Большой адронный коллайдер — это 27-километровое кольцо сверхпроводящих магнитов, расположенное на глубине до 175 метров под границей Франции и Швейцарии недалеко от Женевы. В его туннеле два пучка протонов разгоняются до энергии 6,8 ТэВ каждый, после чего они сталкиваются с суммарной энергией 13,6 ТэВ в системе центра масс. Эти столкновения воспроизводят условия, существовавшие в первые доли секунды после Большого взрыва, и позволяют изучать фундаментальные частицы и силы природы.
За годы работы коллайдер подтвердил существование бозона Хиггса, выполнил самые точные измерения параметров Стандартной модели и установил жёсткие ограничения на теории новой физики. В 2026 году завершилась третья фаза работы — Run 3, во время которой эксперименты зафиксировали рекордное количество данных. Сейчас машина входит в длительную остановку для модернизации, после которой мощность возрастёт в разы.
Украинские учёные принимают активное участие в анализе данных и совершенствовании детекторов как представители ассоциированного государства организации, управляющей проектом.
История создания и первые запуски
Идея Большого адронного коллайдера возникла в начале 1980-х годов как способ использовать уже существующий туннель предыдущего ускорителя LEP. В декабре 1994 года Совет ЦЕРН официально одобрил строительство. Технический проект опубликовали в 1995 году, а одобрение экспериментов ATLAS, CMS, ALICE и LHCb произошло в течение 1996–1998 годов.
Строительство и монтаж оборудования продолжались с 1998 по 2008 год. 10 сентября 2008 года первые протоны прошли полное кольцо. Через девять дней произошёл инцидент с перегревом соединения магнитов, что привело к выбросу гелия и повреждению секции туннеля. После ремонта и тестирования первые столкновения зафиксировали 23 ноября 2009 года при энергии 3,5 ТэВ на пучок. В 2010 году энергия выросла до 7 ТэВ в столкновениях.
В июле 2012 года коллаборации ATLAS и CMS объявили об открытии новой частицы с массой около 125 ГэВ, которая по свойствам соответствовала предсказанному бозону Хиггса. Это стало важнейшим результатом физики элементарных частиц за последние десятилетия. После длительной остановки 2013–2015 годов (Long Shutdown 1) энергия выросла до 13 ТэВ, а в 2022 году — до 13,6 ТэВ в Run 3.
Как устроен и функционирует ускоритель
Частицы проходят несколько этапов ускорения перед попаданием в главное кольцо. Сначала линейный ускоритель Linac 4 разгоняет протоны до 160 МэВ. Далее бустер (PS Booster) повышает энергию до 2 ГэВ, протонный синхротрон PS — до 26 ГэВ, а супер-протонный синхротрон SPS — до 450 ГэВ. Только после этого пучки инжектируют в Большой адронный коллайдер.
В главном кольце протоны движутся в двух параллельных вакуумных трубах в противоположных направлениях. Радиочастотные резонаторы (8 на пучок) сообщают энергию, а 1232 дипольных магнита длиной 15 м каждый изгибают траекторию с полем около 8,3 Тл. 392 квадрупольных магнита (5–7 м) фокусируют пучки, а высшие мультиполи корректируют мелкие отклонения. Всего в туннеле установлено 9593 магнита.
Чтобы магниты сохраняли сверхпроводимость, их охлаждают до 1,9 К (−271,3 °C) с помощью сверхтекучего гелия-4 — это крупнейшая криогенная система в мире. Вакуум в трубах достигает 10⁻¹⁰–10⁻¹¹ мбар, чтобы минимизировать рассеяние протонов на остаточных молекулах. Пучки формируют в сгустки (bunch) примерно по 1,15 × 10¹¹ протонов каждый; в кольце может быть до 2800 таких сгустков. Столкновения происходят каждые 25 наносекунд (частота 40 МГц) в четырёх точках пересечения.
Основные детекторы и эксперименты
Вокруг точек столкновения расположены четыре крупные экспериментальные установки. ATLAS — крупнейший детектор объёмом более 40 метров в длину и 25 метров в диаметре — фиксирует широкий спектр процессов и обладает высокой способностью к идентификации частиц. CMS — более компактный, но с очень сильным магнитным полем (4 Тл) — специализируется на точных измерениях энергии и импульса.
ALICE изучает столкновения тяжёлых ионов (свинца), где образуется кварк-глюонная плазма — состояние материи, существовавшее в первые микросекунды после Большого взрыва. LHCb сосредоточен на физике b-кварков, CP-нарушении и редких распадах; именно эта коллаборация в июне 2026 года зарегистрировала новую экзотическую частицу, содержащую один странный и два очарованных кварка.
