Определение большого адронного коллайдера звучит так: БАК является ускорителем заряженных частиц, и создан он с целью разгона тяжелых ионов и протонов свинца, и исследования тех процессов, которые происходят при их столкновении. Но зачем это нужно? Таит ли в себе это какую-то опасность? В этой статье мы и будем отвечать на эти вопросы, и попробуем понять, зачем нужен большой адронный коллайдер.
Что собой представляет БАК
Большой адронный коллайдер – это огромнейший тоннель кольцеобразной формы. Он похож на большую трубу, которая разгоняет частицы. Находится БАК под территорией Швейцарии и Франции, на глубине 100 метров. Ученые всего мира принимали участие в его создании.
Цель его постройки:
- Найти бозон Хиггса. Это механизм, который наделяет частицы массой.
- Изучение кварков – это фундаментальные частицы, которые входят в состав адронов. Поэтому и название коллайдера «адронный».
Многие думают, что БАК является единственным ускорителем в мире. Но это далеко не так. Начиная с 50-х годов 20 века в мире построен не один десяток подобных коллайдеров. Но большой адронный коллайдер считается самым масштабным сооружением, длина его составляет 25,5 км. Кроме этого, в него входит еще один ускоритель, меньший по размеру.
СМИ о БАК
В СМИ, еще с начала создания коллайдера, появилось огромное количество статей об опасности и дороговизне ускорителя. Основная масса людей считает, что деньги потрачены зря, они не могут понять, зачем тратить столько средств и сил на поиски какой-то частицы.
- Большой адронный коллайдер не является самым дорогим научным проектом в истории.
- Основная цель этой работы - бозон Хиггса, для открытия которого и созданадронный коллайдер. Результаты этого открытия принесут человечеству множество революционных технологий. Ведь изобретение сотового телефона тоже когда-то было встречено негативно.
Принцип работы БАК
Рассмотрим, как выглядит работа адронного коллайдера. Он на больших скоростях сталкивает пучки частиц, а затем следит за их последующим взаимодействием и поведением. Как правило, на вспомогательном кольце сначала разгоняется один пучок частиц, а уже после этого он отправляется в кольцо основное.
Внутри коллайдера частицы удерживают множество сильнейших магнитов. Так как столкновение частиц происходит за доли секунды, то их перемещение фиксируют высокоточные приборы.
Организацией, которая осуществляет работу коллайдера, является ЦЕРН. Именно она, 4 июля 2012 года, после огромных денежных вложений и трудов, официально объявила о том, что бозон Хиггса таки найден.
Зачем БАК нужен
Теперь необходимо понять, что же дает БАК обычным людям, зачем адронный коллайдер нужен.
Открытия, связанные с бозоном Хиггса и изучение кварков, могут привести в перспективе к новой волне научно-технического прогресса.
- Грубо говоря, масса является энергией в состоянии покоя, а значит, в будущем есть возможность преобразовать материю в энергию. И, следовательно, не будет проблем с энергией и появится возможность межзвездных путешествий.
- В будущем изучение квантовой гравитации позволит управлять гравитацией.
- Это дает возможность подробнее изучить М-теорию, которая утверждает, что в мироздание входит 11 измерений. Это изучение позволит глубже понять строение Вселенной.
О надуманной опасности адронного коллайдера
Как правило, люди боятся всего нового. Опасения у них вызывает и адронный коллайдер. Опасность же его надумана и разжигается в СМИ людьми, не имеющими естественно-научного образования.
- В БАК сталкиваются адроны, а не бозоны, как пишут некоторые журналисты, пугая людей.
- Подобные приборы работают уже много десятилетий и приносят не вред, а пользу науке.
- Предположение о столкновении протонов с высокими энергиями, в результате которых могут возникнуть черные дыры, опровергается квантовой теорией гравитации.
- В черную дыру может коллапсировать только звезда в 3 раза тяжелее солнца. Так как в солнечной системе таких масс нет, то и черной дыре неоткуда возникнуть.
- Из-за той глубины, на которой находится коллайдер под землей, его излучение не представляет опасности.
Мы узнали, что такое БАК и для чего нужен адронный коллайдер и поняли, что опасаться его не стоит, а лучше ждать открытий, которые сулят нам большой технический прогресс.
Самый мощный в мире ускоритель заряженных частиц на встречных пучках
Самый мощный в мире ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, построенный Европейским центром по ядерным исследованиям (CERN) в подземном тоннеле протяженностью 27 километров на глубине 50-175 метров на границе Швейцарии и Франции. БАК был запущен осенью 2008 года, однако из-за аварии эксперименты на нем начались только в ноябре 2009 года, а на проектную мощность он вышел в марте 2010 года. Запуск коллайдера привлек внимание не только физиков, но и простых обывателей, поскольку в СМИ высказывались опасения по поводу того, что эксперименты на коллайдере могут привести к концу света. В июле 2012 года было объявлено об обнаружении при помощи БАК частицы, которая с высокой вероятностью представляла собой бозон Хиггса - его существование подтверждало правильность Стандартной модели строения вещества.
Предыстория
Впервые ускорители частиц стали использоваться в науке в конце 20-х годов XX века для исследования свойств материи. Первый кольцевой ускоритель, циклотрон, был создан в 1931 году американским физиком Эрнестом Лоуренсом (Ernest Lawrence). В 1932 году англичанин Джон Кокрофт (John Cockcroft) и ирландец Эрнест Уолтон (Ernest Walton) при помощи умножителя напряжения и первого в мире ускорителя протонов сумели впервые осуществить искусственное расщепление ядра атома: при бомбардировке лития протонами был получен гелий. Ускорители частиц работают за счет электрических полей, которые используются для ускорения (во многих случаях до скоростей, приближенных к скорости света) и удержания на заданной траектории заряженных частиц (например, электронов, протонов или более тяжелых ионов). Простейший бытовой пример ускорителей - это телевизоры с электронной лучевой трубкой , , , , .
