что сталкивают в адронном коллайдере
Частица бога, багет и Шива-разрушитель: 10 фактов о Большом адронном коллайдере
Горячий, как ранняя Вселенная, и холодный, как абсолютный ноль; намного точнее, чем швейцарские часы, но настолько хрупкий, что его можно сломать куском багета; поражающий обывателей и даже ученых своей мощью и известный юмором своих сотрудников. Все это про LHC, юбилею которого посвящает этот материал Indicator.Ru.
Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider, LHC) — гигантский и мощнейшый аппарат, в котором можно ускорять и сталкивать частицы-адроны (протоны и тяжелые ионы), чтобы изучать то, на что они распадутся. На строительство этого сооружения — самого сложного экспериментального устройства из существующих и самого огромного цельного механизма из когда-либо созданных человеком — было потрачено около шести миллиардов долларов. И это не считая уже имеющейся инфраструктуры Европейского центра ядерных исследований!
Главная цель работы LHC — поиск отклонений от Стандартной модели. Это одна из важнейших физических концепций, которая описывает современный мир, но не может пока объяснить гравитацию, темную материю и темную энергию. На коллайдере удалось открыть бозон Хиггса (неуловимую прежде «частицу бога»), а также обнаружить и подтвердить существование тетракварков и пентакварков. Официальный запуск LHC состоялся 10 сентября 2008 года, то есть сегодня у него день рождения! В честь этого мы расскажем о его необычных и неожиданных сторонах.
Факт 1: Откуда взялась аббревиатура CERN
Давайте перестанем путаться раз и навсегда. Все мы постоянно употребляем слово «CERN» или «ЦЕРН», но о расшифровке мало кто задумывается. Многие считают его калькой с английской аббревиатуры. Но как из названия организации, создавшей коллайдер, получить такую аббревиатуру? По-русски это Европейский центр ядерных исследований, по-английски — European Organization for Nuclear Research. Дело в том, что построен коллайдер вблизи Женевы, на границе Франции и Швейцарии, поэтому организация носит французское название, Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, от которого и пошла аббревиатура. Да и звучит CERN благозвучнее, чем какой-нибудь EONR или ЕЦЯИ.
Факт 2: Жарче 100 000 Солнц
Коллайдер очень горяч. Чтобы смоделировать условия, близкие к последствиям Большого взрыва, ученые ускоряют и сталкивают на нем два пучка тяжелых ионов, получая температуры в сотни тысяч раз больше, чем в центре Солнца. Благодаря тому, что в 2012 году в LHC смогли достичь температуры в 5,5 триллиона градусов, физикам удалось получить кварк-глюонную плазму — раскаленный «суп» из свободных строительных элементов материи, словно прямиком из недр новорожденной Вселенной. Плотность такого вещества была больше, чем плотность нейтронных звезд.
Факт 3: Ледяное притяжение
В коллайдере около 9600 супермагнитов, которые по силе в 100 000 раз превосходят притяжение Земли и помогают гонять протоны на околосветовых скоростях. Обмотки этих магнитов сплетены из 36 «струн» толщиной по 15 мм. Каждая «струна» состоит из 6-9 тысяч отдельных нитей из ниобий-титанового сплава, диаметр которых составляет 7 мкм.
Не только бозон Хиггса: что еще нашли в Большом адронном коллайдере
В этом году адронным коллайдерам исполнилось 50 лет. 27 января 1971 года два пучка протонов впервые столкнулись в ускорителе CERN Intersecting Storage Rings. За последние 10 лет на Большом адронном коллайдере открыты 50 новых частиц, а не только известный бозон Хиггса. Рассказываем, что это за частицы.
Читайте «Хайтек» в
Сколько новых частиц открыты на Большом адронном коллайдере?
Самым известным открытием, конечно же, является бозон Хиггса. Менее известен тот факт, что за последние 10 лет эксперименты на БАК (Большом адронном коллайдере) также обнаружили более 50 новых частиц, называемых адронами. По совпадению, число 50 появляется в контексте адронов дважды, поскольку в 2021 году исполняется 50 лет адронным коллайдерам: 27 января 1971 года два пучка протонов впервые столкнулись в ускорителе CERN Intersecting Storage Rings, что сделало его первым ускорителем в мире. История возникновения столкновений между двумя противоположно вращающимися пучками адронов.
