Европейский центр ядерных исследований, или просто ЦЕРН, – место, где рядом с вами в столовой запросто может обедать нобелевский лауреат по физике. Он известен во всем мире благодаря самому мощному ускорителю частиц – Большому адронному коллайдеру. Спустя почти десять лет работы пришло время подвести итог – оправдал ли надежды ученых один из самых амбициозных научных проектов современности?
В 2008 году я училась в десятом классе. Несмотря на то, что в те годы я еще совершенно не интересовалась физикой, волна ажиотажа не смогла обойти меня стороной: из каждого утюга трубили, что вот-вот запустят «машину судного дня». Что как только Очень Важный Директор поднимет рубильник, образуется черная дыра и нам всем конец. В день официального старта Большого адронного коллайдера некоторые учителя даже позволили на своих уроках посмотреть репортаж с места событий.
Самого страшного не произошло. По большому счету, не произошло ничего – рубильник был поднят, на экране компьютера заскакали непонятные простому обывателю цифры, а ученые начали праздновать. В общем, зачем запускали, было непонятно.
Несомненно, без Большого адронного коллайдера ученые не смогли бы совершить некоторые знаменательные открытия – в том числе речь идет об обнаружении бозоне Хиггса. Но все ли из запланированного удастся реализовать, и есть ли еще перспективы у БАК – об этом и расскажем.
Эксперимент DELPHI Большого электрон-позитронного коллайдера
Старший брат: Большой электрон-позитронный коллайдер
В конце семидесятых годов XX века физика элементарных частиц развивалась семимильными шагами. Для проверки предсказаний Стандартной модели в 1976 году был предложен проект Большого электрон-позитронного коллайдера (БЭП или LEP – от англ. Large Electron-Positron Collider) в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН, от фр. CERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire). Среди множества различных конфигураций был выбран вариант расположения будущего эксперимента в подземном тоннеле длиной 27 километров. Ему предполагалось ускорять электроны и позитроны до энергий порядка десятков и сотен гигаэлектронвольт: встречные пучки пересекались в четырех точках, в которых впоследствии расположились эксперименты ALEPH, DELPHI, OPAL и L3.
С точки зрения физиков энергии никогда не бывает мало: выбранный в итоге для реализации вариант БЭП был компромиссом между стоимостью и мощностью; рассматривались и туннели большей длины, способные сильнее ускорять частицы. Итоговая энергия могла использоваться для проверки Стандартной модели, но была слишком мала для поиска так называемой «новой физики» – явлений, которые не предсказываются ее законами. Гораздо лучше для таких целей подходят адронные коллайдеры – ускорители составных частиц вроде протонов, нейтронов и атомных ядер. Еще в 1977 году, в момент обсуждения БЭП, Джон Адамс, директор ЦЕРН в то время, предлагал сделать туннель шире, и разместить там сразу оба ускорителя – и электрон-позитронный, и адронный. Однако, совет, принимающий итоговые решения, эту идею отклонил, и в 1981 году был утвержден проект Большого электрон-позитронного коллайдера.
Туннель Большого адронного коллайдера
На смену приходит LHC
БЭП проработал больше десяти лет: с 1989 по 2000 год. Этому времени принадлежит ряд знаменательных экспериментов, таких как подтверждение предсказанных масс переносчиков слабого взаимодействия – W- и Z-бозонов, а также измерение различных параметров Стандартной модели с беспрецедентной точностью. И уже в 1984 году была проведена конференция «Большой адронный коллайдер в туннеле LEP», посвященная вопросу строительства нового коллайдера после прекращения работы предшественника.
В 1991 году был окончательно утвержден проект Большого адронного коллайдера (БАК или LHC – от англ. Large Hadron Collider), при помощи которого планировалось достигнуть суммарной энергии сталкивающихся частиц в 14 тераэлектронвольт, то есть в сто раз большей, чем развивал Большой электрон-позитронный коллайдер.
В 1992 году была проведена встреча, посвященная научной программе Большого адронного коллайдера: всего было получено двенадцать заявок на различные эксперименты, которые могли бы быть построены на месте четырех точек столкновения пучков. В течении последующих лет были одобрены два эксперимента общей направленности – ATLAS и CMS, эксперимент ALICE по изучению тяжелых ионов и LHCb, посвященный физике частиц, содержащих b-кварки. Сооружение Большого адронного коллайдера началось в 2000 году, а первые пучки были получены уже в 2008 году: с тех пор и по сей день, помимо планового отключения, LHC в рабочем режиме ускоряет частицы и набирает данные.