Ускорители используются для разнообразных экспериментов, в том числе для получения сверхтяжелых элементов . Для исследования элементарных частиц также используются коллайдеры (от collide - "столкновение") - ускорители заряженных частиц на встречных пучках, предназначенные для изучения продуктов их соударений. Ученые придают пучкам большие кинетические энергии. При столкновениях могут образоваться новые, ранее неизвестные частицы. Специальные детекторы призваны уловить их появление . На начало 1990-х годов наиболее мощные коллайдеры действовали в США и Швейцарии . В 1987 году в США недалеко от Чикаго был запущен коллайдер Тэватрон (Tevatron) с максимальной энергией пучка 980 гигаэлектронвольт (ГэВ). Он представляет собой подземное кольцо длиной 6,3 километра , , . В 1989 году в Швейцарии под эгидой Европейского центра по ядерным исследованиям (CERN) был введен в эксплуатацию Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP). Для него на глубине 50-175 метров в долине Женевского озера был построен кольцевой тоннель длинной 26,7 километра, в 2000 году на нем удалось добиться энергии пучка в 209 ГэВ , , , .
В СССР в 1980-е годы был создан проект Ускорительно-накопительного комплекса (УНК) - сверхпроводящего протон-протонного коллайдера в Институте физики высоких энергий (ИФВЭ) в Протвино. Он превосходил бы по большинству параметров LEP и Тэватрон и должен был позволить разгонять пучки элементарных частиц с энергией 3 тераэлектронвольта (ТэВ). Его основное кольцо длиной 21 километр был построено под землей в 1994 году, однако из-за нехватки средств проект в 1998 году был заморожен, построенный в Протвино тоннель - законсервирован (были достроены только элементы разгонного комплекса), а главный инженер проекта Геннадий Дуров уехал на работу в США , , , , , , , . По мнению некоторых российских ученых, если бы УНК был достроен и введен в строй, не было бы необходимости в создании более мощных коллайдеров , , : высказывалось предположение, что для получения новых данных о физических основах мироустройства достаточно было преодолеть на ускорителях порог энергии в 1 ТэВ , . Заместитель директора НИИ ядерной физики МГУ и координатор участия российских институтов в проекте создания Большого адронного коллайдера Виктор Саврин, вспоминая об УНК, утверждал: "Ну три тераэлектронвольта или семь. А там три тераэлектронвольта можно было довести до пяти потом" . Впрочем, США тоже отказались от строительства собственного Сверхпроводимого суперколлайдера (SSC) в 1993 году, причем по финансовым соображениям , , .
Вместо строительства собственных коллайдеров физики разных стран решили объединиться в рамках международного проекта, идея создания которого зародилась еще в 1980-х годах , . После окончания экспериментов на швейцарском LEP его оборудование было демонтировано, и на его месте начато строительство Большого адронного коллайдера (БАК, Large Hadron Collider, LHC) - самого мощного в мире кольцевого ускорителя заряженных частиц на встречных пучках, на котором будут сталкиваться пучки протонов с энергиями столкновения до 14 ТэВ и ионы свинца с энергиями столкновения до 1150 ТэВ , , , , , .
Цели эксперимента
Основной целью строительства БАК было уточнение или опровержение Стандартной модели - теоретической конструкции в физике, описывающей элементарные частицы и три из четырех фундаментальных взаимодействия: сильное, слабое и электромагнитное, за исключением гравитационного , . Формирование Стандартной модели было завершено в 1960-1970-х годах, и все сделанные с тех пор открытия, по мнению ученых, описывались естественными расширениями этой теории , . При этом Стандартная модель объясняла, каким образом взаимодействуют элементарные частицы, но не отвечала на вопрос, почему именно так, а не иначе .
Ученые отмечали, что если бы на БАК не удалось добиться открытия бозона Хиггса (в прессе его иногда называли "частицей бога" , , ) - это поставило бы под вопрос всю Стандартную модель, что потребовало бы полного пересмотра существующих представлений об элементарных частицах , , , , . В то же время в случае подтверждения Стандартной модели некоторые области физики требовали дальнейшей экспериментальной проверки: в частности, нужно было доказать существование "гравитонов" - гипотетических частиц, отвечавших за гравитацию , , .
Технические особенности
БАК располагается в тоннеле, построенном для LEP. Большая его часть лежит под территорией Франции . Тоннель содержит две трубы, которые почти на всей своей протяженности идут параллельно и пересекаются в местах расположения детекторов, в которых будут осуществляться столкновения адронов - частиц, состоящих из кварков (для столкновений будут использоваться ионы свинца и протоны). Разгоняться протоны начинают не в самом БАК, а во вспомогательных ускорителях. Пучки протонов "стартуют" в линейном ускорителе LINAC2, затем в ускорителе PS, после чего они попадают в кольцо супер протонного синхротрона (SPS) длинной 6,9 километра и уже после этого оказываются в одной из труб БАК, где еще в течение 20 минут им будет придана энергия до 7 ТэВ. Эксперименты с ионами свинца будут начинаться в линейном ускорителе LINAC3. Пучки удерживаются на траектории 1600 сверхпроводящими магнитами, многие из которых весят до 27 тонн. Эти магниты охлаждаются жидким гелием до сверхнизкой температуры: 1,9 градуса выше абсолютного нуля, холоднее открытого космоса , , , , , , , .
