Самый мощный в мире аппарат для исследования элементарных частиц, известный как «Большой адронный коллайдер» (LHC), будет приостановлен на четыре года начиная с понедельника. Это необходимо для проведения масштабной реконструкции, призванной существенно расширить его потенциал в изучении базовых принципов мироздания. После завершения обновления устройство получит новую маркировку — «Большой адронный коллайдер повышенной интенсивности» (HL-LHC) и планируется к повторному запуску летом 2030 года. Основная задача предстоящей работы – увеличение частоты взаимодействий частиц, что даст исследователям шанс приблизиться к решению одной из ключевых проблем современной физики: пониманию природы тёмного вещества.

Расположенный в Европейской организации ядерных исследований (CERN) возле Женевы, «Большой адронный коллайдер» представляет собой кольцеобразную туннельную конструкцию протяженностью 27 километров, находящуюся на глубине около ста метров под границей Франции и Швейцарии. В этом месте с помощью магнитов из сверхпроводящих материалов и ускорителей протоны доводятся до невероятно высоких скоростей и сталкиваются почти со скоростью света. Наиболее значимым результатом работы коллайдера стало обнаружение в 2012 году бозона Хиггса – частицы, подтвердившей один из важнейших компонентов Стандартной модели физики элементарных частиц.

В настоящее время установка будет временно выведена из эксплуатации для проведения самой масштабной реконструкции за всё время существования проекта. Руководитель модернизации HL-LHC Маркус Церлаут заявил о начале нового этапа в развитии эксперимента, который позволит найти ответы на множество нерешенных вопросов современной физики и обещает новые научные прорывы.

Ключевой целью обновления станет повышение яркости установки — величины, определяющей частоту взаимодействий частиц в единицу времени. По завершении работ планируется увеличить этот показатель приблизительно на порядок относительно текущего значения. Запланированный бюджет модернизации составляет 1,2 миллиарда швейцарских франков (примерно эквивалентно 1,5 миллиардам долларов США). Источником финансирования выступят взносы стран-участниц CERN и вложения в натуральном выражении, составляющие от десяти до пятнадцати процентов общей стоимости проекта. В реализации инициативы задействованы Соединенные Штаты Америки, Япония, Канада и Китай.

В процессе обновления будет произведена полная замена оборудования на участке протяженностью 1,2 километра внутри кольца ускорителя длиной 27 километров. Будут внедрены современные сверхпроводящие магниты, обеспечивающие более сильную фокусировку пучков частиц перед их столкновением. Это позволит увеличить количество взаимодействий двух потоков протонов в детекторах от 140 до 200 на каждое пересечение против нынешних примерно шестидесяти.

Повышение интенсивности исследований даст возможность получить объем научных данных во сто крат превышающий существующий. Тем не менее, генерируемый массив информации – речь идёт о миллиардах столкновений в секунду – будет настолько велик, что полное сохранение всех полученных результатов станет невозможным. В связи с этим система должна будет оперативно отбирать наиболее значимые события для дальнейшей фиксации. Реализацией этой задачи займутся алгоритмы искусственного интеллекта, способные автономно выявлять наиболее перспективные взаимодействия для последующего изучения.

По словам Недаа-Александры Асбах, сотрудницы исследовательского проекта ATLAS, искусственный интеллект не сможет полностью вытеснить ученых-физиков. Она акцентировала внимание на том, что эта технология станет ценным средством для более продуктивной обработки колоссальных объемов данных, полученных в ходе экспериментов.

Главной целью модернизированного ускорителя остается изучение новых элементарных частиц и углубление понимания основ мироздания. Филип Мортгат, руководитель работ над детектором CMS, заявил о надеждах исследователей на выявление ранее не известных частиц, а также получение дополнительных сведений относительно потенциального существования иных пространственных измерений и частиц темной материи.

Современные представления в космологии указывают на то, что обычная материя, формирующая звезды, планеты, газ, пыль и все видимое нами окружение, составляет лишь незначительную долю – около 5 % от общей массы Вселенной. Приблизительно 27 % приходится на темную материю, а оставшиеся 68% — на темную энергию. Несмотря на их значительное влияние на развитие космоса, эти компоненты пока не были непосредственно зафиксированы.

Обнаружение бозона Хиггса в 2012 году стало ключевым моментом для понимания принципов формирования массы элементарных частиц и послужило основанием для присуждения Нобелевской премии по физике Питеру Хиггсу и Франсуа Энглеру. После обновления CERN планирует существенно расширить изучение этой частицы. Если с момента начала функционирования LHC в 2008 году было зафиксировано около 55 миллионов бозонов Хиггса, то в период работы HL-LHC ожидается образование приблизительно 380 миллионов подобных частиц.

Одним из самых смелых замыслов проекта станет первое в истории одновременное обнаружение рождения двух бозонов Хиггса и исследование их взаимосвязи. По заявлению Недаа-Александры Асбах, подобные эксперименты способны предоставить новые сведения о явлениях, происходивших на ранних этапах развития Вселенной, и способствовать более глубокому пониманию её начальной эволюции.