Дополнительные меньшие эксперименты — LHCf, TOTEM, MoEDAL-MAPP, FASER и SND@LHC — исследуют специфические явления: прямые частицы, дифракцию, монополи, долгоживущие частицы и нейтрино.
Важнейшие научные результаты
Открытие бозона Хиггса в 2012 году окончательно подтвердило механизм, который придаёт массу элементарным частицам в Стандартной модели. Дальнейшие измерения показали, что его свойства — спин, чётность, константы связи — согласуются с предсказаниями теории с точностью до нескольких процентов.
Коллайдер выполнил самые точные в мире измерения масс и ширин W- и Z-бозонов, топ-кварка, констант сильного взаимодействия. В тяжёлоионных столкновениях ALICE подробно изучила свойства кварк-глюонной плазмы — её вязкость, температуру и поведение струй.
Поиски новой физики — суперсимметрии, дополнительных измерений, тёмной материи в виде новых частиц — пока не дали прямых сигналов. Вместо этого эксперименты установили жёсткие нижние границы на массы гипотетических частиц и силы новых взаимодействий. Это сужает пространство для теоретических моделей и направляет дальнейшие исследования.
В 2026 году Run 3 завершилась с рекордными показателями интегрированной светимости, которые превысили первоначальные прогнозы для всех четырёх основных экспериментов.
Ключевые технические параметры
| Параметр | Значение | Примечание |
|---|---|---|
| Длина кольца | 27 км (26 659 м) | Подземный туннель на границе Франции и Швейцарии |
| Энергия протонов в пучке | 6,8 ТэВ | Номинал Run 3 |
| Энергия столкновений протонов | 13,6 ТэВ | В системе центра масс |
| Количество дипольных магнитов | 1232 | Длина каждого — 15 м |
| Количество квадрупольных магнитов | 392 | Для фокусировки пучков |
| Температура работы магнитов | 1,9 К (−271,3 °C) | Сверхтекучий гелий-4 |
| Количество протонов в сгустке | ≈ 1,15 × 10¹¹ | До 2800 сгустков на пучок |
| Интервал между столкновениями | 25 наносекунд | Частота до 40 МГц |
Источник: CERN
Будущее: переход к High-Luminosity LHC
После завершения Run 3 в июне 2026 года началась длительная остановка Long Shutdown 3. К середине 2030-х годов машина превратится в High-Luminosity LHC (HL-LHC). Главная цель — увеличить мгновенную светимость в 5–10 раз по сравнению с текущим уровнем, что позволит накопить в разы больше данных за то же время.
Для этого установят новые сверхпроводящие квадрупольные магниты из ниобий-оловянного сплава, способные создавать поле до 12 Тл (вместо 8–9 Тл в текущих ниобий-титановых). Появятся «крабовые» резонаторы, которые будут поворачивать сгустки перед столкновением для максимального перекрытия. Обновят также системы защиты, вакуум и детекторы — ATLAS и CMS получат новые внутренние трекеры и калориметры, способные работать при более высокой радиационной дозе.
Ожидается, что HL-LHC запустят около 2030 года и он будет работать как минимум десятилетие. Это позволит с точностью до процента изучить свойства бозона Хиггса, проверить редкие распады и значительно расширить чувствительность к сигналам новой физики.
Модернизация позволит накопить интегрированную светимость, в несколько раз большую, чем вся предыдущая статистика Run 1–3 вместе взятая.
Значение для фундаментальной науки
Большой адронный коллайдер — это не только прибор для поиска новых частиц. Он позволяет проверять Стандартную модель в режиме высокой точности, искать объяснение асимметрии между веществом и антивеществом во Вселенной, природу тёмной материи и массы нейтрино. Каждое новое ограничение или измерение сужает пространство для альтернативных теорий и направляет развитие квантовой теории поля и космологии.
Технологические решения, разработанные для коллайдера — сверхпроводящие магниты, криогенные системы, распределённые вычислительные сети (Grid), алгоритмы обработки больших данных — находят применение в медицине (лучевая терапия), материаловедении, энергетике и информационных технологиях. Опыт международного сотрудничества тысяч учёных из десятков стран демонстрирует, как сложные глобальные проекты могут объединять усилия ради общего познания природы.
В 2026 году, когда Run 3 завершилась, а машина готовится к глубокой модернизации, Большой адронный коллайдер остаётся самым мощным инструментом человечества для исследования микромира. Следующее десятилетие обещает ещё больше данных и, возможно, новые неожиданные открытия, которые изменят наше понимание фундаментальных законов Вселенной.