Россия в ЦЕРН
Российская Федерация с 1993 года является страной-наблюдателем в ЦЕРН, что дает право ее представителями присутствовать на заседаниях, но не дает права голосовать при принятии важных решений. В 2012 году от имени Правительства РФ было внесено заявление о намерении вступления Российской Федерации в ассоциированные члены ЦЕРН, которое на настоящий момент не было поддержано.
Всего в проектах ЦЕРН участвует около 700 российских ученых из двенадцати научных организаций, таких как Объединенный институт ядерных исследований, Российский научный центр «Курчатовский институт», Институт ядерных исследований Российской академии наук и Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова.
Инжекционная цепь Большого адронного коллайдера
Как выгодно ускорять частицы?
Схема работы Большого адронного коллайдера состоит из множества этапов. Перед тем как попасть непосредственно в БАК, частицы проходят ряд стадий пред-ускорения: таким образом набор скорости происходит быстрее и при этом с меньшими затратами энергии. Сначала в линейном ускорителе LINAC2 протоны или ядра достигают энергии в 50 мегаэлектронвольт; затем они поочередно попадают в бустерный синхротрон (PSB), протонный синхротрон (PS) и протонный суперсинхротрон (SPS), и на момент инжекции в коллайдер итоговая энергия частиц составляет 450 гигаэлектронвольт.
Помимо основных четырех экспериментов в тоннеле Большого адронного коллайдера, предускорительная система является площадкой для более чем десяти экспериментов, которым не требуется столь большая энергия частиц. В их число входят, в частности, эксперимент NA61/SHINE, исследующий параметры взаимодействия тяжелых ионов с фиксированной мишенью; эксперимент ISOLDE, исследующий свойства атомных ядер, а также AEGIS, исследующий гравитационное ускорение Земли при помощи антиводорода.
Поиски частицы Бога и новой физики
Еще в самом начале, на этапе разработки, была заявлена претенциозная научная программа Большого адронного коллайдера. В первую очередь, вследствие указаний, полученных на БЭП, планировался поиск бозона Хиггса – еще гипотетической в то время составляющей Стандартной модели, отвечающей за массу всех частиц. В том числе в планы ученых входил и поиск суперсимметричного бозона Хиггса и его суперпартнеров, входящих в минимальное суперсимметричное расширение Стандартной модели.
В целом как отдельное направление планировался поиск и проверка моделей «новой физики». Для проверки суперсимметрии, в которой каждому бозону сопоставляется фермион, и наоборот, предполагалось вести поиски соответствующих партнеров для частиц Стандартной модели. Для проверки теорий с дополнительными пространственными измерениями, таких как теория струн или М-теория, были заявлены возможности постановки ограничений на число измерений в нашем мире. Именно поиск отклонений от Стандартной модели считали, и до сих пор считают одной из основных задач БАК.
Менее громкие задачи: исследование кварк-глюонной плазмы и нарушения CP-инвариантности
Топ-кварк, самый тяжелый из шести кварков Стандартной модели, до Большого адронного коллайдера наблюдался лишь на ускорителе Тэватрон в Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми в США из-за своей крайне большой массы в 173 гигаэлектронвольта. При столкновениях в БАК, благодаря его мощности, ожидалось рождение большого числа топ-кварков, которые интересовали ученых в двух аспектах. Первый был связан с изучением иерархии частиц: на данный момент наблюдается три поколения кварков (топ-кварк завершил третье), но не исключено, что их все же больше. С другой стороны, рождение бозона Хиггса при распаде топ-кварка считалось основным способом его экспериментального детектирования.
В 1964 году было открыто нарушение комбинированной CP-инвариантности (от англ. «charge» – заряд и «parity» – четность), которое соответствует зеркальному отображению нашего мира с полной заменой всех частиц на соответствующие античастицы. Данный факт играет важную роль в теориях образования Вселенной, которые пытаются объяснить, почему все наше вещество состоит именно из материи, а не из антиматерии. В том числе нарушение CP-четности проявляется в поведении B-мезонов – частиц, активное рождение которых предполагалось в процессе столкновений в БАК, и с их помощью ученые надеялись пролить свет на причины данного явления.
