Глубоко под франко-швейцарской границей затих крупнейший научный инструмент в мире. После многих лет столкновений протонов почти со скоростью света Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРНе остановил работу и ушёл в долгую техническую паузу. Но тишина в 27-километровом туннеле обманчива: тысячи учёных, инженеров и техников разбирают части машины, ставят новые технологии и готовят одну из самых амбициозных модернизаций в истории экспериментальной физики.

Когда коллайдер снова включат — ориентировочно в 2030 году, — он превратится в HL-LHC, Коллайдер высокой светимости, способный выдавать примерно в семь раз больше данных, чем та версия, что открыла бозон Хиггса. Именно эта частица, пойманная в 2012-м, замкнула Стандартную модель физики элементарных частиц и подарила учёным новую эпоху вопросов. Теперь главная цель — не просто найти Хиггса, а разглядеть его в мельчайших деталях.

Разборка ради перерождения

Сейчас инженеры демонтируют 1,2 километра оборудования БАК, чтобы освободить место для компонентов HiLumi LHC. Это не ремонт и не плановая замена изношенных частей — это перестройка ускорителя под принципиально иные задачи. Вместо погони за всё более высокими энергиями столкновений физики делают ставку на количество: чем больше протонных встреч, тем выше шанс поймать редчайшие события, которые сегодня тонут в статистическом шуме.

Сравнение, которое используют сами исследователи, простое: представьте, что вы заменили камеру, делающую один снимок в секунду, на ту, что щёлкает семь раз за то же время. Каждый кадр выглядит почти так же, но вместе они проявляют детали, которые иначе остались бы невидимыми. Для физики Хиггса эти дополнительные данные станут преобразующими.

Бозон Хиггса — частица ускользающая. Некоторые из его самых интересных распадов, когда он превращается в другие частицы, настолько редки, что оставались за гранью возможностей нынешнего БАК. Другие лишь недавно начали проступать как дразнящие намёки. Новый коллайдер должен превратить эти намёки в измерения.

Что именно будут искать

Один из ключевых процессов — распад бозона Хиггса на два мюона. Мюон — нестабильная субатомная частица, и такой распад проверяет, взаимодействует ли Хиггс с лептонами второго поколения так, как предсказывает Стандартная модель. Другой пример — распад на очарованные кварки. Это одно из самых трудных измерений, потому что сигнал приходится вытаскивать из подавляющего фона обычных столкновений.

Оба процесса тестируют фундаментальное свойство бозона: одинаково ли он общается с лёгкими частицами, как того требует теория. Любое отклонение, даже крошечное, может указывать на то, что за кулисами на Хиггса влияют новые частицы или силы. Это была бы дорога к разгадке тёмной материи или к пониманию, почему во Вселенной материи гораздо больше, чем антиматерии.

Амбициознее всего — наблюдение пар бозонов Хиггса. Впервые появится шанс измерить самодействие хиггсовского поля, то есть силу, с которой оно взаимодействует само с собой. Это взаимодействие определяет форму поля, заполняющего всё пространство, и, как считается, сыграло ключевую роль в эволюции Вселенной сразу после Большого взрыва.

Детекторы, которые видят время

Чтобы поймать такие события, недостаточно просто разогнать больше протонов. На HL-LHC каждое пересечение пучков будет порождать до 200 одновременных протон-протонных взаимодействий — в несколько раз больше, чем сегодня. Распутать эту плотную паутину частиц смогут только детекторы быстрее, точнее и куда устойчивее к радиации, чем всё, что строили раньше.

В сердце экспериментов Atlas и CMS появятся полностью новые кремниевые трековые детекторы. Они должны выдерживать уровни радиации, которые быстро уничтожили бы предыдущие поколения сенсоров, и при этом измерять траектории частиц с необычайной точностью. На это ушли годы прогресса в кремниевых технологиях, сверхбыстрой электронике, системах охлаждения и лёгких механических конструкциях.

Самая инновационная черта — прецизионное измерение времени. Новые тайминговые детекторы, такие как High Granularity Timing Detector в Atlas и аналогичная система в CMS, будут фиксировать момент прихода частицы с точностью до нескольких десятков триллионных долей секунды. Хотя сотни столкновений происходят почти одновременно, они не случаются ровно в один и тот же миг. Добавив время как четвёртое измерение к трекингу частиц, физики смогут привязать каждую частицу к правильному столкновению и выудить редкие хиггсовские события из огромного фона наложенных друг на друга взаимодействий.

Личная история большой стройки

Для многих учёных эта остановка — не просто технический этап, а веха в проекте, который определил их научную жизнь. Даниэла Бортолетто, физик из Оксфорда, включилась в программу Коллайдера высокой светимости задолго до открытия бозона Хиггса. Почти два десятилетия она участвовала в подготовке с обеих сторон Атлантики.

В США Бортолетто координировала модернизацию Compact Muon Solenoid (CMS) — одного из ключевых экспериментов БАК. CMS построен в одной из точек, где пучки протонов сталкиваются, и собирает данные этих столкновений для анализа физиками ЦЕРНа. Позже, уже в Оксфорде, она переключилась на другой эксперимент — Atlas. Два детектора работают в целом похоже, но наличие пары машин помогает перепроверять значимые открытия независимой командой.

Сейчас Бортолетто с коллегами собирает модули кремниевого пиксельного детектора для обновлённого внутреннего трекера Atlas. Несколько месяцев назад она наблюдала, как в Оксфорде собрали первое полное пиксельное кольцо. «Оно было поразительно красивым: тонкая компоновка кремниевых сенсоров, электроники и опорных структур, чья элегантность отражала годы кропотливой инженерной работы», — вспоминает она. Впервые детектор, который существовал лишь в бесчисленных проектных обзорах, прототипах и производственных совещаниях, стал реальным.

Этот вклад — лишь часть детектора, который строят команды по всему миру. Тысячи компонентов должны соединиться, прежде чем Коллайдер высокой светимости будет готов исследовать новый рубеж физики частиц.

Смена поколений и новая эра

Одна из главных наград для тех, кто работает над детекторами, — видеть, как следующее поколение физиков готовится ими пользоваться. Студенты, помогающие собирать сегодняшние детекторы, проведут значительную часть карьеры, анализируя данные, которые те в итоге соберут.

Когда HL-LHC заработает, он не просто продлит научную программу Большого адронного коллайдера. Он откроет эру прецизионной физики Хиггса. Обнаружит ли коллайдер тонкие трещины в Стандартной модели или с беспрецедентной точностью подтвердит нынешнее понимание — он определит физику частиц на десятилетия вперёд.

Кстати, путь БАК к нынешней модернизации не был гладким. Мы уже писали, как церемония открытия коллайдера проходила на фоне двух аварий: сначала вышел из строя 30-тонный трансформатор, а затем расплавившаяся проводка привела к утечке гелия в туннель, из-за чего полноценный запуск отложили до весны Коллайдер открывают, но запуск — только весной. А задолго до открытия Хиггса математики из института Стеклова заявляли, что энергии коллайдера хватит, чтобы время замкнулось в петлю, и допускали появление гостей из будущего Коллайдер мог заставить время попятиться, но физики ждали гостей из будущего. Теперь, когда машина готовится к перерождению, эти давние сюжеты вспоминаются с особым любопытством: что ещё скрывается в данных, которые покажут обновлённые детекторы?