Большой адронный коллайдер высокой светимости ( HL-LHC ; ранее назывался HiLumi LHC , Super LHC и SLHC ) — это усовершенствованная версия Большого адронного коллайдера , эксплуатируемого Европейской организацией ядерных исследований (ЦЕРН), расположенного на франко-швейцарской границе недалеко от Женевы . С 2011 по 2020 год проектом руководил Лючио Росси . В 2020 году ведущую роль взял на себя Оливер Брюнинг. [1] [2] [3]
Модернизация началась как проектное исследование в 2010 году, на которое в 2011 году был выделен грант Европейской рамочной программы 7 [4] [5] с целью повышения потенциала ускорителя для новых открытий в физике. Проектное исследование было одобрено Советом ЦЕРН в 2016 году, и HL-LHC стал полноценным проектом ЦЕРН. [6] [7] В настоящее время ведутся работы по модернизации, и ожидается, что физические эксперименты начнут собирать данные не раньше 2028 года. [8] [9]
Проект HL-LHC обеспечит протон-протонные столкновения при 14 ТэВ с интегральной светимостью3 ab −1 для экспериментов ATLAS и CMS ,50 фб −1 для LHCb и 5 фб −1 для ALICE . В секторе тяжелых ионов интегральные светимости13 нб −1 и50 нб −1 будет доставлено для столкновений свинец-свинец и протон-свинец , соответственно. [10] Единица измерения обратного фемтобарна (фб −1 ) измеряет интегрированную по времени светимость в терминах числа столкновений на фемтобарн поперечного сечения мишени . Увеличение интегрированной светимости для вышеупомянутых основных экспериментов LHC обеспечит лучшую возможность увидеть редкие процессы и улучшить статистически пограничные измерения. [11] [12]
Существует множество различных путей модернизации коллайдеров . Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН) поддерживает коллекцию различных конструкций областей взаимодействия высокой светимости . [13] В 2006 году был проведен семинар для определения наиболее перспективных вариантов. [14] [15]
Увеличение светимости LHC подразумевает уменьшение размера пучка в точке столкновения и либо уменьшение длины и расстояния между сгустками, либо значительное увеличение длины и численности сгустков. Максимальное мгновенное увеличение светимости существующей номинальной светимости LHC (1⋅10 34 см −2 ⋅с −1 ) примерно в 4 раза выше производительности LHC при его пиковой светимости 2⋅10 34 см −2 ⋅с −1 , к сожалению, намного ниже первоначальной амбиции проекта модернизации LHC в 10 раз. Однако на семинаре LUMI'06 [14] было предложено несколько предложений, которые увеличили бы пиковую светимость LHC в 10 раз по сравнению с номинальной до 1⋅10 35 см −2 ⋅с −1 .
Пиковая светимость на LHC была ограничена из-за охлаждающей способности его триплетных магнитов и, во-вторых, из-за ограничений детектора. Результирующая более высокая частота событий создала проблемы для детекторов частиц, расположенных в зонах столкновения. [16] Благодаря продолжающимся обновлениям пиковая светимость HL-LHC, как ожидается, составит 5⋅10 34 см −2 ⋅с −1 и, скорее всего, будет увеличена до 7,5⋅10 34 см −2 ⋅с −1 . [9]
Модернизация HL-LHC, применимая почти ко всем основным экспериментам LHC, имеет широкий спектр физических целей. Увеличение числа столкновений до 140 — каждый раз, когда пучки протонных частиц встречаются в центре детекторов ATLAS и CMS — с текущего числа 30 откроет ряд новых возможностей для наблюдения редких процессов и частиц. Увеличение интегральной светимости или, очевидно, более крупные наборы данных о событиях столкновений, которые будут накапливаться через HL-LHC в случае всех экспериментов LHC, является наиболее важным аспектом для достижения целей, описанных ниже. Таким образом, мотивацией для строительства большой подземной инфраструктуры в HL-LHC является наличие высокоэффективной и высоконадежной машины, которая может обеспечить требуемую интегральную светимость.
Таким образом, основные цели HL-LHC относятся к следующим пяти категориям: улучшенные измерения Стандартной модели , поиск физики за пределами Стандартной модели (BSM) , физика ароматов тяжелых кварков и лептонов , исследования свойств бозона Хиггса и исследования КХД-материи при высокой плотности и температуре. [17] [10]
Измерения бозона Хиггса и понимание его связи с нарушением электрослабой симметрии остаются основной целью. В области физики ароматов; LHCb, ATLAS и CMS вместе проверят унитарность матрицы Кабиббо–Кобаяши–Маскавы , а ATLAS и CMS измерят свойства верхнего кварка , фермиона с наибольшей известной массой и наибольшей связью Юкавы . HL-LHC также расширит знания о функциях распределения партонов (PDF), измерив несколько процессов Стандартной модели со струями, верхними кварками , фотонами и электрослабыми калибровочными бозонами в их конечном состоянии. Образование струй и фотонов в столкновениях тяжелых ионов составляет основу зондов теории возмущений КХД , и HL-LHC измерит это на очень высоких энергетических масштабах. Благодаря этим столкновениям высоких энергий, у HL-LHC также есть возможность обнаружить явления BSM, такие как бариогенезис , темная материя , ответы на проблему ароматов , массы нейтрино и понимание проблемы сильной CP . [17] [10] [18] [19]
Модернизация инжекторов тяжелых ионов также продолжается и откроет еще больше возможностей для наблюдения очень редких явлений и поиска физики BSM.