Работа Большого адронного коллайдера в режиме столкновения тяжелых ядер должна была приводить к воссозданию состояния кварк-глюонной плазмы, которое, по современным представлениям, наблюдается через 10-5 секунд после Большого взрыва – состоянию настолько «горячему», что кварки и глюоны не взаимодействуют друг с другом, и не образуют частицы и ядра, как это происходит в нормальном состоянии. Понимание процессов возникновения и охлаждения кварк-глюонной плазмы необходимо для изучения процессов квантовой хромодинамики – раздела физики, ответственного за описание сильных взаимодействий.
Схема открытия бозона Хиггса в эксперименте ATLAS
Открытие новых частиц на LHC
Итак, чем же может похвастаться за целое десятилетие своей работы Большой адронный коллайдер?
Во-первых, конечно же, самое известное из открытий – обнаружение в июле 2012 года бозона Хиггса массой 126 гигаэлектронвольт. Всего годом позднее Питер Хиггс и Франсуа Энглер были удостоены Нобелевской премии по физике за теоретическое предсказание существования «частицы Бога», ответственной за массу всего вещества во Вселенной. Теперь, однако, перед физиками стоит новая задача – понять, почему искомый бозон имеет именно такую массу; также продолжаются и поиски суперсимметричных партнеров бозона Хиггса.
В 2015 году в эксперименте LHCb были обнаружены стабильные пентакварки – частицы, состоящие из пяти кварков, а годом позднее – кандидаты на роль тетракварков – частиц, состоящих из двух кварков и двух антикварков. До этих пор считалось, что наблюдаемые частицы состоят не более чем из трех кварков, и физикам еще предстоит уточнить теоретическую модель, которая бы описала подобные состояния.
Все еще в пределах Стандартной модели
Физики надеялись, что БАК сможет решить проблему суперсимметрии – либо полностью ее опровергнуть, либо уточнить, в каком направлении стоит двигаться, поскольку вариантов подобного расширения Стандартной модели огромное количество. Пока что не удалось сделать ни того, ни другого: ученые ставят различные ограничения на параметры суперсимметричных моделей, которые могут отсеять самые простые варианты, но точно не решают глобальных вопросов.
Не было получено так же и явных указаний на физические процессы вне Стандартной модели, на которые, пожалуй, рассчитывало большинство ученых. Однако, стоит отметить, что в эксперименте LHCb также было получено указание на то, что B-мезон, тяжелая частица, содержащая в себе b-кварк, распадается не таким образом, как предсказывает Стандартная модель. Подобное поведение само по себе может служить, например, указанием на существование еще одного нейтрального переносчика слабого взаимодействия – Z’ бозона. Пока что ученые работают над набором экспериментальных данных, которые позволят ограничить различные экзотические сценарии.
Возможная схема будущего 100-километрового коллайдера
Пора начинать рыть новый туннель?
Смог ли Большой адронный коллайдер оправдать вложенные в него силы и средства? Несомненно, хоть и не все поставленные цели по итогам десятилетия пока что достигнуты. В настоящий момент идет второй этап работы ускорителя, после чего будет произведена плановая установка и начнется третья стадия набора данных.
Ученые не теряют надежды произвести следующие великие открытия и уже планируют новые коллайдеры, например, с длиной туннеля в целых 100 километров.
В этом вопросе (и ему подобных) любопытно появление слов «на самом деле» – как будто есть некая скрытая от непосвящённых суть, охраняемая «жрецами науки» от обывателей, тайна, которую нужно раскрыть. Однако при взгляде изнутри науки тайна исчезает и места этим словам нет – вопрос «зачем нужен адронный коллайдер» ничем принципиально не отличается от вопроса «зачем нужна линейка (или весы, или часы и т.д.)». То, что коллайдер – штука большая, дорогая и по любым меркам сложная – дела не меняет.