На скорости в 99,9999991 процента скорости света, совершая более 11 тысяч кругов по кольцу коллайдера в секунду, протоны будут сталкиваться в одном из четырех детекторов - наиболее сложных систем БАК , , , , , . Детектор ATLAS предназначен для поиска новых неизвестных частиц, которые могут подсказать ученым пути поиска "новой физики", отличной от Стандартной модели. Детектор CMS предназначен для получения бозона Хиггса и исследования темной материи. Детектор ALICE предназначен для исследований материи после Большого Взрыва и поиска кварк-глюонной плазмы, а детектор LHCb будет исследовать причину превалирования материи над антиматерией и исследовать физику b-кварков , . В будущем планируется ввести в строй еще три детектора: TOTEM, LHCf и MoEDAL , .
Для обработки результатов экспериментов на БАК будет использоваться выделенная распределенная компьютерная сеть GRID, способная передавать до 10 гигабит информации в секунду в 11 вычислительных центров по всему миру. Каждый год с детекторов будет считываться более 15 петабайт (15 тысяч терабайт) информации: суммарный поток данных четырех экспериментов может достигать 700 мегабайт в секунду , , , , . В сентябре 2008 года хакерам удалось взломать веб-страницу CERN и, по их заявлениям, получить доступ к управлению коллайдером. Однако сотрудники CERN объяснили, что система управления БАК изолирована от интернета . В октябре 2009 года по подозрению в сотрудничестве с террористами был арестован Адлен Ишор , который был одним из ученых работавших над экспериментом LHCb на БАК. Впрочем, как сообщило руководство CERN, Ишор не имел доступа к подземным помещениям коллайдера и не занимался ничем, что могло было заинтересовать террористов , . В мае 2012 года Ишор был осужден на пять лет тюрьмы .
Стоимость и история строительства
В 1995 году стоимость создания БАК оценивалась в 2,6 миллиарда швейцарских франков без учета стоимости проведения экспериментов . Планировалось, что эксперименты должны будут начаться через 10 лет - в 2005 году . В 2001 году бюджет CERN был сокращен, а к стоимости строительства было добавлено 480 миллионов франков (общая стоимость проекта к тому времени составляла около 3 миллиардов франков), и это привело к тому, что пуск коллайдера был отложен до 2007 года . В 2005 году при строительстве БАК погиб инженер: причиной трагедии стало падение груза с крана .
Запуск БАК переносился не только из-за проблем с финансированием. В 2007 году выяснилось, что поставленные Fermilab детали для сверхпроводящих магнитов не удовлетворяли конструкционным требованиям, из-за чего запуск коллайдера был перенесен на год .
10 сентября 2008 года в БАК был запущен первый пучок протонов . Планировалось, что через несколько месяцев на коллайдере будут осуществлены первые столкновения , однако 19 сентября из-за дефектного соединения двух сверхпроводящих магнитов на БАК произошла авария: магниты были выведены из строя, в тоннель вылилось более 6 тонн жидкого гелия, в трубах ускорителя был нарушен вакуум. Коллайдер пришлось закрыть на ремонт. Несмотря на аварию 21 сентября 2008 года состоялась торжественная церемония введения БАК в строй. Первоначально опыты собирались возобновить уже в декабре 2008 года, однако затем дата повторного запуска была перенесена на сентябрь, а после - на середину ноября 2009 года, при этом первые столкновения планировалось провести лишь в 2010 году , , , . Первые после аварии тестовые запуски пучков ионов свинца и протонов по части кольца БАК были произведены 23 октября 2009 года , . 23 ноября в детекторе ATLAS были произведены первые столкновения пучков , а 31 марта 2010 года коллайдер заработал на полную мощность: в тот день было зарегистрировано столкновение пучков протонов на рекордной энергии в 7 ТэВ . В апреле 2012 года была зафиксирована еще большая энергия столкновений протонов - 8 ТэВ .
В 2009 году стоимость БАК оценивалась от 3,2 до 6,4 миллиарда евро, что делало его самым дорогим научным экспериментом в истории человечества .
Международное сотрудничество
Отмечалось, что проект масштаба БАК не под силу создать одной стране . Он создавался усилиями не только 20 государств-участников CERN: в его разработке принимали участие более 10 тысяч ученых из более чем ста стран земного шара , , . С 2009 года проектом БАК руководит генеральный директор CERN Рольф-Дитер Хойер (Rolf-Dieter Heuer) . В создании БАК принимает участие и Россия как член-наблюдатель CERN : в 2008 году на Большом адронном коллайдере работало около 700 российских ученых, в их числе были сотрудники ИФВЭ , .
Между тем, ученые одной из европейских стран едва не лишились возможности принять участие в экспериментах на БАК. В мае 2009 года министр науки Австрии Йоханнес Хан (Johannes Hahn) заявил о выходе страны из CERN с 2010 года, объяснив это тем, что членство в CERN и участие в программе создания БАК слишком затратно и не приносит ощутимой отдачи науке и университетам Австрии. Речь шла о возможной ежегодной экономии примерно 20 миллионов евро, составлявших 2,2 процента бюджета CERN и около 70 процентов средств, выделяемых на австрийским правительством на участие в международных исследовательских организациях. Окончательное решение о выходе Австрия пообещала принять осенью 2009 года . Впрочем, впоследствии австрийский канцлер Вернер Файман (Werner Faymann) заявил, что его страна не собирается уходить из проекта и CERN .
Слухи об опасности
В прессе циркулировали слухи о том, что БАК представляет опасность для человечества, поскольку его запуск может привести к концу света. Поводом стали заявления ученых о том, что в результате столкновений в коллайдере могут образоваться микроскопические черные дыры: сразу появились мнения о том, что в них может "засосать" всю Землю, и потому БАК является настоящим "ящиком Пандоры" , , , , . Также высказывались мнения о том, что обнаружение бозона Хиггса приведет к бесконтрольному росту массы во Вселенной, а эксперименты по поиску "темной материи" могут привести к появлению "страпелек" (strangelets, перевод термина на русский язык принадлежит астроному Сергею Попову ) - "странной материи", которая при соприкосновении с обычной материей может превратить ее в "страпельку". При этом приводилось сравнение с романом Курта Воннегута (Kurt Vonnegut) "Колыбель для кошки", где вымышленный материал "лед-девять" уничтожил жизнь на планете , . Некоторые издания, ссылаясь на мнения отдельных ученых, заявляли также о том, что эксперименты на БАК могут привести к появлениям "чревоточин" (wormholes) во времени, через которые в наш мир из будущего могут перенестись частицы или даже живые существа , . Впрочем, оказалось, что слова ученых были искажены и неверно интерпретированы журналистами: изначально речь шла "о микроскопических машинах времени, при помощи которых путешествовать в прошлое смогут только отдельные элементарные частицы" , .
Ученые неоднократно заявляли о том, что вероятность подобных событий ничтожно мала. Была даже собрана специальная Группа оценки безопасности БАК, которая провела анализ и выступила с отчетом о вероятности катастроф, к которым могут привести эксперименты на БАК. Как сообщили ученые, столкновения протонов на БАК будут не опаснее, чем столкновения космических лучей со скафандрами космонавтов: они имеют иногда даже большую энергию, чем та, что может быть достигнута в БАК. А что касается гипотетических черных дыр, то они "рассосутся", не долетев даже до стенок коллайдера , , , , , .
Впрочем, слухи о возможных катастрофах все равно держали общественность в напряжении. На создателей коллайдера даже подавали в суд: самые известные иски принадлежали американскому юристу и врачу Вальтеру Вагнеру (Walter Wagner) и профессору химии из Германии Отто Ресслеру (Otto Rossler). Они обвиняли CERN в том, что своим экспериментом организация подвергают опасности человечество и нарушают гарантированное Конвенцией по правам человека "право на жизнь", однако иски были отклонены , , , , . Пресса сообщала, что из-за слухов о скором конце света после запуска БАК в Индии покончила с собой 16-летняя девушка .
В русской блогосфере появился мем "скорее бы коллайдер", который можно перевести как "скорее бы конец света, невозможно больше смотреть на это безобразие" . Популярностью пользовался анекдот "У физиков есть традиция - один раз в 14 миллиардов лет собираться и запускать коллайдер" .
Научные результаты
Первые данные экспериментов на БАК были опубликованы в декабре 2009 года . 13 декабря 2011 года специалисты CERN заявили, что в результате исследований на БАК им удалось сузить границы вероятной массы бозона Хиггса до 115,5-127 ГэВ и обнаружить признаки существования искомой частицы с массой около 126 ГэВ , . В том же месяце было впервые объявлено об открытии в ходе экспериментов на БАК новой частицы, не являвшейся бозоном Хиггса и получившей название χb (3P) , .
4 июля 2012 года руководство CERN официально заявило об обнаружении с вероятностью 99,99995 процента новой частицы в области масс около 126 ГэВ, которая, по предположениям ученых, скорее всего и была бозоном Хиггса. Этот результат руководитель одной из двух научных коллабораций, работавших на БАК, Джо Инкандела (Joe Incandela) назвал "одним из величайших наблюдений в этой области науки за последние 30-40 лет", а сам Питер Хиггс объявил обнаружение частицы "концом целой эры в физике" , , .
Будущие проекты
В 2013 году CERN планирует модернизировать БАК, установив на него более мощные детекторы и увеличив общую мощность коллайдера. Проект модернизации называют Супер большим адронным коллайдером (Super Large Hadron Collider, SLHC) . Также планируется строительство Международного линейного коллайдера (International Linear Collider, ILC). Его труба будет длиной в несколько десятков километров, и он должен быть дешевле БАК за счет того, что в его конструкции не требуется применять дорогостоящие сверхпроводящие магниты. Строить ILC, возможно, будут в Дубне , , .
Также некоторые специалисты CERN и ученые США и Японии предлагали после окончания работы БАК начать работу над новым Очень большим адронным коллайдером (Very Large Hadron Collider, VLHC) , .
Использованные материалы
Chris Wickham, Robert Evans . "It"s a boson:" Higgs quest bears new particle. - Reuters , 05.07.2012
Lucy Christie, Marie Noelle Blessig . Physique: decouverte de la "particule de Dieu"? - Agence France-Presse , 04.07.2012
Dennis Overbye . Physicists Find Elusive Particle Seen as Key to Universe. - The New York Times , 04.07.2012
Adlene Hicheur condamne a cinq ans de prison, dont un avec sursis. - L"Express , 04.05.2012
Particle collider escalates quest to explore universe. - Agence France-Presse , 06.04.2012
Jonathan Amos . LHC reports discovery of its first new particle. - BBC News , 22.12.2011
Леонид Попов . На БАК поймана первая новая частица. - Membrana , 22.12.2011
Stephen Shankland . CERN physicists find hint of Higgs boson. - CNET , 13.12.2011
Paul Rincon . LHC: Higgs boson "may have been glimpsed". - BBC News , 13.12.2011
Yes, we did it! - CERN Bulletin , 31.03.2010
Richard Webb . Physicists race to publish first results from LHC. - New Scientist , 21.12.2009
Press Release . Two circulating beams bring first collisions in the LHC. - CERN (cern.ch) , 23.11.2009
Particles are back in the LHC! - CERN (cern.ch) , 26.10.2009
First lead ions in LHC. - LHC Injection Tests (lhc-injection-test.web.cern.ch) , 26.10.2009
Charles Bremner, Adam Sage . Hadron Collider physicist Adlene Hicheur charged with terrorism. - The Times , 13.10.2009
Dennis Overbye . French Investigate Scientist in Formal Terrorism Inquiry. - The New York Times , 13.10.2009
What"s left of the Superconducting Super Collider? - The Physics Today , 06.10.2009
LHC to run at 3.5 TeV for early part of 2009-2010 run rising later. - CERN (cern.ch) , 06.08.2009
LHC Experiments Committee. - CERN (cern.ch) , 30.06.2009
Ею является поиск путей объединения двух фундаментальных теорий – ОТО (о гравитационном ) и СМ (стандартной модели, объединяющей три фундаментальных физических взаимодействия – электромагнитного, сильного и слабого). Нахождению решения до создания БАКа препятствовали трудности при создании теории квантовой гравитации.
Построение этой гипотезы включает в себя соединение двух физических теорий – квантовой механики и общей теории относительности.
Для этого были использованы сразу несколько популярных и нужных в современной подходов – струнная теория, теория бран, теория супергравитации, а также теория квантовой гравитации. До построения колайдера главной проблемой проведения необходимых экспериментов являлось отсутствие энергии, которую нельзя достичь на других современных ускорителях заряженных частиц.
Женевский БАК дал ученым возможность проведения ранее неосуществимых экспериментов. Считается, что уже в скором будущем при помощи аппарата будут подтверждены или опровергнуты многие физические теории. Одной из самых проблемных является суперсимметрия или теория струн, которая долгое время разделяла физическое на два лагеря – «струнщиков» и их соперников.
Другие фундаментальные эксперименты, проводимые в рамках работы БАК
Интересны и изыскания ученых в области изучения топ- , являющихся самыми кварками и наиболее тяжелыми (173,1 ± 1,3 ГэВ/c²) из всех известных в настоящее время элементарных частиц.
Из-за этого свойства и до создания БАКа, ученые могли наблюдать кварки только на ускорителе «Тэватрон», так как прочие устройства просто не обладали достаточной мощностью и энергией. В свою очередь, теория кварков представляет собой важный элемент нашумевшей гипотезы о бозоне Хиггса.
Все научные изыскания по созданию и изучению свойств кварков ученые производят в топ-кварк-антикварковой паровой в БАКе.
Важной целью женевского проекта также является процесс изучения механизма электрослабой симметрии, которая также связана с экспериментальным доказательством существования бозона Хиггса. Если обозначить проблематику еще точнее, то предметом изучения является не столько сам бозон, сколько предсказанный Питером Хиггсом механизм нарушения симметрии электрослабого взаимодействия.
В рамках БАКа также проводятся эксперименты по поиску суперсимметрии – причем желаемым результатом станет и теории о том, что любая элементарная частица всегда сопровождается более тяжелым партнером, и ее опровержение.
Сокращённо БАК (англ. Large Hadron Collider, сокращённо LHC) - ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в ЦЕРНе (Европейский совет ядерных исследований), находящемся около Женевы, на границе Швейцарии и Франции. БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 тыс. учёных и инженеров из более чем 100 стран.
Большим назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м; адронным - из-за того, что он ускоряет адроны, то есть тяжёлые частицы, состоящие из кварков; коллайдером (англ. collider - сталкиватель) - из-за того, что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках столкновения.
Технические характеристики BAK
В ускорителе предполагается сталкивать протоны с суммарной энергией 14 ТэВ (то есть 14 тераэлектронвольт или 14·1012 электронвольт) в системе центра масс налетающих частиц, а также ядра свинца с энергией 5 ГэВ (5·109 электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов. На начало 2010 года БАК уже несколько превзошел по энергии протонов предыдущего рекордсмена - протон-антипротонный коллайдер Тэватрон, который до конца 2011 года работал в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (США). Несмотря на то, что наладка оборудования растягивается на годы и ещё не завершена, БАК уже стал самым высокоэнергичным ускорителем элементарных частиц в мире, на порядок превосходя по энергии остальные коллайдеры, в том числе и релятивистский коллайдер тяжёлых ионов RHIC, работающий в Брукхейвенской лаборатории (США).
Светимость БАК во время первых недель работы пробега была не более 1029 частиц/см 2 ·с, тем не менее она продолжает постоянно повышаться. Целью является достижение номинальной светимости в 1,7·1034 частиц/см 2 ·с, что по порядку величины соответствует светимостям BaBar (SLAC, США) и Belle (англ.) (KEK, Япония).
Ускоритель расположен в том же туннеле, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер . Туннель с длиной окружности 26,7 км проложен под землёй на территории Франции и Швейцарии. Глубина залегания туннеля - от 50 до 175 метров, причём кольцо туннеля наклонено примерно на 1,4 % относительно поверхности земли. Для удержания, коррекции и фокусировки протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км. Магниты работают при температуре 1,9 K (-271 °C), что немного ниже температуры перехода гелия в сверхтекучее состояние.
Детекторы БАК
На БАК работают 4 основных и 3 вспомогательных детектора:
- ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
- ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)
- CMS (Compact Muon Solenoid)
- LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment)
- TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement)
- LHCf (The Large Hadron Collider forward)
- MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC).
ATLAS, CMS, ALICE, LHCb - большие детекторы, расположенные вокруг точек столкновения пучков. Детекторы TOTEM и LHCf - вспомогательные, находятся на удалении в несколько десятков метров от точек пересечения пучков, занимаемых детекторами CMS и ATLAS соответственно, и будут использоваться попутно с основными.
Детекторы ATLAS и CMS - детекторы общего назначения, предназначены для поиска бозона Хиггса и «нестандартной физики», в частности тёмной материи, ALICE - для изучения кварк-глюонной плазмы в столкновениях тяжёлых ионов свинца, LHCb - для исследования физики b-кварков, что позволит лучше понять различия между материей и антиматерией, TOTEM - предназначен для изучения рассеяния частиц на малые углы, таких что происходит при близких пролётах без столкновений (так называемые несталкивающиеся частицы, forward particles), что позволяет точнее измерить размер протонов, а также контролировать светимость коллайдера, и, наконец, LHCf - для исследования космических лучей, моделируемых с помощью тех же несталкивающихся частиц.
С работой БАК связан также седьмой, совсем незначительный в плане бюджета и сложности, детектор (эксперимент) MoEDAL, предназначенный для поиска медленно движущихся тяжёлых частиц.
Во время работы коллайдера столкновения проводятся одновременно во всех четырёх точках пересечения пучков, независимо от типа ускоряемых частиц (протоны или ядра). При этом все детекторы одновременно набирают статистику.
Ускорение частиц в коллайдере
Скорость частиц в БАК на встречных пучках близка к скорости света в вакууме. Разгон частиц до таких больших энергий достигается в несколько этапов. На первом этапе низкоэнергетичные линейные ускорители Linac 2 и Linac 3 производят инжекцию протонов и ионов свинца для дальнейшего ускорения. Затем частицы попадают в PS-бустер и далее в сам PS (протонный синхротрон), приобретая энергию в 28 ГэВ. При этой энергии они уже движутся со скоростью близкой к световой. После этого ускорение частиц продолжается в SPS (протонный суперсинхротрон), где энергия частиц достигает 450 ГэВ. Затем сгусток протонов направляют в главное 26,7-километровое кольцо, доводя энергию протонов до максимальных 7 ТэВ, и в точках столкновения детекторы фиксируют происходящие события. Два встречных пучка протонов при полном заполнении могут содержать 2808 сгустков каждый. На начальных этапах отладки процесса ускорения циркулируют лишь по одному сгустку в пучке длиной несколько сантиметров и небольшого поперечного размера. Затем начинают увеличивать количество сгустков. Сгустки располагаются в фиксированных позициях относительно друг друга, которые синхронно движутся вдоль кольца. Сгустки в определённой последовательности могут сталкиваться в четырёх точках кольца, где расположены детекторы частиц.
Кинетическая энергия всех сгустков адронов в БАКе при полном его заполнении сравнима с кинетической энергией реактивного самолета, хотя масса всех частиц не превышает нанограмма и их даже нельзя увидеть невооружённым глазом. Такая энергия достигается за счёт скорости частиц, близкой к скорости света.
Сгустки проходят полный круг ускорителя быстрее, чем за 0,0001 сек, совершая, таким образом, свыше 10 тыс. оборотов в секунду
Цели и задачи БАК
Главная задача Большого адронного коллайдера - выяснить устройство нашего мира на расстояниях меньше 10 –19 м, "прощупав" его частицами с энергией несколько ТэВ. К настоящему времени уже накопилось много косвенных свидетельств того, что на этом масштабе физикам должен открыться некий «новый пласт реальности», изучение которого даст ответы на многие вопросы фундаментальной физики. Каким именно окажется этот пласт реальности - заранее не известно. Теоретики, конечно, предложили уже сотни разнообразных явлений, которые могли бы наблюдаться на энергиях столкновений в несколько ТэВ, но именно эксперимент покажет, что на самом деле реализуется в природе.
Поиск Новой физики Стандартную модель не может считаться окончательной теорией элементарных частиц. Она должна быть частью некоторой более глубокой теории строения микромира, той частью, которая видна в экспериментах на коллайдерах при энергиях ниже примерно 1 ТэВ. Такие теории коллективно называют «Новая физика» или «За пределами Стандартной модели». Главная задача Большого адронного коллайдера - получить хотя бы первые намеки на то, что это за более глубокая теория. Для дальнейшего объединения фундаментальных взаимодействий в одной теории используются различные подходы: теория струн, получившая своё развитие в М-теории (теории бран), теория супергравитации, петлевая квантовая гравитация и др. Некоторые из них имеют внутренние проблемы, и ни у одной из них нет экспериментального подтверждения. Проблема в том, что для проведения соответствующих экспериментов нужны энергии, недостижимые на современных ускорителях заряженных частиц. БАК позволит провести эксперименты, которые ранее были невозможны и, вероятно, подтвердит или опровергнет часть этих теорий. Так, существует целый спектр физических теорий с размерностями больше четырёх, которые предполагают существование «суперсимметрии» - например, теория струн, которую иногда называют теорией суперструн именно из-за того, что без суперсимметрии она утрачивает физический смысл. Подтверждение существования суперсимметрии, таким образом, будет косвенным подтверждением истинности этих теорий. Изучение топ-кварков Топ-кварк - самый тяжёлый кварк и, более того, это самая тяжёлая из открытых пока элементарных частиц. Согласно последним результатам Тэватрона, его масса составляет 173,1 ± 1,3 ГэВ/c 2 . Из-за своей большой массы топ-кварк до сих пор наблюдался пока лишь на одном ускорителе - Тэватроне, на других ускорителях просто не хватало энергии для его рождения. Кроме того, топ-кварки интересуют физиков не только сами по себе, но и как «рабочий инструмент» для изучения бозона Хиггса. Один из наиболее важных каналов рождения бозона Хиггса в БАК - ассоциативное рождение вместе с топ-кварк-антикварковой парой. Для того, чтобы надёжно отделять такие события от фона, предварительно необходимо изучение свойств самих топ-кварков. Изучение механизма электрослабой симметрии Одной из основных целей проекта является экспериментальное доказательство существования бозона Хиггса - частицы, предсказанной шотландским физиком Питером Хиггсом в 1964 году в рамках Стандартной модели. Бозон Хиггса является квантом так называемого поля Хиггса, при прохождении через которое частицы испытывают сопротивление, представляемое нами как поправки к массе. Сам бозон нестабилен и имеет большую массу (более 120 ГэВ/c 2). На самом деле, физиков интересует не столько сам бозон Хиггса, сколько хиггсовский механизм нарушения симметрии электрослабого взаимодействия. Изучение кварк-глюонной плазмы Ожидается, что примерно один месяц в год будет проходить в ускорителе в режиме ядерных столкновений. В течение этого месяца коллайдер будет разгонять и сталкивать в детекторах не протоны, а ядра свинца. При неупругом столкновении двух ядер на ультрарелятивистских скоростях на короткое время образуется и затем распадается плотный и очень горячий комок ядерного вещества. Понимание происходящих при этом явлений (переход вещества в состояние кварк-глюонной плазмы и её остывание) нужно для построения более совершенной теории сильных взаимодействий, которая окажется полезной как для ядерной физики, так и для астрофизики. Поиск суперсимметрии Первым значительным научным достижением экспериментов на БАК может стать доказательство или опровержение «суперсимметрии» - теории, гласящей, что любая элементарная частица имеет гораздо более тяжёлого партнера, или «суперчастицу». Изучение фотон-адронных и фотон-фотонных столкновений Электромагнитное взаимодействие частиц описывается как обмен (в ряде случаев виртуальными) фотонами. Другими словами, фотоны являются переносчиками электромагнитного поля. Протоны электрически заряжены и окружены электростатическим полем, соответственно это поле можно рассматривать как облако виртуальных фотонов. Всякий протон, особенно релятивистский протон, включает в себя облако виртуальных частиц как составную часть. При столкновении протонов между собой взаимодействуют и виртуальные частицы, окружающие каждый из протонов. Математически процесс взаимодействия частиц описывается длинным рядом поправок, каждая из которых описывает взаимодействие посредством виртуальных частиц определённого типа (см.: диаграммы Фейнмана). Таким образом, при исследовании столкновения протонов косвенно изучается и взаимодействие вещества с фотонами высоких энергий, представляющее большой интерес для теоретической физики. Также рассматривается особый класс реакций - непосредственное взаимодействие двух фотонов, которые могут столкнуться как со встречным протоном, порождая типичные фотон-адронные столкновения, так и друг с другом. В режиме ядерных столкновений, из-за большого электрического заряда ядра, влияние электромагнитных процессов имеет ещё большее значение. Проверка экзотических теорий Теоретики в конце XX века выдвинули огромное число необычных идей относительно устройства мира, которые все вместе называются «экзотическими моделями». Сюда относятся теории с сильной гравитацией на масштабе энергий порядка 1 ТэВ, модели с большим количеством пространственных измерений, преонные модели, в которых кварки и лептоны сами состоят из частиц, модели с новыми типами взаимодействия. Дело в том, что накопленных экспериментальных данных оказывается всё ещё недостаточно для создания одной-единственной теории. А сами все эти теории совместимы с имеющимися экспериментальными данными. Поскольку в этих теориях можно сделать конкретные предсказания для БАК, экспериментаторы планируют проверять предсказания и искать следы тех или иных теорий в своих данных. Ожидается, что результаты, полученные на ускорителе, смогут ограничить фантазию теоретиков, закрыв некоторые из предложенных построений. Другое Также ожидается обнаружение физических явлений вне рамок Стандартной Модели. Планируется исследование свойств W и Z-бозонов, ядерных взаимодействий при сверхвысоких энергиях, процессов рождения и распадов тяжёлых кварков (b и t).
Многие простые жители планеты задают себе вопрос о том, для чего нужен большой адронный коллайдер. Непонятные большинству научные исследования, на которые потрачено много миллиардов евро, вызывают настороженность и опаску.
Может, это и не исследования вовсе, а прототип машины времени или портал для телепортации инопланетных существ, способной изменить судьбу человечества? Слухи ходят самые фантастичные и страшные. В статье мы попытаемся разобраться, что такое адронный коллайдер и для чего он создавался.
Амбициозный проект человечества
Большой адронный коллайдер на сегодня является мощнейшим на планете ускорителем частиц. Он находится на границе Швейцарии и Франции. Точнее под нею: на глубине 100 метров залегает кольцевой тоннель ускорителя длиной почти 27 километров. Хозяином экспериментального полигона стоимостью, превышающей 10 миллиардов долларов, является Европейский центр ядерных исследований.
Огромное количество ресурсов и тысячи физиков-ядерщиков занимаются тем, что ускоряют протоны и тяжёлые ионы свинца до скорости, близкой к световой, в разных направлениях, после чего сталкивают их друг с другом. Результаты прямых взаимодействий тщательно изучаются.
Предложение создать новый ускоритель частиц поступило ещё в 1984 году. Десять лет велись различные дискуссии насчет того, что будет собой представлять адронный коллайдер, зачем нужен именно такой масштабный исследовательский проект. Только после обсуждения вопросов особенностей технического решения и требуемых параметров установки проект был утверждён. Строительство начали только в 2001 году, выделив для его размещения прежнего ускорителя элементарных частиц - большого электрон-позитронного коллайдера.
Зачем нужен большой адронный коллайдер
Взаимодействие элементарных частиц описывается по-разному. Теория относительности вступает в противоречия с квантовой теорией поля. Недостающим звеном в обретении единого подхода к строению элементарных частиц является невозможность создания теории квантовой гравитации. Вот зачем нужен адронный коллайдер повышенной мощности.
