В кольце БАК столкнулось рекордное количество частиц

Большой адронный коллайдер — это огромное кольцо, по которому по встречным траекториям летят разогнанные магнитным полем ускорителей протоны. Сталкиваясь, протоны распадаются с образованием других фундаментальных частиц; чувствительные детекторы БАК регистрируют всё, что происходит во время столкновений, а учёные обрабатывают данные детекторов и узнают о том, как ведёт себя субатомный «зоопарк» мюонов, глюонов, кварков и других частиц. Чем больше происходит столкновений, тем больше данных, поэтому специалисты CERN постоянно работают над тем, чтобы плотнее сжать частицы в пучках и увеличить вероятность их столкновений.
Потенциальное число столкновений в поперечном сечении коллайдера за единицу времени называется светимостью. Чем выше светимость, тем больше столкновений происходит в коллайдере — и тем интереснее работать физикам. Чтобы увеличить светимость, за прошедший год инженеры CERN внедрили новый метод разделения и сжатия сгустков протонов; теперь диаметр каждого сгустка на 40% меньше, чем в прошлом году, при прежнем числе частиц. Это значит, что протоны в сгустке расположены ближе друг к другу, а вероятность столкновений — больше. С уплотнением сгустков выросла и светимость коллайдера: 28 июня она составила 1,58x10³⁴ столкновений в секунду на одном квадратном сантиметре сечения — это на 10% больше предыдущего рекорда светимости, поставленного в прошлом году, и на 58% больше расчётного показателя. Подробности сообщает пресс-релиз CERN.

График роста интегральной светимости БАК, по годам2016 год (розовая кривая) стал рекордным, но график за 2017 год растёт так быстро, что физики рассчитывают в этом году на новый рекорд по количеству столкновений? зарегистрированных за год

Добиться рекордной светимости удалось за счёт повышения плотности отдельных сгустков протонов. До 2016 года диаметр сгустка составлял 3,5 мкм (миллионных метра); в этом году сгустки удалось сжать до 2,5 мкм при том же количестве частиц в каждом. Кроме того, инженеры увеличили частоту попадания частиц в кольцо — с 1 225 до 200 наносекунд между сгустками.

Единственным ограничением, которое не удалось обойти, стал лимит на количество сгустков, единомоментно выходящих из SPS (протонного суперсинхротрона) — одного из четырёх ускорителей, разгоняющих частицы перед попаданием в кольцо, где происходят столкновения. Если на выходе из SPS окажется больше 144 сгустков протонов уменьшенного диаметра (или 288 сгустков проектного диаметра), их суммарная энергия будет такой большой, что в случае потери контроля над сгустком он может повредить оборудование.
Теперь в каждом пучке — по 2556 сгустков, в каждом сгустке — 115 миллиардов протонов с энергией в 6,5 ТэВ. Суммарная энергия каждого пучка, таким образом, оказалась равна 300 мегаджоулей — это примерно равно общей кинетической энергии миллиона пуль, выпущенных из пистолетов Макарова.
Если мы умножим светимость коллайдера на время его работы, получим количество столкновений на определённой площади сечения за всё время жизни пучка, или его интегральную светимость — главный показатель «урожайности» коллайдера. В прошлую среду на БАКе удалось за сутки достигнуть интегральной светимости в 0,7 обратных фемтобарн; при этом с первого в этом году запуска коллайдера удалось набрать 5,3 фб^-1.