Наиболее близкой аналогией, позволяющей понять, «зачем это нужно», является, на мой взгляд, линза. Человечество знакомо со свойствами линз с незапамятных времён, однако только в середине прошлого тысячелетия было понято, что определённые комбинации линз могут быть использованы как приборы, позволяющие рассматривать очень маленькие либо очень далёкие объекты – речь идёт, конечно, о микроскопе и телескопе. Нет никаких сомнений, что вопрос, зачем всё это нужно, неоднократно задавался при появлении этих новых для современников конструкций. Однако он снялся с повестки дня сам собой, по мере того, как ширились области научного и прикладного применения и того, и другого устройства. Заметим, что, вообще говоря, это разные приборы – рассматривать звёзды в перевёрнутый микроскоп не получится. Большой адронный коллайдер же, парадоксальным образом, объединяет их в себе, и может с полным основанием рассматриваться как высшая достигнутая человечеством точка эволюции как микроскопов, так и телескопов за прошедшие века. Это утверждение может показаться странным, и, разумеется, его не следует понимать буквально – в ускорителе нет линз (по крайней мере, оптических). Но по сути дела это именно так. В своей «микроскопной» ипостаси коллайдер позволяет изучать структуру и свойства объектов на уровне 10-19 метров (напомню, что размер атома водорода – примерно 10-10 метра). Ещё интереснее обстоит дело в «телескопной» части. Каждый телескоп – самая настоящая машина времени, так как наблюдаемая в нём картина соответствует тому, каким был объект наблюдения в прошлом, а именно то время назад, которое необходимо электромагнитному излучению, чтобы дойти от этого объекта до наблюдателя. Это время может составлять восемь с небольшим минут в случае наблюдения Солнца с Земли и до миллиардов лет при наблюдении далёких квазаров. Внутри Большого адронного коллайдера создаются условия, которые существовали во Вселенной через ничтожную долю секунды после Большого взрыва. Таким образом, мы получаем возможность заглянуть в прошлое почти на 14 миллиардов лет, к самому началу нашего мира. Обычные земные и орбитальные телескопы (по крайней мере, те, которые регистрируют электромагнитное излучение), обретают «зрение» лишь после эры рекомбинации, когда Вселенная стала оптически прозрачной – это произошло по современным представлениям через 380 тысяч лет после Большого взрыва.
Дальше нам предстоит решать – что делать с этим знанием: как об устройстве материи на малых масштабах, так и об её свойствах при рождении Вселенной, и именно это в конечном итоге вернёт тайну, о которой шла речь в начале, и определит, зачем же коллайдер был нужен «на самом деле». Но это решение человека, коллайдер же, с помощью которого было получено это знание, останется всего лишь прибором – возможно, самой изощрённой системой «линз», которую когда-либо видел мир.
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).
Дата публикации: 17.09.2012Что такое Большой Адронный Коллайдер? Зачем он нужен? Может ли он стать причиной конца света? Давайте разложим всё «по полочкам».
Что такое БАК?
Это огромный кольцеобразный тоннель, похожий на трубу для разгона частиц. Находится он на глубине около 100 метров под территорией Франции и Швейцарии. В его постройке участвовали учёные со всего мира.
БАК был построен для того, чтобы найти бозон Хиггса - механизм, наделяющий частицы массой. Второстепенной целью также является изучение кварков - фундаментальных частиц, из которых состоят адроны (отсюда и название «адронный» коллайдер).
Многие наивно полагают, что БАК - это единственный ускоритель частиц в мире. Однако по всему миру, начиная с 50х годов, был построен не один десяток коллайдеров. БАК считается самым большим - его длина 25,5 км. К тому же в его структуру входит ещё один, меньший по диаметру, ускоритель.
БАК и СМИ
С момента начала постройки, появилось множество статей о дороговизне и опасности ускорителя. Большинство людей считают, что деньги были потрачены зря, и не понимают, зачем нужно было тратить столько денег и сил для того, чтобы найти какую-то частицу.
Во-первых, БАК - это не самый дорогой научный проект в истории. На юге Франции находится научный центр Кадараш с дорогим термоядерным реактором. Кадараш был построен при поддержке 6 стран (в том числе и России); на данный момент в него уже вложено порядка 20 миллиардов долларов. Во-вторых, открытие бозона Хиггса принесёт миру множество революционных технологий. К тому же, когда изобрели первый сотовый телефон, люди тоже встретили его изобретение негативно…
Как работает БАК?
БАК сталкивает на больших скоростях пучки частиц и следит за последующим их поведением и взаимодействием. Как правило, один пучок частиц разгоняется сначала на вспомогательном кольце, а потом уже отправляется в основное кольцо.
Множество сильнейших магнитов удерживают частицы внутри коллайдера. А высокоточные приборы фиксируют перемещения частиц, так как столкновение происходит за доли секунды.
Организацией работы коллайдера занимается ЦЕРН (организация по ядерным исследованиям).
В итоге, после огромных трудов и денежных вложений, 4 июля 2012 года ЦЕРН официально объявило о том, что бозон Хиггса найден. Конечно, некоторые свойства бозона, обнаруженные на практике, отличаются от теоретических аспектов, однако сомнений у учёных в «реальности» бозона Хиггса нет.
Зачем нужен БАК?
Чем же полезен БАК для обычных людей? Научные открытия, связанные с открытием бозона Хиггса и изучением кварков, в перспективе могут привести к новой научно-технической революции.
Во-первых, так как масса - это энергия в состоянии покоя (грубо говоря), есть возможность в будущем преобразовывать материю в энергию. Тогда проблем с энергией не будет, а значит, появится возможность путешествовать к далёким планетам. А это шаг к межзвёздным путешествиям…
Во-вторых, изучение квантовой гравитации позволит, в будущем, управлять гравитацией. Однако это случится ещё не скоро, так как гравитоны пока ещё не очень хорошо изучены, а потому устройство, контролирующее гравитацию, может быть непредсказуемым.
В-третьих, есть возможность подробнее понять М-теорию (производная от теории струн). Данная теория утверждает, что мироздание состоит из 11 измерений. М-теория претендует на звание «теории всего», а значит, её изучение позволит нам гораздо лучше понять строение Вселенной. Кто знает, быть может, в будущем человек научится перемещаться и воздействовать на другие измерения.
БАК и Конец Света
Многие люди утверждают, что работа БАК может уничтожить человечество. Как правило, говорят об этом люди, которые плохо разбираются в физике. Запуск БАК много раз откладывался, но 10 сентября 2008 года он, всё же, был запущен. Однако стоит обратить внимание, что БАК ещё ни разу не разгоняли на полную мощь. Учёные планируют запустить БАК на полную мощность в декабре 2014 года. Давайте рассмотрим возможные причины конца света и другие слухи…
1. Создание чёрной дыры
Чёрная дыра, это звезда с огромной гравитацией, которая притягивает не только материю, но и свет, и даже время. Чёрная дыра не может появиться из ниоткуда, а потому учёные из ЦЕРН считают, что шансы появления устойчивой чёрной дыры крайне малы. Однако, это возможно. При столкновении частиц может быть создана микроскопическая чёрная дыра, размеров которой хватит, чтобы уничтожить нашу планету за пару лет (или быстрее). Но бояться человечеству не стоит, так как, благодаря излучению Хокинга, чёрные дыры быстро теряют свою массу и энергию. Хотя и среди учёных есть пессимисты, которые считают, что сильное магнитное поле внутри коллайдера не позволит чёрной дыре распасться. В итоге, шанс, что создастся чёрная дыра, которая уничтожит планету, очень мал, но такая вероятность есть.
2. Образование «тёмной материи»
Она же - «странная материя», страпелька (странная капелька), «странглет». Это материя, которая при столкновении с другой материей, превращают её в подобную себе. Т.е. при столкновении странглета и обычного атома, образуются два странглета, порождая цепную реакцию. Если такая материя появится в коллайдере, то человечество будет уничтожено за считанные минуты. Однако шанс, что это произойдёт, также мал, как и образование чёрной дыры.
3. Антивещество
Версия, связанная с тем, что при работе коллайдера может появиться такое количество антивещества, которое уничтожит планету, выглядит самой бредовой. И суть даже не в том, что шансы на образование антиматерии очень малы, а в том, что на земле уже есть образцы антиматерии, хранящиеся в специальных ёмкостях, где отсутствует гравитация. На Земле вряд ли появится такое количество антивещества, которое будет способно уничтожить планету.
Выводы
Многие жители России даже не знают, как правильно написать фразу «большой адронный коллайдер», чего уж говорить об их знании его предназначения. А некоторые псевдопророки утверждают, что во Вселенной нет разумных цивилизацией потому, что каждая цивилизация, достигнув научного прогресса, создаёт коллайдер. Тогда образуется чёрная дыра, уничтожающая цивилизацию. Отсюда они объясняют и большое количество массивных чёрных дыр в центре галактик.
