Адронного коллайдера взрыв: Ученые выяснили, что произошло в первую микросекунду Большого взрыва

Ученые выяснили, что произошло в первую микросекунду Большого взрыва

https://ria.ru/20210526/vzryv-1733969483.html

Ученые выяснили, что произошло в первую микросекунду Большого взрыва

Ученые выяснили, что произошло в первую микросекунду Большого взрыва – РИА Новости, 26.05.2021

Ученые выяснили, что произошло в первую микросекунду Большого взрыва

Физики, работающие на детекторе ALICE Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе, выяснили, что случилось с кварк-глюонной плазмой — самой ранней материей из… РИА Новости, 26.05.2021

2021-05-26T13:20

2021-05-26T13:20

2021-05-26T17:39

наука

космос – риа наука

большой адронный коллайдер

физика

европейская организация ядерных исследований (церн)

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e4/09/08/1576940819_4:0:1024:574_1920x0_80_0_0_40e46a474bd4fd8eaa28dfcfd0b9cdae.jpg

МОСКВА, 26 мая — РИА Новости. Физики, работающие на детекторе ALICE Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе, выяснили, что случилось с кварк-глюонной плазмой — самой ранней материей из когда-либо существовавших — в первую микросекунду Большого взрыва. Статья с результатами исследования опубликована в журнале Physics Letters B.Соглаcно современным научным представлениям, примерно 14 миллиардов лет назад наша Вселенная перешла от состояния космологической сингулярности, характеризующегося бесконечной плотностью и температурой вещества, к стремительному расширению. Это называется Большим взрывом. В результате него возникли все известные виды вещества: частицы, атомы, звезды, галактики, а также жизнь в том виде, в каком мы ее знаем сегодня. Но сами процессы возникновения первичного вещества ученым пока понятны не до конца.Участники эксперимента ALICE (A Large Ion Collider Experiment) Большого адронного коллайдера изучили вещество под названием кварк-глюонная плазма — единственную материю, существовавшую в самую первую микросекунду Большого взрыва. Это позволило восстановить уникальную историю того, как материя развивалась на ранней стадии становления Вселенной.”Сначала плазма, состоящая из кварков и глюонов, была разделена горячим расширением Вселенной. Затем частицы кварков преобразовались в так называемые адроны. Адрон с тремя кварками образует протон, который является частью атомных ядер. Эти ядра — строительные блоки, из которых состоит Земля, мы и окружающая нас Вселенная”, — приводятся в пресс-релизе Копенгагенского университета слова одного из участников исследования доктора Ю Чжоу (You Zhou), доцента Института Нильса Бора.Кварк-глюонная плазма (КГП) присутствовала в первые 0,000001 секунды Большого взрыва, а затем исчезла из-за расширения. В эксперименте в ЦЕРНе исследователи смогли воссоздать это первое в истории Вселенной вещество и проследить, что с ним произошло.”Коллайдер сталкивает ионы плазмы между собой с огромной скоростью — почти со скоростью света. Это позволяет увидеть, как КГП превращается в ядра атомов и строительные блоки жизни”, — объясняет Ю Чжоу. Ученые разработали алгоритм, который позволил проанализировать коллективное расширение большего количества частиц КГП одновременно. Результаты показали, что изначально кварк-глюонная плазма была текучей жидкостью, но со временем меняла форму.”В течение долгого времени исследователи думали, что плазма представляет собой форму газа, — продолжает ученый. — Но наш анализ подтвердил экспериментальные наблюдения на адронном коллайдере. КГП, подобно воде, имеет гладкую мягкую текстуру, а форма ее со временем плавно меняется, что довольно удивительно и отличается от любого другого вещества, которое мы знаем, и от того, чего мы ожидали”.Эксперименты с кварк-глюонной плазмой продолжаются в ЦЕРНе более двадцати лет. Более десяти лет назад был создан специальный детектор для тяжелых ионов ALICE.”Каждое открытие — это кирпичик, который увеличивает наши шансы узнать правду о Большом взрыве. Нам потребовалось около двадцати лет, чтобы выяснить, что кварк-глюонная плазма была текучей, прежде чем превратилась в адроны и строительные блоки жизни. Поэтому любые новые знания о постоянно меняющемся поведении плазмы — это большой прорыв”, — заключает Ю Чжоу.

https://ria.ru/20210514/vselennaya-1732282013.html

https://ria.ru/20210429/vselennaya-1730506397.html

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2021

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e4/09/08/1576940819_238:0:1003:574_1920x0_80_0_0_8c172ddef275723f975747ba0b5d3d77.jpg

РИА Новости

internet-group@rian. ru

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

космос – риа наука, большой адронный коллайдер, физика, европейская организация ядерных исследований (церн)

МОСКВА, 26 мая — РИА Новости. Физики, работающие на детекторе ALICE Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе, выяснили, что случилось с кварк-глюонной плазмой — самой ранней материей из когда-либо существовавших — в первую микросекунду Большого взрыва. Статья с результатами исследования опубликована в журнале Physics Letters B.

Соглаcно современным научным представлениям, примерно 14 миллиардов лет назад наша Вселенная перешла от состояния космологической сингулярности, характеризующегося бесконечной плотностью и температурой вещества, к стремительному расширению. Это называется Большим взрывом. В результате него возникли все известные виды вещества: частицы, атомы, звезды, галактики, а также жизнь в том виде, в каком мы ее знаем сегодня. Но сами процессы возникновения первичного вещества ученым пока понятны не до конца.

Участники эксперимента ALICE (A Large Ion Collider Experiment) Большого адронного коллайдера изучили вещество под названием кварк-глюонная плазма — единственную материю, существовавшую в самую первую микросекунду Большого взрыва. Это позволило восстановить уникальную историю того, как материя развивалась на ранней стадии становления Вселенной.

“Сначала плазма, состоящая из кварков и глюонов, была разделена горячим расширением Вселенной. Затем частицы кварков преобразовались в так называемые адроны. Адрон с тремя кварками образует протон, который является частью атомных ядер. Эти ядра — строительные блоки, из которых состоит Земля, мы и окружающая нас Вселенная”, — приводятся в пресс-релизе Копенгагенского университета слова одного из участников исследования доктора Ю Чжоу (You Zhou), доцента Института Нильса Бора. 14 мая 2021, 12:22НаукаУченые получили необычные данные о расширении Вселенной

Кварк-глюонная плазма (КГП) присутствовала в первые 0,000001 секунды Большого взрыва, а затем исчезла из-за расширения. В эксперименте в ЦЕРНе исследователи смогли воссоздать это первое в истории Вселенной вещество и проследить, что с ним произошло.

“Коллайдер сталкивает ионы плазмы между собой с огромной скоростью — почти со скоростью света. Это позволяет увидеть, как КГП превращается в ядра атомов и строительные блоки жизни”, — объясняет Ю Чжоу.

Ученые разработали алгоритм, который позволил проанализировать коллективное расширение большего количества частиц КГП одновременно. Результаты показали, что изначально кварк-глюонная плазма была текучей жидкостью, но со временем меняла форму.

“В течение долгого времени исследователи думали, что плазма представляет собой форму газа, — продолжает ученый. — Но наш анализ подтвердил экспериментальные наблюдения на адронном коллайдере. КГП, подобно воде, имеет гладкую мягкую текстуру, а форма ее со временем плавно меняется, что довольно удивительно и отличается от любого другого вещества, которое мы знаем, и от того, чего мы ожидали”.

Эксперименты с кварк-глюонной плазмой продолжаются в ЦЕРНе более двадцати лет. Более десяти лет назад был создан специальный детектор для тяжелых ионов ALICE.

“Каждое открытие — это кирпичик, который увеличивает наши шансы узнать правду о Большом взрыве. Нам потребовалось около двадцати лет, чтобы выяснить, что кварк-глюонная плазма была текучей, прежде чем превратилась в адроны и строительные блоки жизни. Поэтому любые новые знания о постоянно меняющемся поведении плазмы — это большой прорыв”, — заключает Ю Чжоу.

29 апреля 2021, 15:36НаукаУченые придумали необычный способ оценки скорости расширения Вселенной

BBC Russian – Наука и техника

Ученые называют переход на использование частиц свинца совершенно новым направлением в работе БАК

Исследователям, работающим на Большом адронном коллайдере (БАК), удалось воссоздать условия, существовавшие сразу после Большого взрыва.

На новом этапе экспериментов исследователи Европейского центра ядерных исследований столкнули в БАК ядра атома свинца.

Как сказала представитель БАК агентству Ассошиэйтед пресс Барбара Вармбейн, то, что удалось сделать ученым это, по сути, “очень-очень маленький Большой взрыв”.

По их мнению, именно при таких столкновениях может быть получена так называемая кварк-глюонная плазма. Ученые полагают, что это вещество появилась на первых фазах появления Вселенной.

Изучение этой материи может пролить свет на то, каким образом шел процесс формирования и развития Вселенной – от Большого взрыва, произошедшего 14 млрд лет назад, до наших дней.

В миллионы раз горячее Солнца

Ранее в коллайдере сталкивали пучки протонов, ученые называют переход на использование частиц свинца совершенно новым направлением в работе БАК.

По словам одного из организатора эксперимента доктора Дэвида Эванса из университета Бирмингема, при столкновении ядер атомов свинца выделялась температура в миллионы раз превосходящая температуру в центре Солнца.

Ученые полагают, что эти эксперименты дадут более полное представление о характере взаимодействий между кварками, группирующимися в протоны и нейтроны.

Эксперименты на БАК, представляющим собой замкнутый Нажать туннель протяженностью в 27 километров, построенный под землей на границе Франции и Швейцарии, будут приостановлены по техническим соображениям в декабре.

Техническая остановка продлится до февраля 2011 года, после чего физический прибор стоимостью в 10 млрд долларов будет вновь запущен.

Ученые случайно создали на БАК материю времен Большого взрыва

Физики из ЦЕРН заявляют, что им удалось случайно создать на Большом адронном коллайдере (БАК) кварково-глюонную плазму, материю времен Большого взрыва.

Результаты этих экспериментов были опубликованы в журнале Nature Physics.

“Мы очень рады этому открытию. У нас появилась новая возможность изучать материю в ее первичном состоянии. Возможность изучать кварково-глюонную плазму в более простых и удобных условиях, таких как столкновения протонов, открывает для нас целое новое измерение того, как мы можем изучать то, как Вселенная вела себя во время и до Большого взрыва”, — заявил Федерико Антинори (Federcio Antinori), официальный представитель коллаборации ALICE в рамках БАК.

Так называемая кварково-глюонная плазма, или “квагма”, представляет собой материю, “разобранную” на мельчайшие частицы – кварки и глюоны, обычно удерживаемые внутри протонов, нейтронов и других частиц сильными ядерными взаимодействиями. Для “освобождения” кварков и глюонов необходимы гигантские температуры и энергии, которые, как сегодня считают ученые, существовали в природе только в момент Большого взрыва.

Примерно десять лет назад физики выяснили, что такие условия можно создать, если сталкивать достаточно тяжелые ионы друг с другом при помощи мощных ускорителей частиц. Долгое время ученые считали, что иным образом “квагму” получить невозможно, но в прошлом году они увидели первые признаки того, что это не так, когда изучали результаты последних экспериментов на детекторе CMS в составе БАК. Оказалось, что “первичная материя Вселенной” образуется при столкновениях одиночных протонов и ионов свинца.

Антинори и его коллеги обнаружили, что некий аналог квагмы возникает и при столкновении протонов между собой, изучая данные, собранные детектором ALICE после перезапуска БАК в апреле 2015 года и по сегодняшний день.

Протоны и нейтроны состоят из двух типов субатомных частиц – “нижних”(d) и “верхних”(u) кварков. Существует еще четыре типа кварков – прелестные (b), зачарованные (c), странные (s) и истинные (t). Они составляют основу экзотических форм материи и не существуют в природе в стабильном виде. Все эти кварки, как рассказывают ученые, могут сформироваться только в присутствии “свободных” глюонов, внутри кварково-глюонной плазмы.

Как показали наблюдения на ALICE, столкновение протонов между собой часто приводило к появлению микроскопических “облачков” из кварково-глюонной плазмы – “супа” из кварков и глюонов из разрушенных протонов, разогретых до невообразимо высоких температур – около четырех триллионов градусов Цельсия. Ее следы в виде частиц, содержащих так называемые “странные” кварки, были зафиксированы детектором в больших количествах.

Что интересно, частицы с большим числом “странных” кварков появлялись чаще, чем остальные продукты столкновений протонов. Как считают ученые, это указывает на необычные обстоятельства их рождения, связанные с теми условиями, которые царили внутри кварково-глюонной плазмы в момент ее формирования.

Это, по их мнению, говорит о том, что свойства “квагмы” можно изучать, используя столкновения “удобных” для физиков протонов, а не сложных тяжелых ионов, что приблизит нас к пониманию того, как Вселенная выглядела до и во время Большого взрыва.

Большой адронный коллайдер, сокращённо БАК (англ. Large Hadron Collider, сокращённо LHC) — ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов 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 тысяч учёных и инженеров более чем из 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.

Что произошло в первую микросекунду после Большого взрыва,

Эксперты исследовали, что случилось с определенным видом плазмы — первого вещества из когда-либо существовавших в течение первой микросекунды после Большого взрыва.

Около 14 миллиардов лет назад наша Вселенная превратилась из намного более горячей и плотной в радикально расширяющуюся — процесс, который ученые назвали Большим взрывом, пишет Phys. org.

ФОКУС в Google Новостях.

Подпишись — и всегда будь в курсе событий.

И хотя мы знаем, что это быстрое расширение создало частицы, атомы, звезды, галактики и жизнь в том виде, в котором мы видим ее сегодня, подробности того, как все это произошло, все еще неизвестны.

Однако новое исследование, проведенное исследователями из Копенгагенского университета, раскрывает подробности того, как все это началось. 

“Мы изучили кварк-глюонную плазму, которая была единственным веществом, существовавшим в течение первой микросекунды Большого взрыва. Наши результаты предоставляют нам уникальную историю того, как плазма эволюционировала на ранней стадии Вселенной”, — объясняет Ю Чжоу, доцент Института Нильса Бора Копенгагенского университета.

Сначала плазма, состоящая из кварков и глюонов, была разделена горячим расширением Вселенной. Затем куски кварка преобразовались в так называемые адроны. 

Адрон с тремя кварками образует протон, который является частью атомных ядер.

Эти ядра — строительные блоки, из которых состоит Земля, мы и окружающая нас Вселенная. 

Кварк-глюонная плазма присутствовала в первые 0,000001 секунды Большого взрыва, а затем исчезла из-за расширения. Однако с помощью Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе исследователи смогли воссоздать эту первую в истории материю и проследить, что с ней произошло.

“Коллайдер сталкивает ионы из плазмы с огромной скоростью, почти со скоростью света. Именно это и позволяет нам увидеть, как кварк-глюонная плазма эволюционировала из собственной материи в ядра атомов и строительные блоки жизни”, — отмечает Ю Чжоу. 

В дополнение к использованию Большого адронного коллайдера, исследователи также разработали алгоритм, который способен анализировать коллективное расширение более образованных частиц одновременно.

Их результаты показывают, что кварк-глюонная плазма раньше была текучей жидкой формой и что она отличается от других веществ тем, что постоянно меняет свою форму с течением времени.

“Долгое время исследователи считали, что плазма представляет собой форму газа, однако наш анализ подтвердил последнее важное измерение, когда адронный коллайдер показал, что кварк-глюонная плазма плавная и имеет гладкую, мягкую текстуру, как вода. Новые детали, которые мы выявили, заключаются в том, что плазма меняла свою форму с течением времени. Это довольно удивительно и отличается от любого другого вещества, которое мы знаем”, — добавил Ю Чжоу. 

Даже если это может показаться мелочью, она приближает нас на один шаг к решению загадки Большого взрыва и того, как Вселенная развивалась за первую микросекунду. 

“Нам потребовалось около 20 лет, чтобы выяснить, что кварк-глюонная плазма была текучей, прежде чем она превратилась в адроны и строительные блоки жизни. Поэтому наши новые знания о постоянно меняющемся поведении плазмы являются для нас большим прорывом”, — заключил Ю Чжоу.

где ждать прорывов и как отменить Большой взрыв — Российская газета

Когда ждать новых великих открытий? Как изменится наша картина мира в наступившем десятилетии? Какую область физики стоит выбрать молодому исследователю, чтобы прославиться и внести наибольший вклад в прогресс? Об этом “КШ” попросил рассказать выдающегося физика-теоретика Валерия Рубакова. Оказывается, Большого взрыва могло и не быть, зато полная карта скоплений галактик во Вселенной у нас точно будет.

Валерий Рубаков, физик-теоретик, главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН, академик РАН. Один из ведущих мировых специалистов в области квантовой теории поля, физики элементарных частиц и космологии. Один из авторов концепции темной материи и модели многомерного мира, включающей дополнительные бесконечные пространственные измерения, наблюдение которых возможно при высоких энергиях.

Мои интересы лежат в тесно связанных областях: это физика элементарных частиц (микромир) и космология (макромир). И в той и в другой области довольно много предсказали наши предшественники и мы сами лет 20-30 назад, а то и раньше. С одной стороны, эти предсказания блестяще оправдались, с другой – стало ясно, как много мы еще не понимаем. А значит, и там и там возможны прорывы.

Новая физика точно есть, но никто не знает где

В физике элементарных частиц еще в 1970-х годах была создана так называемая Стандартная модель. И все новые, предсказанные ею факты подтверждались, сколько я помню себя в этой области. Однако мы знаем, что Стандартная модель неполна. Об этом говорит, например, наличие во Вселенной темной материи. Не укладывается она в концепцию! Но какой будет новая физика, где ее искать и как проявят себя новые физические явления, выходящие за рамки Стандартной модели – новые частицы и новые взаимодействия, – это область гипотез, которых море.

Молчание коллайдера

Думали, что Большой адронный коллайдер даст ответы на многие вопросы или по крайней мере нащупает направление поиска. Но пока ни он, ни другие эксперименты не показывают, как должна расширяться Стандартная модель. Неясно, при каких энергиях появятся новые явления. Неясно, какие ускорители надо строить – в три, в пять раз мощнее, чем БАК, или и это будет бесполезно? Нет ответа.

Потрясающая ситуация: все понимают, что должны быть новые физические явления, но никто не знает, какие именно.

Сколько весит бозон Хиггса?

Последним подтверждением Стандартной модели стало открытие бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере в 2012 году. Стандартная модель предсказала все его параметры, кроме массы. Этот параметр в нее, наоборот, надо было заложить.

Долгое время бозон Хиггса искали на установках предыдущих поколений. Считалось, что он сравнительно легкий. Теоретически было известно ограничение его массы сверху: она не должна была превышать 700 ГэВ. Оказалось, он весит 125 ГэВ – не на грани, но довольно тяжелый.

Мы уже вышли за рамки Стандартной модели

Не все параметры можно было предсказать – некоторые надо было измерить. И сегодня все они измерены с высокой точностью.

Бозон Хиггса, хиггсовское поле, отвечает за массу элементарных частиц: электрона, мюона, кварка, W- и Z-бозонов, всех массивных частиц, за исключением нейтрино. В случае нейтрино массы генерируются не так просто. В Стандартной модели нейтрино вообще не имеют массы, но оказалось, что это не так. И в каком-то смысле это уже выход за рамки Стандартной модели.

Откуда у нейтрино масса

За счет чего нейтрино получают свои малюсенькие массы? Очевидно, в результате взаимодействия с какими-то неизвестными частицами. Но, по всей вероятности, эти новые частицы имеют такие большие массы, что их невозможно создать на ускорителе. Хотя есть модели, доказывающие обратное. Есть предположение, что это частицы той самой темной материи, но сейчас эта возможность кажется совсем уж гипотетической. А если они очень тяжелые, то задача понять, как появляется масса у нейтрино, становится очень трудной. Если повезет, то поймем. Но с большой долей вероятности решить эту задачу в близком будущем не удастся.

Великое объединение

Красивая и, может быть, правильная идея “большого объединения” состоит в том, что все взаимодействия могут быть сведены в одно. Гравитация стоит особняком, так что для начала было бы неплохо объединить остальные взаимодействия.

Может быть, на очень высоких энергиях есть единое взаимодействие, которое при снижении энергии расщепляется сначала на два – электрослабое и сильное, а потом уже на три: механизм Хиггса делит электрослабое взаимодействие на слабое и электромагнитное.

Хоть бы один протон распался!

Тут тоже есть загвоздка. Простые модели большого объединения приводили к выводу о конечном времени жизни протона. Протон должен был быть нестабильным. Но до сегодняшнего времени все попытки зафиксировать распад протона оканчивались неудачей. Это обстоятельство ставит крест на простых моделях большого объединения, но не отрицает возможность существования более прихотливых.

Если бы мы обнаружили распад протона, то сразу перешли бы на другой масштаб энергий!

Новая фракция во Вселенной

Темная материя точно существует. К концу 1980-х годов это стало ясно всем. А кому-то и раньше, конечно. Это новые частицы, новая фракция в нашей Вселенной. Никто не знает, что она представляет собой.

Темную материю мы пока фиксируем только по гравитации: она участвует в гравитационном взаимодействии точно так же, как обычная. Она реальна, в этом нет сомнений.

Новые частицы лезут отовсюду

Некоторые считают, что если слегка (или не слегка) подправить гравитацию, то можно будет обойтись без темной материи. На мой взгляд, это невозможно. Роль темной материи в космологии такова, что никакая модификация гравитации ее не отменит. Надо вводить новые частицы. Они “вылезают” отовсюду, они видны уже на самых ранних стадиях эволюции Вселенной – во времена, когда образовалось реликтовое излучение.

Как увидеть темную материю

Если смотреть на небо в реликтовом излучении, оно окажется слегка пятнистым, то есть температура в одном направлении чуть-чуть отличается от температуры в другом. Это в некотором смысле фотография того, какой была Вселенная в возрасте, когда реликтовое излучение “отщепилось” от вещества. Этот возраст – всего-навсего 380 тысяч лет (сейчас Вселенной 13,8 миллиарда лет). Когда миру было 380 тысяч лет, температура в нем была 3000 градусов Кельвина.

Эта “фотография” показывает, каким было тогда вещество и как оно распределялось, как распределялась масса. Если приглядеться к картинке реликтового излучения, аккуратненько ее обработать, то темная материя буквально видна.

Свет знает, а мы нет

Да, в то время тоже была темная материя, она создавала гравитационные потенциалы. Была и обычная материя, обычное раскаленное вещество, которое светилось. Этот свет, реликтовое излучение, “знает”, в каком гравитационном поле находилась обычная материя. Из этой фотографии однозначно можно заключить, что там была темная материя, и узнать, сколько ее было по массе.

Но все попытки зарегистрировать эту форму материи земными детекторами пока ничем не закончились. Никто не знает, что за частицы присутствуют в темной материи, какими свойствами они обладают и какие взаимодействия существуют между ними и нами, кроме гравитационного.

Где кончается теория относительности

Пока все в наблюдаемом мире прекрасно согласуется с общей теорией относительности. К примеру, черные дыры и предсказываются ею, и видны на небе. Теория объясняет все вплоть до образования гравитационных волн, которые недавно были зарегистрированы. И вот тут вопрос. Мы знаем, что любая теория имеет пределы применимости. А где пределы применимости общей теории относительности?

Полагают, что она перестает работать на сверхмалых расстояниях, на планковских масштабах. Но это совсем не обязательно. Может быть, она модифицируется на гораздо больших масштабах? Или при ускоренном расширении Вселенной? А она расширяется все быстрее! Сейчас для объяснения этого ускорения вводится темная энергия. Но что, если как раз на сверхбольших расстояниях при ускоренном расширении Вселенной общая теория относительности перестает работать? Это непросто показать теоретически, но “непросто” не значит “невозможно”.

Темная энергия – это просто число?

Темная энергия проявляется в том, что Вселенная расширяется с ускорением. Это все, что мы про нее знаем. Но это не значит, что все безнадежно, – наоборот, очень интересно!

Предлагаются разного рода гипотезы. Например, высказано предположение, что темная энергия – это космологическая постоянная, то есть просто число, которое характеризует наш мир. Ее же называют плотностью энергии вакуума. Или все-таки мы имеем дело с новым полем?

Это можно проверить. Если темная энергия – это энергия какого-то нового поля, она должна зависеть от времени. Пока все согласуется с гипотезой о космологической постоянной: плотность темной энергии не меняется со временем. Но это экспериментальное утверждение, которое верно с некоторой, пока не очень высокой точностью. Простор для других гипотез еще есть, но сужается. Медленно сужается, поскольку наблюдать за тем, как расширяется Вселенная, – дело непростое.

Фото: AP

В начале было – что?

Мы точно знаем, что была горячая стадия эволюции Вселенной с гигантскими плотностями энергии и гигантскими температурами. Но мы знаем также, что эта стадия была не первой.

А что было раньше? Наиболее полный и внятный ответ на этот вопрос дает инфляционная гипотеза – предположение об экспоненциально быстром расширении Вселенной. Она была сформулирована в начале 1980-х годов Алексеем Старобинским, Аланом Гутом и Андреем Линде, и была надежда, что к нынешнему времени будут получены прямые экспериментальные доказательства. Пока этого не произошло. Простые факты о Вселенной инфляционная гипотеза описывает отлично, но нет железного доказательства, что это не просто гипотеза, а все так и было на самом деле.

Волны размером со Вселенную

Для того чтобы доказать гипотезу, надо обнаружить гравитационные волны большого размера, а они от нас ускользают. Не те короткие, что недавно открыли, а громадные, размером во Вселенную. Была надежда, что их следы будут открыты в реликтовом излучении. Ничего подобного! Реликтовые гравитационные волны, если они вообще есть, имеют существенно меньшую амплитуду, чем предсказывалось простыми инфляционными моделями.

Большого взрыва могло не быть

Что было до Большого взрыва? На этот вопрос существуют разные ответы – смотря что понимать под Большим взрывом. Если начало горячей стадии, то до нее была какая-то другая стадия, возможно, инфляционная. А если рождение той Вселенной, которую мы знаем, то на этот вопрос я не могу ответить.

Но могу сказать, что Большого взрыва, возможно, не было. И этот вопрос меня очень занимает. Можно представить, что давным-давно Вселенная была очень похожа на нашу теперешнюю, но не расширялась, а сжималась. Может, она была пустовата, с меньшим количеством вещества, и потихонечку начинала сжиматься. Потом процесс пошел быстрее. И в какой-то момент произошло чудо: сжатие сменилось расширением. В этом случае Большого взрыва не было – был переход от сжатия к расширению.

Альтернативы сингулярности

Некоторые ученые еще обсуждают циклическую модель, согласно которой Вселенная сжимается и расширяется бесконечное число раз. Понятия зарождения Вселенной в этой модели нет.

Есть еще одна гипотеза. Сначала Вселенная была как наша, большая и плоская, она медленно расширялась. Потом стала расширяться все быстрее, плотность энергии росла, в какой-то момент эта энергия перешла в тепловую, а дальше началась известная нам горячая стадия. В этом случае Большого взрыва тоже не было – была изначально холодная, пустая и большая Вселенная.

А теперь вопрос. Можно ли создать теорию, которая обосновала бы одну из этих возможностей? Некоторое время считалось, что это невозможно. И действительно, если оставаться в рамках общей теории относительности и распространенных представлений о том, какая бывает материя, сделать такое невозможно. Теоремы о сингулярности Роджера Пенроуза и Стивена Хокинга прямо утверждают, что Вселенная не могла получиться иначе как из классической сингулярности, Большого взрыва.

Но все теоремы имеют в основании предположения, условия. Можно попытаться эти условия обойти. И был период в науке, лет восемь назад, когда казалось, что эти условия довольно легко обойти. Были сформулированы теории, допускающие появление Вселенной либо с отскоком, либо с расширением из пустого пространства.

Потом выяснилось, что эти модели имеют свои изъяны и что сделать самосогласованную теорию без Большого взрыва не получается.

Но затем маятник качнулся снова – сейчас представляется, что сложности есть, но дело не безнадежное. И я не исключаю, что можно создать модели Вселенной без Большого взрыва и, более того, эти модели можно будет проверить экспериментально.

Кварк-глюонная каша

В Дубне строится большой коллайдер тяжелых ядер – НИКА. Это очень серьезная машина. Он будет отвечать на несколько иные вопросы, нежели Большой адронный коллайдер, – не о том, как выйти за пределы Стандартной модели, а о том, как устроено очень плотно сжатое адронное вещество. Если взять атомное ядро, состоящее из многих протонов и нейтронов, как следует его сжать и разогреть, то вместо протонов и нейтронов возникнет каша из кварков и глюонов – кварк-глюонная материя. Как она устроена? Вот это НИКА и покажет. Аналогичные задачи решают в Брукхейвене (США) и ЦЕРНе, но там кварк-глюонная материя имеет очень высокие температуры, а на коллайдере НИКА очень высокие плотности будут достигнуты при сравнительно низких температурах. Очень интересно!

Гигантские ускорители Вселенной

Физика высоких энергий и астрофизика представлены в России очень достойно. Помимо Ники есть, например, совместный проект ряда институтов, в том числе нашего Института ядерных исследований РАН и ОИЯИ, на Байкале. Интересная машина! Она будет изучать потоки нейтрино из космоса с высокими энергиями. Речь идет о гигантских энергиях в сотни ТэВ и даже выше. К примеру, Большой адронный коллайдер работает при 13 ТэВ, но во Вселенной есть ускорители, рождающие частицы таких огромных энергий, которые на Земле никогда не получить.

Американо-европейская нейтринная установка работает на Южном полюсе, во льдах, а наша на Байкале – в воде. Она уже доросла до ощутимых размеров, вот-вот появятся первые результаты. Очень любопытно, в частности, нет ли источника нейтрино высоких энергий в центре Галактики.

Как создается карта Вселенной

Прошлым летом был запущен “Спектр-РГ” – российско-германский спутник с двумя рентгеновскими телескопами на борту. Он выдает очень интересные результаты. Только представьте, он покажет нам все крупные скопления галактик, которые только есть во Вселенной. Почему все? Даже самые далекие из них светятся в рентгене так сильно, что спутник их увидит. Это карта Вселенной, причем как нынешней, так и прошлой. Крупные скопления галактик только формируются: некоторые образовались вчера, некоторые позавчера – это совсем недавняя космологическая история.

Что дальше?

Российские физики участвуют в крупных международных коллаборациях. Тот же ЦЕРН, нейтринная программа в Японии, проекты на территории Германии, США – все с нашим участием. Так что международная кооперация не прерывается. Конечно, хотелось бы больше. В позднесоветское время была сформулирована программа развития физики высоких энергий в нашей стране – она была очень амбициозной, но от нее ничего не осталось: наступили 1990-е годы. Тем не менее в нашей области все неплохо.

Физика снова стала экспериментальной наукой – для решения большинства принципиальных вопросов сейчас крайне важны наблюдения и эксперименты. Когда мы откроем гравитационные волны огромных размеров, если откроем? Увидим ли распад протона? Зарегистрируем ли частицы темной материи?

Но и в теоретической физике все очень интересно. Что, если в самом начале был не Больший взрыв, а что-то другое? Это увлекательный вопрос, но когда на него будет получен ответ и надо ли молодому физику заниматься именно этими проблемами, я сказать не могу.

Мы вступили в область гипотез, в полосу неизвестного. Интересное время, однако утверждать, что через пять лет точно будет прорыв, нельзя. Но и что его не будет – тоже.

запуск. Большой адронный коллайдер для чего нужен и где находится?

История создания ускорителя, который мы знаем сегодня как большой адронный коллайдер, начинается ещё с 2007 года. Изначально хронология ускорителей началась с циклотрона. Прибор представлял собой небольшое устройство, которое легко умещалось на столе. Затем история ускорителей стала стремительно развиваться. Появился синхрофазотрон и синхротрон.

В истории, пожалуй, самым занимательным стал период с 1956 по 1957 годы. В те времена советская наука, в частности физика, не отставала от зарубежных братьев. Используя наработанный годами опыт, советский физик по имени Владимир Векслер совершил прорыв в науке. Им был создан самый мощный по тем временам синхрофазотрон. Его рабочая мощность была равна 10 гигаэлектронвольт (10 миллиардов электронвольт). После этого открытия создавались уже серьёзные образцы ускорителей: большой электронно-позитронный коллайдер, Швейцарский ускоритель, в Германии, США. Все они имели одну общую цель — изучение фундаментальных частиц кварков.

Большой адронный коллайдер был создан в первую очередь благодаря стараниям итальянского физика. Имя ему Карло Руббиа, лауреат Нобелевской премии. Во время своей деятельности Руббиа работал директором в Европейской организации по ядерным исследованиям. Решено было построить и запустить адронный коллайдер именно на месте центра исследований.

Где адронный коллайдер?

Коллайдер размещён на границе между Швейцарией и Францией. Длина его окружности составляет 27 километров, поэтому его и называют большим. Кольцо ускорителя уходит вглубь от 50 до 175 метров. В коллайдере установлено 1232 магнита. Они являются сверхпроводящими, а значит из них можно выработать максимальное поле для разгона, так как затраты энергии в таких магнитах практически отсутствуют. Общий вес каждого магнита составляет 3,5 тонны при длине 14,3 метра.

Как и любой физический объект, большой адронный коллайдер выделяет тепло. Поэтому его необходимо постоянно остужать. Для этого поддерживается температура 1,7 К с помощью 12 миллионов литров жидкого азота. Помимо этого, для охлаждения используется жидкий гелий (700 тысяч литров), и самое важное – используется давление, которое в десять раз ниже нормального атмосферного.

Температура 1,7 К по шкале Цельсия составляет -271 градус. Такая температура почти близка к абсолютному нулю. Абсолютным нулём называется минимально возможный предел, который может иметь физическое тело.

Внутренняя часть тоннеля не менее интересна. Там находятся ниобий-титановые кабели со сверхпроводящими возможностями. Их длина составляет 7600 километров. Общий вес кабелей равен 1200 тонн. Внутренность кабеля — это сплетение 6300 проволок с общим расстоянием в 1,5 миллиарда километров. Такая длина равна 10 астрономическим единицам. Например, расстояние от земли до солнца равняется 10 таким единицам.

Если говорить о его географическом местоположении, то можно сказать, что кольца коллайдера лежат меж городов Сен-Жени и Форнее-Вольтер, расположенными на французской стороне, а также Мейрин и Вессурат – со Швейцарской стороны. Маленькое кольцо, именуемое PS, проходит вдоль границы по диаметру.

Смысл существования

Для того чтобы ответить на вопрос «для чего нужен адронный коллайдер», нужно обратиться к учёным. Многие учёные говорят, что это самое великое изобретение за весь период существования науки, и то, что без него у науки, которая известна нам сегодня, просто нет смысла. Существование и запуск большого адронного коллайдера интересны тем, что при столкновении частиц в адронном коллайдере происходит взрыв. Все мельчайшие частицы разлетаются в разные стороны. Образовываются новые частицы, которые могут объяснить существование и смысл многого.

Первое, что учёные старались найти в этих разбившихся частицах — это теоретически предсказанную физиком Питером Хиггсом элементарную частицу, названную “Бозон Хиггса”. Это потрясающая частица является носителем информации, как считается. Ещё её принято называть «частицей Бога». Открытие ее приблизило бы учёных к пониманию вселенной. Нужно отметить, что в 2012 году, 4 июля, адронный коллайдер (запуск его частично удался) помог обнаружить похожую частицу. На сегодняшний день учёные пытаются изучить её подробнее.

Долго ли…

Конечно, сразу возникает вопрос, а почему учёные так долго изучают эти частицы. Если есть прибор, то можно запускать его, и каждый раз снимать все новые и новые данные. Дело в том, что работа адронного коллайдера — это дорогостоящее удовольствие. Один запуск обходится в большую сумму. Например, годовой расход энергии равняется 800 млн. кВт/ч. Такой объем энергии расходует город, в котором проживает около 100 тыс. человек, по средним меркам. И это не считая затрат на обслуживание. Ещё одна причина – это то, что у адронного коллайдера взрыв, который происходит при сталкивании протонов, связан с получением большого объёма данных: компьютеры считывают столько информации, что на обработку уходит большое количество времени. Даже несмотря на то что мощность компьютеров, которые получают информацию, велика даже по сегодняшним меркам.

Следующая причина — это не менее известная тёмная материя. Учёные, работающие с коллайдером в этом направлении, уверены, что видимый спектр всей вселенной составляет всего 4%. Предполагается, что оставшиеся — это тёмная материя и тёмная энергия. Экспериментально пытаются доказать то, что эта теория верна.

Адронный коллайдер: за или против

Выдвинутая теория о тёмной материи поставила под сомнение безопасность существования адронного коллайдера. Возник вопрос: “Адронный коллайдер: за или против?” Он волновал многих учёных. Все великие умы мира разделились на две категории. «Противники» выдвинули интересную теорию о том, что если такая материя существует, то у неё должна быть противоположная ей частица. И при столкновении частиц в ускорителе возникает тёмная часть. Существовал риск того, что тёмная часть и часть, которую мы видим, столкнутся. Тогда это могло бы привести к гибели всей вселенной. Однако после первого запуска адронного коллайдера эта теория была частично разбита.

Далее по значимости идёт взрыв вселенной, вернее сказать – рождение. Считается, что при столкновении можно пронаблюдать то, как вселенная вела себя в первые секунды существования. То, как она выглядела после происхождения Большого взрыва. Считается, что процесс столкновения частиц очень схож с тем, который был в самом начале зарождения вселенной.

Ещё не менее фантастичная идея, которую проверяют учёные – это экзотические модели. Это кажется невероятным, но есть теория, которая предполагает, что существуют иные измерения и вселенные с похожими на нас людьми. И как ни странно, ускоритель и здесь сможет помочь.

Проще говоря, цель существования ускорителя в том, чтобы понять, что такое вселенная, как она была создана, доказать или опровергнуть все существующие теории о частицах и связанных с ними явлениях. Конечно, на это потребуются годы, но с каждым запуском появляются новые открытия, которые переворачивают мир науки.

Факты об ускорителе

Всем известно, что ускоритель разгоняет частицы до 99% скорости света, но не многие знают, что процент равен 99,9999991% от скорости света. Это потрясающая цифра имеет смысл благодаря идеальной конструкции и мощным магнитам ускорения. Также нужно отметить некоторые менее известные факты.

Числа, получаемые при столкновении частиц и при ускорении

Число протонов в сгустке	до 100 млрд. (1011)
Число сгустков	до 2808
Число прохождения пучками протонов в зоне детекторов	до 31 млн. в секунду, в 4 зонах
Количество столкновений частиц при пересечении	до 20
Объём данных на одно столкновение	около 1,5 МБ
Количеств частиц Хигса	1 частица каждые 2,5 секунды (при полной интенсивности пучка и согласно определённым предположениям о свойствах частиц Хиггса)

Приблизительно 100 млн. потоков с данными, которые приходят от каждого из двух основных детекторов, могут в считаные секунды заполнить больше 100 тысяч компакт-дисков. Всего за один месяц количество дисков бы достигло такой высоты, что если их сложить в стопу, то хватило бы до Луны. Поэтому было принято решение собирать не все данные, которые приходят с детекторов, а лишь те, которые разрешит использовать система сбора данных, которая по факту выступает как фильтр для полученных данных. Было решено записывать лишь 100 событий, которые возникли в момент взрыва. Записываться эти события будут в архив вычислительного центра системы Большого адронного коллайдера, который расположен в Европейской лаборатории по физике элементарных частиц, которая по совместительству является местом расположения ускорителя. Записываться будут не те события, которые были зафиксированы, а те, которые представляют для научного сообщества наибольший интерес.

Последующая обработка

После записи сотни килобайт данных будут обрабатывать. Для этого используется более двух тысяч компьютеров, расположенных, в ЦЕРН. Задача этих компьютеров заключается в обработке первичных данных и формировании из них базы, которая будет удобна для дальнейшего анализа. Далее сформированный поток данных будет направлен на вычислительную сеть GRID. Эта интернет-сеть объединяет тысячи компьютеров, которые располагаются в разных институтах по всему миру, связывает более сотни крупных центров, которые расположены на трёх континентах. Все такие центры соединены с ЦЕРН с использованием оптоволокна – для максимальной скорости передачи данных.

Говоря о фактах, нужно упомянуть также о физических показателях строения. Туннель ускорителя находится в отклонении на 1,4% от горизонтальной плоскости. Сделано это в первую очередь для того, чтобы поместить большую часть туннеля ускорителя в монолитную скалу. Таким образом, глубина размещения на противоположных сторонах разная. Если считать со стороны озера, которое находится недалеко от Женевы, то глубина будет равна 50 метрам. Противоположная часть имеет глубину 175 метров.

Интересно то, что лунные фазы влияют на ускоритель. Казалось бы, как такой отдалённый объект может воздействовать на таком расстоянии. Однако замечено, что во время полнолуния, когда происходит прилив, земля в районе Женевы, поднимается на целых 25 сантиметров. Это влияет на длину коллайдера. Протяжённость тем самым увеличивается на 1 миллиметр, а также изменяется энергия пучка на 0,02%. Поскольку контроль энергии пучка должен проходить вплоть до 0,002%, исследователи обязаны учитывать это явление.

Также интересно то, что туннель коллайдера имеет форму восьмиугольника, а не круга, как многие представляют. Углы образуются из-за коротких секций. В них располагаются установленные детекторы, а также система, которая управляет пучком ускоряющихся частиц.

Строение

Адронный коллайдер, запуск которого связан с использованием многих деталей и волнением учёных, – удивительное устройство. Весь ускоритель состоит из двух колец. Малое кольцо называется Протонный синхротрон или, если использовать аббревиатуры — PS. Большое кольцо – Протонный суперсинхротрон, или SPS. Совместно два кольца позволяют разогнать части до 99,9 % скорости света. При этом коллайдер повышает и энергию протонов, увеличивая их суммарную энергию в 16 раз. Также он позволяет сталкивать частицы между собой примерно 30 млн. раз/с. в течение 10 часов. От 4 основных детекторов получается по большей мере 100 терабайт цифровых данных в секунду. Получение данных обусловлено отдельными факторами. Например, они могут обнаружить элементарные частицы, которые имеют отрицательный электрический заряд, а также обладают половинным спином. Поскольку эти частицы являются неустойчивыми, то прямое их обнаружение невозможно, возможно обнаружить только их энергию, которая будет вылетать под определённым углом к оси пучка. Эта стадия называется первым уровнем запуска. За этой стадией следят более чем 100 специальных плат обработки данных, в которые встроены логические схемы реализации. Эта часть работы характерна тем, что в период получения данных происходит отбор более чем 100 тысяч блоков с данными в одну секунду. Затем эти данные будут использоваться для анализа, который происходит с использованием механизма более высокого уровня.

Системы следующего уровня, наоборот, принимают информацию от всех потоков детектора. Программное обеспечение детектора работает в сети. Там оно будет использовать большое количество компьютеров для обработки последующих блоков данных, среднее время между блоками – 10 микросекунд. Программы должны будут создавать отметки частиц, соответствуя изначальным точкам. В результате получится сформированный набор данных, состоящих из импульса, энергии, траектории и других, которые возникли при одном событии.

Части ускорителя

Весь ускоритель можно поделить на 5 основных частей:

1) Ускоритель электронно-позитронного коллайдера. Деталь, представляет собой около 7 тысяч магнитов со сверхпроводящими свойствами. С помощью них происходит направление пучка по кольцевому туннелю. А также они сосредотачивают пучок в один поток, ширина которого уменьшится до ширины одного волоса.

2) Компактный мюонный соленоид. Это детектор, предназначенный для общего назначения. В таком детекторе ведутся поиски новых явлений и, например, поиск частиц Хиггса.

3) Детектор LHCb. Значение этого устройства заключается в поиске кварков и противоположных им частиц – антикварков.

4) Тороидальная установка ATLAS. Этот детектор предназначен для фиксации мюонов.

5) Alice. Этот детектор захватывает столкновения ионов свинца и протон-протонные столкновения.

Проблемы при запуске адронного коллайдера

Несмотря на то что наличие высоких технологий исключает возможность ошибок, на практике все иначе. Во время сборки ускорителя происходили задержки, а также сбои. Нужно сказать, что неожиданной такая ситуация не была. Устройство содержит столько нюансов и требует такой точности, что учёные ожидали подобных результатов. Например, одна из проблем, которая встала перед учёными во время запуска – отказ магнита, который фокусировал пучки протонов непосредственно перед их столкновением. Эта серьёзная авария была вызвана разрушением части крепления вследствие потери сверхпроводимости магнитом.

Эта проблема возникла 2007 году. Из-за неё запуск коллайдера откладывали несколько раз, и только в июне запуск состоялся, спустя почти год коллайдер все же запустился.

Последний запуск коллайдера прошёл успешно, было собрано множество терабайт данных.

Адронный коллайдер, запуск которого состоялся 5 апреля 2015 года, успешно функционирует. В течение месяца пучки будут гонять по кольцу, постепенно увеличивая мощность. Цели для исследования как таковой нет. Будет повышена энергия столкновения пучков. Значение поднимут с 7 ТэВ до 13 ТэВ. Такое увеличение позволит увидеть новые возможности при столкновении частиц.

В 2013 и 2014 гг. проходили серьёзные технические осмотры туннелей, ускорителей, детекторов и другого оборудования. В результате было 18 биполярных магнитов со сверхпроводящей функцией. Нужно отметить, что общее количество их составляет 1232 штуки. Однако оставшиеся магниты не остались без внимания. В остальных заменили системы защиты от остывания, поставили улучшенные. Также улучшена охлаждающая система магнитов. Это позволяет им оставаться при низких температурах с максимальной мощностью.

Если все пройдёт успешно, то следующий запуск ускорителя пройдёт лишь через три года. Через этот период намечены плановые работы по улучшению, техническому осмотру коллайдера.

Нужно отметить, что ремонт обходится в копейку, не учитывая стоимость. Адронный коллайдер, по состоянию на 2010 год имеет цену, равную 7,5 млрд. евро. Эта цифра выводит весь проект на первое место в списке самых дорогих проектов в истории науки.

Последние новости

Адронный коллайдер, запуск которого состоялся после перерыва, был успешен. Были собраны интересные данные. Например, были представлены доказательства того, что современное представление о частицах правильное. Это стало возможно благодаря правильной работе детекторов CMS и LHCb. Эти детекторы уловили распад BS на два мезона, что является прямым доказательством верности современных теорий.

Стоит задать вопрос, каким образом происходит доказательство такой теории. Один из способов – это улавливание новых частиц. То есть если при столкновении появятся новые элементарные частицы, это значит, что современную теорию необходимо пересмотреть.

Внимание учёных сосредоточено на этой частице только потому, что она может доказать, ну или хотя бы раскрыть дверь в направление суперсимметрии. Это хороший старт для дальнейшего изучения и работы в центре научных исследований в Женеве.

Что дальше

После того как произойдёт следующая модернизация коллайдера, будут поставлены задачи по дальнейшему изучению частиц. В частности, будет необходимо узнать более подробно о бозонах Хиггса. Несмотря на то что за это открытие была вручена Нобелевская премия, не все его свойства до конца изучены и доказаны. Поэтому учёным предстоит долгая и непростая работа по изучению этой удивительной частицы.

Помимо этого, необходимо продолжать работу по доказательству или опровержению теории суперсимметрии. Хоть она и кажется несколько фантастичной, однако имеет право на существование. Не стоит думать, что все внимание уделяется только проблеме первой важности, для каждого проекта есть своя команда учёных, которые трудятся в этой области.

Конечно, это не все задачи, которые необходимо решить ученым. С каждым новым терабайтом полученной информации список вопросов непрерывно дополняется, и ответы на них могут искаться годами.

Частица бога, багет и Шива-разрушитель: 10 фактов о Большом адронном коллайдере

Астрофизики выяснили, что лишь около 6% Вселенной — это видимые и наблюдаемые объекты. Остальное приходится на темную материю (23%) и темную энергию (73%). Выяснить, какие частицы скрываются в темной материи и из чего сделана темная энергия, — это работа, которую только предстоит сделать, поэтому открытие бозона Хиггса, за которое дали Нобелевскую премию в 2013 году, вовсе не ставит точку в карьере гигантского ускорителя. Всего около недели назад физикам удалось пронаблюдать один из типов распада таинственной частицы, который не опровергает положения Стандартной модели.

«CERN планирует продолжить работу LHC. Мы собираемся усовершенствовать акселераторы и детекторы, чтобы коллайдер работал до 2035 года. Пока неясно, кто быстрее уйдет в отставку, я или LHC. Десять лет назад мы тревожно ожидали первых пучков протонов. Сейчас мы заняты изучением огромного массива данных и надеемся на сюрпризы, которые выведут нас на новый путь», — пишет по этому поводу Тодд Адамс, профессор физики во Флоридском университете.

Факт 8: Найти «частицу бога» или взорвать планету?

Далеко не у всех (даже среди ученых) мысль о знаменитом сооружении вызывает восторг. «”Частица бога”, найденная CERN, может уничтожить Вселенную», — написал астрофизик Стивен Хокинг во введении к сборнику своих научных лекций. По его мнению, бозон Хиггса может стать нестабильным и вызвать «катастрофический распад вакуума, который приведет к коллапсу пространства и времени, и… мы можем не получить никакого предупреждения об этих опасностях». Другие предполагаемые причины для волнений — возможный взрыв или черная мини-дыра, внезапно вышедшая из-под контроля. Хотя черная дыра такого размера, как считают другие ученые, опасности не представляет: она слишком мала и может испариться за доли секунды.

Не все ученые настроены так пессимистично. Например, Серджио Бертолуччи, бывший директор Исследовательского и научно-вычислительного центра LHC, надеется, что на кратчайшие промежутки времени коллайдер поможет открыть портал в другое измерение, и даже хочет попробовать что-то отправить сквозь него. «Конечно, после этих кратких моментов, — добавляет он, — дверь снова захлопнется, возвращая нас обратно в мир четырех измерений, и не будет никакого риска для стабильности нашего мира».

Факт 9: 666 и Шива-разрушитель

На фоне страшилок о том, что LHC уничтожит Землю или даже нашу Вселенную, особенно умиляет официальная символика проекта. Во-первых, посмотрите на логотип CERN.

Безопасность БАК

Большой адронный коллайдер (БАК) может достигать энергии, которой раньше не достигал ни один другой ускоритель частиц, но Природа обычно производит более высокие энергии при столкновениях космических лучей.

Опасения по поводу безопасности всего, что может быть создано в результате таких столкновений частиц высокой энергии, рассматривались в течение многих лет. В свете новых экспериментальных данных и теоретического понимания Группа по оценке безопасности LHC (LSAG) обновила обзор анализа, сделанного в 2003 году Исследовательской группой по безопасности LHC, группой независимых ученых.

LSAG подтверждает и расширяет выводы отчета 2003 года о том, что столкновения LHC не представляют опасности и нет причин для беспокойства. Что бы ни делал БАК, Природа уже много раз делала за время существования Земли и других астрономических тел. Отчет LSAG был рассмотрен и одобрен Комитетом по научной политике ЦЕРН, группой внешних ученых, консультирующих руководящий орган ЦЕРН, его Совет.

Ниже приведены основные аргументы, приведенные в отчете LSAG.Всем, кто интересуется более подробной информацией, рекомендуется обращаться непосредственно к ней и к научно-техническим документам, на которые она ссылается.

Космические лучи

БАК, как и другие ускорители частиц, воссоздает естественные явления космических лучей в контролируемых лабораторных условиях, что позволяет изучать их более подробно. Космические лучи — это частицы, рожденные в космическом пространстве, некоторые из которых разгоняются до энергий, намного превышающих энергии БАК. Энергия и скорость, с которой они достигают атмосферы Земли, измерялись экспериментально в течение примерно 70 лет.За последние миллиарды лет Природа уже породила на Земле столько столкновений, сколько около миллиона экспериментов на БАК — и планета существует до сих пор. Астрономы наблюдают огромное количество более крупных астрономических тел по всей Вселенной, все из которых также поражены космическими лучами. Вселенная в целом проводит более 10 миллионов миллионов экспериментов, подобных БАК, в секунду. Возможность каких-либо опасных последствий противоречит тому, что видят астрономы — звезды и галактики все еще существуют.

Микроскопические черные дыры

Природа образует черные дыры, когда некоторые звезды, намного большие, чем наше Солнце, коллапсируют сами на себя в конце своей жизни. Они концентрируют очень большое количество материи в очень маленьком пространстве. Предположения о микроскопических черных дырах на БАК относятся к частицам, образующимся при столкновении пар протонов, каждый из которых имеет энергию, сравнимую с энергией комара в полете. Астрономические черные дыры намного тяжелее всего, что можно было бы создать на БАК.

Согласно общепризнанным свойствам гравитации, описываемым теорией относительности Эйнштейна, образование микроскопических черных дыр на БАК невозможно. Однако есть несколько спекулятивных теорий, которые предсказывают образование таких частиц на БАК. Все эти теории предсказывают, что эти частицы немедленно распадутся. Следовательно, у черных дыр не было бы времени начать аккрецировать вещество и вызывать макроскопические эффекты.

Хотя теория предсказывает, что микроскопические черные дыры быстро распадаются, можно показать, что даже гипотетические стабильные черные дыры безвредны, изучая последствия их образования космическими лучами.Хотя столкновения на БАК отличаются от столкновений космических лучей с астрономическими телами, такими как Земля, тем, что новые частицы, образованные в столкновениях с БАК, имеют тенденцию двигаться медленнее, чем частицы, образованные космическими лучами, все же можно продемонстрировать их безопасность. Конкретные причины этого зависят от того, являются ли черные дыры электрически заряженными или нейтральными. Ожидается, что многие стабильные черные дыры будут электрически заряжены, поскольку они созданы заряженными частицами. В этом случае они будут взаимодействовать с обычным веществом и останавливаться при пересечении Земли или Солнца, независимо от того, произведены ли они космическими лучами или БАК.Тот факт, что Земля и Солнце все еще находятся здесь, исключает возможность того, что космические лучи или БАК могли создать опасные заряженные микроскопические черные дыры. Если бы стабильные микроскопические черные дыры не имели электрического заряда, их взаимодействие с Землей было бы очень слабым. Те, что произведены космическими лучами, безвредно прошли бы через Землю в космос, тогда как те, что произведены БАК, могли бы остаться на Земле. Однако во Вселенной есть гораздо более крупные и плотные астрономические тела, чем Земля.Черные дыры, образовавшиеся в результате столкновений космических лучей с такими телами, как нейтронные звезды и белые карлики, остановятся. Дальнейшее существование таких плотных тел, как и Земли, исключает возможность создания на БАК каких-либо опасных черных дыр.

Strangelets

Strangelet — это термин, которым обозначают гипотетический микроскопический комок «странной материи», содержащий почти равное количество частиц, называемых верхними, нижними и странными кварками. Согласно большинству теоретических работ, страпельки должны превратиться в обычную материю за тысячную миллионную долю секунды. Но могут ли страпельки слиться с обычной материей и превратить ее в странную материю? Впервые этот вопрос был поднят перед запуском Релятивистского коллайдера тяжелых ионов RHIC в 2000 году в США. Проведенное в то время исследование показало, что повода для беспокойства нет, и вот уже восемь лет RHIC ведет поиск страпельков, но не обнаруживает их. Время от времени LHC будет работать с пучками тяжелых ядер, как это делает RHIC. Лучи LHC будут иметь больше энергии, чем RHIC, но это делает еще менее вероятным образование страпельок.Странной материи трудно слипаться при высоких температурах, создаваемых такими коллайдерами, подобно тому, как лед не образуется в горячей воде. Кроме того, на LHC кварки будут более разреженными, чем на RHIC, что затруднит сборку странной материи. Таким образом, образование странглетов на LHC менее вероятно, чем на RHIC, и опыт там уже подтвердил аргументы в пользу того, что страпельки не могут быть созданы.

Анализ первых данных LHC о столкновениях тяжелых ионов теперь подтвердил ключевые ингредиенты, использованные в отчете LSAG для оценки верхнего предела образования гипотетических страпельок. Для получения более подробной информации см. это приложение к отчету LSAG: Значение данных о тяжелых ионах LHC для образования мультистранных барионов (2011)

Вакуумные пузырьки

Были предположения, что Вселенная находится в не самой стабильной конфигурации, и что возмущения, вызванные БАК, могут перевести ее в более стабильное состояние, называемое вакуумным пузырем, в котором мы не могли бы существовать. Если БАК смог это сделать, то и столкновения космических лучей тоже. Поскольку нигде в видимой Вселенной такие вакуумные пузыри не производились, их не будет производить и БАК.

Магнитные монополи

Магнитные монополи — это гипотетические частицы с одним магнитным зарядом, либо северным, либо южным полюсом. Некоторые спекулятивные теории предполагают, что, если они действительно существуют, магнитные монополи могут вызывать распад протонов. Эти теории также говорят о том, что такие монополи будут слишком тяжелыми, чтобы их можно было производить на БАК. Тем не менее, если бы магнитные монополи были достаточно легкими, чтобы появиться на БАК, космические лучи, попадающие в атмосферу Земли, уже создавали бы их, и Земля очень эффективно останавливала бы их и задерживала.Таким образом, дальнейшее существование Земли и других астрономических тел исключает опасные магнитные монополи, пожирающие протоны, достаточно легкие, чтобы их можно было производить на БАК.

Другие аспекты безопасности LHC:

Глупо думать, что столкновения частиц БАК при высоких энергиях могут привести к опасным черным дырам. Такие слухи распространялись неквалифицированными людьми, ищущими сенсации или известности.

 

академик Виталий Гинзбург, лауреат Нобелевской премии по физике, ФИАН, Москва,

РАН

Эксплуатация БАК безопасна не только в старом смысле этого слова, но и в более общем смысле, поскольку наши наиболее квалифицированные ученые тщательно рассмотрели и проанализировали риски, связанные с эксплуатацией БАК. [Любые опасения] являются просто гипотетическими и спекулятивными и противоречат многим доказательствам и научному анализу.

Проф. Шелдон Глэшоу, лауреат Нобелевской премии по физике, Бостонский университет,

Профессор Франк Вильчек, лауреат Нобелевской премии по физике, Массачусетский технологический институт,

Проф. Ричард Уилсон, профессор физики Маллинкродта, Гарвардский университет

Конец света не наступит, когда включится БАК. БАК абсолютно безопасен…. Столкновения с выделением большей энергии происходят миллионы раз в день в земной атмосфере и ничего страшного не происходит.

Профессор Стивен Хокинг, Лукасовский профессор математики, Кембриджский университет

Природа уже провела этот эксперимент. … Космические лучи ударили по Луне с большей энергией и не создали черную дыру, которая поглотила бы Луну. Вселенная не лопается от огромных черных дыр.

проф.Эдвард Колб, астрофизик, Чикагский университет

Меня совершенно не беспокоит предполагаемая возможность того, что LHC будет производить микроскопические черные дыры, способные поглотить Землю. Для таких диких спекуляций нет никакой научной основы.

Профессор сэр Роджер Пенроуз, бывший профессор математики Роуз Болл, Оксфордский университет

Нет никакого риска [при столкновениях LHC, и] отчет LSAG превосходен.

Профессор Лорд Мартин Риз, королевский астроном Великобритании и президент Лондонского королевского общества

Тем, кто сомневается в безопасности LHC, следует ознакомиться с отчетом LSAG, в котором учтены все возможные риски. Мы можем быть уверены, что столкновения частиц на БАК не могут привести к катастрофическим последствиям.

Академик В.А. Рубаков, Институт ядерных исследований, Москва, и Российская академия наук

Мы полностью поддерживаем выводы отчета LSAG: нет никаких оснований для каких-либо опасений по поводу последствий новых частиц или форм материи, которые могут быть получены на БАК.

Р. Алексан и др., 20 внешних членов Комитета по научной политике ЦЕРН, включая профессора Джерарда т Хофта, лауреата Нобелевской премии по физике.

Недавно была выражена озабоченность по поводу того, что на свалке углеродных пучков LHC может возникнуть «неконтролируемая термоядерная реакция». Безопасность сброса пучка LHC ранее была проверена соответствующими регулирующими органами принимающих стран ЦЕРН, Франции и Швейцарии. Конкретные опасения, высказанные совсем недавно, были рассмотрены в техническом меморандуме Assmann et al.Как они указывают, термоядерные реакции могут поддерживаться только в веществе, сжатом каким-либо внешним давлением, например, создаваемым гравитацией внутри звезды, взрывом деления в термоядерном устройстве, магнитным полем в токамаке или продолжающимся изотропным лазером или пучки частиц в случае инерционного синтеза. В случае сброса пучка LHC в него один раз попадает луч, идущий с одного направления. Уравновешивающего давления нет, поэтому материал отвала не сжимается и сплавление невозможно.

Высказывались опасения, что в резервуаре с азотом внутри туннеля БАК может возникнуть «неконтролируемая термоядерная реакция». Таких азотных баллонов нет. Более того, аргументы в предыдущем абзаце доказывают, что никакое слияние было бы невозможно, даже если бы оно было.

Наконец, высказывались опасения, что луч БАК может каким-то образом вызвать бозе-новую в жидком гелии, используемом для охлаждения магнитов БАК. Исследование Фэйрбэрна и МакЭлрата ясно показало, что луч LHC не может вызвать термоядерную реакцию в гелии.

Мы помним, что «Бозе-новые», как известно, связаны с химическими реакциями, которые высвобождают бесконечно малое количество энергии по ядерным стандартам. Мы также помним, что гелий является одним из самых стабильных известных элементов и что жидкий гелий безошибочно использовался во многих предыдущих ускорителях частиц. Тот факт, что гелий химически инертен и не имеет ядерного спина, означает, что в сверхтекучем гелии, используемом в БАК, нельзя запустить бозе-новую.

Комментарии к статьям Гиддингса и Мангано и LSAG

Документы Гиддингса и Мангано и LSAG, демонстрирующие безопасность БАК, были изучены, рассмотрены и одобрены ведущими экспертами из государств-членов ЦЕРН, Японии, России и США, работающих в области астрофизики, космологии, общей теории относительности, математики, физика элементарных частиц и анализ рисков, в том числе несколько лауреатов Нобелевской премии по физике.Все они согласны с тем, что БАК безопасен.

Статья Гиддингса и Мангано была рецензирована анонимными экспертами в области астрофизики и физики элементарных частиц и опубликована в профессиональном научном журнале Physical Review D. Американское физическое общество решило выделить ее как одну из самых значительных статей, опубликованных им за последнее время. , заказывая комментарий профессора Пескина из Стэнфордской лаборатории линейных ускорителей, в котором он поддерживает его выводы. Исполнительный комитет Отдела частиц и полей Американского физического общества опубликовал заявление, одобряющее отчет LSAG.

Отчет LSAG был опубликован Институтом физики Великобритании в его публикации Journal of Physics G. Выводы отчета LSAG были одобрены в пресс-релизе, объявляющем об этой публикации.

Выводы LSAG также были одобрены Секцией элементарных частиц и ядерной физики (KET) Немецкого физического общества. Перевод на немецкий язык полного отчета LSAG можно найти на веб-сайте KET, а также здесь. (Также доступен перевод на французский язык полного отчета LSAG.)

Таким образом, вывод о том, что столкновения с БАК полностью безопасны, был одобрен тремя уважаемыми профессиональными обществами физиков, которые его рассмотрели и входят в число самых уважаемых профессиональных сообществ в мире.

Всемирно известные эксперты в области астрофизики, космологии, общей теории относительности, математики, физики элементарных частиц и анализа рисков, в том числе несколько лауреатов Нобелевской премии по физике, также выразили четкое индивидуальное мнение о том, что столкновения БАК не опасны, как вы можете прочитать справа.

Подавляющее большинство физиков согласны с тем, что микроскопические черные дыры будут нестабильны, как и предсказывают основные принципы квантовой механики. Как обсуждалось в отчете LSAG, если микроскопические черные дыры могут образовываться в результате столкновений кварков и/или глюонов внутри протонов, они также должны иметь возможность распадаться обратно на кварки и/или глюоны. Более того, квантовая механика конкретно предсказывает, что они должны распадаться под действием излучения Хокинга.

Тем не менее, в нескольких работах высказывалось предположение, что микроскопические черные дыры могут быть стабильными.В статье Гиддингса и Мангано и отчете LSAG очень консервативно проанализирован гипотетический случай стабильных микроскопических черных дыр и сделан вывод, что даже в этом случае не будет никакой мыслимой опасности. Другой анализ с аналогичными выводами был задокументирован доктором Кохом, профессором Блейхером и профессором Штокером из Франкфуртского университета и GSI, Дармштадт, которые пришли к выводу:

“Мы обсудили логически возможные пути эволюции черных дыр. Затем мы обсудили каждый исход этих путей и показали, что ни один из физически разумных путей не может привести к катастрофе черной дыры на БАК.”

Профессор Ресслер (имеющий медицинское образование и бывший теоретик хаоса в Тюбингене) также выразил сомнение в существовании излучения Хокинга. Его идеи были опровергнуты проф. Николаи (директор Института гравитационной физики им. Макса Планка — Института Альберта-Эйнштейна — в Потсдаме) и Джулини, чей отчет (см. здесь английский перевод и здесь — дальнейшие утверждения) указывает на его неспособность понять общую теорию относительности и Метрика Шварцшильда и его опора на альтернативную теорию гравитации, которая была опровергнута в 1915 году.Их вердикт:

«Аргумент [Ресслера] недействителен; аргумент не является самосогласованным».

Статья профессора Рёсслера также подверглась критике со стороны профессора Брюна из Технологического университета Дармштадта, который заключает, что:

«Неверная интерпретация Рёсслером метрики Шварцшильда [делает] его дальнейшие рассуждения . .. недействительными. Это не те документы, которые можно было бы принимать во внимание при обсуждении проблем черных дыр».

Гипотетический сценарий для потенциально опасных метастабильных черных дыр недавно был предложен доктором К.Плага. Выводы этой работы оказались противоречивыми во второй статье Гиддингса и Мангано, где также утверждается, что безопасность этого класса сценариев метастабильных черных дыр уже установлена ​​их оригинальной работой.

физиков затаили дыхание, пока Большой адронный коллайдер готовится восстать из пепла | Наука

Прошел почти год с тех пор, как крупнейший в мире научный эксперимент, Большой адронный коллайдер (БАК), был впервые запущен в шквале волнений в ЦЕРН, Европейском центре ядерных исследований в Швейцарии.Но после катастрофического взрыва в туннеле ускорителя частиц всего через девять дней после запуска гигантская машина простаивала без дела, к огромному разочарованию и немалому смущению всех участников.

Инцидент 19 сентября, который по-разному описывали как «электрический сбой», «технический сбой» и «технический сбой», стал серьезной неудачей для физиков, надеющихся открыть бозон Хиггса (или «бозон бутылки шампанского», как мы переименовали Это). Это произошло, когда короткое замыкание в соединении между сверхпроводниками в туннеле прожгло дыру в сосуде с жидким гелием, что привело к взрыву.

Инженеры усердно работали над запуском супермашины стоимостью 9 миллиардов долларов. В настоящее время они завершили тестирование 10 000 сильноточных сверхпроводящих соединений и отремонтировали те, сопротивление которых оказалось аномально высоким.

Они также установили высокочувствительные системы предупреждения, чтобы избежать повторения утечки жидкого гелия.

Однако предстоит еще много работы, в том числе калибровка детекторов, установка 160 км новых кабелей вокруг туннеля и охлаждение секторов, которые должны были быть прогреты для проведения ремонта (при столкновении частиц туннель ускорителя охлаждается). близко к абсолютному нулю).

В целом, переоборудование ускорителя атомной энергии обойдется примерно в 40 миллионов швейцарских франков (23 миллиона фунтов стерлингов).

На прошлой неделе ЦЕРН объявил, что LHC, наконец, снова начнет запускать протоны вокруг своего 27-километрового кольцевого туннеля в ноябре. Первоначально он будет работать с энергией 3,5 тераэлектронвольт (ТэВ) на пучок — это лишь половина того, что он должен достичь при полном взрыве, но все же в несколько раз больше, чем может выдержать американский конкурент БАК, Тэватрон в Фермилабе. После работы на этом более низком уровне энергия будет увеличена до 5 ТэВ на пучок.

По словам представителя Cern Джеймса Гиллиса, настроение в Cern оптимистичное.

«Мы с нетерпением ждем начала», — сказал он. «Существует консенсус в отношении того, что выбор, который был сделан для безопасной работы машины при 3,5 ТэВ на пучок, является хорошим выбором. Он позволяет операторам машины научиться управлять машиной, если хотите, в условиях, которые должны быть для них очень легкими. , и они не нарушают физику».

Гиллис уверен, что на этот раз не будет еще одной серьезной аварии.

“Будут мелочи, и это часть жизни, но я не думаю, что нас ждет еще одна крупная неудача, подобная той, что была в прошлом году.”

Как только будет собрано достаточное количество данных на более низких энергетических уровнях, LHC придется снова закрыть, пока он не настроится на достижение 7 ТэВ на луч. Это потребует «переобучения» десятков сверхпроводящих магнитов, обусловленного постепенным воздействием все более и более высоких токов.

Энергия столкновения двух частиц в туннеле преобразуется в массу любых возникающих новых частиц в соответствии со знаменитым уравнением Эйнштейна E=mc ² .Чем мощнее столкновение, тем более массивные частицы могут образоваться, как объясняет физик Адам Юркевич в блоге БАК в США.

“Например, чтобы обнаружить частицу темной материи, энергия столкновения преобразуется в массу новой частицы. Прямо сейчас мы точно не знаем, какую массу имеет частица темной материи, поэтому чем выше столкновение энергии, тем более массивную частицу мы потенциально могли бы создать.Наш потенциал открыть что-то новое зависит от энергии столкновений.”

По этой причине физики стремятся запустить коллайдер на полную мощность как можно скорее. Но, по словам Питера Калмуса, заслуженного профессора физики Лондонского университета королевы Марии, есть и другие соображения.

“Мы «Мы ищем что-то, что почти обязательно будет редким», — сказал он. «Нужно иметь очень хорошо изученное устройство, не только ускоритель, но и детекторы, которые будут это искать. Мне кажется, что людям, наверное, нужно, я думаю, гораздо больше года эксплуатации машины только для того, чтобы убедиться, что они понимают все тонкости причуд в оборудовании.”

Калмус считает, что “Церн” по-прежнему остается фаворитом в борьбе за неуловимого бозона Хиггса перед своими американскими конкурентами.

“Я думаю, что “Церн” должен иметь преимущество, но все еще есть шанс, что Фермилаб сможет это сделать,” – сказал он.

Бозон Хиггса, безусловно, был бы добычей в любой охоте, но это ни в коем случае не единственная цель в поле зрения БАК. Физики также надеются проверить существование суперсимметрии – идеи о том, что известные частицы имеют более тяжелых партнеров. которые еще предстоит обнаружить.

«Если они существуют и если массы не намного выше, то их можно обнаружить с помощью машины с меньшей энергией», — говорит Калмус.

Физическому сообществу придется с нетерпением ждать до ноября. Для исследователей, отчаянно пытающихся заполучить некоторые данные, воскрешение БАК не может произойти ни на минуту раньше.

«Столкновения в этом году принесут радость, но сначала, вероятно, облегчение», — пишет Юркевич. «Облегчение от того, что не нужно отвечать на вопросы о том, что БАК не работает, и облегчение для аспирантов, у которых есть данные, которые они могут проанализировать, чтобы получить высшее образование.

“Многие из нас будут затаить дыхание в течение следующих нескольких месяцев. После того, как мы увидим несколько столкновений, мы сможем испытать эту радость, а затем начать долгий путь к ответам на некоторые из фундаментальных вопросов, которые у нас есть о вселенной.”

День, когда не наступил конец света

 

 

| | + Присоединяйтесь к списку рассылки

10 октября 2008 г.: Вот что не произошло 10 сентября:

Конца света не было. Включение крупнейшего и самого мощного в мире ускорителя частиц недалеко от Женевы, Швейцария, не привело к созданию микроскопической черной дыры.И эта черная дыра не начала стремительно всасывать окружающее вещество, все быстрее и быстрее, пока не поглотила Землю, как предполагалось в сенсационных новостях.

Конечно, поскольку вы живы и читаете эту статью сегодня, вы уже это знаете. В настоящее время ускоритель, подземное кольцо диаметром 5 миль, называемое Большим адронным коллайдером (БАК), закрыт на ремонт. Но как только чрезвычайно мощная машина снова заработает, есть ли шанс, что сценарий судного дня все еще может произойти?

Расслабься.Как мог бы сказать Марк Твен, сообщения о гибели Земли сильно преувеличены.

 

 

Вверху: Вид с воздуха на ЦЕРН (Европейскую организацию ядерных исследований). Большое кольцо диаметром 5 миль следует за подземным Большим адронным коллайдером. Изображение предоставлено: ЦЕРН

“В действительности ускоритель никогда не представлял опасности, но это не мешало людям строить догадки о том, что она может быть!” — говорит Роберт Джонсон, физик из Института физики элементарных частиц Санта-Крус и член научной группы космического гамма-телескопа НАСА «Ферми», который был запущен в июне для изучения гамма-лучей от многих явлений, включая возможное испарение черных дыр.

Есть несколько причин, по которым конец света не наступил 10 сентября, и почему Большой адронный коллайдер не способен спровоцировать такое бедствие.

Во-первых, да, БАК действительно может создавать микроскопические черные дыры. Но, к сведению, он не мог создать его в первый же день. Это потому, что физики в ЦЕРНе не направляли пучки протонов друг в друга для создания высокоэнергетических столкновений. 10 сентября было просто разминкой. На сегодняшний день коллайдер до сих пор не произвел никаких столкновений, и именно экстремальная энергия этих столкновений — до 14 тераэлектронвольт — потенциально может создать микроскопическую черную дыру.

 

Справа: Любая микрочерная дыра, созданная БАК, быстро испарится, потеряв массу и энергию из-за излучения Хокинга. [более]

 

На самом деле, когда БАК снова заработает и начнет производить столкновения, физики будут в восторге, если он создаст крошечную черную дыру. Это будет первое экспериментальное свидетельство в поддержку элегантной, но недоказанной и противоречивой «теории всего», называемой теорией струн.

В теории струн электроны, фотоны, кварки и все остальные фундаментальные частицы представляют собой различные вибрации бесконечно малых струн в 10 измерениях: 9 пространственных и одном временном.(Остальные 6 пространственных измерений скрыты тем или иным объяснением, например, будучи «свернутыми» в очень маленьком масштабе.) Некоторые физики рекламируют математическую элегантность теории струн и ее способность интегрировать гравитацию с другими силами природы. Широко принятая Стандартная модель физики элементарных частиц не включает гравитацию, и это одна из причин, по которой она не предсказывает, что БАК создаст точку гравитационного коллапса — черную дыру — в отличие от теории струн.

Многие физики начали сомневаться в истинности теории струн.Но если на мгновение предположить, что это так, что произойдет, когда внутри БАК родится черная дыра? Удивительный ответ: «Не так много». Даже если черная дыра просуществует более доли секунды (чего, скорее всего, не будет), она, скорее всего, будет выброшена в космос. «У него будет масса всего в сотню или около того протонов, и он будет двигаться со скоростью, близкой к скорости света, поэтому у него легко будет космическая скорость», — объясняет Джонсон. Поскольку крошечная черная дыра будет меньше одной тысячной размера протона и будет иметь чрезвычайно слабое гравитационное притяжение, она сможет легко пронестись сквозь твердую породу, никогда не касаясь — или всасывая — какую-либо материю.С точки зрения чего-то такого крошечного атомы, из которых состоит «твердая» порода, кажутся почти полностью пустым пространством: огромным пространством между ядрами атомов и вращающимися вокруг них электронами. Таким образом, микрочерная дыра может прорваться через центр Земли и выйти с другой стороны, не причиняя никакого ущерба, так же легко, как она может выстрелить на 300 футов в швейцарскую сельскую местность. В любом случае, он окажется в почти космическом вакууме, где вероятность того, что он коснется и засосет какую-либо материю, чтобы превратиться в угрозу, будет еще меньше.

 

Справа: Внутри Большого адронного коллайдера. Протоны мчатся по этому туннелю со скоростью 99,999999% скорости света. [более]

 

Итак, первое, что сделает микрочерная дыра, — это благополучно оставит планету позади. Но есть и другие, еще более веские причины, по которым ученые считают, что БАК не представляет угрозы для Земли. Во-первых, черная дыра, созданная на БАК, почти наверняка испарится, прежде чем она зайдет слишком далеко, считают большинство ученых. Стивен Хокинг, физик, написавший книгу «Краткая история времени» , предсказал, что черные дыры излучают энергию — явление, известное как излучение Хокинга.Из-за этой постоянной потери энергии черные дыры в конечном итоге испаряются. Чем меньше черная дыра, тем интенсивнее излучение Хокинга и тем быстрее черная дыра исчезнет. Так что черная дыра в тысячу раз меньше протона должна почти мгновенно исчезнуть в быстром всплеске излучения.

«Предсказание Хокинга основано не на спекулятивной теории струн, а скорее на хорошо понятных принципах квантовой механики и физики элементарных частиц», — отмечает Джонсон.

Несмотря на прочную теоретическую основу, излучение Хокинга никогда не наблюдалось напрямую.Тем не менее ученые уверены, что любая черная дыра, созданная БАК, не представляет угрозы. Как они могут быть так уверены? Из-за космических лучей. Тысячи раз в день высокоэнергетические космические лучи поражают атмосферу Земли, сталкиваясь с молекулами в воздухе с энергией как минимум в 20 раз большей, чем самые мощные столкновения, которые может произвести БАК. Так что, если бы этот новый ускоритель мог создать черные дыры, пожирающие Землю, космические лучи уже сделали бы это миллиарды раз за долгую историю Земли.

И все же, мы здесь. Да начнутся столкновения!

 

Редактор: д-р Тони Филлипс | Авторы и права: Science@NASA

дополнительная информация

Подпишитесь на доставку EXPRESS SCIENCE NEWS Большой адронный коллайдер — главная страница Большой адронный коллайдер — обзор википедии Миниатюрные черные дыры не представляют опасности — Американский институт физики Дело о мини-черных дырах — CERN Courier Будущее НАСА: Политика космических исследований США

Сэр Мартин Рис говорит, что физический эксперимент может поглотить всю вселенную

Сэр Мартин Рис, щеголеватый британский королевский астроном, делает мрачное предупреждение в своей новой книге «О будущем». Оценивая различные угрозы, стоящие перед нашим видом, он обращает внимание на эксперименты с ускорителями частиц, предназначенные для исследования законов природы. «Некоторые физики высказали предположение, что эти эксперименты могут привести к чему-то гораздо худшему — уничтожить Землю или даже всю вселенную. — пишет он.В другом эксперименты могли создать микроскопическую черную дыру, которая неумолимо разъедала бы нашу планету изнутри. В самом экстремальном сценарии, описанном Рисом, сбой в физике может привести к тому, что само пространство распадется в новую форму, которая сотрет все отсюда и до самой дальней звезды.

Эти события конца света маловероятны, признает Риз, но «учитывая ставки, их нельзя игнорировать». Прав ли он, когда бьет тревогу? Насколько серьезны риски на самом деле? С помощью ведущих ученых NBC News MACH изучает доказательства.

Давняя традиция беспокойства

Рис следует давней традиции экспертов, предупреждающих, что современные технологии могут привести нас к катастрофе. Во время испытания первой атомной бомбы в 1945 году физик Артур Комптон опасался, что взрыв может воспламенить атмосферу Земли. Когда астронавты Аполлона-11 вернулись с Луны в 1969 году, НАСА поместило их в карантин на случай, если они перенесут смертельную космическую болезнь.

Что еще более важно для тезиса Риса, отставной офицер по ядерной безопасности по имени Вальтер Вагнер подал иск в 2008 году, чтобы заблокировать работу Большого адронного коллайдера (БАК), ускорителя частиц на швейцарско-французской границе.Он сослался на опасения, аналогичные перечисленным Рисом. 9-й окружной суд США отклонил дело, постановив, что «спекулятивный страх будущего вреда не является травмой».

Группа физиков уже оценила возможность катастрофы в 2003 году и вернулась к этому вопросу в 2008 году. Оба раза они сочли риски несущественными. «БАК, безусловно, безопасен», — говорит Арно Марсолье, представитель CERN, консорциума, управляющего коллайдером. «Каждый день появляются космические лучи [субатомные частицы из космоса] с энергией, намного превышающей ту, которую мы когда-либо сможем получить с помощью коллайдера. Мы просто делаем в лаборатории то, что постоянно происходит в природе, в том числе над нашими головами в атмосфере».

Странный путь

Марсолье имеет в виду, что это как утешение, но это приводит к связанному с этим страху: если мы, люди, не способны уничтожить себя, может ли естественная физическая катастрофа сделать эту работу вместо этого?

В 1984 году два физика непреднамеренно вызвали такое беспокойство, когда опубликовали теорию о том, что обычная материя может превратиться в новую субстанцию, которую они назвали «странной материей», если подвергнуть ее достаточной энергии и давлению.В зависимости от своих свойств странная материя может преобразовывать все, к чему прикасается, уничтожая мир, каким мы его знаем.

Андреас Баусвайн, физик из Гейдельбергского института теоретических исследований в Германии, настолько заинтригован идеей странной материи, что активно охотится за ней. Однако даже если он найдет убедительные доказательства, он не думает, что странная материя представляет большую угрозу. «Земля существовала миллиарды лет, подвергаясь воздействию высокоэнергетических частиц космических лучей», — говорит он.

Баусвейн считает, что наиболее вероятным местом для поиска странной материи является не этот мир, а сверхплотные звездные тела, известные как нейтронные звезды. Условия на таких объектах могут быть достаточно экстремальными, чтобы превратить их в «странные звезды». По словам Баусвайна, если две странные звезды столкнутся, то взрыв будет иметь характерный вид.

Связанные

Телескоп Эйнштейна, гравитационно-волновая обсерватория, которая может быть построена в 2020-х годах, может показать, есть ли основания для странной теории.«Это точно обеспечило бы чувствительность, чтобы сказать, связано ли слияние со странными материями или нет», — говорит Баусвейн. К счастью, поблизости от Земли нет потенциальных странных звезд, так что мы должны быть в безопасности.

Вердикт: Странная материя не убьет нас, но может пролить свет на сущность материи.

Большой отстой

Смерть от черной дыры кажется более вероятной, чем смерть от странной материи, поскольку достоверно известно, что черные дыры существуют.Ближайшая известная черная дыра находится менее чем в 3000 световых лет от Земли, чуть дальше некоторых звезд, которые вы видите ночью. Другое дело — микроскопические черные дыры, описанные Рисом. На данный момент они являются лишь вопросом догадок.

Начиная с 2001 года физик из Университета Брауна Грег Ландсберг предположил, что БАК может создавать такие микрочерные дыры. Как бы извращенно это ни звучало, он на самом деле надеялся, что это произойдет. «Первоначальная мысль заключалась в том, что такая черная дыра очень быстро испарится», — говорит он.Результатом будет характерный взрыв частиц, который может предоставить уникальную информацию о гравитации и о том, как она связана с другими природными силами.

К разочарованию Ландсберга, БАК не обнаружил признаков микрочерных дыр. «Скорее всего, модели, которые предсказывали их нахождение в пределах досягаемости БАК, просто не реализованы в природе», — говорит он. Но затем он добавляет предостережение: также возможно, что микрочерные дыры существуют, но мы не понимаем, как их обнаружить.

Идея о том, что вокруг могут плавать невидимые микрочерные дыры, может показаться тревожной, но Ландсберг тоже отмахивается от любых опасений.«Если бы был шанс, что такое столкновение создаст черную дыру, которая живет достаточно долго, чтобы аккрецировать материю вокруг себя, мы бы увидели обилие черных дыр во Вселенной, намного превышающее то, что мы наблюдаем», — говорит он.

Вердикт: вы можете быть поглощены черной дырой только в том случае, если совершите долгое путешествие на межзвездном космическом корабле.

Пойманный в космическом распаде

Странная материя и черные дыры ничто по сравнению с коллапсом вакуума, который уничтожит не только нашу планету, но и законы физики, какими мы их знаем, — окончательный конец света.Кэти Мак, физик из Университета штата Северная Каролина, описала это как «быстрый, чистый и эффективный способ стереть вселенную с лица земли».

Идея звучит так: пустое пространство не совсем пусто, но полно энергии, связанной с полями и частицами, определяющими вселенную. Если эта энергия существует в нестабильном состоянии (известном как «ложный вакуум»), объясняет Мак, то она может резко измениться в другую форму.

Вакуумный коллапс был бы подобен обледенению озера зимней ночью.Трансформация начнется в одном месте и будет распространяться до тех пор, пока все не замерзнет — только в случае ложного вакуума распространяющимся будет не лед, а новый тип пространства, воплощающий новые законы физики. Теория гласит, что как только вакуум начнет коллапсировать в каком-то месте, возмущение будет распространяться наружу во всех направлениях, уничтожая все, к чему прикасается.

Как и в случае со странными звездами и черными дырами, любой сбой в вакууме, вероятно, находится вне контроля человека. «Мы не знаем механизма, с помощью которого эксперимент с частицами мог бы достичь экстремальных энергий, при которых могло бы произойти что-то подобное», — говорит Мак, поскольку космические лучи в миллиард раз мощнее, чем что-либо на БАК, явно не разрушали Вселенную. .Предлагая еще одно смутное утешение, она отмечает, что «распад вакуума очень неопределенный, то есть мы еще не знаем, возможно ли это вообще».

Рис выдвигает ту же идею в своей книге, ссылаясь на такие неопределенности как на причину осторожности при проведении наших физических экспериментов. Но если первичные риски исходят от самой природы — как почти единогласно заключают инсайдеры-физики — то единственный способ оценить их — это изучить их.

Мак надеется, что исследования на БАК и его преемниках приведут к важным выводам о том, как работает вакуум и действительно ли он может разрушиться.«Для меня вакуумный распад — самый интересный путь», — говорит она.

Одно можно сказать наверняка: если это произойдет, у вас не будет времени беспокоиться об этом. Вакуумный распад будет двигаться со скоростью света, поэтому он наступит без предупреждения. В тот момент, когда вы видите это, это также момент, когда вы умираете.

Вердикт: Распад вакуума может ударить в любой момент. Но этого не происходило за последние 13,7 миллиарда лет, так что вряд ли это произойдет при вашей жизни.

Хотите больше историй о физике?

ПОДПИСЫВАЙТЕСЬ НА NBC NEWS MACH НА TWITTER, FACEBOOK И INSTAGRAM.

Физики обнаружили запах новой частицы на Большом адронном коллайдере | Наука

Десятилетиями физики элементарных частиц стремились к физике, выходящей за рамки их проверенной стандартной модели. Теперь они обнаруживают признаки чего-то неожиданного на Большом адронном коллайдере (БАК), крупнейшем в мире ускорителе атомов в ЦЕРН, европейской лаборатории физики элементарных частиц недалеко от Женевы, Швейцария. Подсказки исходят не от двух больших детекторов БАК, которые не дали новых частиц с тех пор, как в 2012 году они обнаружили последнюю недостающую часть стандартной модели, бозона Хиггса, а от меньшего детектора под названием LHCb, который точно измеряет распады. знакомых частиц.

Последний сигнал включает отклонения в распадах частиц, называемых В-мезонами, что само по себе слабое свидетельство. Но вместе с другими намеками это может указать на новые частицы, лежащие на горизонте высоких энергий. «Такого никогда не случалось раньше, чтобы наблюдать набор когерентных отклонений, которые можно было бы очень экономно объяснить с помощью одного единственного нового вклада в физику», — говорит Хоаким Матиас, теоретик из Автономного университета Барселоны в Испании. Матиас говорит, что доказательства достаточно убедительны для заявления об открытии, но другие призывают к осторожности.

БАК сталкивает протоны с беспрецедентной энергией, пытаясь создать новые массивные частицы, которые должны были обнаружить два его больших детектора, ATLAS и CMS. LHCb фокусируется на знакомых частицах, в частности на B-мезонах, используя исключительно чувствительный детектор слежения, чтобы обнаружить крошечные взрывные распады.

В-мезоны состоят из фундаментальных частиц, называемых кварками. Знакомые нам протоны и нейтроны состоят из двух видов кварков, верхних и нижних, связанных в трио. Более тяжелые ароматы кварков — очаровательные, странные, верхние и нижние — могут создаваться вместе с их аналогами из антивещества при столкновениях частиц высокой энергии; они соединяются с антикварками, образуя мезоны.

В-мезоны, длящиеся всего тысячную долю наносекунды, потенциально открывают окно в новую физику. Благодаря квантовой неопределенности их внутренности кишат частицами, которые то появляются, то исчезают, что может повлиять на их распад. Любые новые частицы, попадающие внутрь B-мезонов — даже слишком массивные для того, чтобы их мог создать БАК, — могут привести к тому, что скорость и детали этих распадов будут отличаться от предсказаний стандартной модели. Это косвенный метод поиска новых частиц с проверенной репутацией.В 1970-х годах, когда были известны только верхние, нижние и странные кварки, физики предсказали существование очарованного кварка, обнаружив странности в распадах K-мезонов (семейство мезонов, каждое из которых содержит странный кварк, связанный с антикварком).

В своем последнем результате, о котором сообщили сегодня в ходе выступления в ЦЕРН, физики LHCb обнаружили, что когда один тип B-мезона распадается на K-мезон, его побочные продукты искажаются: при распаде образуется мюон (двоюродный брат электрона) и антимюон реже, чем электрон и позитрон.В стандартной модели эти показатели должны быть равными, говорит Гай Уилкинсон, физик из Оксфордского университета в Соединенном Королевстве и представитель команды LHCb, состоящей из 770 человек. «Это измерение представляет особый интерес, потому что теоретически оно очень чистое», — говорит он.

Результат — лишь одна из полудюжины слабых подсказок, обнаруженных физиками LHCb, которые, похоже, совпадают. Например, в 2013 году они исследовали углы, под которыми появляются частицы при таких распадах B-мезонов, и обнаружили, что они не совсем согласуются с предсказаниями.

То, на что указывают все эти аномалии, менее достоверно. В рамках стандартной модели B-мезон распадается на K-мезон только в результате сложного «петлевого» процесса, в котором нижний кварк ненадолго превращается в верхний кварк, прежде чем стать странным кварком. Для этого он должен излучать и повторно поглощать W-бозон, «частицу силы», передающую слабое взаимодействие (см. рисунок на предыдущей странице).

Новые данные предполагают, что нижний кварк может превратиться непосредственно в странный кварк — изменение, которое запрещает стандартная модель, — выпустив новую частицу, называемую Z’-бозоном.Этот гипотетический двоюродный брат Z-бозона станет первой частицей, выходящей за рамки стандартной модели, и добавит теории новую силу. Дополнительный процесс распада снизит производство мюонов, что объясняет аномалию. «Это своего рода специальная конструкция, но она прекрасно согласуется с данными», — говорит Вольфганг Альтманнсхофер, теоретик из Университета Цинциннати в Огайо. Другие предположили, что гибрид кварка и электрона, называемый лептокварком, может ненадолго материализоваться в петлевом процессе и дать другой способ объяснить расхождения.

Конечно, дело в новой физике может быть миражом статистических флуктуаций. Физики из ATLAS и CMS 18 месяцев назад сообщили о намеках на чрезвычайно массивную новую частицу только для того, чтобы увидеть, как они исчезают с появлением новых данных. Текущие признаки примерно так же сильны, как и раньше, говорит Альтманнсхофер.

Тот факт, что физики используют LHCb для поиска признаков чего-то нового, подчеркивает тот факт, что LHC еще не оправдал возложенных на него надежд. «ATLAS и CMS были детекторами, которые должны были открывать новые вещи, а LHCb должен был дополнять друг друга», — говорит Матиас.«Но дела идут так, как идут».

Если Z′ или лептокварки существуют, то у БАК может быть шанс дать им настоящее, хотя и мимолетное, существование, говорит Матиас. LHC сейчас набирает обороты после остановки на зиму. В следующем месяце охотники за частицами вернутся к своим поискам.

Когда Большой адронный коллайдер сломал реальность (вроде как)

Еженедельный информационный бюллетень

Лучшее из The Saturday Evening Post в вашем почтовом ящике!

Человечество многое ломает во имя науки.Мы разбираем растения, чтобы посмотреть, как они растут. Мы препарируем организмы, чтобы увидеть, как они работают. Мы измельчаем минералы, чтобы изучить их состав. А иногда мы сталкиваем субатомные частицы, просто чтобы посмотреть, что получится. Это чрезвычайно упрощенная миссия Большого адронного коллайдера, который провел свои первые испытания в ЦЕРНе, Европейской организации ядерных исследований, десять лет назад.

Проще говоря, коллайдер позволяет ученым заставить частицы сталкиваться друг с другом, чтобы они могли изучить эффекты.Столкновения позволяют наблюдателям узнать что-то о естественных законах и силах, ответить на некоторые вопросы и теории о пространстве и времени и даже исследовать некоторые из более глубоких тайн Вселенной. Это не площадка для неопытного любителя.

Комплекс CERN, вид со стороны Швейцарии. (Brücke-Osteuropa; Wikimedia Commons через Creative Commons CC0 1.0 Universal Public Domain Dedication.)

Само существование Большого адронного коллайдера обязано огромным усилиям, в которых участвовали тысячи человек.Проект создавался в течение десяти лет с 1998 по 2008 год и требовал участия более 10 000 ученых из более чем 100 стран. Это самая большая машина на планете, размещенная в туннеле длиной 17 миль под землей на границе Франции и Швейцарии. На самом деле он достаточно велик, чтобы туннель пересекал границу в четырех отдельных точках. Компьютерная сеть, необходимая для всего этого, настолько велика, что насчитывает 170 станций, расположенных в 42 странах. Общий бюджет проекта составил 9 миллиардов долларов.

Подпишитесь и получите неограниченный доступ к нашему онлайн-архиву журналов.

Даже со всеми задействованными великими умами и деньгами Большой адронный коллайдер не был безупречен. Первое успешное испытание было проведено 10 сентября 2008 г., когда по всей длине коллайдера был запущен пучок протонов. К сожалению, первая крупная авария на БАК произошла всего девять дней спустя, когда то, что, скорее всего, было неисправным электрическим соединением, повредило 53 сверхпроводящих магнита в массиве.В итоге машина не работала до ноября 2009 года, после чего она в целом работала, как и ожидалось, с краткой паузой для модернизации в 2013 году и возобновлением работы в 2015 году.

Можно задаться вопросом, почему все эти затраты и усилия были затрачены на такое устройство. С одной стороны, речь идет о самой идее открытия. БАК является частью процесса, который пытается дать нам понимание основных строительных блоков и сил Вселенной. Это помогает нам понять, как работают материя и энергия.Что касается практического применения, то какую пользу эта гигантская машина может принести человечеству? В статье для BBC научный редактор Дэвид Шукман исследовал этот вопрос; он указал, что многие научные открытия привели к новым изобретениям постфактум, сославшись на то, как инженеры НАСА привели к созданию антипригарной сковороды и как другие работы в ЦЕРНе привели к созданию Интернета.

Это модельное представление того, как могло бы выглядеть столкновение с бозоном Хиггса на LHC в ЦЕРНе. (Лукас Тейлор/ЦЕРН; Wikimedia Commons через Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Неперенесенная лицензия.)

Среди основных открытий, сделанных БАК, — подтверждение существования частицы бозона Хиггса. Ранее только теоретическое, существование частицы было подтверждено данными о столкновениях в марте 2013 года. Также считается, что это частица, которая придает другим частицам их массу, поэтому это ранее невидимая, но фундаментальная часть существования. Подобные открытия помогают нам понять, что мы делаем правильно, а что нет в науке, энергии и материи, и улучшают наши методы изучения молекул и состава Вселенной.Дальнейшая работа выявила существование других частиц и заложила основу для новых теорий о том, как Вселенная может сочетаться друг с другом на мельчайших уровнях.

И роман Дэна Брауна «Ангелы и демоны», и экранизация Рона Ховарда, в которой снялся Том Хэнкс, связаны с гнусным заговором против ЦЕРНа. (©Columbia Pictures)

БАК был предметом бурных спекуляций как в маргинальных СМИ, так и в поп-культуре. Некоторые конспирологи считают, что БАК способен открывать черные дыры или что само его существование может угрожать Земле.Другие считают, что Вселенная была коренным образом изменена 10 сентября 2008 года, когда машина была запущена, и что сейчас мы живем в альтернативной ветвящейся временной шкале, созданной БАК. Как и следовало ожидать, нет никаких доказательств того, что что-то подобное произошло. Даже пара ученых пытались подать в суд, чтобы остановить активацию БАК, но остановить ее не удалось. С более легкой стороны, ЦЕРН и БАК упоминаются в романах и фильмах, и ЦЕРН часто добродушно выпускал обновления веб-сайта «факты против вымысла» или печатные публикации, чтобы подтвердить безопасность и не угрожающий миру характер работы. сделано с БАК.

Даже если наука немного сложна для понимания среднего человека, люди из ЦЕРНа и Большого адронного коллайдера определенно расширили научное понимание Вселенной. По мере того, как они продолжают эксперименты и дальнейшие запланированные обновления, невозможно сказать, какие открытия они могут сделать в будущем. Одно можно сказать наверняка; за последние десять лет они проделали потрясающую работу.

Станьте участником Saturday Evening Post и получите неограниченный доступ.Подпишись сейчас

Что произойдет, если засунуть голову в ускоритель частиц?

Что произойдет, если вы засунете свое тело в ускоритель частиц? Сценарий кажется началом плохого комикса Marvel, но он проливает свет на наши интуитивные представления о радиации, уязвимости человеческого тела и самой природе материи. Ускорители частиц позволяют физикам изучать субатомные частицы, ускоряя их в мощных магнитных полях, а затем отслеживая взаимодействия, возникающие в результате столкновений.Погружаясь в тайны Вселенной, коллайдеры проникли в дух времени и прикоснулись к чудесам и страхам нашего века.

Еще в 2008 году Большой адронный коллайдер (БАК), управляемый Европейской организацией ядерных исследований (ЦЕРН), занимался созданием микроскопических черных дыр, которые позволили бы физикам обнаруживать дополнительные измерения. Многим это кажется сюжетом катастрофического научно-фантастического фильма. Неудивительно, что два человека подали иск, чтобы остановить работу БАК, чтобы он не создал черную дыру, достаточно мощную, чтобы уничтожить мир.Но физики возразили, что идея абсурдна, и иск был отклонен.

Затем, в 2012 году, БАК обнаружил долгожданный бозон Хиггса, частицу, которая должна была объяснить, как частицы приобретают массу. Благодаря этому важному достижению БАК вошел в массовую культуру; он был показан на обложке альбома Super Collider (2013) хэви-метал-группы Megadeth и был сюжетной точкой в ​​​​американском телесериале The Flash (2014).

Тем не менее, несмотря на свои достижения и гламур, мир физики элементарных частиц настолько абстрактен, что немногие понимают его последствия, значение или использование.В отличие от зонда НАСА, отправленного на Марс, исследования ЦЕРН не дают потрясающих, осязаемых изображений. Вместо этого изучение физики элементарных частиц лучше всего описывается уравнениями на доске и волнистыми линиями, называемыми диаграммами Фейнмана. Оге Бор, лауреат Нобелевской премии, чей отец Нильс изобрел боровскую модель атома, и его коллега Оле Ульфбек дошли даже до отрицания физического существования субатомных частиц как чего-то большего, чем математические модели.

Что возвращает нас к нашему первоначальному вопросу: что происходит, когда пучок субатомных частиц, движущихся почти со скоростью света, сталкивается с плотью человеческого тела? Возможно, из-за того, что сферы физики элементарных частиц и биологии концептуально так далеки, не только у неспециалистов не хватает интуиции, чтобы ответить на этот вопрос, но и у некоторых профессиональных физиков. В 2010 году в интервью на YouTube с преподавателями факультета физики и астрономии Ноттингемского университета несколько ученых-экспертов признались, что они плохо представляют себе, что произойдет, если кто-то засунет руку внутрь пучка протонов на БАК. Профессор Майкл Меррифилд сформулировал это лаконично: «Это хороший вопрос . Я не знаю, — это ответ. Наверное, тебе будет очень плохо». Профессор Лоуренс Ивз также осторожно относился к выводам. «[По] масштабам энергии, которые мы замечаем, это было бы не так заметно», — сказал он, вероятно, с некоторой британской преуменьшением.«Сунул бы я руку в луч? Я не уверен в этом.”

Такие мысленные эксперименты могут быть полезными инструментами для исследования ситуаций, которые невозможно изучить в лаборатории. Однако иногда несчастные случаи приводят к изучению конкретных случаев: возможности для исследователей изучать сценарии, которые не могут быть экспериментально спровоцированы по этическим причинам. Тематические исследования имеют размер выборки из одного человека и не имеют контрольной группы. Но, как отмечает невролог В.С. Рамачандран указал в Phantoms in the Brain (1998), что достаточно одной говорящей свиньи, чтобы доказать, что свиньи могут говорить.13 сентября 1848 года, например, железный прут пронзил голову американского железнодорожного рабочего Финеаса Гейджа и глубоко изменил его личность, предоставив раннее свидетельство биологической основы личности.

А 13 июля 1978 года советский ученый Анатолий Бугорский засунул голову в ускоритель элементарных частиц. В тот судьбоносный день Бугорский проверял неисправное оборудование синхротрона У-70 — крупнейшего ускорителя элементарных частиц в Советском Союзе — когда механизм безопасности вышел из строя, и пучок протонов, летящих почти со скоростью света, прошел прямо через его голову, Финеас. Гейдж стиль.Вполне возможно, что на тот момент истории ни один другой человек никогда не сталкивался с сфокусированным лучом излучения такой высокой энергии. Хотя протонная терапия — метод лечения рака, при котором для разрушения опухолей используются пучки протонов — была впервые применена до аварии Бугорского, энергия этих лучей обычно не превышает 250 миллионов электрон-вольт (единица энергии, используемая для малых частиц). Бугорски мог испытать всю мощь луча с более чем в 300 раз большей энергией, 76 миллиардов электрон-вольт.

Протонное излучение действительно редкое явление. Протоны солнечного ветра и космические лучи задерживаются атмосферой Земли, а протонное излучение настолько редко встречается при радиоактивном распаде, что его не наблюдали до 1970 года. Более привычные угрозы, такие как ультрафиолетовые фотоны и альфа-частицы, не проникают в тело сквозь кожу если не проглотить радиоактивный источник. Российский диссидент Александр Литвиненко, например, был убит альфа-частицами, которые даже не проникают сквозь бумагу, когда он неосознанно проглотил радиоактивный полоний-210, доставленный убийцей.Но когда астронавты Аполлона, защищенные скафандрами, подверглись воздействию космических лучей, содержащих протоны и даже более экзотические формы излучения, они сообщили о вспышках визуального света, предвестниках того, что должно было приветствовать Бугорского в роковой день его аварии. Согласно интервью журналу Wired в 1997 году, Бугорски сразу же увидел яркую вспышку света, но не почувствовал боли. Молодого ученого доставили в клинику в Москве с опухшей половиной лица, и врачи ожидали худшего.

Частицы ионизирующего излучения, такие как протоны, разрушают организм, разрывая химические связи в ДНК. Это нападение на генетическое программирование клетки может убить клетку, остановить ее деление или вызвать раковую мутацию. Больше всего страдают быстро делящиеся клетки, такие как стволовые клетки костного мозга. Поскольку клетки крови вырабатываются, например, в костном мозге, многие случаи радиационного отравления приводят к инфекциям и анемии из-за потери лейкоцитов и эритроцитов соответственно.Но в случае Бугорски излучение было сосредоточено вдоль узкого луча, проходящего через голову, а не широко распространялось из-за радиоактивных осадков, как это было у многих жертв Чернобыльской катастрофы или бомбардировки Хиросимы. Для Бугорского особенно уязвимые ткани, такие как костный мозг и желудочно-кишечный тракт, могли быть в значительной степени пощажены. Но там, где луч пронзил голову Бугорского, он выделил непристойное количество радиационной энергии, по некоторым оценкам, в сотни раз превышающей смертельную дозу.

И все же Бугорский жив и по сей день. Половина его лица парализована, что придает одному полушарию головы странный молодой вид. Сообщается, что он глух на одно ухо. Он перенес не менее шести генерализованных тонико-клонических припадков. Обычно известные как приступы grand mal , это приступы, наиболее часто изображаемые в кино и на телевидении, сопровождающиеся судорогами и потерей сознания. Эпилепсия Бугорского, вероятно, является результатом рубцевания ткани головного мозга, оставленного протонным пучком.Это также оставило его с petit mal или абсансными припадками, гораздо менее драматичными приступами пристального взгляда, во время которых сознание ненадолго прерывается. Нет никаких сообщений о том, что у Бугорски когда-либо диагностировали рак, хотя это часто является долгосрочным последствием радиационного облучения.