Что такое адроны?
Так что же это за новые адроны, которых всего 59? Давайте начнем с самого начала: адроны не являются элементарными частицами — физики знают это с 1964 года, когда Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг независимо друг от друга предложили то, что сегодня известно как модель кварков. Она представила адроны как составные частицы, состоящие из новых типов элементарных частиц — кварков.
Кварки рождаются свободными, но встречаются только связанными…
Фрэнк Вилчек,
лауреат Нобелевской премии по физике за за открытие асимптотическое свободы в теории сильных взаимодействий, 2004 г.
Сам термин «адрон» происходит от греческого «хадрос» («сильный») и отражает свойство адронов участвовать в сильных взаимодействиях. Это короткодействующие фундаментальные взаимодействия, связывающие кварки внутри нуклонов и других адронов. Сила этого взаимодействия намного превосходит силу трех других фундаментальных взаимодействий — электромагнитного, слабого и гравитационного.
Адроны — связанные системы кварков и антикварков. Они существуют двух типов — барионы и мезоны.
Как появляются новые адроны?
Но точно так же, как исследователи все еще открывают новые изотопы спустя 150 лет после того, как Менделеев создал периодическую таблицу, исследования возможных составных состояний, образованных кварками, все еще являются активной областью физики элементарных частиц.
Причина этого кроется в квантовой хромодинамике, или КХД, теории, описывающей сильное взаимодействие, которое удерживает кварки вместе внутри адронов. У этого взаимодействия есть несколько любопытных особенностей, включая тот факт, что сила взаимодействия не уменьшается с расстоянием. Это приводит к свойству, которое запрещает существование свободных кварков вне адронов — ограничение цвета. Такие особенности делают эту теорию очень сложной с математической точки зрения.
Фактически до настоящего времени само ограничение цвета не было доказано аналитически. И у ученых до сих пор нет способа точно предсказать, какие комбинации кварков могут образовывать адроны.
Что мы знаем об адронах?
Еще в 1960-х годах было уже более 100 известных разновидностей адронов. Их обнаружили в экспериментах на ускорителях и в экспериментах с космическими лучами. Модель кварков позволила физикам описать весь «зоопарк» как разные составные состояния всего трех разных кварков: верхнего, нижнего и странного. Все известные адроны могут быть описаны либо как состоящие из трех кварков (образующих барионы), либо как кварк-антикварковые пары (образующие мезоны). Но теория также предсказывала другие возможные устройства кварков.
Уже в оригинальной статье Гелл-Манна о кварках 1964 года идея частиц, содержащих более трех кварков, считалась возможной. Сегодня ученые знают, что такие частицы действительно существуют. И все же потребовалось несколько десятилетий, чтобы экспериментально подтвердить первые четырехкварковые и пятикварковые адроны, или тетракварки и пентакварки.
Полный список из 59 новых адронов, обнаруженных на БАК, показан на изображении ниже.
Некоторые из этих частиц являются пентакварками, некоторые — тетракварками, а некоторые — новыми (возбужденными) состояниями барионов и мезонов с более высокой энергией.
Открытие этих новых частиц вместе с измерениями их свойств по-прежнему дает важную информацию для проверки границ кварковой модели. В свою очередь, это позволяет исследователям углубить понимание сильного взаимодействия, проверить теоретические предсказания и настроить модели. Стоит отметить, что это особенно важно для исследований, проводимых на БАК. Дело в том, что сильное взаимодействие отвечает за большинство того, что происходит при столкновении адронов. Чем лучше ученые поймут сильное взаимодействие, тем точнее будет моделирование этих столкновений. В итоге шансы увидеть небольшие отклонения от ожиданий, которые могут намекать на возможные новые физические явления, вырастут.
Первый адрон, открытый на БАК (LHC), χb (3P), был открыт ATLAS, а самые последние включают новый возбужденный красивый странный барион, наблюдаемый CMS, и четыре тетракварка, обнаруженные LHCb.
Стандартная модель — теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Современная формулировка была завершена в середине 70-х годов после экспериментального подтверждения существования кварков.
Фермион — частица или квазичастица с полуцелым значением спина, собственного момента импульса элементарных частиц.
Десять лет Большому адронному коллайдеру: чудо современной физики
10 сентября 2008 года в ЦЕРНе было официально объявлено о запуске Большого Адронного Коллайдера. Сегодня мы расскажем вам о том, как появилась идея этого грандиозного проекта и чем современная физика ему обязана.
Вначале о терминологии и ее следствиях. Адроны — это элементарные частицы. Конкретно БАК сделан для столкновений пучков протонов, запущенных в кольцо ускорителя на очень больших (меньше скорости света всего на 3 метра в секунду) скоростях. Сталкиваясь, они порождают уйму других частиц. Многие из них живут слишком недолго, чтобы их можно было непосредственно обнаружить. Физики регистрируют продукты их распада, а то и результаты последующих распадов.
Примерно один месяц в году вместо протонов в кольцо БАКа отправляются ионы свинца, которые тоже сталкиваются на приличных скоростях.
Коллайдер — это ускоритель, в котором сталкиваются пучки разогнанных частиц. Возможен и иной вариант — когда эти частицы бомбардируют неподвижную мишень. Нам это сейчас неинтересно, поскольку на БАКе этого нет.
Ну, а «большой» он из-за геометрических размеров. Длина основного кольца — 26 659 м. Сегодня это — самый большой ускоритель в мире.
Концепция коллайдера рождалась примерно с 1984 года. Спустя десять лет она получила официальное признание и началось проектирование. Для размещения конструкций был использован кольцевой тоннель, прежде занятый Большим электрон-позитронным коллайдером. Последний был демонтирован в 2000 году. Первые устройства БАК были смонтированы в следующем году.
Главная задача БАК (иногда используется латинская аббревиатура LHC) — поиск данных, свидетельствующих о том, что реальная физика элементарных частиц отличается от Стандартной модели. Последняя была сформулирована теоретиками во вторую половину XX века и описала взаимосвязь сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий и порождаемые ими последствия в мире элементарных частиц.
«За кадром» осталась гравитация. Она, очевидно, есть, но сформулировать теорию, объединяющую ее с другими взаимодействиями, ученые пока не смогли. Это порождает предположения, что Стандартная модель должна быть частью какой-то более общей концепции. В популярной литературе она условно называется «Новой физикой». Или — что Стандартная модель в принципе неверна и надо все придумывать заново. Последний вариант для большинства физиков даже симпатичнее, поскольку сулит большую свободу для творческой фантазии.
Отдельная тема — опыты со столкновенями ионов свинца, во время которых изучается кварк-глюонная плазма, очень интересный вид материи.
Что из этого вышло?
Да, по‑хорошему, ничего. Стандартная модель оказалась очень живучей, за десять лет так и не удалось найти чего-то существенно ставящего ее под сомнение. Было документировано несколько событий, которые не наблюдались ранее, но, в целом, не стали большим сюрпризом. Так, в 2011 году были открыты два новых вида распада Bs-мезонов — частиц, в составе которых есть как «странный кварк» (s-кварк), так и «прелестный кварк» (b-кварк).
Это самое громкое на сегодня открытие, сделанное на LHC. Частица была предсказана в рамках Стандартной модели еще в середине 60-х годов, но экспериментально ее обнаружить все это время не удавалось — имеющимся ускорителям не хватало мощности. Автор гипотезы британский физик Питер Хиггс неоднократно заявлял, что знаменитый бозон не будет открыт при его жизни. Он не был единственным скептиком — Стивен Хокинг даже выразил готовность заключить пари на небольшую сумму относительно того, что бозон Хиггса на БАКе обнаружен не будет.
Тем не менее, в июле 2012 года коллаборации ATLAS и CMS объявили о нахождении бозона массой 125.3 ± 0.6 ГэВ. Скорее всего, это и есть знаменитый бозон Хиггса, хотя некоторые специалисты в этом по‑прежнему не уверены.
Во всяком случае, Питер Хиггс за подтвердившееся предсказание получил Нобелевскую премию 2013 года. Нобелевский комитет очевидно торопился — лауреату было уже хорошо за 80.
Выплатил ли Хокинг свой проигрыш достоверно неизвестно, но можно предполагать, что его гораздо больше огорчило очередное подтверждение Стандартной модели. Как было бы здорово формулировать Новую Физику!
Большой адронный коллайдер проработает до 2037 года. Что будет следующим шагом в строительстве ускорителей пока не очень понятно. Физиков интересует увеличение светимости, т. е., выражаясь упрощенно, количества детектируемых столкновений. Может быть этого можно достичь на ускорителях традиционной, кольцевой, архитектуры. Все принципы и технологии освоены и изучены, но кольцо получается очень большим и дорогим.
Может быть следующий флагман физики будет линейным ускорителем. Это существенно экономнее по энергии, но тогда нужны новые способы разгона частиц, иначе установка опять оказывается слишком большой — порядка сотен километров.
Может быть речь пойдет об ускорителе на основе иных принципов — фотонном или мюонном, но этих принципов в разработанном виде пока нет.
Отдельная интересная тема — вероятный ускоритель для изучения бозона Хиггса. БАК вполне подошел для его обнаружения, но изучать частицу на нем неудобно. Слишком много посторонних событий, на фоне которых трудно выявить нужное. Напрашивается конструкция, оптимизированная именно под бозон Хиггса, на которой его образование/распад регистрировались бы значительно чаще, чем сейчас и с меньшим количеством помех.
А как же черные дыры?
Это страшилка десятилетней давности: вот запустят свихнувшиеся очкарики свой коллайдер, в нем там возникнет маленькая черная дыра, она скушает вещество вокруг себя, подрастет, скушает еще и т. п. Короче говоря, в итоге поглощена будет вся планета.
Это смешно звучит, но были ведь пылкие люди, педалировавшие эту тему и даже подававшие судебные иски.
Прошло десять лет. Видимо, дыра родилась, поглотила все вокруг, включая нас, а мы этого и не заметили. Так и живем.
Так блэт, а когда там черную дыру сделают и на работу ходить не надо. А то давно обещали.
Надеюсь, что он не взорвался и не создал черную дыру 10 лет назад, потому что хочу верить в то, что происходит вокруг, и это не плод моей фантазии
Как время то летит! Мне вспоминается, что это было совсем недавно. Помню даже как пугали что коллайдер сделает чёрную дыру и все умрут.
То чувство, когда ничего не понял, но всё равно интересно
я бы лучше почитал про то, как рф продала необходимые для постройки технологии и почти ничего с этого не поимела
Как раз сейчас атомную физику и теорию поля начали изучать в институте. Хоть узнаю, зачем нужен коллайдер)
Псиионизационное излучение(я его только что придумал) БАК’а стабилизировало гиперпространство и пространство, да так, что все боги, демоны и загробные миры окрестностей схлопнулись. Также оно запустило цепную реакцию по преобразованию маны(тип энергии-излучения неквалифицированной в стандартной модели) в аналогичное излучение и деструктурировало энергетику потенциальных магов(Наиболее распространёнными последствиями являются раковыми опухолями).
Это происходило во смежном мире, но порталы(не смогли перенести ни одного живого человека) спасающихся магов перенесли часть излучения в наш мир. Увы, но способность излучения к саморепликации оказалось слишком сильна, и мы лишились магии задолго до задокументированных исторических событий.
«Физиков интересует увеличение светимости, т. е., выражаясь упрощенно, количества детектируемых столкновений»
100-километровому суперколлайдеру быть! Что нас ждёт за пределами известной физики?
100-километровому суперколлайдеру быть! Что нас ждёт за пределами известной физики?
Целью второго этапа станет поиск новых частиц или сил природы, а также расширение или, возможно, замена нынешней стандартной модели физики частиц. Начать строительство, согласно одобренному 19 июня документу, предполагается в 2038 году. Правда, проекту придётся преодолеть несколько серьёзных проблем.
Другая проблема заключается в том, что огромная часть технологий, которые потребуется для ускорителя второго этапа, ещё не разработаны. Хотя здесь есть и положительный момент — эти технологии станут предметом интенсивного изучения на ближайшие десятилетия. До создания нового коллайдера CERN будет продолжать эксплуатировать модернизированную версию нынешнего под названием High Luminosity LHC, который в настоящее время строится, а ориентировочно с 2024 года начнётся, собственно, модернизация, которая продлится около 2,5 лет. Так почему вообще коллайдер?
Дело в том, что на сегодняшний день у нас нет столь же надёжного эквивалентного способа искать ответы на вопросы мироздания. В конце концов, именно ускоритель частиц может помочь открыть антиматерию, которая позволит нам путешествовать между звёздами. Вполне вероятно, что в итоге мы дойдём и до строительства коллайдера космических масштабов, но для начала надо достичь текущую цель
В ЦЕРН уточнили свойства загадочной частицы X(3872)
Коллаборация LHCb (CERN, Европейская организация по ядерным исследованиям), в которую входят Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Новосибирский государственный университет (НГУ), объявила о новых данных, полученных при анализе частицы X(3872). Частица была обнаружена в 2003 г. в эксперименте Belle (KEK, Исследовательская организация ускорителей высоких энергий, Япония), но до сих пор специалистам не удалось прийти к единому мнению о кварковой структуре этой частицы. Участникам эксперимента LHCb удалось с лучшей в мире точностью измерить ширину и массу X(3872), а также сделать некоторые предположения о ее природе. Эксперименты на детекторе КЕДР электрон-позитронного коллайдера ВЭПП-4М ИЯФ СО РАН помогли специалистам CERN с высокой точностью измерить один из параметров X(3872). Результаты опубликованы на сайте ЦЕРН.
«Как правило, если какая-то частица открыта, то уже через пару лет у специалистов появляется понимание, что она из себя представляет. Исследование X(3872) уникально в том смысле, что на протяжении уже семнадцати лет с ее открытия у нас все еще нет представления о ее внутренней структуре, – рассказал сотрудник коллаборации LHCb, старший научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной физики им. А.И. Алиханова НИЦ «Курчатовский институт» (ИТЭФ), кандидат физико-математических наук Иван Беляев. – Нам были известны лишь ее довольно необычные свойства. Во-первых, при большой массе X(3872) ее ширина настолько маленькая, что мы практически не видели ее, а, во-вторых, ее масса совпадает с суммой масс двух других частиц – D0 и D*0 (D-ноль-мезон и возбужденный D-ноль-мезон)».
Частица X(3872) очень интересна специалистам. Статья, в которой сообщалось об открытии этого состояния, высокоцитируемая, на нее дается свыше 1700 ссылок. Это самая цитируемая работа эксперимента Belle. При этом для подобных экспериментальных работ уже 500 ссылок считается рекордом.
«Гипотез о природе частицы X(3872) довольно много, но основных три, – рассказал главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН, участник коллаборации LHCb, доктор физико-математических наук Семен Эйдельман. – Например, гипотеза тетракварка предполагает, что частица состоит из c кварка и анти-c кварка, а также пары легких кварка и антикварка (u или d). Другая гипотеза описывает X(3872) как молекулу. Третья гипотеза, которую выдвинул выдающийся российский и американский физик-теоретик Михаил Волошин (Университет Миннесоты), называется адрочармоний – состояние, в центре которого связанные c и анти c кварки, а вокруг них облако легких пи-мезонов, то есть совокупность легкого адрона и чармония». Семен Эйдельман пояснил, что сегодня физическое сообщество склоняется к мнению, что X(3872) – это и обычное связанное состояние c кварка и анти c кварка, и молекула одновременно.
Большой адронный коллайдер — главный инструмент современных физиков
статьи | Jul 02, 2019 | Наука и Образование | 
1595
Как устроен Большой адронный коллайдер, зачем его построили и для чего снова модернизируют?
Исследование законов, которые лежат в основе существования нашей Вселенной, — сложнейшая задача, над которой ученые бьются с античных времен. Человечество всегда занимали вопросы: из чего состоит окружающий мир? Как устроена материя на самом мелком уровне и есть ли у вещества вообще предел делимости?
Демокрит считал, что материя состоит из мельчайших неделимых частиц — атомов, форма которых определяет свойства вещества. Собственно говоря, с древнегреческого слово «атом» и переводится как «неделимый». Мы до сих пор используем этот термин, хотя уже давно знаем, что атомы состоят из ядра и вращающихся вокруг него электронов, а ядро состоит из протонов и нейтронов, которые, в свою очередь, распадаются на кварки. На этом уровне привычная нам ньютоновская физика уже не работает, и частицы взаимодействуют по законам квантовой механики.
Как же изучать объекты, размеры которых настолько малы, что рассмотреть их не поможет никакое, даже самое мощное увеличение? Ведь любой микроскоп сам состоит из атомов.
Для того чтобы понять, как устроены элементарные частицы, из чего они состоят и каким воздействиям подвержены, ученые ускоряют их до огромных скоростей, а затем сталкивают. В результате столкновения на короткое время происходит расщепление частиц, и с помощью специальных детекторов можно зафиксировать отдельные составляющие, на которые распались изначальные частицы. Таким образом ученые изучают свойства уже известных элементарных частиц, а также открывают новые.
Знаменитый бозон Хиггса, существование которого было теоретически обосновано еще в 1964 году, после многолетних экспериментов удалось обнаружить с помощью Большого адронного коллайдера (БАК) в 2012 году.
БАК — самый масштабный международный проект в области науки, который помогает физикам экспериментально проверять теоретические модели устройства материи и Вселенной. Строительство БАК было начато в 2001 году. В 2008 году коллайдер был испытан и сдан в эксплуатацию. В 2010–2012 годах прошел первый полноценный сеанс работы БАК. После этого ускоритель модернизировали в течение двух лет. В обновленной комплектации он проработал до конца 2018 года. Сейчас в ЦЕРНе (Европейская организация по ядерным исследованиям) идут работы по очередному апгрейду, благодаря которому физики планируют существенно увеличить эффективность установки.
Что такое Большой адронный коллайдер?
С английского collider можно перевести как «сталкиватель». В БАК разгоняют протоны, нейтроны и другие тяжелые ядра, подверженные сильному ядерному взаимодействию. Этот класс частиц называется адронами — отсюда и название ускорителя.
На сегодняшний день БАК является самым большим ускорителем частиц. Он был построен в ЦЕРНе на месте предыдущего ускорительного комплекса — электрон-позитронного коллайдера. В работе БАК, а также в его обслуживании принимает участие более 10 тысяч человек по всему миру — это инженеры и ученые, работающие непосредственно в ЦЕРНе, а также огромное количество исследователей более чем из 100 стран.
Основная часть установки расположена на территории Швейцарии и Франции, в кольцевом тоннеле, длина окружности которого достигает почти 27 км. В тоннеле, проложенном на глубине около 100 метров, находятся две вакуумные трубы, в которых во время экспериментов в противоположных направлениях вращаются разогнанные пучки частиц. Частицы не должны задевать стенки труб, диаметр которых всего несколько сантиметров. Для этого их траекторию контролируют мощнейшие фокусирующие магниты. Для разгона частиц служит ускорительная секция, магниты которой с каждым оборотом протонного пучка придают ему дополнительную энергию. Специальная система сброса пучка в случае необходимости быстро уводит частицы из основного канала ускорителя в боковой.
Разогнанные пучки вращаются в трубах ускорителя со скоростью более 10 тысяч оборотов в секунду. Энергия столкновения провоцирует расщепление частиц на более мелкие составляющие. Для проведения экспериментов необходимо не только разогнать и столкнуть частицы, но и зафиксировать результаты столкновения. Эту задачу выполняют специальные детекторы элементарных частиц, расположенные в местах пересечения вакуумных труб. Часто для краткости под ускорителем подразумевают не только саму установку для разгона и стабилизации траектории пучков, но и детекторы.
Схема адронного коллайдера
Первичный разгон пучков происходит в относительно небольшом кольце SPS. Затем частицы попадают в основной канал ускорителя.
Основное кольцо поделено на восемь секторов. Вакуумные трубы пересекаются в точках 1, 2, 5, 8 (см. рисунок). В этих точках располагаются детекторы, регистрирующие результаты столкновения частиц. Основных детектора — четыре: крупные ATLAS и CMS и два средних: ALICE и LHCb. Также на БАК установлены еще два небольших специализированных детектора около ATLAS и CMS — это TOTEM и LHCf.
Зачем нужен адронный коллайдер
БАК способен удивить любого масштабом проекта, однако человеку, далекому от науки и технологий, может показаться непонятным, для чего нужна вся эта громадная установка, стоящая миллиарды долларов, если она не приносит непосредственных практических результатов.
Неужели один эксперимент настолько важен?
При том, что коллайдер объединяет усилия и опыт множества людей, результатами испытаний пользуются различные научные группы по всему миру. Так что одни и те же данные могут помочь в исследованиях ученым, работающим в разных направлениях современной физики.
The eight toroid magnets can be seen surrounding the calorimeter that is later moved into the middle of the detector. This calorimeter will measure the energies of particles produced when protons collide in the centre of the detector.
Кроме того, БАК — это сложнейший комплекс, включающий в себя ускоритель, детекторы, вспомогательные помещения. Строго говоря, отдельный эксперимент происходит на каждом детекторе, каждый из которых предназначен для своих задач, и все они собирают различные данные. Так что на ускорителе проходит не один эксперимент, а сразу несколько, а полученные данные используют тысячи ученых по всему миру.
Польза фундаментальных исследований
Фундаментальные исследования обычно не подразумевают сиюминутной выгоды и готовых прикладных решений. Новые разработки на базе научных открытий могут появиться спустя годы, а роль огромного количества научных результатов вовсе не в практической пользе. Вообще говоря, первостепенной задачей науки является построение цельной, доказанной модели. Если эксперименты опровергают теорию, которая главенствовала до этого, ученым приходится искать новое обоснование, объясняющее научные факты, и строить новую теорию.
Эксперименты на БАК позволяют проверить справедливость теории, носящей название Стандартной модели, которая описывает электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц, однако не объясняет существование гравитации, темной материи и темной энергии. Логика экспериментов на коллайдере такая: наблюдая эффекты столкновения протонных пучков, ученые стараются зафиксировать любые, даже самые незначительные отклонения от Стандартной модели. Эти результаты должны помочь построить так называемую Новую физику, в которой будет обобщенная теория, объясняющая все виды фундаментальных взаимодействий. Говоря простым языком, если нам удастся построить такую теорию всего, то, располагая достаточными вычислительными ресурсами, мы сможем точно просчитать и предсказать любой физический процесс.
За годы работы БАК ученые обнаружили бозон Хиггса и другие частицы, подробно описали некоторые процессы, происходящие при распаде частиц, и получили ряд других значительных результатов. Все эти научные открытия вносят вклад в общее знание физиков о Вселенной. Часть этих знаний поможет создать новые технологии, использующие законы природы на благо человека.
Кстати, большинство ученых занимается наукой не потому, что хотят придумать нечто полезное и практичное для общества. Эти люди влюблены в свое дело и обожают решать сложные задачи. Так что наука ради науки — это очень мощная мотивация.
Зачем изучать элементарные частицы?