Однако есть и такие люди, которые считают, что мы должны побыстрее уже запустить БАК, иначе в момент прилёта инопланетян, они нас захватят, так как посчитают нас дикарями.
В итоге, единственный шанс узнать о том, что принесёт нам БАК - это просто ждать. Рано или поздно мы всё-таки узнаем, что нас ждёт: уничтожение или прогресс.
Последние советы раздела «Наука & Техника»:
Вам помог этот совет? Вы можете помочь проекту, пожертвовав на его развитие любую сумму по своему усмотрению. Например, 20 рублей. Или больше:)
В 100 метрах под землей, на границе Франции и Швейцарии, расположено устройство, которое способно приоткрыть тайны мироздания. Или, по мнению некоторых, уничтожить всю жизнь на Земле.
Так или иначе, это самая большая машина в мире, и она используется для исследования мельчайших частиц во Вселенной. Это Большой адронный (не андроидный) коллайдер (LHC).
Краткое описание
LHC является частью проекта, который возглавляет Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН). Коллайдер включен в комплекс ускорителей ЦЕРН за пределами Женевы в Швейцарии и используется для разгона пучков протонов и ионов до скорости, приближающейся к скорости света, столкновения частиц друг с другом и записи результирующих событий. Ученые надеются, что это поможет больше узнать о возникновении Вселенной и о ее составе.
Что такое коллайдер (LHC)? Это самый амбициозный и мощный ускоритель частиц, построенный на сегодняшний день. Тысячи ученых из сотен стран сотрудничают и конкурируют друг с другом в поиске новых открытий. Для сбора данных экспериментов предусмотрены 6 участков, расположенные вдоль окружности коллайдера.
Сделанные с его помощью открытия могут стать полезными в будущем, но это не причина его постройки. Цель Большого адронного коллайдера - расширить наши знания о Вселенной. Учитывая, что LHC стоит миллиарды долларов и требует сотрудничества многих стран, отсутствие практического применения может быть неожиданным.
Для чего нужен Адронный коллайдер?
В попытке понять нашу Вселенную, ее функционирование и фактическую структуру, ученые предложили теорию, называемую стандартной моделью. В ней предпринята попытка определить и объяснить фундаментальные частицы, которые делают мир таким, каким он есть. Модель объединяет элементы теории относительности Эйнштейна с квантовой теорией. В ней также учтены 3 из 4 основных сил Вселенной: сильные и слабые ядерные взаимодействия и электромагнетизм. Теория не касается 4-й фундаментальной силы - силы тяжести.
Стандартная модель дала несколько предсказаний о Вселенной, которые согласуются с различными экспериментами. Но есть и другие ее аспекты, которые требовали подтверждения. Один из них - теоретическая частица, называемая бозоном Хиггса.
Его открытие дает ответ на вопросы о массе. Почему материя ею обладает? Ученые идентифицировали частицы, у которых нет массы, например, нейтрино. Почему у одних она есть, а у других - нет? Физики предложили много объяснений.
Самое простое из них - механизм Хиггса. Эта теория гласит, что существует частица и соответствующая ей сила, которая объясняет наличие массы. Ранее она никогда не наблюдалась, поэтому события, создаваемые LHC, должны были либо доказать существование бозона Хиггса, либо дать новую информацию.
Еще один вопрос, которым задаются ученые, связан с зарождением Вселенной. Тогда материя и энергия были одним целым. После их разделения частицы вещества и антиматерии уничтожили друг друга. Если бы количество их было равным, то ничего бы не осталось.
Но, к счастью для нас, во Вселенной материи было больше. Ученые надеются наблюдать антивещество во время работы LHC. Это могло бы помочь понять причину разницы в количестве материи и антиматерии, когда началась Вселенная.
Темная материя
Современное понимание Вселенной предполагает, что пока можно наблюдать лишь около 4% материи, которая должна существовать. Движение галактик и других небесных тел говорит о том, что существует гораздо больше видимого вещества.
Ученые назвали эту неопределенную материю темной. Наблюдаемая и темная материя составляют около 25%. Другие 3/4 исходят от гипотетической темной энергии, которая способствует расширению Вселенной.
Ученые надеются, что их эксперименты либо предоставят дополнительные доказательства существования темной материи и темной энергии, либо подтвердят альтернативную теорию.
