Что такое большой адронный коллайдер

Большой адронный коллайдер может изменить наш мир еще сильнее, чем это сделали полупроводники. Что не менее важно, человечество может получить ответы на вопросы о рождении Вселенной и возникновении всего сущего.

Что такое большой адронный коллайдер, и где он находится

Большой адронный коллайдер (БАК или, с английского, Large Hadron Collider, LHC) является самым мощным на данный момент ускорителем частиц на Земле. Адронным этот прибор называется из-за того, что работает с элементами атомного ядра, которые относятся к классу адронов. А коллайдером его назвали, потому что основное предназначение прибора — это столкновение частиц.

Коллайдер расположен на территории сразу двух государств — Франции и Швейцарии. От Женевы, швейцарской столицы, до него всего пять километров. Недалеко от Женевы находится также ЦЕРН — Европейская организация по ядерным исследованиям. Работающие там ученые занимаются проведением экспериментов на адронном коллайдере.

Сам БАК представляет собой систему закольцованных туннелей, расположенных под землей. Длина его крупнейшего кольца составляет 26 659 метров. Глубина, на которой расположена вся система, составляет 100 метров. Этого достаточно для изоляции проводимых там экспериментов от влияния внешних факторов, например, от воздействия солнечной радиации.

Как устроен БАК

Большой адронный коллайдер был построен всего за 6 лет при участии более чем полусотни стран. Отдельные детали поставляли со всех концов Европы, что было настоящим логистическим вызовом из-за их крупных размеров.

Чтобы лучше понять, что такое коллайдер, его можно условно разделить на две части:

• Ускоритель. Он представляет собой систему туннелей, по которым протоны разгоняются до необходимой скорости. Эти туннели проложены в виде колец разного диаметра. Каждое кольцо — это труба с двумя каналами. По этим каналам в условиях вакуума проходят пучки протонов (они удерживаются внутри каналов специальными сверхпроводящими магнитами). Чем больше диаметр кольца, через которое проходит пучок, тем выше его скорость.
• Детекторы. Они служат для снятия данных во время экспериментов — фиксируют столкновения частиц. Они расположены там, где кольца пересекаются, то есть там, где пучки сталкиваются друг с другом. По своим размерам детекторы напоминают трехэтажные дома. Есть четыре самых известных детектора: крупные — CMS и ATLAS, а также средние — LHCb и ALICE. Помимо них есть еще некоторое количество мелких детекторов.

Адронный коллайдер: принцип работы

Для исследований протоны необходимо разогнать до максимально возможной в природе скорости, которая равняется приблизительно 300 000 км/с. Происходит это так:

1. Сначала в канал кольца запускают, например, положительно заряженные частицы — протоны.
2. После этого к кольцу приближают положительно заряженный электрод. Эффект от этого такой же, как если бы соединили магниты одинаковыми полюсами. То есть протоны отталкиваются от электрода и получают ускорение.
3. Ускорение частиц возрастает с прохождением колец все большего диаметра.
4. Если прибор настроен правильно, то пучки достигают скорости света и готовы для участия в очередном эксперименте по столкновению с таким же разогнавшимся встречным пучком (для максимальной энергии столкновения пучки разгоняют навстречу друг другу).

Практически любой элемент адронного коллайдера можно настроить индивидуально. Для его обслуживания работает специальная группа машинных физиков. Они проводят расчеты и настраивают прибор для каждого эксперимента отдельно, поскольку требования всегда разные. Кроме того, одной из основных задач машинной группы является поиск оптимальных настроек, при которых пучок был бы стабильным.

Запись и обработка данных

Детекторы установлены в местах, где пути разогнавшихся по кольцам частиц пересекаются. Именно там происходит все самое интересное в эксперименте — протоны сталкиваются друг с другом и распадаются на еще более мелкие части.

У каждого детектора есть своя специализация. Каждый служит для определения частиц определенного вида. В ходе эксперимента детектор запечатлевает траекторию, с которой разлетаются частицы после столкновения, определяет вид частиц и энергию их столкновения (для этого важно знать скорость разгона пучков). Эти данные формируют исчерпывающую картину столкновения.

Данные экспериментов записываются на магнитные ленты. Это очень большие объемы информации. Чтобы ее обработать, используется специально настроенное вычислительное оборудование ЦЕРН. Эти компьютеры очень мощные, хотя и не самые лучшие из существующих. Кроме того, доступ к записанным данным по сети получают ученые из лабораторий, расположенных по всему миру. Такая система значительно ускоряет обработку результатов.

Значение БАК для фундаментальной науки

Адронный коллайдер перевел научные эксперименты на новый уровень. Он позволяет ставить очень глубокие задачи по структуре и свойствам материи. Наблюдение за тем, как ведет себя вещество при распаде, как возникают новые вещества и каким законам они подчиняются, позволяет исследовать мир на, в буквальном смысле слова, фундаментальном уровне. На основе подобных открытий была, например, изобретена лучевая терапия, а также протестирована работа электронного оборудования в условиях космических излучений, после чего оно смогло работать на Марсе и Венере.

При этом наука развивается не только за счет сделанных открытий, но и за счет создания технологической среды для исследований на совершенно ином уровне. Например, интернет, без которого вряд ли кто-то уже представляет свою жизнь, был побочным продуктом научной работы на ускорителе. Ученым просто необходима была сеть для мгновенного обмена информацией и получения данных. Теперь мгновенно обмениваться информацией и получать данные при помощи такой сети может практически все население Земли.

Главное открытие

В качестве примера ярких экспериментов, сделанных на БАК, приведем открытие бозона Хиггса. Несколько десятков лет ученые пытались разрешить вопрос о том, откуда у вещества возникает масса. Один из исследователей, Питер Хиггс, вынес предположение, что все пространство пронизано полем. Когда частицы двигаются сквозь него, то подвергаются силе трения. Одни частицы испытывают меньшее сопротивление и быстро проскакивают. Другие «увязают», набирая массу за счет поля. Таким образом, получается, что масса — это сила трения, которую испытывает частица в поле Хиггса.

Чтобы найти эту частицу, было необходимо разбить ядро атома, провести множество экспериментов по столкновению частиц друг с другом, изучить последствия таких столкновений, а также собрать множество снимков происходящего. В 2012 году эксперименты увенчались успехом, и существование предполагаемого элемента подтвердилось. Он получил имя бозона Хиггса, в честь ученого, который вынес предположение о его существовании. В 2013 году Хиггсу и Энглеру за это открытие была присуждена Нобелевская премия.

Кроме того, технология, которую изобрели, чтобы поймать хиггсовский бозон в 2012 году, в 2018 году привела к новому прорыву, но уже в медицине. Ученые из Новой Зеландии сумели сконструировать на ее основе рентгеновское оборудование, которое позволяет делать цветные трехмерные снимки человеческого тела. Новый уровень четкости при сканировании позволит осуществлять более раннюю диагностику болезней и, следовательно, проводить более легкое и эффективное лечение.

Другие задачи и эксперименты

Естественно, что открытием бозона Хиггса исследовательские отделы не ограничиваются. Их целью является построение современной теории мира, в том числе на основе изучения свойств хиггсовской частицы. Для приближения к этой цели работы ведутся по следующим направлениям:

• Исследование фотон-фотонных и фотон-адронных коллизий.
• Исследование кварк-глюонной плазмы.
• Исследование свойств самых тяжелых из известных кварков — топ-кварков.
• Дальнейшей изучение хиггсовского механизма.
• Поиски суперсимметрии.

Для решения многих из этих задач, например, поиска суперсимметрии, текущих мощностей прибора не хватает. Поэтому управление ЦЕРН приняло решение приостановить работу ускорителя до 2021 года. За это время прибор обновят, увеличат его фотосилу, за счет чего частицы смогут сталкиваться до семи раз чаще.

Опасения

БАК — это уникальнейший прибор, созданный человечеством, именно за счет своей мощности. Только этот ускоритель способен разгонять частицы до 99.99% скорости света. Эта его особенность породила множество страхов как у профессиональных физиков, так и у обывателей. Например, высказывалось опасение, что частицы, разогнавшись до такой большой скорости, настолько уплотнятся, что образуют микроскопическую черную дыру. А эта дыра затем поглотит всю планету.

Перед запуском машины два физика, Санчо и Вагнер, даже подали иск против организаций, стоящих за БАК. Но ЦЕРН объяснил свои расчеты при помощи теории относительно Эйнштейна, что подтверждало невозможность возникновения черной дыры, и иск отклонили. Но многие люди продолжают выступать против проведения подобных экспериментов, ведь Эйнштейн мог и ошибиться.

Стивен Хокинг на основе уже собственных теорий также опроверг опасение о том, что ускоритель может привести к поглощению планеты микроскопической черной дырой. Его довод заключался в том, что черные дыры не только поглощают материю, но и излучают ее, тем самым исходя на нет. Излучение тем интенсивнее, чем меньше объем дыры. Таким образом, маленькая черная дыра исчезнет практически мгновенно и не успеет нанести никакого вреда.

Адронный коллайдер — это не нечто, созданное исключительно человеком. В природе существует множество условий для столкновения частиц на огромнейшей скорости. Чтобы получить черную дыру, необходим прибор в миллион раз мощнее, чем самый мощный на планете ускоритель.

Есть ли ускорители в России

Адронный коллайдер — это дорогостоящий, но не такой уж редкий прибор. Строить их начали около семидесяти лет назад. В России есть два действующих андронных коллайдера и один, NICA, в процессе строительства. Закончить его монтаж планируют уже к 2020 году.

NICA строится в небольшом научном городке под названием Дубна, который стоит на Волге. Прибор будет гораздо менее мощным, чем БАК, но он и направлен на решение совсем другой задачи. NICA будет использоваться для того, чтобы смоделировать состояние вселенной в первую секунду после Большого взрыва. Ученые считают, что в то мгновение вещество находилось в ином агрегатном состоянии. Это не была жидкость, газ или твердое тело, это была кварк-глюонная плазма. Своеобразный суп из кварков.

В туннелях адронного коллайдера повторят Большой взрыв на микроуровне, чтобы посмотреть на мир в процессе его зарождения: ионы золота превратят в кварковый суп и проведут эксперименты для изучения его свойств — неизведанных свойств четвертого (а точнее первого) агрегатного состояния вещества. В случае успеха этих исследований на фундаментальные вопросы о возникновении мира, сущности пространства и времени будут получены вполне конкретные ответы. И кто знает, как это повлияет на состояние современной науки и какие новые технологии появятся в результате этих открытий.