Пытаясь проникнуть на все более мелкие уровни организации материи, исследователи постоянно натыкаются на все новые и новые преграды. К началу XX века сложилось представление о том, что атомы состоят из положительно и отрицательно заряженных частиц. Потом стало понятно, что плотное ядро занимает совсем небольшой объем атома где-то в центре, а вокруг ядра как-то распределены электроны. Постепенно ученые пришли к современной квантово-механической модели атома. Каждый новый шаг требовал новых экспериментов.
Следующий этап развития физики — полноценное изучение законов, по которым существуют элементарные частицы вроде кварков и нейтрино.
Кстати, уже сегодня есть и прикладные результаты этих исследований. Например, изучение элементарных частиц помогает разрабатывать такие способы борьбы с онкологическими заболеваниями, как адронная терапия раковых опухолей, позитронно-эмиссионная томография и другие технологии.
БАК — это микроскоп для элементарных частиц
Если физики изучают настолько маленькие объекты, зачем им такая огромная установка для экспериментов? Такой вопрос вполне может возникнуть у некоторых обывателей.
Дело в том, что, чтобы зафиксировать элементарные частицы, необходимо увеличить их энергию, чтобы они были «более заметны» для детекторов. Для того чтобы этого добиться, и необходим огромный комплекс БАК. Кроме того, надо помнить, что в этот комплекс также входит огромное количество оборудования, стабилизирующего траекторию частиц, и других вспомогательных установок.
Энергия частиц на БАК аналогична разрешающей способности микроскопов, которая ограничена длиной световой волны.
Оправданны ли такие дорогие эксперименты?
Цена экспериментов на БАК тоже может показаться огромной. Разумно ли тратить такие деньги (миллиарды долларов) на фундаментальную науку, если можно на них сделать нечто полезное и необходимое для обычной жизни? Ведь страны — участницы проекта вкладывают в исследования деньги налогоплательщиков.
На самом деле такие траты, конечно же, оправданны. Дело в том, что если бы эти деньги пошли не на коллайдер, то их направили бы в другие научные исследования, ведь каждая из стран выделяет средства из той части бюджета, которая и предназначена для науки. Однако БАК, безусловно, наиболее эффективная система, которая позволяет получить уникальные данные. Так что лучше вложиться в большой международный проект и потом пользоваться результатами экспериментов, чем создавать десять менее дорогих, но и менее эффективных проектов.
Уничтожит ли коллайдер Вселенную?
Вокруг БАК существует огромное количество мифов, среди которых есть и утверждение, что ускоритель способен уничтожить нашу планету или даже всю Вселенную.
Обоснование этого мифа строится на теории о том, что Вселенная, в которой мы живем, нестабильна, а столкновения на коллайдере могут породить более стабильную версию Вселенной, которая начнет разрастаться и разрушать нашу версию.
Опровергнуть подобные суждения довольно просто. Ведь во Вселенной постоянно происходят естественные процессы, которые ускоряют и сталкивают бесчисленное количество частиц с энергиями, которые на БАК просто недостижимы. И если бы существовала малейшая вероятность, что подобные столкновения приведут к «вселенской катастрофе», то это уже давно бы случилось.
Перезагрузка
В конце 2018 года все эксперименты на БАК были остановлены, и команда инженеров начала масштабный апгрейд системы. Целью усовершенствований является создание Большого адронного коллайдера высокой светимости. Проще говоря, будут усовершенствованы системы разгона, столкновения и детекции частиц для большей эффективности запусков ускорителя. Адронный пучок в новой версии коллайдера будет гораздо плотнее, а значит, увеличится и вероятность столкновения отдельных частиц. После столкновений будет получаться большее количество «обломков» элементарных частиц, детекторы станут регистрировать еще больше событий, и вероятность обнаружить новые частицы существенно увеличится.
Коллайдер высокой светимости проработает с начала 2021-го до конца 2023 года. Затем последует следующий этап модернизации для повышения светимости еще в 5–7 раз. Следующий сеанс эксплуатации будет начат в 2026 году.
Пока что точно просчитан план эксплуатации и усовершенствования ускорителя до 2034 года. Однако сейчас ЦЕРН работает над разработкой проекта FCC (Future Circular Collider), то есть коллайдера будущего, который разместится в том же тоннеле.