Но это лишь верхушка айсберга физики элементарных частиц. Есть еще более экзотические и противоречивые вещи, которые необходимо выявить, для чего и нужен коллайдер.
Большой взрыв в микромасштабах
Сталкивая протоны с достаточно большой скоростью, LHC разбивает их на более мелкие атомные субчастицы. Они очень нестабильны, и до распада или рекомбинации существуют только долю секунды.
Согласно теории Большого взрыва, первоначально из них состояла все материя. По мере расширения и охлаждения Вселенной они объединились в более крупные частицы, такие как протоны и нейтроны.
Необычные теории
Если теоретические частицы, антиматерия и темная энергия, не являются достаточно экзотичными, некоторые ученые считают, что LHC может предоставить доказательства существования других измерений. Принято считать, что мир является четырехмерным (трехмерное пространство и время). Но физики предполагают, что могут существовать и другие измерения, которые люди не могут воспринимать. Например, одна версия теории струн требует наличия не менее 11 измерений.
Адепты этой теории надеются, что LHC предоставит доказательства предлагаемой ими модели Вселенной. По их мнению, фундаментальными строительными кирпичиками являются не частицы, а струны. Они могут быть открытыми или закрытыми, и вибрировать подобно гитарным. Различие в колебаниях делает струны разными. Одни проявляют себя в виде электронов, а другие реализуются как нейтрино.
Что такое коллайдер в цифрах?
LHC представляет собой массивную и мощную конструкцию. Он состоит из 8 секторов, каждый из которых является дугой, ограниченной на каждом конце секцией, называемой «вставкой». Длина окружности коллайдера равна 27 км.
Трубки ускорителя и камеры столкновений находятся на глубине 100 метров под землей. Доступ к ним обеспечивает сервисный туннель с лифтами и лестницами, расположенными в нескольких точках вдоль окружности LHC. ЦЕРН также построил наземные здания, в которых исследователи могут собирать и анализировать данные, генерируемые детекторами коллайдера.
Для управления пучками протонов, движущихся со скоростью равной 99,99% скорости света, используются магниты. Они огромны, весят несколько тонн. В LHC имеется около 9 600 магнитов. Они охлаждаются до 1,9К (-271,25 °C). Это ниже температуры космического пространства.
Протоны внутри коллайдера проходят по трубам со сверхвысоким вакуумом. Это необходимо, чтобы не было частиц, с которыми они могли бы столкнуться до достижения цели. Единственная молекула газа может привести к неудаче эксперимента.
На окружности большого коллайдера есть 6 участков, где инженеры смогут проводить свои эксперименты. Их можно сравнить с микроскопами с цифровой камерой. Некоторые из этих детекторов огромны - ATLAS представляет собой устройство длиной 45 м, высотой 25 м и весом 7 т.
В LHC задействовано около 150 млн датчиков, которые собирают данные и отправляют их в вычислительную сеть. Согласно ЦЕРН объем информации, получаемой во время экспериментов, составляет около 700 МБ/с.
Очевидно, что такому коллайдеру требуется много энергии. Его годовая потребляемая мощность составляет около 800 ГВт∙ч. Она могла быть намного больше, но объект не работает в зимние месяцы. По данным ЦЕРН стоимость энергии составляет порядка 19 млн евро.
Столкновение протонов
Принцип, лежащий в основе физики коллайдера, довольно прост. Сперва производится запуск двух пучков: одного - по часовой стрелке, а второго - против. Оба потока ускоряются до скорости света. Затем их направляют навстречу друг к другу и наблюдают результат.
Оборудование, необходимое для достижения этой цели, намного сложнее. LHC является частью комплекса ЦЕРН. Прежде, чем какие-либо частицы войдут в LHC, они уже проходят ряд шагов.
Во-первых, для получения протонов ученые должны лишить атомы водорода электронов. Затем частицы направляются в установку LINAC 2, которая запускает их в ускоритель PS Booster. Эти машины для ускорения частиц используют переменное электрическое поле. Удерживать пучки помогают поля, создаваемые гигантскими магнитами.
Когда луч достигает нужного энергетического уровня, PS Booster направляет его в суперсинхротрон SPS. Поток ускоряется еще больше и делится на 2808 пучков по 1,1 x 1011 протонов. SPS вводит лучи в LHC по часовой и против часовой стрелки.