Общая энергия при столкновении частиц составляет 14 тераэлектронвольт, что делает устройство значительно более мощным ускорителем, чем все существующие сегодня в мире. Проведя эксперименты, ранее невозможные по техническим причинам, учёные с большой долей вероятности смогут документально подтвердить или опровергнуть существующие теории микромира.
Изучение кварк-глюонной плазмы, образующейся при столкновении ядер свинца, позволит построить более совершенную теорию сильных взаимодействий, которая сможет кардинально изменить ядерную физику и звёздного пространства.
Бозон Хиггса
В далёком 1960 году физик из Шотландии Питер Хиггс разработал теорию поля Хиггса, согласно которой частицы, попадающие в это поле, подвергаются квантовому воздействию, что в физическом мире можно наблюдать как массу объекта.
Если в ходе экспериментов удастся подтвердить теорию шотландского ядерного физика и найти бозон (квант) Хиггса, то это событие может стать новой отправной точкой для развития жителей Земли.
А открывшиеся управляющего гравитацией, многократно превысят все видимые перспективы развития технического прогресса. Тем более что передовых учёных больше интересует не само наличие бозона Хиггса, а процесс нарушения электрослабой симметрии.
Как он работает
Чтобы экспериментальные частицы достигли немыслимой для поверхности скорости, почти равной в вакууме, их разгоняют постепенно, каждый раз увеличивая энергию.
Сначала линейные ускорители делают инжекцию ионов и протонов свинца, которые после подвергают ступенчатому ускорению. Частицы через бустер попадают в протонный синхротрон, где получают заряд в 28 ГэВ.
На следующем этапе частицы попадают в супер-синхротрон, где энергия их заряда доводится до 450 ГэВ. Достигнув таких показателей, частицы попадают в главное многокилометровое кольцо, где в специально расположенных местах столкновения детекторы подробно фиксируют момент соударения.
Кроме детекторов, способных зафиксировать все процессы при столкновении, для удержания протонных сгустков в ускорителе используют 1625 магнитов, обладающих сверхпроводимостью. Общая их длина превышает 22 километра. Специальная для достижения поддерживает температуру −271 °C. Стоимость каждого такого магнита оценивается в один миллион евро.
Цель оправдывает средства
Для проведения таких амбициозных экспериментов и был построен самый мощный адронный коллайдер. Зачем нужен многомиллиардный научный проект, человечеству рассказывают с нескрываемым восторгом многие учёные. Правда, в случае новых научных открытий, скорее всего, они будут надёжно засекречены.
Даже можно сказать, наверняка. Подтверждением сему является вся история цивилизации. Когда придумали колесо, появились Освоило человечество металлургию - здравствуйте, пушки и ружья!
Все самые современные разработки сегодня становятся достоянием военно-промышленных комплексов развитых стран, но никак не всего человечества. Когда учёные научились расщеплять атом, что появилось первым? Атомные реакторы, дающие электроэнергию, правда, после сотен тысяч смертей в Японии. Жители Хиросимы однозначно были против научного прогресса, который забрал у них и их детей завтрашний день.
Техническое развитие выглядит насмешкой над людьми, потому что человек в нём скоро превратится в самое слабое звено. По теории эволюции, система развивается и крепнет, избавляясь от слабых мест. Может получиться в скором времени так, что нам не останется места в мире совершенствующейся техники. Поэтому вопрос "зачем нужен большой адронный коллайдер именно сейчас" на самом деле - не праздное любопытство, ибо вызван опасением за судьбу всего человечества.
Вопросы, на которые не отвечают
Зачем нам большой адронный коллайдер, если на планете миллионы умирают от голода и неизлечимых, а порой и поддающихся лечению болезней? Разве он поможет побороть это зло? Зачем нужен адронный коллайдер человечеству, которое при всём развитии техники вот уже как сто лет не может научиться успешно бороться с раковыми заболеваниями? А может, просто выгоднее оказывать дорогие медуслуги, чем найти способ исцелить? При существующем миропорядке и этическом развитии лишь горстке представителей человеческой расы весьма необходим большой адронный коллайдер. Зачем он нужен всему населению планеты, ведущему безостановочный бой за право жить в мире, свободном от посягательств на чью-либо жизнь и здоровье? История об этом умалчивает...
Опасения научных коллег
Есть другие представители научной среды, высказывающие серьёзные опасения по поводу безопасности проекта. Велика вероятность того, что научный мир в своих экспериментах, в силу своей ограниченности в знаниях, может утратить контроль над процессами, которые даже толком не изучены.
Такой подход напоминает лабораторные опыты юных химиков - всё смешать и посмотреть, что будет. Последний пример может закончиться взрывом в лаборатории. А если такой «успех» постигнет адронный коллайдер?
Зачем нужен неоправданный риск землянам, тем более что экспериментаторы не могут с полной уверенностью сказать, что процессы столкновений частиц, приводящие к образованию температур, превышающих в 100 тысяч раз температуру нашего светила, не вызовут цепной реакции всего вещества планеты?! Или просто вызовут способную фатально испортить отдых в горах Швейцарии или во французской Ривьере...
Информационная диктатура
Для чего нужен большой адронный коллайдер, когда человечество не может решить менее сложные задачи? Попытка замалчивания альтернативного мнения только подтверждает возможность непредсказуемости хода событий.
Наверное, там, где впервые появился человек, в него и была заложена эта двойственная особенность - делать благо и вредить себе одновременно. Быть может, нам ответ дадут открытия, которые подарит адронный коллайдер? Зачем нужен был этот рискованный эксперимент, будут решать уже наши потомки.
