможем исследовать эти странности более глубоко, и дать им количественные оценки, а не просто быть в состоянии описать их качественно».

Ученые подозревают, что Большой взрыв действовал как вселенского размера суперколлайдер, который привел к появлению в равных частях материи и антиматерии. Но куда же делась вся антиматерия?

Эксперимент LHCb является одним из лучших детективов в мире ранней Вселенной и ищет улики в деле исчезновения антивещества.
«Мы должны были начать с эквивалентным количеством материи и антиматерии во Вселенной, - говорит Майкл Уильямс (Michael Williams), физик из Массачусетского технологического института, работающий на LHCb. - Но теперь все, что мы видим – это материя, и нет никакого способа объяснить это огромное несоответствие в рамках Стандартной модели. Должен быть какой-то другой способ объяснения этому факту».

Чтобы раскрыть причину этого огромного несоответствия, на установке LHCb делаются прецизионные измерения субатомных процессов. Затем ученые сравнивают предсказания Стандартной модели с этими экспериментальными наблюдениями, чтобы увидеть, насколько хорошо они совпадают. До сих пор Стандартную модель было трудно сломать. Но Уильямс считает, что повышение точности измерений может показать, где есть трещины.