Внутри Большого адронного коллайдера протоны продолжают ускоряться в течение 20 минут. На максимальной скорости они совершают 11245 оборотов вокруг LHC каждую секунду. Лучи сходятся на одном из 6 детекторов. При этом происходит 600 млн столкновений в секунду.
Когда сталкиваются 2 протона, они расщепляются на более мелкие частицы, в том числе кварки и глюоны. Кварки очень неустойчивы и распадаются за долю секунды. Детекторы собирают информацию, отслеживая путь субатомных частиц, и направляют ее в вычислительную сеть.
Не все протоны сталкиваются. Остальные продолжают движение до секции сброса луча, где поглощаются графитом.
Детекторы
Вдоль окружности коллайдера расположены 6 секций, в которых производится сбор данных и проводятся эксперименты. Из них 4 детектора основные и 2 меньшего размера.
Самым крупным является ATLAS. Его размеры - 46 х 25 х 25 м. Трекер обнаруживает и анализирует импульс частиц, проходящих через ATLAS. Его окружает калориметр, измеряющий энергию частиц, поглощая их. Ученые могут наблюдать траекторию их движения и экстраполировать информацию о них.
Детектор ATLAS также имеет мюонный спектрометр. Мюоны - это отрицательно заряженные частицы в 200 раз тяжелее электронов. Они единственные способны проходить через калориметр без остановки. Спектрометр измеряет импульс каждого мюона датчиками заряженных частиц. Эти сенсоры могут обнаруживать флуктуации в магнитном поле ATLAS.
Компактный мюонный соленоид (CMS) является детектором общего назначения, который обнаруживает и измеряет субчастицы, высвобождаемые во время столкновений. Прибор находится внутри гигантского соленоидного магнита, который может создать магнитное поле, почти в 100 тысяч раз превышающее магнитное поле Земли.
Детектор ALICE разработан для изучения столкновений ионов железа. Таким образом исследователи надеются воссоздать условия, подобные тем, которые произошли сразу после Большого взрыва. Они ожидают увидеть, как ионы превращаются в смесь кварков и глюонов. Основным компонентом ALICE является камера TPC, служащая для изучения и воссоздания траектории частиц.
LHC служит для поиска доказательств существования антивещества. Он делает это путем поиска частицы, называемой прелестным кварком. Ряд субдетекторов, окружающих точку столкновения, имеет 20 метров в длину. Они могут улавливать очень неустойчивые и быстро распадающиеся частицы прелестных кварков.
Эксперимент ТОТЕМ проводится на участке с одним из малых детекторов. Он измеряет размер протонов и яркость LHC, указывающей на точность создания столкновений.
Эксперимент LHC имитирует космические лучи в контролируемой среде. Его целью является помощь в разработке широкомасштабных исследований реальных космических лучей.
На каждом участке детектирования работает команда исследователей, насчитывающая от нескольких десятков до более тысячи ученых.
Обработка данных
Неудивительно, что такой коллайдер генерирует огромный поток данных. 15 000 000 ГБ, ежегодно получаемых детекторами LHC, ставят перед исследователями огромную задачу. Ее решением является вычислительная сеть, состоящая из компьютеров, каждый из которых способен самостоятельно анализировать фрагмент данных. Как только компьютер завершит анализ, он отправляет результаты на центральный компьютер и получает новую порцию.
Ученые из ЦЕРН решили сосредоточиться на использовании относительно недорогого оборудования для выполнения своих расчетов. Вместо приобретения передовых серверов и процессоров используется имеющееся оборудование, которое может хорошо работать в сети. При помощи специального ПО сеть компьютеров сможет хранить и анализировать данные каждого эксперимента.
Опасность для планеты?
Некоторые опасаются, что такой мощный коллайдер может представлять угрозу для жизни на Земле, в том числе участвовать в формировании черных дыр, «странной материи», магнитных монополий, радиации и т.д.
Ученые последовательно опровергают такие утверждения. Образование черной дыры невозможно, поскольку между протонами и звездами есть большая разница. «Странная материя» уже давно бы могла образоваться под действием космических лучей, и опасность этих гипотетических образований сильно преувеличена.
Коллайдер чрезвычайно безопасен: он отделен от поверхности 100-метровым слоем грунта, а персоналу запрещено находиться под землей во время проведения экспериментов.