Проект HL-LHC был инициирован в 2010 году, и ниже приводится график его реализации до 2020 года, а затем предварительные будущие этапы. [7]
2010: В ЦЕРНе создан проект HL-LHC.
2011: Одобрено и начато проектное исследование FP7 HL-LHC. [4]
2014: Опубликован первый предварительный отчет по проектному исследованию. [20]
2015: Бюджет и график, а также технический проектный отчет были предоставлены. [21]
2016: Совет ЦЕРН одобрил проект HL-LHC с его первоначальным бюджетом и графиком. [7] После этого были проверены аппаратные части, состоящие из компонентов и моделей.
В период с 2018 по 2020 год: Прототипы были испытаны, и был опубликован окончательный отчет по техническому проектированию. [7] Также были проведены подземные земляные работы. Хотя работы по гражданскому строительству и процесс создания прототипов продолжались до конца 2021 года.
В период с 2019 по 2024 год: планируется изготовление и испытание деталей оборудования.
2021–2023 гг.: Все поверхностные крепления будут доставлены.
2022–2024 гг.: Будет установлена внутренняя триплетная струна с последующим испытанием ее работы.
2025-2027: Планируется установка новых магнитов, крабовых полостей, криоустановок, коллиматоров, сверхпроводящих связей, вспомогательного оборудования и поглотителей. [7]
Если все вышеперечисленные запланированные мероприятия будут завершены в установленные сроки, HL-LHC сможет начать свою физическую эксплуатацию в 2028 году. [9]
Следующие усовершенствования машинных систем формируют основу нового HL-LHC.
Квадрупольные магниты: Сильные магниты вместе с огромными кольцами являются необходимым аспектом функциональности LHC. HL-LHC будет иметь квадрупольные магниты с силой 12 тесла , в отличие от 8 тесла в LHC. Такие сверхпроводящие магниты, изготовленные из интерметаллического соединения ниобия-олова (Nb 3 Sn), будут установлены вокруг детектора CMS и ATLAS. Десятилетний совместный проект между ЦЕРН, Брукхейвенской национальной лабораторией , Фермилабом и Национальной лабораторией Лоуренса в Беркли, известный как Программа исследований ускорителей LHC Министерства энергетики США (US–LARP), успешно построил и испытал такие квадрупольные магниты. [22] [23] [24] [25] 20 внутренних триплетных квадруполей находятся на стадии производства в ЦЕРНе и в США. [26]
Дипольные магниты: Для установки новых коллиматоров два дипольных магнита LHC придется заменить на меньшие. Они будут сильнее (11 тесла), чем дипольные магниты LHC (8,3 тесла), и будут более мощными в изгибе траекторий пучка. На данный момент шесть 11-теполя находятся в стадии производства. [26] Эти магниты, вероятно, будут установлены только после полной реализации HL-LHC, хотя окончательное решение еще не принято.
Полости краба: Функция полостей краба заключается в наклоне и проецировании лучей в требуемом направлении. Этот наклон максимизирует перекрытие между сталкивающимися пучками, что приводит к увеличению достижимой мгновенной светимости. ATLAS и CMS вместе будут иметь 16 полостей краба; что даст поперечный импульс лучам для увеличения вероятности столкновения. [27] [28] [29]
Оптика пучка: Согласно текущему проекту HL-LHC, интенсивность пучка будет уменьшаться из-за выгорания циркулирующих протонных пучков внутри коллайдера. Поддержание интенсивности на постоянном уровне в течение всего срока службы пучка является, таким образом, серьезной проблемой. Тем не менее, план состоит в том, чтобы, по крайней мере, иметь систему, которая позволит фокусировать пучки или концентрацию пучков перед столкновением оставаться постоянной. [6] [27]
Криогеника: Реализация HL-LHC потребует более крупных криогенных установок, а также более крупных холодильников на 1,8 Кельвина, а также теплообменников переохлаждения. Также будут разработаны новые контуры охлаждения. Большинство этих обновлений предназначены для точек взаимодействия, P1, P4, P5 и P7. В то время как P1, P4 и P5 получат новые криогенные установки, P7 будет иметь новые криогенные контуры. [27] [29]
Защита машины и коллиматоры: коллиматоры отвечают за поглощение любых дополнительных частиц, которые отклоняются от первоначальной траектории пучка и могут потенциально повредить машины. Более высокие светимости обязательно генерируют такие высокоэнергетические частицы. Таким образом, конструкция HL-LHC содержит способы предотвращения повреждений путем замены 60 из 118 коллиматоров и добавления около 20 новых. Модернизированные коллиматоры также будут иметь меньшие электромагнитные помехи с пучками. [27] [29]
Сверхпроводящие линии электропередачи: Для удовлетворения требований ускорителя HL-LHC будут использоваться сверхпроводящие линии электропередачи из диборида магния (MgB2 ) для передачи тока около 100 000 ампер. [27] [29]
В рамках HL-LHC будут внесены существенные изменения в инжектор протонов. Пучки, поступающие в LHC, предварительно ускоряются следующими 4 ускорителями.
Все четыре из этих ускорителей, вместе известные как инжекторы, будут модернизированы в рамках проекта LHC Injector Upgrade (LIU) во время Long Shutdown 2 (LS2). [30] [31] LIU отвечает за доставку пучков очень высокой яркости на HL-LHC. Протонные инжекторы будут модернизированы для производства протонных пучков с удвоенной первоначальной светимостью и в 2,4 раза большей яркостью .
Замена линейного ускорителя 2 (Linac2, который доставлял протонные пучки) на линейный ускоритель 4 (Linac4) была завершена в 2020 году. [32] Linac4 — это линейный ускоритель на 160 МэВ, который доставляет пучки H− с удвоенной яркостью по сравнению со своими старыми аналогами. [9] [29] [30] LIU также модернизировал источник ионов H− на основе цезированной радиочастотной плазмы , который питает Linac4. Задача здесь заключалась в том, чтобы иметь источник пучка с высоким током и низкой эмиссией. [33]
Также разрабатываются усовершенствования инжектора тяжелых ионов посредством модернизации кольца низкоэнергетических ионов (LEIR) и линейного ускорителя Linac3 . [31] [34] Система извлечения источника Linac3 была перепроектирована, и к концу LS2 она успешно увеличила интенсивность извлекаемого источника пучка на 20%. [35]
Для обработки возросшей светимости, количества одновременных взаимодействий частиц, огромного объема данных и излучения среды HL-LHC детекторы будут модернизированы.
ALICE: Модернизация увеличит срок службы Tile Calorimeter (TileCal), который является адронным калориметром, чувствительным к заряженным частицам, на 20 лет. Труба пучка в ALICE также будет заменена на трубу меньшего диаметра. Система слежения и камеры проекции времени будут модернизированы вместе с новым более быстрым детектором триггера взаимодействия. [29] [10]
ATLAS: Жидкоаргоновый калориметр в ATLAS будет модернизирован для более эффективного определения электронов и фотонов . Основная считывающая электроника калориметра будет полностью заменена, чтобы детектор мог определять редкие взаимодействия частиц. Эти изменения запланированы для Long Shutdown 3 (LS3) LHC. [ 36] [29] [10]
CMS: CMS проведет многочисленные обновления своей внутренней системы слежения, системы запуска, калориметра и систем обнаружения мюонов во время Длительного отключения 2 (LS2) и LS3. Эти изменения основаны на ожидаемых плотностях нагромождения и увеличении излучения из-за более высокой светимости. Аналогичные изменения также запланированы для эксперимента ATLAS. [29] [10]
FASER-2: Эксперимент FASER LHC подвергнется нескольким модернизациям и будет преобразован в FASER-2, чтобы полностью использовать возможности HL-LHC. Он будет иметь объем распада 10 м 3 , что на 3 порядка больше, чем FASER, и увеличит диапазон чувствительности на 4 порядка. Он будет исследовать режим темных фотонов , темных бозонов Хиггса , тяжелых нейтральных лептонов и слабой связи калибровочных бозонов . Он также будет иметь субдетектор FASERnu для наблюдений нейтрино и антинейтрино. [37]
LHCb: LHCb получит центральные вакуумные камеры с уменьшенной апертурой во время LS2. Детектор Vertex Locator (VELO), который измеряет первичные и смещенные вершины короткоживущих частиц, будет усовершенствован для соответствия возросшим скоростям излучения и взаимодействия частиц. [29] [10]
MoEDAL: Для LHC Run-3 MoEDAL будет использовать новый субдетектор, называемый MoEDAL's Apparatus for Detection of Penetrating Particles (MAPP). Для HL-LHC MAPP-1 будет модернизирован до MAPP-2. [38]
Детектор рассеяния и нейтрино (SND): SND и начнет свою первую работу только в 2022 году во время LHC Run-3. План модернизации SND в HL-LHC заключается в продолжении разработки детектора с целью улучшения статистики событий столкновений и расширения его диапазона псевдобыстрот для исследований образования тяжелых кварков и взаимодействия нейтрино . [39]
TOTEM : Сотрудничество TOTEM -CMS, которое эксплуатирует протонный прецизионный спектрометр (PPS) с 2016 года, будет измерять центрально-эксклюзивные события производства на HL-LHC с помощью модернизированной версии ближнего пучка PPS. [40]
{{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь )