Для чего адронный коллайдер нужен: Большой адронный коллайдер: зачем нужен и стоит ли его бояться

Большой адронный коллайдер: зачем нужен и стоит ли его бояться

Большой адронный коллайдер — самый мощный ускоритель частиц в мире. Многие думают, что он способен уничтожить планету, создав черные дыры или опасную материю. Разбираемся, возможно ли это и зачем на самом деле нужен БАК

Что такое адронный коллайдер

Адронный коллайдер — это ускоритель, разгоняющий частицы высокой энергии почти до скорости света с помощью воздействия электромагнитных полей. Такое название устройство получило потому, что работает с определенным классом частиц — адронами (составными частицами, подверженными сильному ядерному взаимодействию) — и в процессе сталкивает их (англ. collider — сталкиватель).

Первый в мире адронный коллайдер ISR был запущен в 1971 году Европейской организацией по ядерным исследованиям (ЦЕРН). Устройство было небольшим — 943 м в длину, а максимальная энергия частиц, до которой оно могло их разогнать, — 28 ГэВ. В 1980-х годах работу ISR остановили и направили финансовые средства, которые уходили на его содержание, на строительство более мощного электрон-позитронного коллайдера. Последний проработал до 2001 года, пока его не сменил Большой адронный коллайдер — на сегодняшний день самый мощный ускоритель адронов в мире.

БАК находится на границе между Францией и Швейцарией, возле города Женевы, в тоннеле глубиной 100 м. Длина ускорителя — почти 27 км, а максимальная энергия частиц, до которой он может их разогнать, — 7 ТэВ, что почти в 230 раз больше, чем у первого адронного коллайдера.

Большой адронный коллайдер является самой крупной экспериментальной установкой в мире — в строительстве, которое длилось почти 10 лет, принимало участие более 10 000 ученых и инженеров из 100 стран. Затраты на создание БАК оцениваются в €4,6 млрд.

Сотрудники ЦЕРН создали онлайн-карту Большого адронного коллайдера, с помощью которой можно увидеть туннель, в котором он находится, и часть ускорительного кольца.

Виртуальный тур по БАК

Для чего нужен Большой адронный коллайдер

В физике элементарных частиц есть важный постулат — Стандартная модель. Это теория, описывающая, как взаимодействуют элементарные частицы нашего мира: кварки, бозоны, лептоны, барионы. Ученым интересны эти отношения, потому что в результате них могут появиться новые или очень редкие элементы, которые плохо или вообще не изучены. Это, в свою очередь, позволит узнать больше о мире и его материи.

Чтобы открывать новые частицы, нужно проводить эксперименты. В этом ученым и помогают коллайдеры. Установки воспроизводят процессы, которые в действительности происходят в природе, то есть сталкивают друг с другом заряженные частицы материи — протоны с протонами или электроны с позитронами. После этого собранные данные фиксируются и передаются на компьютер. У ученых есть возможность детально изучить результаты взаимодействия заряженных частиц: обнаружить следы распада мюонов, пи- и К-мезонов и другие события, возникшие в коллайдере.

Анатолий Сидорин, заместитель начальника ускорительного отделения Лаборатории физики высоких энергий имени В. И. Векслера и А. М. Балдина в Дубне, один из ведущих экспертов по кольцевым ускорителям и коллайдерам:

«Строительство Большого адронного коллайдера в ЦЕРН вызвало закрытие нескольких небольших ускорительных лабораторий почти по всей Европе: в Голландии, в Швеции, во Франции. Но Национальное научное сообщество на это пошло, потому что это был общеевропейский проект — с ним Европа становилась лидером в области физики высоких энергий.

В первую очередь от Большого адронного коллайдера ожидали обнаружение бозона Хиггса (элементарная частица с нулевым моментом импульса и нулевым зарядом, которая играет важную роль в Стандартной модели, и чье существование было предсказано задолго до обнаружения. — РБК Тренды). Но, конечно, ради одной частицы его строить не стоило. Основные серьезные надежды физики связывали с тем, что БАК откроет что-то неожиданное. Так, помимо изучения хиггсовского механизма, одной из задач был поиск микроскопических черных дыр. К сожалению, пока их не нашли».

Помимо поиска черных дыр и обнаружения бозона Хиггса, перед адронным коллайдером стоит еще несколько задач:

• Поиск суперсимметрии, то есть подтверждение теории о том, что у каждой элементарной частицы Вселенной есть суперсимметричный партнер. Если БАК сможет доказать это явление, то подтвердится, что Стандартная модель — не единственная теория устройства элементарных частиц, а лишь часть большой системы микромира.
• Изучение топ-кварков — самых тяжелых элементарных частиц. Их свойства недостаточно изучены и потому интересны физикам.
• Изучение кварк-глюонной плазмы, которая возникает при столкновении ядер свинца. Исследование этого явления поможет ученым построить более совершенные теории сильных взаимодействий частиц.

Один из секторов туннеля, в котором находится БАК (Фото: wikimedia.org)

Как работает Большой адронный коллайдер

Большой адронный коллайдер — это ускорительное кольцо окружностью 27 км, оборудованное огромным количеством установок, каждая из которых выполняет свою функцию. Ускорительное кольцо можно условно разделить на восемь секторов, через которые проходят пучки частиц.

Пучки частиц поступают в Большой адронный коллайдер из предварительного ускорителя SPS — протонного суперсинхротрона, который их формирует, а затем впрыскивает в специальный отсек БАК. Внутри коллайдера протоны начинают циркулировать в противоположных направлениях по двум вакуумным трубам. По мере своего движения они пролетают через следующие установки ускорительного кольца:

• Ускорительная секция. Протонные пучки впрыскиваются в БАК на энергии 0,45 ТэВ и ускоряются до 7 ТэВ уже внутри коллайдера. С каждым новым оборотом через ускорительную секцию протоны получают дополнительную энергию.
• Система сброса пучка. Эта установка останавливает и выводит из БАК протонный пучок, если он отклоняется от заданной траектории.
• Чистка пучка. По мере движения протонного пучка по вакуумной трубе некоторые его частицы могут отклониться. Система очистки пучка отсекает их, не задевая основную часть пучка.
• Детекторы. Основная задача этих установок — зафиксировать результат взаимодействия частиц и передать соответствующую информацию в цифровом виде в центр управления ЦЕРН.

Устройство БАК (на схеме обозначен как LHC — Large Hadron Collider

Анатолий Сидорин:

«Детектор — это огромное количество электроники, по сигналам которой можно отследить сорта частиц, образованные при столкновении пучков протонов, а также их параметры: энергию, направление движения и так далее.

Все данные получаются в виде потока информации — около 20 Гб в секунду. Такой объем информации просто так сохранить невозможно, поэтому есть дополнительная сортировка. Из всего объема информации, которая идет от электроники детектора, отбираются только те сигналы, по которым можно реконструировать события — возникновение частиц.

Дальше вся информация записывается на диск. Полный объем данных, поступающий с Большого адронного коллайдера, хранится в вычислительном центре ЦЕРН. Есть еще 12 центров более низкого уровня, на которых размещены резервные фрагменты этих данных, например у нас, в Дубне. То есть данные распределяются по всему миру».

Для того чтобы удерживать протонные пучки внутри ускорителя, на них необходимо воздействовать магнитным полем. Для этого на Большом адронном коллайдере установлено несколько тысяч мощных магнитов.

Один из поворотных магнитов спускают в шахту для установки на БАК (Фото: home.cern)

Кто обслуживает Большой адронный коллайдер

Все органы управления БАК находятся в центре управления ЦЕРН. В постоянном штате примерно 1,5 тыс. человек: инженерный научный персонал, который обеспечивает работу ускорительного комплекса, сотрудники, занимающиеся развитием, ремонтом и модернизацией установки и так далее.

Другая категория сотрудников на БАК — приглашенные группы ученых, которые проводят эксперименты. Они приезжают на определенное время и изучают данные, полученные с детектора. Помимо этого, физики из других стран помогают контролировать работу БАК: выходят на смены и следят за его приборами и системами.

Большой адронный коллайдер работает круглосуточно — выключать его нельзя. Это связано с тем, что он постоянно потребляет большое количество энергии, в основном на поддержание низкой температуры. Наблюдать за коллайдером тоже нужно постоянно, поэтому сутки разделены минимум на три рабочие смены.

Что открыли на Большом адронном коллайдере

На сегодняшний день бозон Хиггса — единственное открытие, сделанное на Большом адронном коллайдере. Эта элементарная частица была необходима ученым, чтобы объяснить нарушение электрослабой симметрии, в результате которой другие частицы, которые изначально ничего не весили, приобрели массу.

Чтобы объяснить нарушение симметрии, в 1970-х годах Питер Хиггс и еще несколько ученых выдвинули теорию, согласно которой Вселенную пронизывает некое поле, при взаимодействии с которым частицы приобретают массу. Позже его назвали полем Хиггса. Для подтверждения теории ученым нужно было найти и доказать существование бозона Хиггса — основы материи поля Хиггса.

Несколько десятков лет Франсуа Энглерт и Питер Хиггс путем экспериментов пытались обнаружить бозон Хиггса, но все было безрезультатно. Эту частицу сложно увидеть, потому что она нестабильна, а появившись, сразу распадается — нужно было мощное оборудование, которое сможет запечатлеть следы ее распада. Однако с помощью экспериментов на электрон-позитронном коллайдере ученые смогли определить примерную массу бозона Хиггса, что значительно облегчило поиски.

Работы были продолжены на Большом адронном коллайдере, и в 2012 году экспериментаторы объявили, что каждый из них наблюдал новую частицу, которая своей массой и другими признаками похожа на бозон Хиггса. В 2013 году находку ученых официально признали, а Франсуа Энглерт и Питер Хиггс получили Нобелевскую премию за свои открытия.

Почему люди боятся Большого адронного коллайдера

БАК и микроскопические черные дыры

Согласно одной из теорий, во время столкновения протонов на Большом адронном коллайдере могут появиться черные дыры. Если они окажутся стабильными и не распадутся, то попадут в центр Земли, поглотят ее материю и разрушат планету. Начало этим предположениям положил гаваец Уолтер Вагнер — он подал иск с требованием остановить строительство БАК и провести дополнительные тесты, чтобы доказать безопасность установки. После суда стали переживать и остальные. Так, группа неизвестных угрожала расправой ученым, которые работали над БАК.

Но устрашающий сценарий невозможен. То, что происходит в БАК, также происходит в природе, только в гораздо больших масштабах и на огромных мощностях. А значит, микроскопические черные дыры уже давно бы возникли. Кроме того, согласно теории относительности Эйнштейна, микроскопические черные дыры не могут возникнуть на БАК, потому что частицы, которые могли бы их образовывать, моментально распадаются.

Анатолий Сидорин:

«Если микроскопические черные дыры найдут на Большом адронном коллайдере, это будет революция в науке. Какова их судьба? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно вспомнить механизм Хокинга, описывающий принцип испарения черной дыры: чем меньше масса черной дыры, тем быстрее она исчезает. Микроскопическая черная дыра будет жить микроскопическое время — после появления она тут же испарится».

БАК и страпельки

Последователи другой теории предполагают, что во время работы БАК могут появиться страпельки — часть странной материи, которая состоит из странных кварков. Если эти частицы попадут в обычную материю, то начнется цепная реакция и вся планета превратится в комок странной материи, непригодный для жизни.

Осложняется все тем, что странная материя до сих пор плохо изучена и никто из ученых не может сказать, как она себя поведет (отсюда и ее название).

Однако многолетние эксперименты показали, что за все время работы БАК в нем не возникло ни одной страпельки. Найти эти части пытались и физики из Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке на другом коллайдере, но поиски, которые начались еще в 2000 году, на сегодняшний день не дали результатов.

БАК и магнитные монополи

Магнитные монополи — гипотетически существующие частицы с одним магнитным зарядом: либо северным, либо южным. Согласно некоторым теориям, если эти элементы действительно существуют, они могут вызвать распад протонов — одних из основных частиц материи — и, как следствие, разрушение материи и мира.

Люди опасаются, что в БАК могут производиться магнитные монополи. Но это не так: специалисты ЦЕРН доказали, что если монополи и существуют, они имеют слишком большую массу — даже для БАК. Но даже имея подходящий для ускорителя вес, они уже давно бы появились: космические лучи, попадающие в атмосферу Земли, произвели бы их намного раньше.

Анатолий Сидорин:

«Мифы о Большом адронном коллайдере возникают из-за гипертрофированного антропоцентризма. Многие думают, что человек — самая мощная сила на планете, и он может уничтожить планету. На самом деле это не так.

Все ускорители, которые работают на текущий момент, производят в тысячи, если не в миллионы раз меньше событий, чем космическое излучение, падающее на Землю. Все, что делают коллайдеры, происходит со значительно большей частотой в течение всего времени существования планеты в атмосфере и на поверхности земли.

Поэтому все мифы о том, что во время работы коллайдера может возникнуть что-то, что уничтожит землю, — это просто переоценка возможностей человечества, оно не обладает такими способностями».

Будущее Большого адронного коллайдера

Большой адронный коллайдер отработал на первоначальных настройках и в 2018 году был приостановлен. Сделано это для того, чтобы повысить его светимость, то есть увеличить производительность в 10 раз. Это поможет БАК обнаруживать больше эпизодов возникновения новых частиц.

В режиме повышенной светимости Большой адронный коллайдер отработает примерно до 2040 года — дата сдвигается из-за пандемии коронавируса и задержки реализации проекта. К этому времени ускоритель наберет достаточный объем данных по бозону Хиггса, а после еще минимум 50 лет ученые будут их обрабатывать.

После того как БАК соберет все данные, он будет приостановлен, а ЦЕРН начнет строить новый циклический коллайдер — Future Circular Collider. Предполагается, что эта экспериментальная установка будет длиной примерно 100 км, а по энергии столкновений частиц будет превосходить БАК минимум в 7 раз. А Большой адронный коллайдер, в свою очередь, начнет выполнять функцию инжектора и «впрыскивать» пучки частиц в новую экспериментальную установку.

для чего нужен Большой адронный коллайдер

Некоторые называют Большой адронный коллайдер величайшим творением человечества, а другие не понимают, зачем тратить бездну усилий и миллиарды долларов на изучение элементарных частиц. Сотрудник Лаборатории физики сверхвысоких энергий СПбГУ, победитель Science Slam, создатель паблика «ЦЕРНач» Андрей Серяков объясняет, как одно устройство может решить десятки проблем — от загадки происхождения Вселенной до удаления раковой опухоли из мозга.

Читайте «Хайтек» в

Что такое коллайдер?

Когда люди говорят о Большом адронном коллайдере (БАК), первое, что приходит им в голову, — то, что это самый крупный эксперимент в истории человечества. Ведь это 27-километровое кольцо в предгорье швейцарских альп. На картинке ниже — то, как он выглядел бы на поверхности. Но на самом деле это кольцо, опущенное в туннель от 50 до 150 м под землей.

Территория, которую занимает БАК

Устройство ускоряет протоны и ядра свинца до скоростей лишь на несколько метров в секунду меньше скорости света. Обладая такой скоростью, протон преодолевает эти 27 км 10 000 раз в секунду. Потом он их сталкивает — внутри устройства частицы вращаются как по часовой, так и против часовой стрелки. В четырех точках эти пучки пересекаются и происходит столкновение, достигается огромная температура и мы исследуем, как Вселенная вела себя в первые минуты после Большого взрыва.

Другой интересный факт про БАК — там зарегистрирована самая высокая температура в истории человечества. Это примерно 40 тыс. млрд ​​градусов Цельсия. Именно такая температура достигается в момент столкновения частиц с огромной энергией. И если рассматривать то, как развивалась Вселенная, — это будет соответствовать первым микросекундам после Большого взрыва.

Одновременно с этим в коллайдере — самая низкая температура во Вселенной. Например, в Антарктиде зарегистрирована температура –95 °C, в открытом космосе –270 °C. А температура жидкого гелия внутри адронного коллайдера –273,3 °C. Она нужна для того, чтобы магниты, из которых состоит 27-километровое кольцо, находились в состоянии сверхпроводимости. Чтобы можно было пропускать огромное количество тока, но все работало и не перегревалось.

Сколько энергии потребляет коллайдер?

ЦЕРН потребляет столько же энергии, сколько весь кантон Женевы, там живет примерно 50 тыс. жителей. На Большом адронном коллайдере же трудились примерно 15 тыс. инженеров и ученых со всего мира.

Это самый дорогой наземный эксперимент человечества. Его обгоняет только МКС, которая в несколько раз дороже, но расходы на этот проект объясняется тем, что доставка в космос очень дорогая. Если сравнивать с обыденными вещами, то за стоимость коллайдера можно было построить 20 «Самара Арен» или 6 «Газпром Арен». При этом коллайдер — работающая вещь, поэтому стоимость растет во время эксплуатации.

Если такие примеры тоже сложно воспринимать, то вот еще один пример. Если стоимость адронного коллайдера разделить на цену «Роллтона» на 2016 год, то из этого количества упаковок можно построить 13 башен, которые дотянутся до Луны.

Зачем это нужно?

Чтобы объяснить важность адронного коллайдера, сначала обратимся к тому, из чего мы состоим как материя и что нас окружает. Все это состоит из атомов, сверхплотного вещества внутри атома и электронов. На картинке, по которой мы привыкли изучать эти структуры в школе, есть большая ошибка. Дело в масштабе: представьте, что атомное ядро размером с ноготь на большом пальце. Тогда электрон должен вращаться от него на расстоянии 100 км. То есть мы все — пустое место.

Но почему атом не разваливается, почему все, из чего мы состоим, не распадается? Все дело в электромагнитных взаимодействиях: если есть два одноименных заряда, — они отталкиваются, если два разноименных, — они притягивается. Но почему? С точки зрения современной физики эти притяжения и отталкивания объясняются обменом другими частицами. Поэтому мы не распадаемся: потому что электронная оболочка и атомы, которые взаимодействуют с другими атомами и обмениваются фотонами, они связаны.

Структура атома

Атом состоит из электронов и ядра, которые обмениваются фотонами, поэтому они связаны вместе. А ядро — из нейтронов и протонов. А почему ядро не разваливается? Потому что протоны положительно заряжены и отталкиваются, а нейтроны не заряжены. Значит, у них тоже есть какое-то взаимодействие в пределах ядра, — оно называется сильным. Сильное взаимодействие — это обмен глюонами. На картинке ниже представлены все виды взаимодействия, которые существуют в принципе.

Обведенное — это та материя, из которой мы состоим. Протоны и нейтроны состоят из двух типов кварков. Они связаны между собой гелионами — голубые буквы. Они образовали протоны и нейтроны, потом на них надо нацепить электроны, они цепляются с помощью фотонов. А еще есть частицы нейтрино, даже через палец моей руки проходят миллиарды частиц в секунду. Чтобы их поймать строят огромные детекторы элементарных частиц. Например, один из них находится в Японии — это огромная шахта, заполненная водой, где нейтрино можно ловить поштучно.

Есть и другие типы частиц, которые нас не окружают в том, что они нестабильные, короткоживущие и тяжелее, не распадаются на более легкие частицы.

Из чего состоит все вокруг

Как работает энергия?

Чтобы понимать работу БАК, также нужно знать, как работает энергия. В школьной программе объясняется, что тело обладает энергией, когда может совершать работу. Я бы сказал, что тело обладает энергией, когда оно может что-то сделать. Например, если я уроню предмет, то, падая, он может развалиться — это и есть работа, порвались электромагнитные связи, он обладает потенциальной энергией, когда я его подкину. Еще важно, что есть закон сохранения энергии — если я подкидываю предмет, то даю ему кинетическую энергию, в максимуме она переходит в потенциальную энергию, а потом переходит назад.

Тепловая энергия — это тоже кинетическая энергия. Если потереть руку — она станет теплее, то есть кинетическая энергия передается в тепловую, молекула начинает двигаться быстрее и тем самым кинетическая энергия переходит опять же в кинетическую энергию молекул моей руки.  

Но потом пришел Эйнштейн и с помощью своей знаменитой формулы сказал, что масса — это энергия. Это открыло огромные возможности, оказалось, что кинетическую энергию можно перегонять в энергию массы и обратно. Если мы разгоним частицы до огромных энергий и столкнем их, то запасенная кинетическая энергия может перейти в рождение новых частиц. Так и устроен адронный коллайдер.

Ускорители нужны именно поэтому: там разгоняют частицы протонов до кинетической энергии, которая в 10 тыс. раз выше, чем его энергия массы и в момент столкновения рождаются новые частицы, которые нас не окружают. Поэтому с точки зрения физиков БАК нужен, чтобы создавать новые частицы. Например, Бозон Хиггса именно так и был открыт.

Что делает коллайдер?

Для того, чтобы разогнать частицы, там используются радиочастотные резонаторы. В 27-километровом ускорителе в двух местах стоят резонаторы, постоянно меняется электрическое поле, частица пролетает, получает «пинок», пролетает еще 27 км, затем снова получает «пинок» и так далее. Она летает почти со скоростью света, поэтому этот процесс происходит 10 тыс. раз в секунду. Даже двигаясь несколько минут, она уже получает огромную энергию. 

При этом нужны магниты, которые удерживают частицы в окружности. Размер коллайдера зависит от магнитов. Если бы мы могли сделать более мощный магнит, устройство было бы меньше. Но есть еще одна причина, почему нам нужны магниты. Ведь пучок состоит из протонов, которые отталкиваются друг от друга, и их нужно сфокусировать, чтобы произошло как можно больше столкновений.

Так устроен БАК — там разгоняют сотни известных частиц, чтобы получить одну новую. Она проживает очень маленький промежуток времени, разваливается на частицы, которые разлетаются в разные стороны со скоростью света. Но как зафиксировать новую частицу, если она так мало живет?

Как зафиксировать открытие?

Для фиксации ученым нужен очень хороший фотоаппарат. В этой роли используется огромный детектор элементарных частиц, он снимает каждое столкновение протонов и ядер свинца. На БАК таких детекторов четыре. Один из них, ALICE, весит 10 тыс. тонн, как Эйфелева башня. Самый тяжелый детектор — CMS, его масса около 18 тыс. тонн, и именно он открыл Бозон Хиггса.

Детектор CMS

Вот так выглядит снимок столкновения протонов на Большом адронном коллайдере. Каждая линия здесь — это след рожденной частицы. Это реальная фотография, слева можно увидеть, что он сделан 4 июля 2016 года в 16 часов 18 минут 25 секунд. Таких столкновений происходит до 100 млн в секунду.

Как сделать открытие?

Для простоты допустим, что есть новая частица, которая распадается на известные нам частицы. Например, когда искали Бозон Хиггса, ученые уже предполагали, что он должен распадаться на два фотона. Это означает, что детектор должен не просто понимать, куда и с какой траекторией разлетелись частицы, но и какими они были.

Этим обусловлены размеры детектора и их структура — это так называемая структура матрешки. Первые слои детекторов — пиксельные, по технологии они похожи на пиксели, которые есть в камерах смартфонов, но они ловят не фотоны, а частицы. Допустим, заряженная частица пролетает и пиксели зажигаются — потом можно увидеть их траекторию, а если следа нет, значит, частица была незаряженной.

Структура БАК

Затем идут калориметр, который уничтожает частицы, после чего остаются «ливни», по их размеру можно определить энергию частицы. А по траектории можно понять импульс протона, калибраторы могут определить их энергию, после этого можно понять массу частиц.

Как появился Бозон Хиггса?

Представим, что есть столкновение, в котором рождаются только фотоны. Значит, мы можем ловить их, и они будут появляться в разных процессах.

Теперь предполагаем, что в этих же процессах очень редко рождается Бозон Хиггса. Он обладает массой, распадается на два фотона, и в этом процессе должен соблюдаться закон сохранения импульса и энергии. Как эти два фотона будут отличаться от фотонов, которые появляются в других процессах? Законами сохранения — Бозон Хиггса обладает определенной массой и импульсом. И если мы посчитаем так называемую инвариантную массу, то есть их суммарный импульс и энергию, то сможем посчитать массу бозона.

Но есть огромный фон — миллиард огромных фотонов. Чтобы отделить одни фотоны от других, мы предполагаем, что все они родились из бозонов Хиггса, получаем гладкое распределение и смотрим на неоднородности. Так можно увидеть, что как-то пар фотонов чуть больше, чем других. Значит, именно там родилась частица, которая распадаются на фотоны с конкретными характеристиками. Так и выглядит открытие бозона Хиггса.

Как ловят уникальные фотоны

Для чего еще нужен БАК?

Во Вселенной еще много неизвестных процессов, чьи принципы работы нам непонятны. Например, Вселенная существует, а, согласно современным теориям, количество материи и антиматерии должно быть одинаковым. Если в столкновении частиц на коллайдере родилось пять кварков, то родилось и пять антикварков. Но если бы это выполнялось и после Большого взрыва, — нас не должно было существовать, Вселенная была бы пустой, наполненной фотонами.

Есть другая цель — заглянуть в прошлое Вселенной. Скорость света ограничена, и когда мы смотрим в телескоп, то видим галактики в прошлом. Но у метода есть предел — 400 тыс. лет после Большого взрыва, когда Вселенная была непрозрачной. Единственный способ туда заглянуть — это ускорители элементарных частиц.

Из чего состоит Вселенная

Перед учеными стоят и другие задачи — например, определить состав Вселенных, которые нас окружают. На этот вопрос тоже пытается ответить БАК, есть фабрика производства антиматерии, где ученые роняют антиатомы и смотрят, как они падают, и смотрят как на них влияет гравитация. Или сталкивают частицы, чтобы попробовать создать частицу антиматерии. Но для этого надо апгрейдить БАК, чтобы он производил еще больше столкновений.

Сейчас обсуждается строительство 100-километрового коллайдера в ЦЕРН, его энергия будет в 10 раз выше, чем на современном коллайдере. Он будет называться Future Circular Collider, циркулярный коллайдер будущего. Он должен появиться в 2050-е годы. Бюджет проекта — $20 млрд.

Для чего БАК нужен не физикам?

У большинства этих исследований нет практического применения. Но все, что там делается, — происходит впервые, поэтому это данные для неожиданных открытий. В будущем они могут стать технологиями, которыми мы пользуемся — например, интернет придумали в ЦЕРНе 30 лет назад, там же загрузили первую гифку.

Из-за ускорителей, например, сделали первую систему GRID — это сеть вычислительных мощностей по всей планете. Она нужна была для хранения огромного количества данных, которые коллайдер производит каждую секунду.

В начале 70-х в ЦЕРНе придумали сенсорный экран. Но пришлось потратить еще 40 лет, прежде чем вышел первый айфон и сделал революцию в обыденности.

Первый тачскрин и его изобретатель — Бент Стумпе

Есть много медицинских технологий, которые изначально придумали для ускорителей. Например, ПЭТ — метод, которым, например обнаруживают раковые опухоли. По факту, это детектор элементарных частиц, куда засовывают человека, впрыскивают малую дозу радиоактивного вещества, из раковой опухоли начинают вылетать фотоны, которые дают понять, что у человека опухоль. Или есть специальная методика по удалению раковых опухолей — адронная терапия. Где с помощью пучка удаляют опухоль, до которой сложно добраться хирургически.

Так что ответ на этот вопрос о том, зачем нужен БАК, зависит от того, у кого вы спросите. С его помощью можно узнать, как устроена Вселенная, политик скажет, что с его помощью можно развивать науку, а экономист — что он может приносить прибыль.

---

Читать далее:

Физики нашли универсальные «часы» в космосе: они точнее атомных

Археологи нашли рисунки жутких людей с огромными головами: кем они были

Телескоп «Джеймс Уэбб» сделал первый снимок Юпитера: на нем сразу 9 двигающихся целей

Зачем нужны работы на Большом адронном коллайдере?

###1###Что такое масса?
Масса – одно из самых сложных понятий в физике. И то, что ее определение вводится в школьном учебнике в самом начале курса физики, мало что меняет. Это и мера энергии, и мера инертности: есть масса гравитационная и инертная. В макромире масса аддитивна – это значит, что если гирю весом 32 кг распилить пополам, то получится два куска по 16 кг. А вот в мире элементарных частиц масса не аддитивна – при распаде частицы на две другие сумма их масс может быть меньше массы исходной частицы. Куда же «пропадает» масса? Она переходит в энергию движения осколков. Получается, что часть массы просто исчезает, а на ее месте возникает энергия. В этом и заключается принцип эквивалентности массы и энергии, впервые полученный Альбертом Эйнштейном и выраженный им в виде знаменитой формулы E = mc².

Можно пойти даже дальше и задать вопрос:

если масса и энергия эквивалентны, то, может быть, существует что-то, у чего вообще нет массы, а есть только энергия?

Казалось бы, это нарушает все наши обыденные представления. Можно попытаться представить себе стул или стол с очень маленькой массой, например с массой в 1 кг или 0,5 кг, или даже с массой в одну тысячную долю грамма. Но как представить себе стол или стул, у которых масса отсутствует вообще? Оказывается, такие объекты присутствуют в микромире, среди элементарных частиц. Один из самых известных примеров — это фотон, частица — переносчик электромагнитных взаимодействий.

Существуют и другие частицы с нулевой массой. Долгое время ученые не знали, есть ли масса у нейтрино. Нейтрино – это еще одна элементарная частица, основным отличительным свойством которой является очень маленькое сечение взаимодействия. Что это значит? Представьте себе мячик, который вы кидаете в стену. Ударившись, мячик отскочит обратно. А вот нейтрино проскочит сквозь стену, даже не заметив ее. Более того, нейтрино пролетает насквозь через весь земной шар, а для того, чтобы оно ударилось в преграду из железа, размер этой преграды должен быть от Солнца до Юпитера. Каждую секунду через тело каждого человека на Земле проходит порядка 10¹⁴ нейтрино, испущенных Солнцем. При этом вероятность того, что хотя бы одно из них ударится в человека на протяжении всей его жизни, стремится к нулю.

Регистрировать нейтрино по тем же причинам чрезвычайно сложно. Теоретически существование нейтрино предсказал в 1930 году великий немецкий физик Вольфганг Паули, пытаясь объяснить парадокс «несохранения энергии» при b-распаде. Тогда же, однако, он заключил пари, что нейтрино никогда не откроют экспериментально, – и проиграл: первые экспериментальные доказательства существования нейтрино появились в 1956 году, еще при жизни ученого.

Как же объясняет понятие массы современная квантовая теория? Согласно ее представлением,

масса – это сила взаимодействия частиц с полем хиггсовского бозона.

То есть экспериментальное обнаружение этого бозона позволит однозначно определить природу важнейшей фундаментальной характеристики объектов Вселенной – массы. Эту задачу планируют решить два крупнейших эксперимента БАК – CMS и ATLAS.+++
###2###Проблема антиматерии

Якобы страшно опасная, антиматерия известна широкому читателю по пугающим рассказам из книги Дэна Брауна «Ангелы и демоны». Давайте разберемся, что там сказка, а что не совсем. Античастицы – «двойники» обычных частиц, имеющие такую же массу и спин. Однако некоторые другие квантовые характеристики античастиц противоположны по своему значению тем же характеристикам частиц, например электрический заряд. При столкновении античастицы и частицы обе они исчезают и происходит выделение большого количества энергии – фотонов (частиц с совершенно нулевой массой), как и предрекает нам Дэн Браун.

В своей книге Дэн Браун описывает, что из CERN украден небольшой кусочек антивещества, с помощью которого злоумышленники собираются взорвать Ватикан. Но так ли опасно антивещество на самом деле? Да, автор действительно не преувеличил.

Кусочка антивещества массой всего один грамм было бы достаточно, чтобы произвести взрыв, сравнимый со взрывом ядерной бомбы над Хиросимой.

Теоретически существование антивещества (материи, состоящий из античастиц) предсказал в 1928 году английский физик Поль Дирак, один из создателей квантовой теории. Вскоре частицы антиматерии удалось наблюдать экспериментально: в 1932 году позитрон (античастица для электрона) был открыт в космических лучах, в 1955 году был получен антипротон, в 1956-м – антинейтрон, в 1965-м – антидейтрон, а в 1995 году даже атом антиводорода.

Сейчас в CERN каждый год производятся миллиарды атомов антивещества. Не угрожает ли такое производство человечеству? Хватит ли этого, чтобы взорвать Ватикан? Ответ на этот вопрос отрицательный. Дело в том, что даже в грамме вещества (антивещества) содержится около 1.000.000.000.000.000 миллиардов частиц вещества (антивещества). Таким образом, для того чтобы произвести грамм антивещества, нам потребуется время, большее времени жизни Вселенной.

Визуально антиматерия неотличима от материи. То есть, если бы мы могли встретить своего двойника, состоящего из античастиц, мы не заметили бы никакой разницы до тех пор, пока не прикоснулись бы друг к другу.

Но если бы вы вдруг решили пожать своему двойнику руку, то произошел бы взрыв, который уничтожил бы не только вас, но и Землю.

На Земле антивещества в больших количествах нет. Античастицы могут рождаться на земле либо в ходе научных экспериментов, либо в результате естественных процессов, например при взаимодействии высокоэнергичных частиц космического излучения с атмосферой. При этом античастицы обычно живут лишь считанные доли секунды, тут же аннигилируя с веществом. Но есть ли антивещество во Вселенной? Может быть, где-то существуют целые галактики, состоящие из антивещества? Ответ на этот вопрос начал интересовать ученых сразу же после открытия антивещества. Начались поиски. Сначала они проходили в непосредственной близости от Земли. Считалось даже, что Тунгусский метеорит – это кусочек антиматерии, случайно залетевший на землю из космоса. В пользу этой гипотезы говорило то, что осколки метеорита так и не были найдены. Как будто антивещество, ударившись о Землю, полностью аннигилировало с веществом Земли. Однако по мере развития астрофизики стало понятно, что антивещества в ближайших от Земли окрестностях нет. Сейчас поиски продолжаются в отдаленных уголках Вселенной. Однако пока они не дали положительного результата, и большинство ученых считает, что антивещества в больших количествах во Вселенной не существует.

Куда же делось антивещество? Современные модели эволюции Вселенной предполагают, что сразу после Большого взрыва во Вселенной родилось одинаковое количество вещества и антивещества. Несмотря на это, в последовавшем процессе аннигиляции вещество и антивещество не были взаимно уничтожены.

Проведенные оценки показывают, что из каждых 10.000.000.000 частиц вещества и антивещества выжила лишь одна частица вещества.

Таким образом, весь наш современный мир представляет собой лишь жалкие остатки того грандиозного процесса аннигиляции.

Указанный феномен носит название барионной асимметрии Вселенной. Но почему уцелело вещество, а не антивещество? Долгое время это оставалось загадкой. В 1967 году Сахаров сформулировал три условия, выполнение которых было необходимо для объяснения барионной асимметрии. Одно из этих условий требует сильного нарушения так называемой CP-симметрии, механизм которого в настоящий момент не совсем понятен. С помощью экспериментов на БАК можно будет лучше разобраться в этом вопросе. +++
###3###Суперсимметрия и энергетический баланс Вселенной
В настоящий момент наиболее полное описание существующего мира дается в рамках так называемой Стандартной модели. Это теоретическая модель, придуманная более 40 лет тому назад. В течение всего времени, прошедшего с ее создания, эта модель великолепно подтверждалась всеми доступными экспериментальными данными. Однако у ученых существуют веские основания предполагать, что эта модель неполна. В результате предлагаются новые теории. Одной из наиболее популярных теорий является модель суперсимметрии. В рамках этой модели предполагается, что каждая элементарная частица имеет не только соответствующую ей античастицу, но и «теневого» суперсимметричного партнера, заметно большего по массе, чем сама частица. Пожалуй, самым интересным свойством суперсимметричных частиц является то, что они очень слабо взаимодействуют с окружающим нас миром.

Если на секундочку предположить, что человеческая рука сделана не из привычного нам вещества, а из частиц-суперпартнеров, то, попытавшись ударить по столу, мы бы обнаружили удивительную вещь: вместо того чтобы удариться о стол, рука прошла бы его насквозь, даже не заметив.

Есть ли у ученых какие-то основания предполагать, что эта теория имеет отношение к реальности? Да, такие основания имеются. Берутся они из астрофизических наблюдений.

Например, наблюдая за вращением галактик вокруг своей оси, ученые обнаружили, что скорость вращения остается постоянной, а не падает по направлению к краям галактик, как должно было бы быть, если бы галактики состояли только из привычной для нас материи. Как будто внутри галактик существует какая-то дополнительная «темная материя», взаимодействующая с обычным веществом только посредством гравитации. Суперсимметричные частицы являются одними из наиболее подходящих кандидатов на роль такой материи.

Любопытно, что, по оценкам ученых, обычная материя составляет всего 5% от общего энергетического баланса Вселенной. 30% приходится на темную материю, а оставшиеся 65% составляет так называемая «темная энергия».

Эта загадочная субстанция была открыта чуть больше десяти лет назад. До этого ученым было известно, что наша Вселенная расширяется, но считалось, что скорость расширения постоянно уменьшается. Рассматривался даже гипотетический конец Вселенной, когда расширение, все время замедляясь, сменилось бы сжатием. И через много миллиардов лет Вселенная снова бы сжалась в точку, как было во времена Большого взрыва. Однако в 1998 году ученые с удивлением обнаружили, что скорость расширения Вселенной не только не уменьшается, но и, наоборот, постоянно увеличивается. Это ускорение приписали существованию «темной энергии». Однако, какова природа этой энергии, до сих пор остается загадкой.

Вполне возможно, что о существовании суперсимметричных частиц мы узнаем совсем скоро. Ведь их поиск является одной из основных задач экспериментов на БАК. Прояснение природы темной энергии представляет собой более сложный вопрос, и пока непонятно, смогут ли эксперименты, проводимые на БАК, помочь нам в раскрытии этой загадки.+++
###4###Дополнительные измерения и черные дыры
Согласно современным представлениям, наш мир трехмерен. Кроме того, существует дополнительная координата – время. Однако гипотезу о существовании возможных дополнительных измерений, бывшую раньше уделом фантастов, теперь всерьез рассматривают ученые. Возможно, существует четвертое пространственное измерение, а в нем – миры, аналогичные нашему.

С этой проблемой тесно связана и проблема черных дыр, и одна из «претензий» к экспериментам на БАК.

Из школьного курса физики известно, что сила гравитационного притяжения между двумя телами определяется законом F = G m₁m₂/r² .

Экспериментально было проверено, что этот закон работает и тогда, когда расстояния между объектами измеряются астрономическими масштабами, и тогда, когда объекты находятся на расстоянии нескольких долей миллиметра друг от друга. Но как ведет себя сила гравитационного притяжения на меньших расстояниях? Пока ответа на этот вопрос нет.

В некоторых теориях с дополнительными измерениями предполагается, что на сверхмалых расстояниях закон всемирного тяготения сильно нарушается.

Это может привести к рождению на БАК небольших черных дыр. Не опасно ли это?

Могут ли микроскопические черные дыры, образующиеся, согласно некоторым теоретическим моделям, при работе коллайдера, уничтожить Землю? Ответ на этот вопрос – нет!

Даже если эти черные дыры появятся, они будут испаряться за время менее 10^-27 секунды и просто не успеют хоть что-то поглотить. Кроме того, в космических лучах, постоянно бомбардирующих Землю, встречаются частицы с энергией, большей, чем будет получена на БАК (однако вероятность таких событий слишком мала для наблюдений, поэтому ученые строят ускорители).+++
###5###Устройство БАК
Большой адронный коллайдер (БАК) – кольцевой ускоритель длиной 27 км, расположенный на глубине 100 м под землей. В ускорителе разгоняются два пучка протонов в противоположных направлениях. В каждом из пучков содержится 3×10¹⁴ протонов, ускоряемых до энергии 7 терраэлектронвольт. Много это или мало? На первый взгляд, цифра 3×10¹⁴ кажется колоссальной. Однако если посчитать суммарную массу такого количества протонов, то окажется, что она составляет всего пять десятимиллиардных долей грамма. Даже человеческий волос покажется гигантом по сравнению с такой величиной.

Однако такое ничтожное количество материи несет на себе энергию, сравнимую с энергией 400-тонного поезда, движущегося со скоростью 150 км/час.

Существуют четыре точки, в которых пучки сталкиваются. В каждой из этих точек расположено по большой экспериментальной установке, задача которых — разобраться в том, что же происходит в результате столкновений. Вот названия установок: CMS (Compact Muon Solenoid), ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), LHCb (LHC «beauty» experiment) и ALICE (A Large Ion Collider Experiment). CMS и ATLAS – две большие установки, основной задачей которых является открытие хиггсовского бозона и поиск «новой физики» — физических явлений, лежащих за пределами современной Стандартной модели. Установка LHCb прояснит возможную природу барионной асимметрии нашей Вселенной, то есть ответит на вопросы, почему во Вселенной осталось только вещество и куда делось антивещество. А задачей детектора ALICE является изучение кварк-глюонной плазмы – состояния материи, которое, как предполагается, существовало во Вселенной только в первые мгновения после Большого взрыва.

Название установки CMS переводится на русский язык как «компактный мюонный соленоид». На первый взгляд, оно может показаться странным: ну какой же он компактный, ведь высота и длина установки составляют 15 и 21 м соответственно. Однако CMS и вправду маловат по сравнению с его прямым конкурентом – детектором ATLAS, длина которого составляет 46 м, а высота 25 м, что сравнимо с высотой 10-этажного здания.

Детектор ATLAS является крупнейшим в мире невоенным подземным сооружением.

Несмотря на свои «скромные» размеры, CMS – самая тяжелая изо всех экспериментальных установок: её масса составляет 12,5 тысяч тонн – это вес 2,5 тысяч слонов, 30 больших самолетов или двух Эйфелевых башен. +++
###6###О практической пользе фундаментальных исследований
Во-первых, практическая польза всякого фундаментального исследования проявляется с годами. Всем известен пример Булевой алгебры, которая была разработана как изящная игра мысли, а впоследствии легла в основу работы компьютеров, без которых немыслим современный мир. Известна и история Майкла Фарадея. Когда Уильям Гладстоун, канцлер казначейства Великобритании, в 1850 году, осматривая его лабораторию, задал ему вопрос о практической пользе электричества, Фарадей ответил:

«Пока не знаю, но однажды, сэр, вы обложите его налогом…»

Даже чисто научные инструменты, изначально создаваемые исключительно для нужд ученых, часто со временем находят практическое применение. Так, ускорители, придуманные более 80 лет тому назад, сначала были лишь инструментом исследований и не предполагали какого-либо практического применения. Сейчас ускорители широко используются в технике и медицине.

Аналогично протонная терапия, основанная на облучении раковой опухоли протонами, разогнанными в ускорителе, оказалась очень эффективной и безопасной для лечения ряда сложных видов рака. Этот вид терапии незаменим при раке у детей и при локализованных видах опухолей. Дело в том, что если лучевая терапия затрагивает не только клетки опухоли, но и всю окружающую ткань, то протонная терапия позволяет осуществлять точечное воздействие. Она не поражает клетки развивающегося детского организма — здоровые клетки, соседствующие с клетками локализованной раковой опухоли. Кроме того, протонная терапия незаменима и при некоторых специфических локализованных видах рака, например раке глазного яблока. Раньше единственным средством борьбы с этим видом рака была ампутация глаза. С помощью же протонной терапии излечивается 100% больных, но ампутация не требуется.

Применение в современной технике нашло даже антивещество!

Да, вы не ослышались! Использование антивещества – это не только удел писателей-фантастов и их романов о далеком будущем. Антивещество используется уже сейчас. С помощью антивещества проводится позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ). Этот вид томографии на данный момент позволяет получить наиболее детальные изображения человеческого тела.
Метод основан на регистрации пары гамма-квантов, возникающих при аннигиляции позитронов (напомним, что позитроны – это античастицы для электронов). Позитроны возникают при позитронном бета-распаде радионуклида, входящего в состав радиофармпрепарата, который вводится в организм перед исследованием. ПЭТ позволяет проводить комплексное исследование организма больного при низкой дозовой нагрузке на ткани.

Однако наибольшую практическую пользу приносят технологические разработки, создаваемые как побочный продукт научных исследований. Дело в том, что

ни одна частная компания (даже крупная) не может позволить себе тратить деньги на ветер и финансировать разработку технологий, про которые заранее неизвестно, будут ли они коммерчески выгодными или нет.

Такие технологии разрабатываются на деньги государства по заказу научно-исследовательских центров. Если созданная технология оказывается коммерчески выгодной, ее передают частным компаниям. Примеров таких технологий множество.

Однако, пожалуй, самый известный пример – это Web, то есть интернет в том виде, в котором его знаем мы с вами. Он был изобретен в CERN для нужд физиков. Ежегодно во время дня открытых дверей толпы туристов фотографируют посвященную этому памятную табличку, боясь зайти в соседний коридор, – там же должен быть музей? Нет, там до сих пор находятся рабочие кабинеты. Согласитесь, что уже одно это изобретение многократно окупило существование проектов CERN.+++

Адронный коллайдер, для чего он нужен. Что такое коллайдер и зачем он нужен

В 100 метрах под землей, на границе Франции и Швейцарии, расположено устройство, которое способно приоткрыть тайны мироздания. Или, по мнению некоторых, уничтожить всю жизнь на Земле.

Так или иначе, это самая большая машина в мире, и она используется для исследования мельчайших частиц во Вселенной. Это Большой адронный (не андроидный) коллайдер (LHC).

Краткое описание

LHC является частью проекта, который возглавляет Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН). Коллайдер включен в комплекс ускорителей ЦЕРН за пределами Женевы в Швейцарии и используется для разгона пучков протонов и ионов до скорости, приближающейся к скорости света, столкновения частиц друг с другом и записи результирующих событий. Ученые надеются, что это поможет больше узнать о возникновении Вселенной и о ее составе.

Что такое коллайдер (LHC)? Это самый амбициозный и мощный ускоритель частиц, построенный на сегодняшний день. Тысячи ученых из сотен стран сотрудничают и конкурируют друг с другом в поиске новых открытий. Для сбора данных экспериментов предусмотрены 6 участков, расположенные вдоль окружности коллайдера.

Сделанные с его помощью открытия могут стать полезными в будущем, но это не причина его постройки. Цель Большого адронного коллайдера – расширить наши знания о Вселенной. Учитывая, что LHC стоит миллиарды долларов и требует сотрудничества многих стран, отсутствие практического применения может быть неожиданным.

Для чего нужен Адронный коллайдер?

В попытке понять нашу Вселенную, ее функционирование и фактическую структуру, ученые предложили теорию, называемую стандартной моделью. В ней предпринята попытка определить и объяснить фундаментальные частицы, которые делают мир таким, каким он есть. Модель объединяет элементы теории относительности Эйнштейна с квантовой теорией. В ней также учтены 3 из 4 основных сил Вселенной: сильные и слабые ядерные взаимодействия и электромагнетизм. Теория не касается 4-й фундаментальной силы – силы тяжести.

Стандартная модель дала несколько предсказаний о Вселенной, которые согласуются с различными экспериментами. Но есть и другие ее аспекты, которые требовали подтверждения. Один из них – теоретическая частица, называемая бозоном Хиггса.

Его открытие дает ответ на вопросы о массе. Почему материя ею обладает? Ученые идентифицировали частицы, у которых нет массы, например, нейтрино. Почему у одних она есть, а у других – нет? Физики предложили много объяснений.

Самое простое из них – механизм Хиггса. Эта теория гласит, что существует частица и соответствующая ей сила, которая объясняет наличие массы. Ранее она никогда не наблюдалась, поэтому события, создаваемые LHC, должны были либо доказать существование бозона Хиггса, либо дать новую информацию.

Еще один вопрос, которым задаются ученые, связан с зарождением Вселенной. Тогда материя и энергия были одним целым. После их разделения частицы вещества и антиматерии уничтожили друг друга. Если бы количество их было равным, то ничего бы не осталось.

Но, к счастью для нас, во Вселенной материи было больше. Ученые надеются наблюдать антивещество во время работы LHC. Это могло бы помочь понять причину разницы в количестве материи и антиматерии, когда началась Вселенная.

Темная материя

Современное понимание Вселенной предполагает, что пока можно наблюдать лишь около 4% материи, которая должна существовать. Движение галактик и других небесных тел говорит о том, что существует гораздо больше видимого вещества.

Ученые назвали эту неопределенную материю темной. Наблюдаемая и темная материя составляют около 25%. Другие 3/4 исходят от гипотетической темной энергии, которая способствует расширению Вселенной.

Ученые надеются, что их эксперименты либо предоставят дополнительные доказательства существования темной материи и темной энергии, либо подтвердят альтернативную теорию.

Но это лишь верхушка айсберга физики элементарных частиц. Есть еще более экзотические и противоречивые вещи, которые необходимо выявить, для чего и нужен коллайдер.

Большой взрыв в микромасштабах

Сталкивая протоны с достаточно большой скоростью, LHC разбивает их на более мелкие атомные субчастицы. Они очень нестабильны, и до распада или рекомбинации существуют только долю секунды.

Согласно теории Большого взрыва, первоначально из них состояла все материя. По мере расширения и охлаждения Вселенной они объединились в более крупные частицы, такие как протоны и нейтроны.

Необычные теории

Если теоретические частицы, антиматерия и темная энергия, не являются достаточно экзотичными, некоторые ученые считают, что LHC может предоставить доказательства существования других измерений. Принято считать, что мир является четырехмерным (трехмерное пространство и время). Но физики предполагают, что могут существовать и другие измерения, которые люди не могут воспринимать. Например, одна версия теории струн требует наличия не менее 11 измерений.

Адепты этой теории надеются, что LHC предоставит доказательства предлагаемой ими модели Вселенной. По их мнению, фундаментальными строительными кирпичиками являются не частицы, а струны. Они могут быть открытыми или закрытыми, и вибрировать подобно гитарным. Различие в колебаниях делает струны разными. Одни проявляют себя в виде электронов, а другие реализуются как нейтрино.

Что такое коллайдер в цифрах?

LHC представляет собой массивную и мощную конструкцию. Он состоит из 8 секторов, каждый из которых является дугой, ограниченной на каждом конце секцией, называемой «вставкой». Длина окружности коллайдера равна 27 км.

Трубки ускорителя и камеры столкновений находятся на глубине 100 метров под землей. Доступ к ним обеспечивает сервисный туннель с лифтами и лестницами, расположенными в нескольких точках вдоль окружности LHC. ЦЕРН также построил наземные здания, в которых исследователи могут собирать и анализировать данные, генерируемые детекторами коллайдера.

Для управления пучками протонов, движущихся со скоростью равной 99,99% скорости света, используются магниты. Они огромны, весят несколько тонн. В LHC имеется около 9 600 магнитов. Они охлаждаются до 1,9К (-271,25 °C). Это ниже температуры космического пространства.

Протоны внутри коллайдера проходят по трубам со сверхвысоким вакуумом. Это необходимо, чтобы не было частиц, с которыми они могли бы столкнуться до достижения цели. Единственная молекула газа может привести к неудаче эксперимента.

На окружности большого коллайдера есть 6 участков, где инженеры смогут проводить свои эксперименты. Их можно сравнить с микроскопами с цифровой камерой. Некоторые из этих детекторов огромны – ATLAS представляет собой устройство длиной 45 м, высотой 25 м и весом 7 т.

В LHC задействовано около 150 млн датчиков, которые собирают данные и отправляют их в вычислительную сеть. Согласно ЦЕРН объем информации, получаемой во время экспериментов, составляет около 700 МБ/с.

Очевидно, что такому коллайдеру требуется много энергии. Его годовая потребляемая мощность составляет около 800 ГВт∙ч. Она могла быть намного больше, но объект не работает в зимние месяцы. По данным ЦЕРН стоимость энергии составляет порядка 19 млн евро.

Столкновение протонов

Принцип, лежащий в основе физики коллайдера, довольно прост. Сперва производится запуск двух пучков: одного – по часовой стрелке, а второго – против. Оба потока ускоряются до скорости света. Затем их направляют навстречу друг к другу и наблюдают результат.

Оборудование, необходимое для достижения этой цели, намного сложнее. LHC является частью комплекса ЦЕРН. Прежде, чем какие-либо частицы войдут в LHC, они уже проходят ряд шагов.

Во-первых, для получения протонов ученые должны лишить атомы водорода электронов. Затем частицы направляются в установку LINAC 2, которая запускает их в ускоритель PS Booster. Эти машины для ускорения частиц используют переменное электрическое поле. Удерживать пучки помогают поля, создаваемые гигантскими магнитами.

Когда луч достигает нужного энергетического уровня, PS Booster направляет его в суперсинхротрон SPS. Поток ускоряется еще больше и делится на 2808 пучков по 1,1 x 1011 протонов. SPS вводит лучи в LHC по часовой и против часовой стрелки.

Внутри Большого адронного коллайдера протоны продолжают ускоряться в течение 20 минут. На максимальной скорости они совершают 11245 оборотов вокруг LHC каждую секунду. Лучи сходятся на одном из 6 детекторов. При этом происходит 600 млн столкновений в секунду.

Когда сталкиваются 2 протона, они расщепляются на более мелкие частицы, в том числе кварки и глюоны. Кварки очень неустойчивы и распадаются за долю секунды. Детекторы собирают информацию, отслеживая путь субатомных частиц, и направляют ее в вычислительную сеть.

Не все протоны сталкиваются. Остальные продолжают движение до секции сброса луча, где поглощаются графитом.

Детекторы

Вдоль окружности коллайдера расположены 6 секций, в которых производится сбор данных и проводятся эксперименты. Из них 4 детектора основные и 2 меньшего размера.

Самым крупным является ATLAS. Его размеры – 46 х 25 х 25 м. Трекер обнаруживает и анализирует импульс частиц, проходящих через ATLAS. Его окружает калориметр, измеряющий энергию частиц, поглощая их. Ученые могут наблюдать траекторию их движения и экстраполировать информацию о них.

Детектор ATLAS также имеет мюонный спектрометр. Мюоны – это отрицательно заряженные частицы в 200 раз тяжелее электронов. Они единственные способны проходить через калориметр без остановки. Спектрометр измеряет импульс каждого мюона датчиками заряженных частиц. Эти сенсоры могут обнаруживать флуктуации в магнитном поле ATLAS.

Компактный мюонный соленоид (CMS) является детектором общего назначения, который обнаруживает и измеряет субчастицы, высвобождаемые во время столкновений. Прибор находится внутри гигантского соленоидного магнита, который может создать магнитное поле, почти в 100 тысяч раз превышающее магнитное поле Земли.

Детектор ALICE разработан для изучения столкновений ионов железа. Таким образом исследователи надеются воссоздать условия, подобные тем, которые произошли сразу после Большого взрыва. Они ожидают увидеть, как ионы превращаются в смесь кварков и глюонов. Основным компонентом ALICE является камера TPC, служащая для изучения и воссоздания траектории частиц.

LHC служит для поиска доказательств существования антивещества. Он делает это путем поиска частицы, называемой прелестным кварком. Ряд субдетекторов, окружающих точку столкновения, имеет 20 метров в длину. Они могут улавливать очень неустойчивые и быстро распадающиеся частицы прелестных кварков.

Эксперимент ТОТЕМ проводится на участке с одним из малых детекторов. Он измеряет размер протонов и яркость LHC, указывающей на точность создания столкновений.

Эксперимент LHC имитирует космические лучи в контролируемой среде. Его целью является помощь в разработке широкомасштабных исследований реальных космических лучей.

На каждом участке детектирования работает команда исследователей, насчитывающая от нескольких десятков до более тысячи ученых.

Обработка данных

Неудивительно, что такой коллайдер генерирует огромный поток данных. 15 000 000 ГБ, ежегодно получаемых детекторами LHC, ставят перед исследователями огромную задачу. Ее решением является вычислительная сеть, состоящая из компьютеров, каждый из которых способен самостоятельно анализировать фрагмент данных. Как только компьютер завершит анализ, он отправляет результаты на центральный компьютер и получает новую порцию.

Ученые из ЦЕРН решили сосредоточиться на использовании относительно недорогого оборудования для выполнения своих расчетов. Вместо приобретения передовых серверов и процессоров используется имеющееся оборудование, которое может хорошо работать в сети. При помощи специального ПО сеть компьютеров сможет хранить и анализировать данные каждого эксперимента.

Опасность для планеты?

Некоторые опасаются, что такой мощный коллайдер может представлять угрозу для жизни на Земле, в том числе участвовать в формировании черных дыр, «странной материи», магнитных монополий, радиации и т.

д.

Ученые последовательно опровергают такие утверждения. Образование черной дыры невозможно, поскольку между протонами и звездами есть большая разница. «Странная материя» уже давно бы могла образоваться под действием космических лучей, и опасность этих гипотетических образований сильно преувеличена.

Коллайдер чрезвычайно безопасен: он отделен от поверхности 100-метровым слоем грунта, а персоналу запрещено находиться под землей во время проведения экспериментов.

Словосочетание «Большой адронный коллайдер» настолько глубоко осело в массмедиа, что о данной установке знает подавляющее количество людей, в числе которых и те, чья деятельность никоим образом не связано с физикой элементарных частиц, и с наукой вообще.

Действительно, столь масштабный и дорогой проект не мог обойти стороной СМИ – кольцевая установка длиной почти в 27 километров, ценою в десяток миллиардов долларов, с которой работает несколько тысяч научных сотрудников со всего мира. Немалую лепту в популярность коллайдера внесла так называемая «частица Бога» или бозон Хиггса, который был успешно разрекламирован, и за который Питер Хиггс получил нобелевскую премию по физике в 2013-м году.

Прежде всего следует отметить, что Большой адронный коллаейдер не строился с нуля, а возник на месте своего предшественника — Большого электрон-позитронного коллайдера (Large Electron-Positron collider или LEP). Работа над 27-микилометровом тоннелем началась в 1983-м году, где в дальнейшем планировалось расположить ускоритель, который будет осуществлять столкновение электроном и позитронов. В 1988-м году кольцевой тоннель сомкнулся, при этом рабочие подошли к проведению тоннеля столь тщательно, что расхождение между двумя концами тоннеля составило всего 1 сантиметр.

Ускоритель проработал до конца 2000-го года, когда достиг своего пика – энергии в 209 ГэВ. После этого начался его демонтаж. За одиннадцать лет своей работы LEP принес физике ряд открытий, в числе которых – открытие W и Z бозонов и их дальнейшие исследования. На основе результатов этих исследований был сделан вывод о сходстве механизмов электромагнитного и слабого взаимодействий, вследствие чего начались теоретические работы по объединению этих взаимодействий в электрослабое.

В 2001-м году на месте электрон-позитронного ускорителя началась постройка Большого адронного коллайдера. Строительство нового ускорителя завершилось в конце 2007-го года. Он располагался на месте LEP – на границе между Францией и Швейцарией, в долине Женевского озера (в 15 км от Женевы), на глубине ста метров. В августе 2008-го года начались испытания коллайдера, а 10-го сентября произошел официальный запуск БАКа. Как и в случае с предыдущим ускорителем, строительство и работа с установкой возглавляется Европейской организацией по ядерным исследованиям – ЦЕРН.

ЦЕРН

Вкратце стоит сказать об организации CERN (Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire). Данная организация выступает в роли крупнейшей мировой лаборатории в области физики высоких энергий. Включает три тысячи постоянных сотрудников, и еще несколько тысяч исследователей и ученых из 80 стран принимают участие в проектах ЦЕРНа.

На данный момент участниками проекта является 22 страны: Бельгия, Дания, Франция, Германия, Греция, Италия, Нидерланды, Норвегия, Швеция, Швейцария, Великобритания – учредители, Австрия, Испания, Португалия, Финляндия, Польша, Венгрия, Чехия, Словакия, Болгария и Румыния – присоединившиеся. Однако, как уже было сказано выше – еще несколько десятков стран так или иначе принимают участие в работе организации, и в частности – на Большом адронном коллайдере.

Как работает Большой адронный коллайдер?

Что такое Большой адронный коллайдер и как он работает – основные вопросы, интересующие общественность. Рассмотрим эти вопросы далее.

Коллайдер (collider) – в переводе с английского означает «тот, кто сталкивает». Задача такой установки состоит в столкновении частиц. В случае с адроннмы коллайдером, в роли частиц выступают адроны – частицы, участвующие в сильном взаимодействии. Таковыми являются протоны.

Получение протонов

Долгий путь протонов берет свое начало в дуоплазматроне – первой ступени ускорителя, куда поступает водород в виде газа. Дуоплазматрон представляет собой разрядную камеру, где через газ проводится электрический разряд. Так водород, состоящий всего из одного электрона и одного протона, теряет свой электрон. Таким образом образуется плазма – вещество, состоящее из заряженных частиц – протонов. Конечно, получить чистую протонную плазму сложно, поэтому далее образованная плазма, включающая также облако молекулярных ионов и электронов, проходит фильтрацию для выделения облака протонов. Под действием магнитов протонная плазма сбивается в пучок.

Предварительный разгон частиц

Новообразованный пучок протонов начинает свой путь в линейном ускорителе LINAC 2, который представляет собой 30-тиметровое кольцо, последовательно увешенное несколькими полыми цилиндрическими электродами (проводниками). Создаваемое внутри ускорителя электростатическое поле градуировано таким образом, что частицы между полыми цилиндрами всегда испытывают ускоряющую силу в направлении следующего электрода. Не углубляясь целиком в механизм разгона протонов на данном этапе, отметим лишь, что на выходе с LINAC 2 физики получают пучок протонов с энергией 50 МэВ, которые уже достигают 31% скорости света. Примечательно, что при этом масса частиц возрастает на 5%.

К 2019-2020-му году планируется замена LINAC 2 на LINAC 4, который будет разгонять протоны до 160 МэВ.

Стоит отметить, что на коллайдере также разгоняют ионы свинца, которые позволят изучить кварк-глюонную плазму. Их разгоняют в кольце LINAC 3, аналогичном LINAC 2. В дальнейшем также планируются эксперименты с аргоном и ксеноном.

Далее пакеты протонов поступают в протон-синхронный бустер (PSB). Он состоит из четырех наложенных колец диаметром 50 метров, в которых располагаются электромагнитные резонаторы. Создаваемое ими электромагнитное поле имеет высокую напряженность, и проходящая через него частица получает ускорение в результате разности потенциалов поля. Так спустя всего 1,2 секунды частицы разгоняются в PSB до 91% скорости света и достигают энергии в 1,4 ГэВ, после чего поступают в протонный-синхротрон (PS). Диаметр PS составляет 628 метров и оснащен 27 магнитами, направляющими пучок частиц по круговой орбите. Здесь частиц протоны достигают 26 ГэВ.

Предпоследним кольцом для разгона протонов служит Суперпротонный-синхротрон (SPS), длина окружности которого достигает 7 километров. Будучи оснащенным 1317-ю магнитами SPS разгоняет частицы до энергии в 450 ГэВ. Спустя примерно 20 минут пучок протонов попадает в основное кольцо – Большой адронный коллайдер (LHC).

Разгон и столкновение частиц в LHC

Переходы между кольцами ускорителей происходят посредством электромагнитных полей, создаваемых мощными магнитами. Основное кольцо коллайдеро состоит из двух параллельных линий, в которых частицы движутся по кольцевой орбите в противоположном направлении. За сохранение круговой траектории частиц и направление их в точки столкновения отвечают около 10 000 магнитов, масса некоторых из них достигает 27 тонн. Во избежание перегрева магнитов используется контур гелия-4, по которому протекает примерно 96 тонн вещества при температуре -271,25 ° С (1,9 К). Протоны достигают энергии в 6,5 ТэВ (то есть энергия столкновения – 13 ТэВ), при этом их скорость на 11 км/ч меньше скорости света. Таким образом за секунду пучок протонов проходит большое кольцо коллайдера 11 000 раз. Прежде, чем произойдет столкновение частиц, они будут циркулировать по кольцу от 5 до 24 часов.

Столкновение частиц происходит в четырех точках основного кольца LHC, в которых располагаются четыре детектора: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb.

Детекторы Большого адронного коллайдера

ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)

— является одним из двух детекторов общего назначения на Большом адронном коллайдере (LHC). Он исследует широкий спектр физики: от поиска бозона Хиггса до частиц, которые могут составлять темную материю. Хотя он имеет те же научные цели, что и эксперимент CMS, ATLAS использует иные технические решения и другую конструкцию магнитной системы.

Пучки частиц из LHC сталкиваются в центре детектора ATLAS, образуя встречные обломки в виде новых частиц, которые вылетают из точки столкновения во всех направлениях. Шесть различных детектирующих подсистем, расположенных в слоях вокруг точки столкновения, записывают пути, импульс и энергию частиц, позволяя их индивидуально идентифицировать. Огромная система магнитов искривляет пути заряженных частиц, так что их импульсы можно измерить.

Взаимодействия в детекторе ATLAS создают огромный поток данных. Чтобы обработать эти данные, ATLAS использует расширенную «триггерную» систему, позволяющую сообщать детектору, какие события записывать, а какие игнорировать. Затем для анализа зарегистрированных событий столкновения используются сложные системы сбора данных и вычисления.

Детектор имеет высоту 46 метров и ширину – 25 метров, при этом его масса составляет 7 000 тонн. Эти параметры делает ATLAS самым большим детектором частиц, когда-либо созданным. Он находится в тоннеле на глубине в 100 м вблизи главного объекта ЦЕРН, недалеко от деревни Мейрин в Швейцарии. Установка состоит из 4 основных компонентов:

• Внутренний детектор имеет цилиндрическую форму, внутреннее кольцо находится всего в нескольких сантиметрах от оси проходящего пучка частиц, а внешнее кольцо имеет диаметр в 2,1 метра и длину 6,2 метра. Он состоит из трех различных систем датчиков, погруженных в магнитное поле. Внутренний детектор измеряет направление, импульс и заряд электрически заряженных частиц, образующихся при каждом протон-протонном столкновении. Основные элементы внутреннего детектора: пиксельный детектор (Pixel Detector), полупроводниковая система слежения (Semi-Conductor Tracker, SCT) и трековый детектор переходного излучения (Transition radiation tracker, TRT).

• Калориметры измеряют энергию, которую частица теряет, когда проходит через детектор. Он поглощает частицы, возникающие при столкновении, тем самым фиксирую их энергию. Калориметры состоят из слоев «поглощающего» материала с высокой плотностью — свинца, чередующегося со слоями «активной среды» — жидкого аргона. Электромагнитные калориметры измеряют энергию электронов и фотонов при взаимодействии с веществом. Адронные калориметры измеряют энергию адронов при взаимодействии с атомными ядрами. Калориметры могут останавливать большинство известных частиц, кроме мюонов и нейтрино.

LAr (Liquid Argon Calorimeter) — калориметр ATLAS

• Мюонный спектрометр – состоит из 4000 индивидуальных мюонных камер, использующих четыре различные технологи, позволяющие, идентифицировать мюоны и измерить их импульсы. Мюоны обычно проходят через внутренний детектор и калориметр, а потому требуется наличие мюонного спектрометра.

• Магнитная система ATLAS изгибает частицы вокруг различных слоев детекторных систем, что упрощает отслеживание треков частиц.

В эксперименте ATLAS (февраль 2012 г.) работают более 3 000 ученых из 174 институтов из 38 стран.

CMS (Compact Muon Solenoid)

— является детектором общего назначения на Большом адронном коллайдере (LHC). Как и ATLAS, имеет широкую физическую программу, начиная от изучения стандартной модели (включая бозон Хиггса) до поиска частиц, которые могут составлять темную материю. Хотя он имеет те же научные цели, что и эксперимент ATLAS, CMS использует иные технические решения и другую конструкцию магнитной системы.

Детектор CMS построен вокруг огромного магнита соленоида. Представляет собой цилиндрическую катушку сверхпроводящего кабеля, которая генерирует поле в 4 тесла, примерно в 100 000 раз превышающее магнитное поле Земли. Поле ограничено стальным «хамутом», который является массивнейшим компонентом детектора, масса которого — 14 000 тонн. Полный детектор имеет длину — 21 м, ширину — 15 м и высоту — 15 м. Установка состоит из 4 основных компонентов:

• Магнит соленоида – крупнейший магнит в мире, который служит для изгиба траектории заряженных частиц, вылетающих из точки столкновения. Искажение траектории позволяет различить положительно и отрицательно заряженные частицы (т.к. они изгибаются в противоположных направлениях), а также измерить импульс, величина которого зависит от кривизны траектории. Огромные размеры соленоида позволяют расположить трекер и калориметры внутри катушки.
• Кремниевый трекер — состоит из 75 миллионов отдельных электронных датчиков, расположенных в концентрических слоях. Когда заряженная частица пролетает через слои трекера, она передает часть энергии каждому слою, объединение этих точек столкновения частицы с различными слоями позволяет в дальнейшем определить ее траекторию.
• Калориметры – электронный и адронный см. калориметры ATLAS.
• Саб-детекторы – позволяют детектировать мюоны. Представлены 1 400 мюонными камерами, которые слоями располагаются вне катушки, чередуясь с металлическими пластинами «хамута».

Эксперимент CMS является одним из крупнейших международных научных исследований в истории, в котором принимают участие 4300 человек: физики в области элементарных частиц, инженеры и техники, студенты и вспомогательный персонал из 182 институтов, 42 стран (февраль 2014 года).

ALICE (A Large Ion Collider Experiment)

— представляет собой детектор тяжелых ионов на кольцах большого адронного коллайдера (LHC). Он предназначен для изучения физики сильно взаимодействующего вещества при экстремальных плотностях энергии, где образуется фаза вещества, называемая кварк-глюонной плазмой.

Вся обычная материя в сегодняшней вселенной состоит из атомов. Каждый атом содержит ядро, состоящее из протонов и нейтронов (кроме водорода, не имеющего нейтронов), окруженного облаком электронов. Протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из кварков, связанных вместе с другими частицами, называемыми глюонами. Никакой кварк никогда не наблюдался изолированно: кварки, а также глюоны, по-видимому, постоянно связаны вместе и ограничены внутри составных частиц, таких как протоны и нейтроны. Это называется конфайнментом.

Столкновения в LHC создают температуры более чем в 100 000 раз более горячее, чем в центре Солнца. Колллайдер обеспечивает столкновения между свинцовыми ионами, воссоздавая условия, аналогичные тем, которые имели место сразу после Большого Взрыва. В этих экстремальных условиях протоны и нейтроны «расплавляются», освобождая кварки от их связей с глюонами. Это и есть кварк-глюонная плазма.

В эксперименте ALICE используется детектор ALICE массой 10 000 тонн, 26 м в длину, 16 м в высоту и 16 м в ширину. Устройство состоит из трех основных комплектов компонентов: трэкинговых устройств, калориметров и детекторов-идентификаторов частиц. Также его разделяют на 18 модулей. Детектор находится в тоннеле на глубине 56 м под, недалеко от деревни Сент-Денис-Пуйи во Франции.

Эксперимент насчитывает более 1 000 ученых из более чем 100 институтов физики в 30 странах.

LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment)

– в рамках эксперимента проводится исследование небольших различий между веществом и антиматерией, изучая тип частицы, называемый «бьюти-кварк» или «b-кварк».

Вместо того, чтобы окружать всю точку столкновения с помощью закрытого детектора, как ATLAS и CMS, эксперимент LHCb использует серию сабдетекторов для обнаружения преимущественно передних частиц — тех, которые были направлены вперед в результате столкновения в одном направлении. Первый сабдетектор установлен близко к точке столкновения, а остальные — один за другим на расстоянии 20 метров.

На LHC создается большое изобилие различных типов кварков, прежде чем они быстро распадаются на другие формы. Чтобы поймать b-кварки, для LHCb были разработаны сложные движущиеся следящие детекторы, расположенные вблизи движения пучка частиц по коллайдеру.

5600-тонный детектор LHCb состоит из прямого спектрометра и плоских детекторов. Это 21 метр в длину, 10 метров в высоту и 13 метров в ширину, он находится на глубине 100 метров под землей. Около 700 ученых из 66 различных институтов и университетов вовлечены в эксперимент LHCb (октябрь 2013 г.).

Другие эксперименты на коллайдере

Помимо вышеперечисленных экспериментов на Большом адронном коллайдере есть другие два эксперимента с установками:

• LHCf (Large Hadron Collider forward) — изучает частицы, выброшенные вперед после столкновения пучков частиц. Они имитируют космические лучи, исследованием которых и занимаются ученые в рамках эксперимента. Космические лучи — это естественные заряженные частицы из космического пространства, которые постоянно бомбардируют земную атмосферу. Они сталкиваются с ядрами в верхней атмосфере, вызывая каскад частиц, которые достигают уровня земли. Изучение того, как столкновения внутри LHC вызывают подобные каскады частиц, поможет физикам интерпретировать и откалибровать крупномасштабные эксперименты с космическими лучами, которые могут охватывать тысячи километров.

LHCf состоит из двух детекторов, которые расположены вдоль LHC, на расстоянии 140 метров с обеих сторон он точки столкновения ATLAS. Каждый из двух детекторов весит всего 40 килограммов и имеет размеры 30 см в длину, 80 см в высоту и 10 см в ширину. В эксперименте LHCf участвуют 30 ученых из 9 институтов в 5 странах (ноябрь 2012 г.).

• TOTEM (Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation) – эксперимент с самой длинной установкой на коллайдере. Его задачей является исследование самих протонов, путем точного измерения протонов, возникающих при столкновениях под малыми углами. Эта область известна как «прямое» направление и недоступна другим экспериментам LHC. Детекторы TOTEM распространяются почти на полкилометра вокруг точки взаимодействия CMS. TOTEM имеет почти 3 000 кг оборудования, в том числе четыре ядерных телескопа, а также 26 детекторов типа «римский горшок». Последний тип позволяет расположить детекторы максимально близко к пучку частиц. Эксперимент TOTEM включает около 100 ученых из 16 институтов в 8 странах (август 2014 года).

Зачем нужен Большой адронный коллайдер?

Крупнейшая международная научная установка исследует широкий спектр физических задач:

• Изучение топ-кварков. Данная частица является не только самым тяжелым кварком, но и самой тяжелой элементарной частицей. Исследование свойств топ-кварка также имеет смысл, потому что он является инструментом для исследования .
• Поиск и изучение бозона Хиггса. Хотя ЦЕРН утверждает, что бозон Хиггса был уже обнаружен (в 2012-м году), пока о его природе известно совсем немного и дальнейшие исследования могли бы внести большую ясность в механизм его работы.

• Изучение кварк-глюонной плазмы. При столкновениях ядер свинца на больших скоростях – в коллайдере образуется . Ее исследование может принести результаты, полезные как для ядерной физики (улучшение теории сильных взаимодействий), так и для астрофизики (изучение Вселенной в ее первые моменты существования).
• Поиск суперсимметрии. Это исследование направлено на опровержение или доказательство «суперсимметрии» — теории, согласно которой любая элементарная частица имеет более тяжелого партнера, называемого «суперчастицей».
• Исследование фотон-фотонных и фотон-адронных столкновений. Позволит улучшить понимание механизмов процессов подобных столкновений.
• Проверка экзотических теорий. К этой категории задач относятся самые нетрадиционные – «экзотические», например, поиск параллельных вселенных посредством создания мини-черных дыр.

Кроме этих задач, существует еще множество других, решение которых также позволит человечеству понимать природу и окружающий нас мир на более качественном уровне, что в свою очередь откроет возможности для создания новых технологий.

Практическая польза Большого адронного коллайдера и фундаментальной науки

Прежде всего, следует отметить, что фундаментальные исследования привносят вклад в фундаментальную науку. Применением же этих знаний занимается прикладная наука. Сегмент общества, не осведомленный в пользе фундаментальной науки зачастую не воспринимает открытие бозона Хиггса или создание кварк-глюонной плазмы, как нечто значимое. Связь подобных исследований с жизнью рядового человека – неочевидно. Рассмотрим краткий пример с атомной энергетикой:

В 1896-м году французский физик Антуан Анри Беккерель открыл явление радиоактивности. Долгое время считалось, что к ее промышленному использованию человечество перейдет нескоро. Всего за пять лет до запуска первого в истории ядерного реактора великий физик Эрнест Резерфорд, собственно открывший атомное ядро в 1911-м году, говорил, что атомная энергия никогда не найдет своего применения. Переосмыслить свое отношение к энергии, заключенной в ядре атома, специалистам удалось в 1939 году, когда немецкие ученые Лиза Мейтнер и Отто Ган обнаружили, что ядра урана при облучении их нейтронами делятся на две части с выделением огромного количества энергии – ядерной энергии.

И лишь после этого последнего звенья ряда фундаментальных исследований в игру вступила прикладная наука, которая на основе этих открытий изобрела устройство для получения ядерной энергии – атомный реактор. Масштаб открытия можно оценить, ознакомившись с долей выработки электроэнергии атомными реакторами. Так в Украине, например, на АЭС выпадает 56% выработки электроэнергии, а во Франции и вовсе – 76%.

Все новые технологии основываются на тех или иных фундаментальных знаниях. Приведем еще пару кратких примеров:

• В 1895-м году Вильгельм Конрад Рентген заметил, что под действием рентгеновского излучения фотопластинка затемняется. Сегодня рентгенография – одно из наиболее применяемых исследований в медицине, позволяющая изучить состояние внутренних органов и обнаружить инфекции и опухали.
• В 1915-м году Альберт Эйнштейн предложил свою . Сегодня эта теория учитывается при работе GPS спутников, которые определяют местоположение объекта с точностью до пары метров. GPS применяется в сотовой связи, картографии, мониторинге транспорта, но в первую очередь – в навигации. Погрешность спутника, не учитывающего ОТО, с момента запуска росла бы на 10 километров в день! И если пешеход может воспользоваться разумом и бумажной картой, то пилоты авиалайнера попадут в затруднительную ситуацию, так как ориентироваться по облакам – невозможно.

Если сегодня практическое применение открытиям, произошедшим на LHC еще не найдено – это не значит, что ученые «возятся на коллайдере зря». Как известно, человек разумный всегда намеревается получить максимум практического применения из имеющихся знаний, а потому знания о природе, накопленные в процессе исследования на БАК, определенно найдут свое применение, рано или поздно. Как уже было продемонстрировано выше – связь фундаментальных открытий и использующих их технологий иногда может быть совсем не очевидна.

Напоследок, отметим так называемые косвенные открытия, которые не ставятся как изначальные цели исследования. Они встречаются довольно часто, так как для совершения фундаментального открытия, обычно, требуется внедрение и использование новых технологий. Так развитие оптики получило толчок от фундаментальных исследований космоса, строящихся на наблюдениях астрономов через телескоп. В случае с ЦЕРН – так возникла повсеместно применяемая технология – Интернет, проект, предложенный Тимом Бернерсом-Ли в 1989-м году для облегчения поиска данных организации ЦЕРН.

Многие простые жители планеты задают себе вопрос о том, для чего нужен большой адронный коллайдер. Непонятные большинству научные исследования, на которые потрачено много миллиардов евро, вызывают настороженность и опаску.

Может, это и не исследования вовсе, а прототип машины времени или портал для телепортации инопланетных существ, способной изменить судьбу человечества? Слухи ходят самые фантастичные и страшные. В статье мы попытаемся разобраться, что такое адронный коллайдер и для чего он создавался.

Амбициозный проект человечества

Большой адронный коллайдер на сегодня является мощнейшим на планете ускорителем частиц. Он находится на границе Швейцарии и Франции. Точнее под нею: на глубине 100 метров залегает кольцевой тоннель ускорителя длиной почти 27 километров. Хозяином экспериментального полигона стоимостью, превышающей 10 миллиардов долларов, является Европейский центр ядерных исследований.

Огромное количество ресурсов и тысячи физиков-ядерщиков занимаются тем, что ускоряют протоны и тяжёлые ионы свинца до скорости, близкой к световой, в разных направлениях, после чего сталкивают их друг с другом. Результаты прямых взаимодействий тщательно изучаются.

Предложение создать новый ускоритель частиц поступило ещё в 1984 году. Десять лет велись различные дискуссии насчет того, что будет собой представлять адронный коллайдер, зачем нужен именно такой масштабный исследовательский проект. Только после обсуждения вопросов особенностей технического решения и требуемых параметров установки проект был утверждён. Строительство начали только в 2001 году, выделив для его размещения прежнего ускорителя элементарных частиц – большого электрон-позитронного коллайдера.

Зачем нужен большой адронный коллайдер

Взаимодействие элементарных частиц описывается по-разному. Теория относительности вступает в противоречия с квантовой теорией поля. Недостающим звеном в обретении единого подхода к строению элементарных частиц является невозможность создания теории квантовой гравитации. Вот зачем нужен адронный коллайдер повышенной мощности.

Общая энергия при столкновении частиц составляет 14 тераэлектронвольт, что делает устройство значительно более мощным ускорителем, чем все существующие сегодня в мире. Проведя эксперименты, ранее невозможные по техническим причинам, учёные с большой долей вероятности смогут документально подтвердить или опровергнуть существующие теории микромира.

Изучение кварк-глюонной плазмы, образующейся при столкновении ядер свинца, позволит построить более совершенную теорию сильных взаимодействий, которая сможет кардинально изменить ядерную физику и звёздного пространства.

Бозон Хиггса

В далёком 1960 году физик из Шотландии Питер Хиггс разработал теорию поля Хиггса, согласно которой частицы, попадающие в это поле, подвергаются квантовому воздействию, что в физическом мире можно наблюдать как массу объекта.

Если в ходе экспериментов удастся подтвердить теорию шотландского ядерного физика и найти бозон (квант) Хиггса, то это событие может стать новой отправной точкой для развития жителей Земли.

А открывшиеся управляющего гравитацией, многократно превысят все видимые перспективы развития технического прогресса. Тем более что передовых учёных больше интересует не само наличие бозона Хиггса, а процесс нарушения электрослабой симметрии.

Как он работает

Чтобы экспериментальные частицы достигли немыслимой для поверхности скорости, почти равной в вакууме, их разгоняют постепенно, каждый раз увеличивая энергию.

Сначала линейные ускорители делают инжекцию ионов и протонов свинца, которые после подвергают ступенчатому ускорению. Частицы через бустер попадают в протонный синхротрон, где получают заряд в 28 ГэВ.

На следующем этапе частицы попадают в супер-синхротрон, где энергия их заряда доводится до 450 ГэВ. Достигнув таких показателей, частицы попадают в главное многокилометровое кольцо, где в специально расположенных местах столкновения детекторы подробно фиксируют момент соударения.

Кроме детекторов, способных зафиксировать все процессы при столкновении, для удержания протонных сгустков в ускорителе используют 1625 магнитов, обладающих сверхпроводимостью. Общая их длина превышает 22 километра. Специальная для достижения поддерживает температуру −271 °C. Стоимость каждого такого магнита оценивается в один миллион евро.

Цель оправдывает средства

Для проведения таких амбициозных экспериментов и был построен самый мощный адронный коллайдер. Зачем нужен многомиллиардный научный проект, человечеству рассказывают с нескрываемым восторгом многие учёные. Правда, в случае новых научных открытий, скорее всего, они будут надёжно засекречены.

Даже можно сказать, наверняка. Подтверждением сему является вся история цивилизации. Когда придумали колесо, появились Освоило человечество металлургию – здравствуйте, пушки и ружья!

Все самые современные разработки сегодня становятся достоянием военно-промышленных комплексов развитых стран, но никак не всего человечества. Когда учёные научились расщеплять атом, что появилось первым? Атомные реакторы, дающие электроэнергию, правда, после сотен тысяч смертей в Японии. Жители Хиросимы однозначно были против научного прогресса, который забрал у них и их детей завтрашний день.

Техническое развитие выглядит насмешкой над людьми, потому что человек в нём скоро превратится в самое слабое звено. По теории эволюции, система развивается и крепнет, избавляясь от слабых мест. Может получиться в скором времени так, что нам не останется места в мире совершенствующейся техники. Поэтому вопрос “зачем нужен большой адронный коллайдер именно сейчас” на самом деле – не праздное любопытство, ибо вызван опасением за судьбу всего человечества.

Вопросы, на которые не отвечают

Зачем нам большой адронный коллайдер, если на планете миллионы умирают от голода и неизлечимых, а порой и поддающихся лечению болезней? Разве он поможет побороть это зло? Зачем нужен адронный коллайдер человечеству, которое при всём развитии техники вот уже как сто лет не может научиться успешно бороться с раковыми заболеваниями? А может, просто выгоднее оказывать дорогие медуслуги, чем найти способ исцелить? При существующем миропорядке и этическом развитии лишь горстке представителей человеческой расы весьма необходим большой адронный коллайдер. Зачем он нужен всему населению планеты, ведущему безостановочный бой за право жить в мире, свободном от посягательств на чью-либо жизнь и здоровье? История об этом умалчивает…

Опасения научных коллег

Есть другие представители научной среды, высказывающие серьёзные опасения по поводу безопасности проекта. Велика вероятность того, что научный мир в своих экспериментах, в силу своей ограниченности в знаниях, может утратить контроль над процессами, которые даже толком не изучены.

Такой подход напоминает лабораторные опыты юных химиков – всё смешать и посмотреть, что будет. Последний пример может закончиться взрывом в лаборатории. А если такой «успех» постигнет адронный коллайдер?

Зачем нужен неоправданный риск землянам, тем более что экспериментаторы не могут с полной уверенностью сказать, что процессы столкновений частиц, приводящие к образованию температур, превышающих в 100 тысяч раз температуру нашего светила, не вызовут цепной реакции всего вещества планеты?! Или просто вызовут способную фатально испортить отдых в горах Швейцарии или во французской Ривьере. ..

Информационная диктатура

Для чего нужен большой адронный коллайдер, когда человечество не может решить менее сложные задачи? Попытка замалчивания альтернативного мнения только подтверждает возможность непредсказуемости хода событий.

Наверное, там, где впервые появился человек, в него и была заложена эта двойственная особенность – делать благо и вредить себе одновременно. Быть может, нам ответ дадут открытия, которые подарит адронный коллайдер? Зачем нужен был этот рискованный эксперимент, будут решать уже наши потомки.

Многие, уже, так или иначе, но слышали термин «Большой адронный коллайдер». Для простого обывателя из этих слов знакомо только слово «большой». Но что же это на самом деле? Да и можно ли простому смертному освоить этот физический термин.

Большой адронный коллайдер (БАК) представляет собой установку для опытов ученых-физиков с элементарными частицами. По формулировке, БАК является ускорителем заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона тяжелых ионов и протонов и изучения продуктов соударений . Иными словами, ученые сталкивают атомы, а потом смотрят, что из этого получилось.

В данное время – это самая крупная экспериментальная установка в мире. Размер этой установки можно сравнить с городом диаметром, почти в 27 километров, который находится на стометровой глубине. Эта установка находится недалеко от Женевы, а на ее строительство ушло 10 миллиардов долларов.

Одной из главных задач установки БАК (по утверждению ученых) является поиск бозона Хиггса. Опять же, простыми словами – это попытка найти частицу, которая отвечает за наличие массы.

Параллельно с этим, на коллайдере проводятся эксперименты по поиску:

— частиц вне «Стандартной модели»,

— магнитных монополей (частиц, обладающих магнитным полем),

— так же, проходит исследование квантовой гравитации и исследование микроскопических дыр.

Вот эти «микроскопические черные дыры» и не дают многим покоя. Причем волнуются не только те, для кого знакомство с физикой закончилось на школьной скамье, но и те, кто продолжает ее изучать на профессиональном уровне.

Что такое черная дыра известно всем и со школьной скамьи и по фантастическим рассказам и фильмам. Многие (в том числе и ученые) переживают, что подобные эксперименты, часть из которых построена для попытки воссоздания «большого взрыва» (после которого, по теории возникла вселенная) приведут к неизбежному краху всей планеты.

Ученые успокаивают, что никакой опасности от этих опытов и экспериментов нет. Но есть еще один факт, которые никогда не учитывают светила науки. Речь идет об оружии.

Каждый нормальный ученый, делая открытие или что-либо, изобретая – делает это с двумя целями. Первая цель помочь миру жить лучше, а вторая менее гуманная, но человеческая – это прославиться.

Но, почему-то все изобретения (без преувеличений), занимают свое место в создании орудий для убийства того же самого человечества и прославленных ученных. Даже такие открытия, которые для нас стали обывательскими (радио, механические двигатели, спутниковое телевидение и т.д.), не говоря уже об атомной энергии, прочно заняли свое место в «оборонке».

В 2016 году, в Подмосковье планируют запустить установку, подобную европейскому БАКу . Но только, российская установка, в отличие от «старшего брата», должна в реальности воссоздать «большой взрыв» в малых масштабах.

И кто даст гарантию, что соседствующая Москва (а с ней и Земля), не станет прародительницей новой «черной дыры» в огромной вселенной?

Сокращённо БАК (англ. Large Hadron Collider, сокращённо LHC) – ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в ЦЕРНе (Европейский совет ядерных исследований), находящемся около Женевы, на границе Швейцарии и Франции. БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 тыс. учёных и инженеров из более чем 100 стран.

Большим назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м; адронным – из-за того, что он ускоряет адроны, то есть тяжёлые частицы, состоящие из кварков; коллайдером (англ. collider – сталкиватель) – из-за того, что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках столкновения.

Технические характеристики BAK

В ускорителе предполагается сталкивать протоны с суммарной энергией 14 ТэВ (то есть 14 тераэлектронвольт или 14·1012 электронвольт) в системе центра масс налетающих частиц, а также ядра свинца с энергией 5 ГэВ (5·109 электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов. На начало 2010 года БАК уже несколько превзошел по энергии протонов предыдущего рекордсмена – протон-антипротонный коллайдер Тэватрон, который до конца 2011 года работал в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (США). Несмотря на то, что наладка оборудования растягивается на годы и ещё не завершена, БАК уже стал самым высокоэнергичным ускорителем элементарных частиц в мире, на порядок превосходя по энергии остальные коллайдеры, в том числе и релятивистский коллайдер тяжёлых ионов RHIC, работающий в Брукхейвенской лаборатории (США).

Светимость БАК во время первых недель работы пробега была не более 1029 частиц/см 2 ·с, тем не менее она продолжает постоянно повышаться. Целью является достижение номинальной светимости в 1,7·1034 частиц/см 2 ·с, что по порядку величины соответствует светимостям BaBar (SLAC, США) и Belle (англ.) (KEK, Япония).

Ускоритель расположен в том же туннеле, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер . Туннель с длиной окружности 26,7 км проложен под землёй на территории Франции и Швейцарии. Глубина залегания туннеля – от 50 до 175 метров, причём кольцо туннеля наклонено примерно на 1,4 % относительно поверхности земли. Для удержания, коррекции и фокусировки протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км. Магниты работают при температуре 1,9 K (-271 °C), что немного ниже температуры перехода гелия в сверхтекучее состояние.

Детекторы БАК

На БАК работают 4 основных и 3 вспомогательных детектора:

• ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
• ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)
• CMS (Compact Muon Solenoid)
• LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment)
• TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement)
• LHCf (The Large Hadron Collider forward)
• MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC).

ATLAS, CMS, ALICE, LHCb – большие детекторы, расположенные вокруг точек столкновения пучков. Детекторы TOTEM и LHCf – вспомогательные, находятся на удалении в несколько десятков метров от точек пересечения пучков, занимаемых детекторами CMS и ATLAS соответственно, и будут использоваться попутно с основными.

Детекторы ATLAS и CMS – детекторы общего назначения, предназначены для поиска бозона Хиггса и «нестандартной физики», в частности тёмной материи, ALICE – для изучения кварк-глюонной плазмы в столкновениях тяжёлых ионов свинца, LHCb – для исследования физики b-кварков, что позволит лучше понять различия между материей и антиматерией, TOTEM – предназначен для изучения рассеяния частиц на малые углы, таких что происходит при близких пролётах без столкновений (так называемые несталкивающиеся частицы, forward particles), что позволяет точнее измерить размер протонов, а также контролировать светимость коллайдера, и, наконец, LHCf – для исследования космических лучей, моделируемых с помощью тех же несталкивающихся частиц.

С работой БАК связан также седьмой, совсем незначительный в плане бюджета и сложности, детектор (эксперимент) MoEDAL, предназначенный для поиска медленно движущихся тяжёлых частиц.

Во время работы коллайдера столкновения проводятся одновременно во всех четырёх точках пересечения пучков, независимо от типа ускоряемых частиц (протоны или ядра). При этом все детекторы одновременно набирают статистику.

Ускорение частиц в коллайдере

Скорость частиц в БАК на встречных пучках близка к скорости света в вакууме. Разгон частиц до таких больших энергий достигается в несколько этапов. На первом этапе низкоэнергетичные линейные ускорители Linac 2 и Linac 3 производят инжекцию протонов и ионов свинца для дальнейшего ускорения. Затем частицы попадают в PS-бустер и далее в сам PS (протонный синхротрон), приобретая энергию в 28 ГэВ. При этой энергии они уже движутся со скоростью близкой к световой. После этого ускорение частиц продолжается в SPS (протонный суперсинхротрон), где энергия частиц достигает 450 ГэВ. Затем сгусток протонов направляют в главное 26,7-километровое кольцо, доводя энергию протонов до максимальных 7 ТэВ, и в точках столкновения детекторы фиксируют происходящие события. Два встречных пучка протонов при полном заполнении могут содержать 2808 сгустков каждый. На начальных этапах отладки процесса ускорения циркулируют лишь по одному сгустку в пучке длиной несколько сантиметров и небольшого поперечного размера. Затем начинают увеличивать количество сгустков. Сгустки располагаются в фиксированных позициях относительно друг друга, которые синхронно движутся вдоль кольца. Сгустки в определённой последовательности могут сталкиваться в четырёх точках кольца, где расположены детекторы частиц.

Кинетическая энергия всех сгустков адронов в БАКе при полном его заполнении сравнима с кинетической энергией реактивного самолета, хотя масса всех частиц не превышает нанограмма и их даже нельзя увидеть невооружённым глазом. Такая энергия достигается за счёт скорости частиц, близкой к скорости света.

Сгустки проходят полный круг ускорителя быстрее, чем за 0,0001 сек, совершая, таким образом, свыше 10 тыс. оборотов в секунду

Цели и задачи БАК

Главная задача Большого адронного коллайдера – выяснить устройство нашего мира на расстояниях меньше 10 –19 м, “прощупав” его частицами с энергией несколько ТэВ. К настоящему времени уже накопилось много косвенных свидетельств того, что на этом масштабе физикам должен открыться некий «новый пласт реальности», изучение которого даст ответы на многие вопросы фундаментальной физики. Каким именно окажется этот пласт реальности – заранее не известно. Теоретики, конечно, предложили уже сотни разнообразных явлений, которые могли бы наблюдаться на энергиях столкновений в несколько ТэВ, но именно эксперимент покажет, что на самом деле реализуется в природе.

Поиск Новой физики Стандартную модель не может считаться окончательной теорией элементарных частиц. Она должна быть частью некоторой более глубокой теории строения микромира, той частью, которая видна в экспериментах на коллайдерах при энергиях ниже примерно 1 ТэВ. Такие теории коллективно называют «Новая физика» или «За пределами Стандартной модели». Главная задача Большого адронного коллайдера – получить хотя бы первые намеки на то, что это за более глубокая теория. Для дальнейшего объединения фундаментальных взаимодействий в одной теории используются различные подходы: теория струн, получившая своё развитие в М-теории (теории бран), теория супергравитации, петлевая квантовая гравитация и др. Некоторые из них имеют внутренние проблемы, и ни у одной из них нет экспериментального подтверждения. Проблема в том, что для проведения соответствующих экспериментов нужны энергии, недостижимые на современных ускорителях заряженных частиц. БАК позволит провести эксперименты, которые ранее были невозможны и, вероятно, подтвердит или опровергнет часть этих теорий. Так, существует целый спектр физических теорий с размерностями больше четырёх, которые предполагают существование «суперсимметрии» – например, теория струн, которую иногда называют теорией суперструн именно из-за того, что без суперсимметрии она утрачивает физический смысл. Подтверждение существования суперсимметрии, таким образом, будет косвенным подтверждением истинности этих теорий. Изучение топ-кварков Топ-кварк – самый тяжёлый кварк и, более того, это самая тяжёлая из открытых пока элементарных частиц. Согласно последним результатам Тэватрона, его масса составляет 173,1 ± 1,3 ГэВ/c 2 . Из-за своей большой массы топ-кварк до сих пор наблюдался пока лишь на одном ускорителе – Тэватроне, на других ускорителях просто не хватало энергии для его рождения. Кроме того, топ-кварки интересуют физиков не только сами по себе, но и как «рабочий инструмент» для изучения бозона Хиггса. Один из наиболее важных каналов рождения бозона Хиггса в БАК – ассоциативное рождение вместе с топ-кварк-антикварковой парой. Для того, чтобы надёжно отделять такие события от фона, предварительно необходимо изучение свойств самих топ-кварков. Изучение механизма электрослабой симметрии Одной из основных целей проекта является экспериментальное доказательство существования бозона Хиггса – частицы, предсказанной шотландским физиком Питером Хиггсом в 1964 году в рамках Стандартной модели. Бозон Хиггса является квантом так называемого поля Хиггса, при прохождении через которое частицы испытывают сопротивление, представляемое нами как поправки к массе. Сам бозон нестабилен и имеет большую массу (более 120 ГэВ/c 2). На самом деле, физиков интересует не столько сам бозон Хиггса, сколько хиггсовский механизм нарушения симметрии электрослабого взаимодействия. Изучение кварк-глюонной плазмы Ожидается, что примерно один месяц в год будет проходить в ускорителе в режиме ядерных столкновений. В течение этого месяца коллайдер будет разгонять и сталкивать в детекторах не протоны, а ядра свинца. При неупругом столкновении двух ядер на ультрарелятивистских скоростях на короткое время образуется и затем распадается плотный и очень горячий комок ядерного вещества. Понимание происходящих при этом явлений (переход вещества в состояние кварк-глюонной плазмы и её остывание) нужно для построения более совершенной теории сильных взаимодействий, которая окажется полезной как для ядерной физики, так и для астрофизики. Поиск суперсимметрии Первым значительным научным достижением экспериментов на БАК может стать доказательство или опровержение «суперсимметрии» – теории, гласящей, что любая элементарная частица имеет гораздо более тяжёлого партнера, или «суперчастицу». Изучение фотон-адронных и фотон-фотонных столкновений Электромагнитное взаимодействие частиц описывается как обмен (в ряде случаев виртуальными) фотонами. Другими словами, фотоны являются переносчиками электромагнитного поля. Протоны электрически заряжены и окружены электростатическим полем, соответственно это поле можно рассматривать как облако виртуальных фотонов. Всякий протон, особенно релятивистский протон, включает в себя облако виртуальных частиц как составную часть. При столкновении протонов между собой взаимодействуют и виртуальные частицы, окружающие каждый из протонов. Математически процесс взаимодействия частиц описывается длинным рядом поправок, каждая из которых описывает взаимодействие посредством виртуальных частиц определённого типа (см. : диаграммы Фейнмана). Таким образом, при исследовании столкновения протонов косвенно изучается и взаимодействие вещества с фотонами высоких энергий, представляющее большой интерес для теоретической физики. Также рассматривается особый класс реакций – непосредственное взаимодействие двух фотонов, которые могут столкнуться как со встречным протоном, порождая типичные фотон-адронные столкновения, так и друг с другом. В режиме ядерных столкновений, из-за большого электрического заряда ядра, влияние электромагнитных процессов имеет ещё большее значение. Проверка экзотических теорий Теоретики в конце XX века выдвинули огромное число необычных идей относительно устройства мира, которые все вместе называются «экзотическими моделями». Сюда относятся теории с сильной гравитацией на масштабе энергий порядка 1 ТэВ, модели с большим количеством пространственных измерений, преонные модели, в которых кварки и лептоны сами состоят из частиц, модели с новыми типами взаимодействия. Дело в том, что накопленных экспериментальных данных оказывается всё ещё недостаточно для создания одной-единственной теории. А сами все эти теории совместимы с имеющимися экспериментальными данными. Поскольку в этих теориях можно сделать конкретные предсказания для БАК, экспериментаторы планируют проверять предсказания и искать следы тех или иных теорий в своих данных. Ожидается, что результаты, полученные на ускорителе, смогут ограничить фантазию теоретиков, закрыв некоторые из предложенных построений. Другое Также ожидается обнаружение физических явлений вне рамок Стандартной Модели. Планируется исследование свойств W и Z-бозонов, ядерных взаимодействий при сверхвысоких энергиях, процессов рождения и распадов тяжёлых кварков (b и t).

Зачем нужен адронный коллайдер. Зачем вообще нужен Большой адронный коллайдер

Наверняка почти каждый человек на Земле, хоть раз, да слышал о большом адронном коллайдере. Вот только, несмотря на то, что многие слышали о нем, мало кто понимает, что такое адронный колладейр, каково его предназначение, в чем суть адронного коллайдера. В нашей сегодняшней статье мы ответим на эти вопросы.

Что такое адронный коллайдер

По сути адронный коллайдер представляет собой сложный ускоритель элементарных частиц. С его помощью физикам удается разогнать протоны и тяжелые ионы. Изначально адронный коллайдер создавался для подтверждения существования , неуловимой элементарной частицы, которую физики порой в шутку называют «частичкой Бога». И да, существование этой частички было подтверждено экспериментально с помощью коллайдера, а сам ее первооткрыватель Питер Хиггс получил за это нобелевскую премию по физике в 2013 году.

Разумеется, одним лишь бозоном Хиггса дело не ограничилось, помимо него физиками были найдены и некоторые другие элементарные частицы. Теперь вы знаете ответ на вопрос, зачем нужен адронный коллайдер.

Что представляет собой большой адронный коллайдер

Прежде всего, необходимо заметить, что большой адронный колайдер не возник на пустом месте, а появился как эволюция своего предшественника – большого электрон-позитронного коллайдера, представляющего собой 27-ми километровый подземный туннель, строительство которого началось еще в 1983 году. В 1988 году кольцевой тоннель сомкнулся, притом интересно то, что строители подошли к делу очень тщательно, настолько, что расхождение между двумя концами туннеля составляет лишь 1 сантиметр.

Так выглядит схема адронного коллайдера.

Электрон-позитронный коллайдер проработал до 2000 года и за время его работы в физике был сделан с его помощью целый ряд открытий, среди которых открытие W и Z бозонов и их дальнейшее исследование.

С 2001 года на месте электрон-позитронного коллайдера началось уже строительство коллайдера адронного, которое закончилось в 2007 году.

Где находится адронный коллайдер

Большой адронный коллайдер находится на границе Швейцарии и Франции, в долине женевского озера, всего лишь в 15 км от самой Женевы. И располагается он на глубине 100 метров.

Место расположения адронного коллайдера.

В 2008 году начались его первые испытания под патронатом ЦЕРН – Европейской организации по ядерным исследованиям, которая на данный момент является крупнейшей лабораторией в мире в области физики высоких энергий.

Для чего нужен адронный коллайдер

С помощью этого гигантского ускорителя элементарных частиц физики могут проникать так глубоко внутрь материи, как никогда раньше. Все это помогает, как подтверждать старые научные гипотезы, так и создавать новые интересные теории. Детальное изучение физики элементарных частиц помогает нам приблизиться в поисках ответов на вопросы об устройстве Вселенной, о том, как она зародилась.

Глубокое погружение в микромир позволяет открыть революционно новые пространственно-временные теории, и как знать, может быть, даже удастся проникнуть в тайну времени, этого четвертого измерения нашего мира.

Как работает адронный коллайдер

Теперь давайте опишем, как собственно работает большой адронный коллайдер. О принципах его работы говорит название, так как само слово «коллайдер» с английского переводится как «тот, кто сталкивает». Главная его задача – устроить столкновение элементарных частиц. Причем частицы в коллайдере летают (и сталкиваются) на скоростях, близких к скоростям света. Результаты столкновений частиц фиксируют четыре основных больших детектора: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb и множество вспомогательных детекторов.

Более детально принцип работы адронного коллайдера описан в этом интересно видео.

Опасность адронного коллайдера

В целом людям свойственно боятся вещей, которые они не понимают. Именно это иллюстрирует отношение к адроному коллайдеру и различные опасения, с ним связанные. Самые радикальные из них, высказывались, что в случае возможного взрыва адронного коллайдера может погибнуть, не много, не мало, а все человечество вместе с планетой Землей, которую поглотит образовавшаяся после взрыва . Разумеется, первые же опыты показали, что подобные опасения не более чем детская страшилка.

А вот некоторые серьезные опасения относительно работы коллайдера были высказаны недавно умершим английским ученым Стивеном Хокингом. Причем опасения Хокинга связаны не столько с самим коллайдером, сколько с полученным с его помощью бозоном Хиггса. По мнению ученого этот бозон является крайне не стабильным материалом и в результате определенного стечения обстоятельств может привести к распаду вакуума и полному исчезновению таких понятий как пространство и время. Но не все так страшно, так согласно Хокингу, для того, чтобы произошло нечто подобное необходим коллайдер величиной с целую планету.

Многие простые жители планеты задают себе вопрос о том, для чего нужен большой адронный коллайдер. Непонятные большинству научные исследования, на которые потрачено много миллиардов евро, вызывают настороженность и опаску.

Может, это и не исследования вовсе, а прототип машины времени или портал для телепортации инопланетных существ, способной изменить судьбу человечества? Слухи ходят самые фантастичные и страшные. В статье мы попытаемся разобраться, что такое адронный коллайдер и для чего он создавался.

Амбициозный проект человечества

Большой адронный коллайдер на сегодня является мощнейшим на планете ускорителем частиц. Он находится на границе Швейцарии и Франции. Точнее под нею: на глубине 100 метров залегает кольцевой тоннель ускорителя длиной почти 27 километров. Хозяином экспериментального полигона стоимостью, превышающей 10 миллиардов долларов, является Европейский центр ядерных исследований.

Огромное количество ресурсов и тысячи физиков-ядерщиков занимаются тем, что ускоряют протоны и тяжёлые ионы свинца до скорости, близкой к световой, в разных направлениях, после чего сталкивают их друг с другом. Результаты прямых взаимодействий тщательно изучаются.

Предложение создать новый ускоритель частиц поступило ещё в 1984 году. Десять лет велись различные дискуссии насчет того, что будет собой представлять адронный коллайдер, зачем нужен именно такой масштабный исследовательский проект. Только после обсуждения вопросов особенностей технического решения и требуемых параметров установки проект был утверждён. Строительство начали только в 2001 году, выделив для его размещения прежнего ускорителя элементарных частиц – большого электрон-позитронного коллайдера.

Зачем нужен большой адронный коллайдер

Взаимодействие элементарных частиц описывается по-разному. Теория относительности вступает в противоречия с квантовой теорией поля. Недостающим звеном в обретении единого подхода к строению элементарных частиц является невозможность создания теории квантовой гравитации. Вот зачем нужен адронный коллайдер повышенной мощности.

Общая энергия при столкновении частиц составляет 14 тераэлектронвольт, что делает устройство значительно более мощным ускорителем, чем все существующие сегодня в мире. Проведя эксперименты, ранее невозможные по техническим причинам, учёные с большой долей вероятности смогут документально подтвердить или опровергнуть существующие теории микромира.

Изучение кварк-глюонной плазмы, образующейся при столкновении ядер свинца, позволит построить более совершенную теорию сильных взаимодействий, которая сможет кардинально изменить ядерную физику и звёздного пространства.

Бозон Хиггса

В далёком 1960 году физик из Шотландии Питер Хиггс разработал теорию поля Хиггса, согласно которой частицы, попадающие в это поле, подвергаются квантовому воздействию, что в физическом мире можно наблюдать как массу объекта.

Если в ходе экспериментов удастся подтвердить теорию шотландского ядерного физика и найти бозон (квант) Хиггса, то это событие может стать новой отправной точкой для развития жителей Земли.

А открывшиеся управляющего гравитацией, многократно превысят все видимые перспективы развития технического прогресса. Тем более что передовых учёных больше интересует не само наличие бозона Хиггса, а процесс нарушения электрослабой симметрии.

Как он работает

Чтобы экспериментальные частицы достигли немыслимой для поверхности скорости, почти равной в вакууме, их разгоняют постепенно, каждый раз увеличивая энергию.

Сначала линейные ускорители делают инжекцию ионов и протонов свинца, которые после подвергают ступенчатому ускорению. Частицы через бустер попадают в протонный синхротрон, где получают заряд в 28 ГэВ.

На следующем этапе частицы попадают в супер-синхротрон, где энергия их заряда доводится до 450 ГэВ. Достигнув таких показателей, частицы попадают в главное многокилометровое кольцо, где в специально расположенных местах столкновения детекторы подробно фиксируют момент соударения.

Кроме детекторов, способных зафиксировать все процессы при столкновении, для удержания протонных сгустков в ускорителе используют 1625 магнитов, обладающих сверхпроводимостью. Общая их длина превышает 22 километра. Специальная для достижения поддерживает температуру −271 °C. Стоимость каждого такого магнита оценивается в один миллион евро.

Цель оправдывает средства

Для проведения таких амбициозных экспериментов и был построен самый мощный адронный коллайдер. Зачем нужен многомиллиардный научный проект, человечеству рассказывают с нескрываемым восторгом многие учёные. Правда, в случае новых научных открытий, скорее всего, они будут надёжно засекречены.

Даже можно сказать, наверняка. Подтверждением сему является вся история цивилизации. Когда придумали колесо, появились Освоило человечество металлургию – здравствуйте, пушки и ружья!

Все самые современные разработки сегодня становятся достоянием военно-промышленных комплексов развитых стран, но никак не всего человечества. Когда учёные научились расщеплять атом, что появилось первым? Атомные реакторы, дающие электроэнергию, правда, после сотен тысяч смертей в Японии. Жители Хиросимы однозначно были против научного прогресса, который забрал у них и их детей завтрашний день.

Техническое развитие выглядит насмешкой над людьми, потому что человек в нём скоро превратится в самое слабое звено. По теории эволюции, система развивается и крепнет, избавляясь от слабых мест. Может получиться в скором времени так, что нам не останется места в мире совершенствующейся техники. Поэтому вопрос “зачем нужен большой адронный коллайдер именно сейчас” на самом деле – не праздное любопытство, ибо вызван опасением за судьбу всего человечества.

Вопросы, на которые не отвечают

Зачем нам большой адронный коллайдер, если на планете миллионы умирают от голода и неизлечимых, а порой и поддающихся лечению болезней? Разве он поможет побороть это зло? Зачем нужен адронный коллайдер человечеству, которое при всём развитии техники вот уже как сто лет не может научиться успешно бороться с раковыми заболеваниями? А может, просто выгоднее оказывать дорогие медуслуги, чем найти способ исцелить? При существующем миропорядке и этическом развитии лишь горстке представителей человеческой расы весьма необходим большой адронный коллайдер. Зачем он нужен всему населению планеты, ведущему безостановочный бой за право жить в мире, свободном от посягательств на чью-либо жизнь и здоровье? История об этом умалчивает…

Опасения научных коллег

Есть другие представители научной среды, высказывающие серьёзные опасения по поводу безопасности проекта. Велика вероятность того, что научный мир в своих экспериментах, в силу своей ограниченности в знаниях, может утратить контроль над процессами, которые даже толком не изучены.

Такой подход напоминает лабораторные опыты юных химиков – всё смешать и посмотреть, что будет. Последний пример может закончиться взрывом в лаборатории. А если такой «успех» постигнет адронный коллайдер?

Зачем нужен неоправданный риск землянам, тем более что экспериментаторы не могут с полной уверенностью сказать, что процессы столкновений частиц, приводящие к образованию температур, превышающих в 100 тысяч раз температуру нашего светила, не вызовут цепной реакции всего вещества планеты?! Или просто вызовут способную фатально испортить отдых в горах Швейцарии или во французской Ривьере. ..

Информационная диктатура

Для чего нужен большой адронный коллайдер, когда человечество не может решить менее сложные задачи? Попытка замалчивания альтернативного мнения только подтверждает возможность непредсказуемости хода событий.

Наверное, там, где впервые появился человек, в него и была заложена эта двойственная особенность – делать благо и вредить себе одновременно. Быть может, нам ответ дадут открытия, которые подарит адронный коллайдер? Зачем нужен был этот рискованный эксперимент, будут решать уже наши потомки.

(или БАК) – на данный момент самый большой и мощный ускоритель частиц в мире. Эта махина была запущена в 2008 году, но долго работала на пониженных мощностях. Разберемся, что это такое и зачем нужен большой адронный коллайдер.

История, мифы и факты

Идея создания коллайдера была озвучена в 1984 году. А сам проект на строительство коллайдера был одобрен и принят аж в 1995 году. Разработка принадлежит Европейскому центру ядерных исследований (CERN). Вообще запуск коллайдера привлек к себе большое внимание не только ученых, но и простых людей со всего мира. Говорили о всевозможных страхах и ужасах, связанных с запуском коллайдера.

Впрочем, кто-то и сейчас, вполне возможно, ждет апокалипсиса, связанного с работой БАК и тресется от одной мысли о том, что будет, если ч взорвется большой адронный коллайдер. Хотя, в первую очередь все боялись черной дыры, которая, сначала будучи микроскопической, разрастется и благополучно поглотит сначала сам коллайдер, а за ним Швейцарию и весь остальной мир. Также большую панику вызывала аннигиляционная катастрофа. Группа ученых даже подала в суд, пытаясь остановить строительство. В заявлении говорилось, что сгустки антиматерии, которые могут быть получены в коллайдере, начнут аннигилировать с материей, начнется цепная реакция и вся Вселенная будет уничтожена. Как говорил известный персонаж из «Назад в Будущее»:

Вся Вселенная, конечно, в самом худшем случае. В лучшем – только наша галактика. Доктор Эмет Браун.

А теперь попытаемся понять, почему он адронный? Дело в том, что он работает с адронами, точнее разгоняет, ускоряет и сталкивает адроны.

Адроны – класс элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию. Адроны состоят из кварков.

Адроны делятся на барионы и мезоны. Чтобы было проще, скажем, что из барионов состоит почти все известное нам вещество. Упростим еще больше и скажем, что барионы – это нуклоны (протоны и нейтроны, составляющие атомное ядро).

Как работает большой адронный коллайдер

Масштаб очень впечатляет. Коллайдер представляет собой кольцевой туннель, залегающий под землей на глубине ста метров. Длина большого адронного коллайдера составялет 26 659 метров. Протоны, разогнанные до скоростей близких к скорости света, пролетают в подземном круге по территории Франции и Швейцарии. Если говорить точно, то глубина залегания туннеля лежит в пределах от 50 до 175 метров. Для фокусировки и удержания пучков летящих протонов используются сверхпроводящие магниты, их общая длина составляет около 22 километров, а работают они при температуре -271 градусов по Цельсию.

В составе коллайдера 4 гигантских детектора: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb. Помимо основных больших детекторов, есть еще и вспомогательные. Детекторы предназначены для фиксации результатов столкновений частиц. То есть после того, как на околосветовых скоростях сталкиваются два протона, никто не знает чего ожидать. Чтобы «увидеть», что получилось, куда отскочило и как далеко улетело, и существуют детекторы, напичканные всевозможными датчиками.

Результаты работы большого адронного коллайдера.

Зачем нужен коллайдер? Ну уж точно не для того, чтобы уничтожить Землю. Казалось бы, какой смысл сталкивать частицы? Дело в том, что вопросов без ответов в современной физике очень много, и изучение мира с помощью разогнанных частиц может в буквальном смысле открыть новый пласт реальности, понять устройство мира, а может быть даже ответить на главный вопрос «смысла жизни, Вселенной и вообще».

Какие открытия уже совершили на БАК? Самое знаменитое – это открытие бозона Хиггса (ему мы посвятим отдельную статью). Помимо того были открыты 5 новых частиц , получены первые данные столкновений на рекордных энергиях , показано отсутствие асимметрии протонов и антипротонов , обнаружены необычные корреляции протонов . Список можно продолжать долго. А вот микроскопических черных дыр, которые наводили страх на домохозяек, обнаружить не удалось.

И это при том, что коллайдер еще не разогнали до его максимальной мощности. Сейчас максимальная энергия большого адронного коллайдера – 13 ТэВ (тера электрон-Вольт). Однако, после соответствующей подготовки протоны планируют разогнать до 14 ТэВ . Для сравнения, в ускорителях- предшественниках БАК максимально полученные энергии не превышали 1 ТэВ . Так разгонять частицы мог американский ускоритель Тэватрон из штата Иллинойс. Энергия, достигнутая в коллайдере – далеко не самая Большая в мире. Так, энергия космических лучей, зафиксированных на Земле, превышает энергию частицы, разогнанной в коллайдере в миллиард раз! Так что, опасность большого адронного коллайдера минимальна. Вполне вероятно, что после того, как все ответы будут получены с помощью БАК, человечеству придется строить еще один коллайдер по-мощнее.

Друзья, любите науку, и она обязательно полюбит Вас! А помочь Вам полюбить науку легко смогут . Обращайтесь за помощью, и пусть учеба приносит радость!

В этом году ученые планируют воспроизвести в ядерной лаборатории те далекие первозданные условия, когда еще не было протонов и нейтронов, а существовала сплошная кварк-глюонная плазма. Иными словами, исследователи надеются увидеть мир элементарных частиц в том виде, каким он был всего через доли микросекунд после Большого взрыва, то есть после образования Вселенной. Программа называется «Как все началось». Кроме того, уже более 30 лет в научном мире выстраиваются теории, объясняющие наличие массы у элементарных частиц. Одна из них предполагает существование бозона Хиггса. Эту элементарную частицу называют еще божественной. Как сказал один из сотрудников ЦЕРН, «поймав следы Хиггс-бозона, я приду к собственной бабушке и скажу: посмотри-ка, пожалуйста, – из-за этой маленькой штучки у тебя столько лишних килограммов». Но экспериментально существование бозона пока не подтверждено: все надежды – на ускоритель LHC.

Большой адронный коллайдер – ускоритель частиц, благодаря которому физики смогут проникнуть так глубоко внутрь материи, как никогда ранее. Суть работ на коллайдере заключается в изучении столкновения двух пучков протонов с суммарной энергией 14 ТэВ на один протон. Эта энергия в миллионы раз больше, чем энергия, выделяемая в единичном акте термоядерного синтеза. Кроме того, будут проводиться эксперименты с ядрами свинца, сталкивающимися при энергии 1150 ТэВ.

Ускоритель БАК обеспечит новую ступень в ряду открытий частиц, которые начались столетие назад. Тогда ученые еще только обнаружили всевозможные виды таинственных лучей: рентгеновские, катодное излучение. Откуда они возникают, одинаковой ли природы их происхождение и, если да, то какова она?
Сегодня мы имеем ответы на вопросы, позволяющие гораздо лучше понять происхождение Вселенной. Однако в самом начале XXI века перед нами стоят новые вопросы, ответы на которые ученые надеются получить с помощью ускорителя БАК. И кто знает, развитие каких новых областей человеческих знаний повлекут за собой предстоящие исследования. А пока же наши знания о Вселенной недостаточны.

Комментирует член-корреспондент РАН из Института физики высоких энергий Сергей Денисов:
– В этом коллайдере участвует много российских физиков, которые связывают определенные надежды с открытиями, которые могут там произойти. Основное событие, которое может случиться – это открытие так называемой гипотетической частицы Хиггса (Питер Хиггс — выдающийся шотландский физик.). Роль этой частицы чрезвычайно важна. Она ответственна за образование массы других элементарных частиц. Если такую частицу откроют, то это будет величайшим открытием. Оно подтвердило бы так называемую Стандартную модель, которая сейчас широко используется для описания всех процессов в микромире. Пока эта частица не будет открыта, эту модель нельзя считать полностью обоснованной и подтвержденной. Это, конечно, самое первое, чего ученые ожидают от этого коллайдера (LHC).
Хотя, вообще говоря, никто не считает эту Стандартную модель истиной в последней инстанции. И, скорее всего, по мнению большинства теоретиков, она является приближением или, иногда говорят, «низкоэнергетическим приближением» к более Общей теории, которая описывает мир на расстояниях в миллион раз меньших, чем размер ядер. Это примерно как теория Ньютона является «низкоэнергетическим приближением» к теории Эйнштейна – теории относительности. Вторая важная задача, связанная с коллайдером – это попытаться перейти за пределы этой самой Стандартной модели, то есть совершить переход к новым пространственно-временным интервалам.

Физики смогут понять, в каком направлении надо двигаться, чтобы построить более красивую и более Общую теорию физики, которая будет эквивалентна таким малым пространственно-временным интервалам. Те процессы, которые там изучаются, воспроизводят по сути процесс образования Вселенной, как говорят, «в момент Большого Взрыва». Конечно, это для тех, кто верит в эту теорию о том, что Вселенная создавалась таким образом: взрыв, затем процессы при супервысоких энергиях. Оговариваемое путешествие во времени может оказаться связанным с этим Большим Взрывом.
Как бы там ни было, БАК – это достаточно серьезное продвижение в глубь микромира. Поэтому могут открыться совершенно неожиданные вещи. Скажу одно, что на БАКе могут быть открыты совершенно новые свойства пространства и времени. В каком направлении они будут открыты – сейчас сказать трудно. Главное – прорываться дальше и дальше.

Справка

Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН) — крупнейший в мире научно-исследовательский центр в области физики частиц. К настоящему времени число стран-участниц выросло до 20. Около 7000 ученых, представляющих 500 научных центров и университетов, пользуются экспериментальным оборудованием ЦЕРН. Кстати, в работе над Большим адронным коллайдером принимал непосредственное участие и российский Институт ядерной физики СО РАН. Наши специалисты сейчас заняты монтажом и тестированием оборудования, которое разработано и произведено в России для этого ускорителя. Ожидается, что Большой адронный коллайдер будет запущен в мае 2008 года. Как выразился Лин Эванс, глава проекта, ускорителю не хватает лишь одной детали – большой красной кнопки.

БАК (Большой адронный коллайдер, LHC) – это самый крупный в мире ускоритель частиц, расположенный на франко-швейцарской границе в Женеве и принадлежащий концерну CERN. Основной задачей строительства Большого адронного коллайдера был поиск бозона Хиггса, неуловимой частицы, последнего элемента Стандартной модели. Задачу коллайдер выполнил: физики действительно обнаружили элементарную частицу на предсказанных энергиях. Далее БАК будет вести работу в этом диапазоне светимости и работать, как обычно функционируют спецобъекты: по желанию ученых. Вспомните, полуторамесячная миссия марсохода «Оппортьюнити» затянулась на 10 лет.

Все, что вы видите вокруг, состоит из элементарных частиц – кварков и лептонов, которые могут объединяться с формированием более крупных частиц, таких как протоны или атомы. Но этим не ограничивается: эти субатомные частицы могут также соединяться экзотическим образом, какого мы никогда не видели. Коллаборация LHCb объявила об открытии новых частиц, которые получили название «пентакварков». Результаты их работы могут помочь нам открыть множество загадок теории кварков, важнейшей части Стандартной модели.

В ЦЕРНе – это крупнейший в мире ускоритель частиц. И его стоило строить хотя бы ради размаха экспериментов, которые теперь на нем проводятся. Впрочем, эксперименты достигли таких масштабов, что физики уже не могут строить их самостоятельно. В этом им помогают квалифицированные инженеры. Хотите узнать, как физики и инженеры работают над обновлением БАК и созданием преемника знаменитого ускорителя частиц?

зачем он вообще? Последние советы раздела «Наука & Техника»

Сокращённо БАК (англ. Large Hadron Collider, сокращённо LHC) – ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в ЦЕРНе (Европейский совет ядерных исследований), находящемся около Женевы, на границе Швейцарии и Франции. БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 тыс. учёных и инженеров из более чем 100 стран.

Большим назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м; адронным – из-за того, что он ускоряет адроны, то есть тяжёлые частицы, состоящие из кварков; коллайдером (англ. collider – сталкиватель) – из-за того, что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках столкновения.

Технические характеристики BAK

В ускорителе предполагается сталкивать протоны с суммарной энергией 14 ТэВ (то есть 14 тераэлектронвольт или 14·1012 электронвольт) в системе центра масс налетающих частиц, а также ядра свинца с энергией 5 ГэВ (5·109 электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов. На начало 2010 года БАК уже несколько превзошел по энергии протонов предыдущего рекордсмена – протон-антипротонный коллайдер Тэватрон, который до конца 2011 года работал в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (США). Несмотря на то, что наладка оборудования растягивается на годы и ещё не завершена, БАК уже стал самым высокоэнергичным ускорителем элементарных частиц в мире, на порядок превосходя по энергии остальные коллайдеры, в том числе и релятивистский коллайдер тяжёлых ионов RHIC, работающий в Брукхейвенской лаборатории (США).

Светимость БАК во время первых недель работы пробега была не более 1029 частиц/см 2 ·с, тем не менее она продолжает постоянно повышаться. Целью является достижение номинальной светимости в 1,7·1034 частиц/см 2 ·с, что по порядку величины соответствует светимостям BaBar (SLAC, США) и Belle (англ.) (KEK, Япония).

Ускоритель расположен в том же туннеле, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер . Туннель с длиной окружности 26,7 км проложен под землёй на территории Франции и Швейцарии. Глубина залегания туннеля – от 50 до 175 метров, причём кольцо туннеля наклонено примерно на 1,4 % относительно поверхности земли. Для удержания, коррекции и фокусировки протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км. Магниты работают при температуре 1,9 K (-271 °C), что немного ниже температуры перехода гелия в сверхтекучее состояние.

Детекторы БАК

На БАК работают 4 основных и 3 вспомогательных детектора:

• ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
• ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)
• CMS (Compact Muon Solenoid)
• LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment)
• TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement)
• LHCf (The Large Hadron Collider forward)
• MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC).

ATLAS, CMS, ALICE, LHCb – большие детекторы, расположенные вокруг точек столкновения пучков. Детекторы TOTEM и LHCf – вспомогательные, находятся на удалении в несколько десятков метров от точек пересечения пучков, занимаемых детекторами CMS и ATLAS соответственно, и будут использоваться попутно с основными.

Детекторы ATLAS и CMS – детекторы общего назначения, предназначены для поиска бозона Хиггса и «нестандартной физики», в частности тёмной материи, ALICE – для изучения кварк-глюонной плазмы в столкновениях тяжёлых ионов свинца, LHCb – для исследования физики b-кварков, что позволит лучше понять различия между материей и антиматерией, TOTEM – предназначен для изучения рассеяния частиц на малые углы, таких что происходит при близких пролётах без столкновений (так называемые несталкивающиеся частицы, forward particles), что позволяет точнее измерить размер протонов, а также контролировать светимость коллайдера, и, наконец, LHCf – для исследования космических лучей, моделируемых с помощью тех же несталкивающихся частиц.

С работой БАК связан также седьмой, совсем незначительный в плане бюджета и сложности, детектор (эксперимент) MoEDAL, предназначенный для поиска медленно движущихся тяжёлых частиц.

Во время работы коллайдера столкновения проводятся одновременно во всех четырёх точках пересечения пучков, независимо от типа ускоряемых частиц (протоны или ядра). При этом все детекторы одновременно набирают статистику.

Ускорение частиц в коллайдере

Скорость частиц в БАК на встречных пучках близка к скорости света в вакууме. Разгон частиц до таких больших энергий достигается в несколько этапов. На первом этапе низкоэнергетичные линейные ускорители Linac 2 и Linac 3 производят инжекцию протонов и ионов свинца для дальнейшего ускорения. Затем частицы попадают в PS-бустер и далее в сам PS (протонный синхротрон), приобретая энергию в 28 ГэВ. При этой энергии они уже движутся со скоростью близкой к световой. После этого ускорение частиц продолжается в SPS (протонный суперсинхротрон), где энергия частиц достигает 450 ГэВ. Затем сгусток протонов направляют в главное 26,7-километровое кольцо, доводя энергию протонов до максимальных 7 ТэВ, и в точках столкновения детекторы фиксируют происходящие события. Два встречных пучка протонов при полном заполнении могут содержать 2808 сгустков каждый. На начальных этапах отладки процесса ускорения циркулируют лишь по одному сгустку в пучке длиной несколько сантиметров и небольшого поперечного размера. Затем начинают увеличивать количество сгустков. Сгустки располагаются в фиксированных позициях относительно друг друга, которые синхронно движутся вдоль кольца. Сгустки в определённой последовательности могут сталкиваться в четырёх точках кольца, где расположены детекторы частиц.

Кинетическая энергия всех сгустков адронов в БАКе при полном его заполнении сравнима с кинетической энергией реактивного самолета, хотя масса всех частиц не превышает нанограмма и их даже нельзя увидеть невооружённым глазом. Такая энергия достигается за счёт скорости частиц, близкой к скорости света.

Сгустки проходят полный круг ускорителя быстрее, чем за 0,0001 сек, совершая, таким образом, свыше 10 тыс. оборотов в секунду

Цели и задачи БАК

Главная задача Большого адронного коллайдера – выяснить устройство нашего мира на расстояниях меньше 10 –19 м, “прощупав” его частицами с энергией несколько ТэВ. К настоящему времени уже накопилось много косвенных свидетельств того, что на этом масштабе физикам должен открыться некий «новый пласт реальности», изучение которого даст ответы на многие вопросы фундаментальной физики. Каким именно окажется этот пласт реальности – заранее не известно. Теоретики, конечно, предложили уже сотни разнообразных явлений, которые могли бы наблюдаться на энергиях столкновений в несколько ТэВ, но именно эксперимент покажет, что на самом деле реализуется в природе.

Поиск Новой физики Стандартную модель не может считаться окончательной теорией элементарных частиц. Она должна быть частью некоторой более глубокой теории строения микромира, той частью, которая видна в экспериментах на коллайдерах при энергиях ниже примерно 1 ТэВ. Такие теории коллективно называют «Новая физика» или «За пределами Стандартной модели». Главная задача Большого адронного коллайдера – получить хотя бы первые намеки на то, что это за более глубокая теория. Для дальнейшего объединения фундаментальных взаимодействий в одной теории используются различные подходы: теория струн, получившая своё развитие в М-теории (теории бран), теория супергравитации, петлевая квантовая гравитация и др. Некоторые из них имеют внутренние проблемы, и ни у одной из них нет экспериментального подтверждения. Проблема в том, что для проведения соответствующих экспериментов нужны энергии, недостижимые на современных ускорителях заряженных частиц. БАК позволит провести эксперименты, которые ранее были невозможны и, вероятно, подтвердит или опровергнет часть этих теорий. Так, существует целый спектр физических теорий с размерностями больше четырёх, которые предполагают существование «суперсимметрии» – например, теория струн, которую иногда называют теорией суперструн именно из-за того, что без суперсимметрии она утрачивает физический смысл. Подтверждение существования суперсимметрии, таким образом, будет косвенным подтверждением истинности этих теорий. Изучение топ-кварков Топ-кварк – самый тяжёлый кварк и, более того, это самая тяжёлая из открытых пока элементарных частиц. Согласно последним результатам Тэватрона, его масса составляет 173,1 ± 1,3 ГэВ/c 2 . Из-за своей большой массы топ-кварк до сих пор наблюдался пока лишь на одном ускорителе – Тэватроне, на других ускорителях просто не хватало энергии для его рождения. Кроме того, топ-кварки интересуют физиков не только сами по себе, но и как «рабочий инструмент» для изучения бозона Хиггса. Один из наиболее важных каналов рождения бозона Хиггса в БАК – ассоциативное рождение вместе с топ-кварк-антикварковой парой. Для того, чтобы надёжно отделять такие события от фона, предварительно необходимо изучение свойств самих топ-кварков. Изучение механизма электрослабой симметрии Одной из основных целей проекта является экспериментальное доказательство существования бозона Хиггса – частицы, предсказанной шотландским физиком Питером Хиггсом в 1964 году в рамках Стандартной модели. Бозон Хиггса является квантом так называемого поля Хиггса, при прохождении через которое частицы испытывают сопротивление, представляемое нами как поправки к массе. Сам бозон нестабилен и имеет большую массу (более 120 ГэВ/c 2). На самом деле, физиков интересует не столько сам бозон Хиггса, сколько хиггсовский механизм нарушения симметрии электрослабого взаимодействия. Изучение кварк-глюонной плазмы Ожидается, что примерно один месяц в год будет проходить в ускорителе в режиме ядерных столкновений. В течение этого месяца коллайдер будет разгонять и сталкивать в детекторах не протоны, а ядра свинца. При неупругом столкновении двух ядер на ультрарелятивистских скоростях на короткое время образуется и затем распадается плотный и очень горячий комок ядерного вещества. Понимание происходящих при этом явлений (переход вещества в состояние кварк-глюонной плазмы и её остывание) нужно для построения более совершенной теории сильных взаимодействий, которая окажется полезной как для ядерной физики, так и для астрофизики. Поиск суперсимметрии Первым значительным научным достижением экспериментов на БАК может стать доказательство или опровержение «суперсимметрии» – теории, гласящей, что любая элементарная частица имеет гораздо более тяжёлого партнера, или «суперчастицу». Изучение фотон-адронных и фотон-фотонных столкновений Электромагнитное взаимодействие частиц описывается как обмен (в ряде случаев виртуальными) фотонами. Другими словами, фотоны являются переносчиками электромагнитного поля. Протоны электрически заряжены и окружены электростатическим полем, соответственно это поле можно рассматривать как облако виртуальных фотонов. Всякий протон, особенно релятивистский протон, включает в себя облако виртуальных частиц как составную часть. При столкновении протонов между собой взаимодействуют и виртуальные частицы, окружающие каждый из протонов. Математически процесс взаимодействия частиц описывается длинным рядом поправок, каждая из которых описывает взаимодействие посредством виртуальных частиц определённого типа (см.: диаграммы Фейнмана). Таким образом, при исследовании столкновения протонов косвенно изучается и взаимодействие вещества с фотонами высоких энергий, представляющее большой интерес для теоретической физики. Также рассматривается особый класс реакций – непосредственное взаимодействие двух фотонов, которые могут столкнуться как со встречным протоном, порождая типичные фотон-адронные столкновения, так и друг с другом. В режиме ядерных столкновений, из-за большого электрического заряда ядра, влияние электромагнитных процессов имеет ещё большее значение. Проверка экзотических теорий Теоретики в конце XX века выдвинули огромное число необычных идей относительно устройства мира, которые все вместе называются «экзотическими моделями». Сюда относятся теории с сильной гравитацией на масштабе энергий порядка 1 ТэВ, модели с большим количеством пространственных измерений, преонные модели, в которых кварки и лептоны сами состоят из частиц, модели с новыми типами взаимодействия. Дело в том, что накопленных экспериментальных данных оказывается всё ещё недостаточно для создания одной-единственной теории. А сами все эти теории совместимы с имеющимися экспериментальными данными. Поскольку в этих теориях можно сделать конкретные предсказания для БАК, экспериментаторы планируют проверять предсказания и искать следы тех или иных теорий в своих данных. Ожидается, что результаты, полученные на ускорителе, смогут ограничить фантазию теоретиков, закрыв некоторые из предложенных построений. Другое Также ожидается обнаружение физических явлений вне рамок Стандартной Модели. Планируется исследование свойств W и Z-бозонов, ядерных взаимодействий при сверхвысоких энергиях, процессов рождения и распадов тяжёлых кварков (b и t).

На этой неделе, спустя два года ожиданий, Большой адронный коллайдер – ускоритель заряженных частиц, благодаря которому в 2012 году открыли бозон Хиггса – могут снова запустить.

Гигантский коллайдер (частью которого является подземный туннель на границе Франции и Швейцарии длиною в 27 километров) был отключен в феврале 2013 года, чтобы учёные могли внести изменения в его конструкцию. Теперь же учёные вновь включают его, чтобы при помощи серии экспериментов совершить скачок в изучении физики.

1. Постойте-постойте, а что такое Большой адронный коллайдер?

Туннель Большого адронного коллайдера
БАК был построен в 2008 году организацией CERN (Европейский совет ядерных исследований). Создание самого большого в мире адронного коллайдера обошлось в девять миллиардов долларов. Невероятная длина его подземных туннелей позволяет физикам проводить невероятные эксперименты.

Грубо говоря, чаще всего эксперименты включают в себя разгон заряженных частиц до 99.9999% от скорости света (заставляя их перемещаться по кругу 11000 раз в секунду) и последующее их столкновение при помощи гигантских магнитов. Сложные сенсоры считывают всевозможную информацию, полученную после столкновения этих частиц.

2. Зачем учёным сталкивать частицы?

Информация, полученная одним из сенсоров, в БАК
Огромное количество энергии, которое выделяется после столкновения, заставляет частицы распадаться и в последствии собираться в довольно-таки необычные конструкции. Подобные эксперименты помогают найти недостатки в стандартной модели физики – на данный момент это лучший способ предсказать поведение частиц.

Физикам интересны такие эксперименты потому, что, хоть стандартная модель и считается довольно-таки точной, она всё же неполная. «Она эффективна для предположений, но физики не так уж их любят», – прокомментировал Патрик Коппенбург, ученый, работающий с БАК.

Сильнейший недостаток модели – это то, что она не учитывает силу гравитации (она описывает только три других фундаментальных взаимодействия) и такие понятия, как тёмная материя и тёмная энергия. Она также не очень-то хорошо работает с нынешними теориями о происхождении Вселенной.

Другими словами, стандартная модель физики – это лучшее описание того, как работают вещи вокруг нас. Однако, по словам Коппенбурга, эта теория «точно в каком-то месте ошибочна». Сталкивая частицы в БАК, он и другие учёные пытается найти отклонения от этой модели.

3. Что эти учёные уже обнаружили

Диаграмма 17-ти фундаментальных частиц стандартной модели, включая бозон Хиггса
Наиболее важным событием за всю историю Большого адронного коллайдера стало открытие бозона Хиггса.

Еще с 1960-х годов считалось, что бозон Хиггса – часть поля Хиггса, невидимого поля, проходящего сквозь пространство и влияющего на все частицы. Согласно предположениям физиков, именно благодаря этому полю у частиц есть масса (или же сопротивление при передвижении).
Физик Брайн Грин писал в своей статье:

«Представьте, что шарик для пинг-понга погрузили под воду. Когда вы пытаетесь погрузить его глубже, то он кажется в разы более тяжелым, чем он был вне воды. Его взаимодействие с водой приводит к увеличению его массы. То же случается с частицами, погруженными в поле Хиггса»

В принципе, никого не удивило открытие бозона и поля Хиггса, ведь все законы стандартной модели указывали на их существование. Загвоздка заключалась в том, что не было прямых доказательств. «Когда мы строили БАК, то надеялись либо обнаружить бозон Хиггса, либо доказать, что его не существует», – комментирует Коппенбург.

В 2012 году, спустя три года экспериментов, физики доказали существование бозона Хиггса. Было высчитано, что сразу после столкновения бозон Хиггса разлагался на другие частицы, следуя определенным закономерностям. Данные, собранные после столкновения протонов, помогли понять и предсказать эти закономерности.

Это открытие невероятно важно: поле Хиггса – краеугольный камень стандартной модели. Благодаря ему, все другие уравнения становятся в разы понятней. Мы смогли обнаружить его спустя 50 лет после того, как его существование было предсказано на бумаге, а это значит, что мы на верном пути в изучении устройства нашей вселенной.

4. Почему БАК снова включают?

Туннели Большого адронного коллайдера
Все эксперименты, что проводились в прошлом, были лишь началом. Спустя несколько лет работы над улучшением магнитов (они ускоряют и контролируют движение частиц) и сенсоров, начнется новая эра: теперь серия экспериментов включает в себя разгон и столкновение частиц, заряд которых будет в два раза больше предыдущего.

Новые столкновения частиц позволят учёным открыть новые (и, возможно, даже большие) частицы, а также изучить бозон Хиггса и его поведение в разных условиях.

«Мы надеемся открыть элементы, не предсказанные стандартной моделью. К примеру, частицы настолько тяжелые, что они не были еще открыты, или же другие типы отклонений», – делится надеждами Коппенбург.

Возможно, к примеру, что бозон Хиггса – это лишь одна из нескольких частиц из механизма Хиггса.

Достаточное количество новой информации, по словам Коппенбурга и других учёных, поможет нам открыть новые частицы и улучшить нынешнюю стандартную модель, позволив ей точно взаимодействовать с тёмной материей, рождением вселенной и другими плохо изученными темами.

5. Собираются ли в будущем создавать ускорители частиц еще больших размеров?

Схема международного линейного коллайдера
Да. Физики надеются со временем построить ускорители гораздо больших размеров, которые позволят разгонять частицы с большой энергией, чем БАК. Это, в свою очередь, позволит открыть новые частицы и даст более чёткое понимание тёмной материи. Длина международного линейного коллайдера, к примеру, будет составлять 32 километра. В отличие от БАК, где частицы разгоняются по кругу, в этом проекте они будут сталкиваться друг с другом напрямую. Проект всё еще рассматривается, но учёные надеются, что такой ускоритель получится построить в Японии, и он начнёт свою работу к 2026 году.

Когда-то всем казалось, что гигантский ускоритель частиц построят и в США. В 1989 году Конгресс даже согласился потратить шесть миллиардов долларов на постройку сверхпроводящего супер-коллайдера. Строить его собирались в Ваксахэчи, штат Техас, длина его туннелей должна была достигать 86 километров. Сила, с которой в нём сталкивались бы частицы, была бы в четыре раза сильней, чем у Большого адронного коллайдера. Но к сожалению, в 1993 году стоимость проекта выросла до одиннадцати миллиардов долларов, и Конгресс решил прикрыть его, несмотря на то, что два миллиарда уже были потрачены на строительство 25 километров туннеля.

Оригинал: Vox
Перевел.

Специалисты Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН) после ряда экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК) объявили об открытии ранее предсказанной российскими учеными новой частицы, называемой пентакварком.

Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider, LHC) — ускоритель, предназначенный для разгона элементарных частиц (в частности, протонов).

На Большом адронном коллайдере открыта новая частица, заявили физики Специалисты Европейского центра ядерных исследований, работающие на Большом адронном коллайдере, объявили об открытии пентакварка – частицы, предсказанной российскими учеными.

Находится на территории Франции и Швейцарии и принадлежит Европейскому совету по ядерным исследованиям (Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire, CERN, ЦЕРН).

На тот момент ученым не было в точности ясно, насколько открытая ими частица соответствует предсказаниям Стандартной модели. К марту 2013 года физики получили достаточно данных о частице, чтобы официально объявить, что это бозон Хиггса.

8 октября 2013 года британскому физику Питеру Хиггсу и бельгийцу Франсуа Энглеру, открывшему механизм нарушения электрослабой симметрии (благодаря этому нарушению элементарные частицы могут иметь массу), была присуждена Нобелевская премия по физике за “теоретическое открытие механизма, который обеспечил понимание происхождения масс элементарных частиц”.

В декабре 2013 года, благодаря анализу данных с помощью нейронных сетей, физики ЦЕРНа впервые следы распада бозона Хиггса на фермионы — тау-лептоны и пары b-кварк и b-антикварк.

В июне 2014 года ученые, работающие на детекторе ATLAS, после обработки всей накопленной статистики, уточнили результаты измерения массы хиггсовского бозона. По их данным масса бозона Хиггса равна 125,36 ± 0,41 гигаэлектронвольт. Это практически совпадает — как по значению, так и по точности — с результатом ученых, работающих на детекторе CMS.

В февральской 2015 года публикации в журнале Physical Review Letters физики заявили, что возможной причиной практически полного отсутствия антиматерии во Вселенной и преобладания обычной видимой материи могли послужить движения поля Хиггса – особой структуры, где “живут” бозоны Хиггса. Российско-американский физик Александр Кусенко из университета Калифорнии в Лос-Анджелесе (США) и его коллеги полагают, что им удалось найти ответ на эту вселенскую загадку в тех данных, которые были Большим адронным коллайдером во время первого этапа его работы, когда был обнаружен бозон Хиггса, знаменитая “частица бога”.

14 июля 2015 года стало известно, что специалисты Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН) после ряда экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК) объявили об открытии ранее предсказанной российскими учеными новой частицы, называемой пентакварком. Изучение свойств пентакварков позволит лучше понять, как устроена обычная материя. Возможность существования пентакварков сотрудники Петербургского института ядерной физики имени Константинова Дмитрий Дьяконов, Максим Поляков и Виктор Петров.

Данные, собранные БАК на первом этапе работы, позволили физикам из коллаборации LHCb, занимающейся поиском экзотических частиц на одноименном детекторе, “поймать” сразу несколько частиц из пяти кварков, получивших временные имена Pc(4450)+ и Pc(4380)+. Они обладают очень большой массой – около 4,4-4,5 тысячи мегаэлектронвольт, что примерно в четыре-пять раз больше, чем аналогичный показатель для протонов и нейтронов, а также достаточно необычным спином. По своей природе они представляют собой четыре “нормальных” кварка, склеенных с одним антикварком.

Статистическая достоверность открытия девять сигма, что эквивалентно одной случайной ошибке или сбою в работе детектора в одном случае на четыре миллиона миллиардов (10 в 18 степени) попыток.

Одной из целей второго запуска БАК станет поиск темной материи. Предполагается, что обнаружение такой материи поможет решить проблемы скрытой массы, которая, в частности, заключается в аномально высокой скорости вращения внешних областей галактик.

Материал подготовлен на основе информации РИА Новости и открытых источников

Принцип работы Большого адронного коллайдера

Ускоритель БАК будет работать на основе эффекта сверхпроводимости, т.е. способности определенных материалов проводить электричество без сопротивления или потери энергии, обычно при очень низких температурах. Чтобы удержать пучок частиц на его кольцевом треке, необходимы более сильные магнитные поля, чем те, которые использовались ранее в других ускорителях ЦЕРН.

Большой адронный коллайдер – ускоритель протонов, построенный на территории Швейцарии и Франции, не имеет аналогов в мире. Эта кольцевая конструкция протяженностью 27 км сооружена на 100-метровой глубине.

В ней с помощью 120 мощных электромагнитов при температуре, близкой к абсолютному нулю – минус 271,3 градуса по Цельсию, предполагается разогнать до близкой к световой скорости (99,9 процентов) встречные пучки протонов. Однако в ряде мест их маршруты пересекутся, что позволит протонам сталкиваться. Направлять частицы будут несколько тысяч сверхпроводящих магнитов. Когда энергии будет достаточно, частицы столкнутся, тем самым учёные создадут модель Большого взрыва. Тысячи датчиков будут фиксировать моменты столкновения. Последствия столкновения протонов и станет главным предметом изучения мира. [ http://dipland.ru /Кибернетика/Большой_андронный_коллайдер_92988]

Технические характеристики

В ускорителе предполагается сталкивать протоны с суммарной энергией 14 ТэВ (то есть 14 тера электронвольт или 14·1012 электронвольт) в системе центра масс налетающих частиц, а также ядра свинца с энергией 5 ГэВ (5·109электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов . На начало 2010 года БАК уже несколько превзошел по энергии протонов предыдущего рекордсмена – протон-антипротонный коллайдер Тэватрон , который до конца 2011 года работал в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (США ). Несмотря на то, что наладка оборудования растягивается на годы и ещё не завершена, БАК уже стал самым высокоэнергичным ускорителем элементарных частиц в мире, на порядок превосходя по энергии остальные коллайдеры, в том числе и релятивистский коллайдер тяжёлых ионов RHIC , работающий в Брукхейвенской лаборатории (США).

Детекторы

На БАК работают 4 основных и 3 вспомогательных детектора:

· ALICE (A Large Ion Collider Experiment)

ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)

CMS (Compact Muon Solenoid)

LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment)

TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement)

LHCf (The Large Hadron Collider forward)

MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC).

ATLAS, CMS, ALICE, LHCb – большие детекторы, расположенные вокруг точек столкновения пучков. Детекторы TOTEM и LHCf – вспомогательные, находятся на удалении в несколько десятков метров от точек пересечения пучков, занимаемых детекторами CMS и ATLAS соответственно, и будут использоваться попутно с основными.

Детектор CMS

Детекторы ATLAS и CMS – детекторы общего назначения, предназначены для поиска бозона Хиггса и «нестандартной физики», в частности тёмной материи , ALICE – для изучения кварк-глюонной плазмы в столкновениях тяжёлых ионов свинца, LHCb – для исследования физики b -кварков , что позволит лучше понять различия между материей и антиматерией , TOTEM – предназначен для изучения рассеяния частиц на малые углы, таких что происходит при близких пролётах без столкновений (так называемые несталкивающиеся частицы, forward particles), что позволяет точнее измерить размер протонов, а также контролировать светимость коллайдера, и, наконец, LHCf – для исследования космических лучей , моделируемых с помощью тех же несталкивающихся частиц .

С работой БАК связан также седьмой, совсем незначительный в плане бюджета и сложности, детектор (эксперимент) MoEDAL , предназначенный для поиска медленно движущихся тяжёлых частиц.

Во время работы коллайдера столкновения проводятся одновременно во всех четырёх точках пересечения пучков, независимо от типа ускоряемых частиц (протоны или ядра). При этом все детекторы одновременно набирают статистику.

Потребление энергии

Во время работы коллайдера расчётное потребление энергии составит 180 М Вт . Предположительные энергозатраты всего ЦЕРН на 2009 год с учётом работающего коллайдера – 1000 ГВт·ч, из которых 700 ГВт·ч придётся на долю ускорителя. Эти энергозатраты – около 10 % от суммарного годового энергопотребления кантона Женева . Сам ЦЕРН не производит энергию, имея лишь резервные дизельные генераторы .[ http://ru.wikipedia.org/wiki/ ]

Возможно, через какие-то несколько лет интернет уступит место новой, более глубокой интеграции удаленных компьютеров, позволяющей не только удаленно передавать информацию, локализованную в разных концах света, но и автоматически использовать удаленные вычислительные ресурсы. В связи с запуском Большого адронного коллайдера CERN уже несколько лет работает над созданием такой сети.

То, что интернет (или то, что обозначается термином web) был изобретен в Европейской организации ядерных исследований (CERN), давно уже стало хрестоматийным фактом. Вокруг таблички «В этих коридорах была создана всемирная сеть» в одном из обычных коридоров обычного здания CERN во время дня открытых дверей всегда толпятся зеваки. Сейчас интернет используют для своих практических нужд люди по всему миру, а изначально он был создан для того, чтобы ученые, работающие на одном проекте, но находящиеся в разных концах планеты, могли общаться между собой, делиться данными, публиковать информацию, к которой можно было бы получить доступ удаленно.

Разрабатываемая в CERN система GRID (по-английски grid – решётка, сеть ) – это еще один шаг вперед, новая ступень интеграции пользователей компьютеров.

Он дает не только возможность публиковать данные, которые находятся где-то в другой точке планеты, но и использовать удаленные машинные ресурсы, не сходя со своего места.

Конечно, обычные компьютеры не играют особой роли в обеспечении вычислительных мощностей, поэтому первый этап интеграции – это соединение мировых суперкомпьютерных центров.

Создание этой системы спровоцировал Большой адронный коллайдер. Хотя уже сейчас GRID используется для массы других задач, без коллайдера его бы не было, и наоборот, без GRID обработка результатов коллайдера невозможна.

Карта серверов GRID //

Люди, которые работают в коллаборациях БАК, находятся в разных концах планеты. Известно, что над этим прибором работают не только европейцы, а и все 20 стран – официальных участниц CERN, всего же порядка 35 стран. Теоретически для обеспечения работы БАК существовала альтернатива GRID – расширение собственных вычислительных ресурсов компьютерного центра CERN. Но тех ресурсов, что были на момент постановки задачи, было совершенно недостаточно для моделирования работы ускорителя, хранения информации его экспериментов и ее научной обработки. Поэтому компьютерный центр нужно было бы очень значительно перестраивать и модернизировать, закупать больше компьютеров и средств для хранения данных. Но это бы означало, что все финансирование будет сосредоточено в CERN. Это было не очень приемлемо для стран, находящихся далеко от CERN. Конечно, они не были заинтересованы в спонсировании ресурсов, которыми очень сложно будет воспользоваться и скорее склонны были наращивать свой вычислительный, машинный потенциал. Поэтому родилась идея использовать ресурсы там, где они находятся.

Не пытаться все сосредоточить в одном месте, а объединить то, что уже есть в разных уголках планеты.

Большой адронный коллайдер (БАК) – самый большой и мощный ускоритель частиц в мире. Он был построен Европейской организацией ядерных исследований (ЦЕРН).

10 000 ученых и инженеров из более чем 100 разных стран работали вместе над созданием этого проекта. Его строительство стоило 10 миллиардов долларов . В настоящее время это самая большая и сложная экспериментальная исследовательская установка в мире.

Как выглядит Большой адронный коллайдер

Это гигантский замкнутый туннель, построенный под землей. Он имеет длину 27 километров и уходит на глубину от 50 до 175 метров .

Находится коллайдер на границе Франции и Швейцарии, недалеко от города Женева.

Где находится коллайдер

Как работает Большой адронный коллайдер

Слово «коллайдер » в этом случае можно перевести как «сталкиватель ». А сталкивает он адроны – класс частиц, состоящих из нескольких кварков, которые удерживаются сильной субатомной связью. Протоны и нейтроны являются примерами адрона.

БАК в основном использует столкновение протонов в своих экспериментах. Протоны – это части атомов с положительным зарядом. Коллайдер ускоряет эти протоны в тоннеле, пока они не достигнут почти скорости света. Различные протоны направлены через туннель в противоположных направлениях. Когда они сталкиваются, то можно зафиксировать условия, подобные ранней Вселенной.

Откуда берутся протоны в для столкновения?

Для этого ионизируются атомы водорода. Атом водорода состоит из одного протона и одного электрона. Во время ионизации удаляется электрон и остаётся нужный для эксперимента протон.

БАК состоит из трёх основных частей:

1. Ускоритель частиц . Разгоняет и сталкивает протоны с помощью системы мощных электромагнитов, расположенных вдоль всего тоннеля.
2. Детекторы . Результаты столкновения нельзя наблюдать напрямую, поэтому мощные детекторы улавливают максимум данных и направляют их на обработку.
3. Грид . С детекторов поступают петабайты данных. Для их интерпретации используется грид-инфраструктура – сеть из компьютеров в 36 странах, которые совместно образуют один суперкомпьютер. Но даже этого хватает только на обработку 1% данных.

Зачем нужен Большой адронный коллайдер

С помощью БАК можно изучить элементарные частицы и способы их взаимодействия. Он уже многому научил нас в области квантовой физики, и исследователи надеются узнать больше о структуре пространства и времени . Наблюдения, которые делают учёные, помогают понять, какой могла быть Вселенная в течение миллисекунд после Большого взрыва.

Какие открытия совершили на БАК

На данный момент самое большое открытие – это бозон Хиггса . Это одно из важнейших открытий 21 века , объясняющее существование массы частиц во Вселенной. Это подтверждает Стандартную модель, с помощью которой сегодня физики описывают взаимодействие элементарных частиц. Именно на этом взаимодействии основано устройство всей Вселенной.

Суть работы бозона Хиггса в том, что благодаря ему другие элементарные частицы могут иметь и передавать свою массу. Но это очень и очень упрощённое понимание, и если Вам интересно, почитайте научную литературу.

С полным списком всех открытий на Большом адронном коллайдере можно ознакомиться на Википедии .

Может ли коллайер уничтожить Землю

С момента запуска БАК стал объектом разнообразных домыслов. Самый известный – в ходе экспериментов может образоваться чёрная дыра и поглотить планету.

Есть две причины, чтобы не волноваться.

Большой адронный коллайдер: все, что вам нужно знать

Большой адронный коллайдер занимает круглый подземный туннель длиной почти 17 миль (27 километров). (Изображение предоставлено: xenotar через Getty Images)

Большой адронный коллайдер (БАК) — самый большой и мощный ускоритель частиц в мире. Он расположен в европейской лаборатории физики элементарных частиц CERN в Швейцарии.

БАК был перезапущен 22 апреля 2022 года после трех лет технического обслуживания и модернизации. Ожидается, что запуск 3 начнется 5 июля, через день после 10-летия открытия бозона Хиггса.

Ученые используют БАК для проверки теоретических предсказаний физики элементарных частиц, особенно тех, которые связаны со “Стандартной моделью”. Хотя Стандартная модель может объяснить почти все результаты в физике элементарных частиц, некоторые вопросы остаются без ответа, например, что такое темная материя и темная энергия? Почему материи больше, чем антиматерии? LHC призван помочь ответить на такие вопросы.

БАК может воспроизвести условия, существовавшие в течение одной миллиардной доли секунды после Большого Взрыва. Колоссальный ускоритель позволяет ученым сталкивать высокоэнергетические субатомные частицы в контролируемой среде и наблюдать за взаимодействием. Один из самых значительных прорывов LHC произошел в 2012 году с открытием бозона Хиггса.

Связанный: Бозон Хиггса мог предотвратить коллапс нашей Вселенной в Швейцарии.

Недавний пример произошел в январе 2022 года, когда ученые ЦЕРНа объявили о «доказательствах наличия X-частиц в кварк-глюонной плазме, образующейся на Большом адронном коллайдере». За этим техноязыком скрывается сногсшибательный факт, что ЦЕРН удалось воссоздать ситуацию, которая не происходила естественным путем через несколько микросекунд после Большого взрыва.

Когда начнется запуск 3, мы можем ожидать целую волну новых открытий, так что самое время поближе взглянуть на то, что делает БАК и весь ЦЕРН такими уникальными.

Что такое Большой адронный коллайдер?

БАК — это ускоритель частиц — устройство, которое контролируемым образом разгоняет субатомные частицы до огромных энергий, чтобы ученые могли изучать получающиеся взаимодействия, согласно информационному бюллетеню CERN LHC (открывается в новой вкладке). «Большой», что обозначает буква L, — это преуменьшение; LHC на сегодняшний день является самым большим ускорителем в мире, занимая кольцевой туннель почти 17 миль (27 километров) в окружности. Средняя буква H означает «адрон», общее название составных частиц LHC, таких как протоны, которые состоят из более мелких частиц, называемых кварками. Наконец, C означает «коллайдер» — БАК ускоряет два пучка частиц в противоположных направлениях, и все действие происходит, когда лучи сталкиваются.

Как и все физические эксперименты, БАК предназначен для проверки теоретических предсказаний — в данном случае так называемой Стандартной модели физики элементарных частиц — и проверки наличия в них пробелов. Как бы странно это ни звучало, физики жаждут найти несколько дыр в Стандартной модели, потому что некоторые вещи, такие как темная материя и темная энергия, не могут быть объяснены до тех пор, пока они этого не сделают.

Открытия и история Большого адронного коллайдера

БАК сталкивает частицы друг с другом на высоких скоростях, создавая каскад новых частиц, включая печально известный бозон Хиггса. (Изображение предоставлено Ket4up через Getty Images)

Важнейшим событием для LHC стало открытие бозона Хиггса в 2012 году. Несмотря на то, что его часто называют «частицей Бога», на самом деле он сам по себе не так уж удивителен, как можно было бы предположить из этого названия. Его огромное значение было связано с тем, что это было последнее предсказание Стандартной модели, которое еще не было доказано. Но бозон Хиггса — далеко не единственное открытие БАК.

Согласно физическому журналу CERN Courier , БАК также обнаружил около 60 ранее неизвестных адронов, представляющих собой сложные частицы, состоящие из различных комбинаций кварков. Тем не менее, все эти новые частицы по-прежнему находятся в рамках Стандартной модели, которую БАК изо всех сил пытался выйти за пределы , к большому разочарованию многих ученых, посвятивших свою карьеру работе над альтернативными теориями.

Связанный: 10 ошеломляющих фактов о квантовой физике, которые вы должны знать это указывало на небольшие, но определенные отклонения от Стандартной модели.

Согласно ЦЕРН, БАК открылся для работы в 2009 году, но история ЦЕРН уходит гораздо дальше. Организация была создана в 1954 по рекомендации Европейского совета по ядерным исследованиям — или Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire на французском языке, от которого он и получил свое название. Между его созданием и открытием LHC ЦЕРН был ответственен за серию новаторских открытий, включая слабые нейтральные токи, легкие нейтрино и бозоны W и Z. Как только БАК снова заработает, мы можем ожидать продолжения открытий.

Запуск 3: чего ожидать

Как следует из названия, запуск 3 — это третий научный запуск БАК, который начнется 5 июля 2022 года. Он будет основываться на открытиях БАК, сделанных во время запуска 1 (2009 г.)-2013) и запуск 2 (с 2015 по 2018 год) и проводить эксперименты до 2024 года. 

На пороге новой физики ученые стремятся использовать новые усовершенствования БАК для исследования бозона Хиггса, исследования темной материи и, возможно, расширить наше понимание стандартной модели, ведущей теории, описывающей все известные фундаментальных сил и элементарных частиц во Вселенной.

С помощью новых обновлений ЦЕРН увеличил мощность инжекторов БАК, которые подают в коллайдер пучки ускоренных частиц. Во время предыдущего отключения в 2018 году коллайдер мог ускорять лучи до энергии 6,5 тераэлектронвольт, и это значение было увеличено до 6,8 тераэлектронвольт9.0049 согласно заявлению CERN (откроется в новой вкладке).

Для справки: один тераэлектронвольт эквивалентен 1 триллиону электронвольт (электронвольт, единица энергии, эквивалентен работе, совершаемой электроном, ускоряющимся при потенциале в один вольт).

Для увеличения энергии протонные лучи до такого экстремального уровня, «тысячи сверхпроводящих магнитов, поля которых направляют лучи по их траектории, должны привыкнуть к гораздо более сильным токам после длительного периода бездействия в течение LS2 (открывается в новой вкладке)», — говорится в том же заявлении ЦЕРН. Приведение оборудования в соответствие с этой модернизацией — это процесс, который ЦЕРН называет «магнитным обучением» и который состоит из примерно 12 000 отдельных тестов.

С Магниты БАК «обучены», а протонные пучки стали более мощными, чем когда-либо, БАК сможет создавать столкновения при более высоких энергиях, чем когда-либо прежде, расширяя возможности того, что могут обнаружить ученые, использующие модернизированное оборудование

После завершения запуска 3 в 2024 году , ученые ЦЕРН закроют его для еще одного запланированного капитального ремонта, который будет включать в себя дополнительные обновления массивного ускорителя частиц. После завершения эти обновления позволят ученым переименовать БАК в «Большой адронный коллайдер высокой светимости», как только он снова откроется в 2028 году.0003

Как работает Большой адронный коллайдер?

Представленный здесь компактный мюонный соленоид (CMS) может захватывать изображения частиц до 40 миллионов раз в секунду. (Изображение предоставлено xenotar через Getty Images)

(открывается в новой вкладке)

Каким бы огромным он ни был, БАК не может функционировать без помощи других машин вокруг него. Согласно отчету CERN LHC, прежде чем частицы, которые обычно являются протонами, но для некоторых экспериментов гораздо более тяжелыми ионами свинца, вводятся в него, они проходят через цепочку меньших ускорителей, которые постепенно увеличивают их скорость. . Меньше — это просто относительный термин; последний шаг в цепочке инжектора, суперпротонный синхротрон, имеет окружность почти 4,3 мили (6,9км). В результате два луча движутся в противоположных направлениях вокруг БАК практически со скоростью света, согласно ЦЕРН .

Лучи удерживаются на своих круговых траекториях сильным магнитным полем, которое искривляет траекторию электрически заряженных частиц. В четырех точках обширного кольца БАК противоположные лучи собираются вместе и сталкиваются, и именно здесь происходит вся научная деятельность.

Похожие истории:

Частицы сталкиваются с такими огромными энергиями, что столкновения создают каскад новых частиц, большинство из которых чрезвычайно короткоживущие. Для ученых важно выяснить, что представляют собой все эти частицы, а это непростая задача.

Для этой цели на БАК имеется множество сложных детекторов частиц (открывается в новой вкладке), каждый из которых состоит из слоев поддетекторов, предназначенных для измерения определенных свойств частиц или поиска определенных типов частиц. Например, калориметры измеряют энергию частицы, а кривая траектории движения частицы в магнитном поле дает информацию об ее электрическом заряде и импульсе.

Две из четырех точек столкновения по окружности БАК заняты большими детекторами общего назначения. К ним относится Compact Muon Solenoid (CMS) (откроется в новой вкладке), который можно рассматривать как гигантскую 3D-камеру, делающую снимки частиц до 40 миллионов раз в секунду.

Пути частиц внутри детектора контролируются гигантским электромагнитом, называемым соленоидом. Несмотря на вес 12 500 метрических тонн, он довольно компактен, как следует из названия детектора. Это среднее слово, мюон, относится к неуловимой частице, похожей на электрон, но гораздо более массивной, что требует набора поддетекторов, обернутых вокруг соленоида.

Другой универсальный детектор БАК, ATLAS (тороидальный аппарат БАК) , имеет такое же назначение, что и CMS, но отличается конструкцией детектора, подсистем и магнитов. Он также менее компактен, чем CMS, и занимает больший объем, чем любой другой когда-либо созданный детектор частиц.

Эксперименты на Большом адронном коллайдере

Детектор ATLAS (тороидальный аппарат LHC) — один из детекторов общего назначения LHC. (Изображение предоставлено: xenotar через Getty Images)

Во многих наиболее важных экспериментах БАК, включая открытие бозона Хиггса, используются детекторы общего назначения ATLAS и CMS. Но у него также есть несколько других более специализированных детекторов, которые можно использовать в определенных типах экспериментов.

Детектор LHC forward (LHCf) , расположенный недалеко от точки взаимодействия ATLAS, использует частицы, выбрасываемые вперед при столкновениях, как средство имитации космических лучей в лабораторных условиях. Далее по траектории луча проходит эксперимент прямого поиска (FASER) (откроется в новой вкладке), предназначенный для поиска легких слабо взаимодействующих частиц, которые, вероятно, ускользнут от более крупных детекторов.

Третий эксперимент, оптимизированный для прямого направления, — это измерение полного упругого и дифракционного сечения (TOTEM) (открывается в новой вкладке), расположенное рядом с точкой взаимодействия CMS, которое фокусируется на физике самих протонов высокой энергии.

Помимо ATLAS и CMS, у LHC есть еще две точки взаимодействия. Один из них занят Экспериментом на большом ионном коллайдере (ALICE) (открывается в новой вкладке), специализированным детектором для физики тяжелых ионов. В последней точке взаимодействия находятся два эксперимента на самом переднем крае физики: LHCb (открывается в новой вкладке), посвященный физике экзотического «кварка красоты», и MoEDAL — детектор монополя и экзотики (открывается в новой вкладке). ) на БАК.

LHC и бозон Хиггса

Согласно CERN, когда физики выдвигают новые теории, они всегда стараются убедиться, что их можно проверить экспериментально. Это произошло в начале 1960-х, когда Питер Хиггс и другие разработали теорию, объясняющую, почему некоторые частицы-переносчики взаимодействия имеют ненулевую массу.

Теория предсказала существование ранее неизвестной частицы, получившей название бозона Хиггса. Следующим шагом было найти бозон Хиггса и таким образом подтвердить теорию. Как бы просто это ни звучало, это привело к многолетней охоте по всему миру. Конец, наконец, наступил в 2012 году, когда данные с БАК — в частности, из комбинации измерений ATLAS и CMS — вне всяких сомнений доказали, что бозон Хиггса был открыт.

Многочисленные эксперименты ЦЕРНа

Ученые все еще пытаются понять, почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии. (Изображение предоставлено: sakkmesterke через Getty Images)

(открывается в новой вкладке)

Одной из ключевых загадок Вселенной является поразительная асимметрия между материей и антиматерией — почему она содержит гораздо больше первой, чем второй. Согласно теории Большого взрыва, Вселенная должна была начаться с равных количеств обоих. Однако очень рано, вероятно, в течение первой секунды, практически вся антиматерия исчезла, и осталась только нормальная материя, которую мы видим сегодня. Эта асимметрия получила техническое название «CP-нарушение», и ее изучение является одной из основных целей эксперимента LHCb на Большом адронном коллайдере.

Все адроны состоят из кварков, но LHCb предназначен для обнаружения частиц, включающих особенно редкий тип кварков, известный как «красота». Изучение CP-нарушения в частицах, содержащих красоту, является одним из наиболее многообещающих способов пролить свет на возникновение асимметрии материи и антиматерии в ранней Вселенной.

Охота за экзотическими частицами

В той же подземной пещере, что и LHCb, находится меньший инструмент под названием MoEDAL, что означает «Детектор монополя и экзотики на БАК». В то время как большинство экспериментов ЦЕРН предназначены для изучения известных частиц, этот эксперимент направлен на обнаружение до сих пор неизвестных частиц, лежащих за пределами существующей Стандартной модели. Монополем, например, была бы намагниченная частица, состоящая только из северного полюса без южного, или наоборот. Такие частицы давно предполагались, но никогда не наблюдались.

Целью MoEDAL является поиск любых монополей, которые могут образоваться в результате столкновений внутри БАК. Он также потенциально может обнаруживать определенные «стабильные массивные частицы», которые предсказываются теориями, выходящим за рамки Стандартной модели. Если удастся найти любую из этих частиц, MoEDAL может помочь решить фундаментальные вопросы, такие как существование других измерений или природа темной материи.

Наука о климате

Помимо БАК, в ЦЕРН есть другие объекты, которые проводят не менее важные исследования. Связывание физики элементарных частиц с наукой о климате может быть неочевидным шагом, но это то, что делает один эксперимент на протонном синхротроне в ЦЕРНе. Это меньший и менее сложный ускоритель, чем БАК, но он все же способен выполнять полезную работу.

Климатический эксперимент называется ОБЛАКО, что дает четкое представление о том, о чем идет речь, хотя название расшифровывается как «Космос, оставляющий наружные капли» . Земля находится под постоянной бомбардировкой космическими лучами, и было высказано предположение, что они играют роль в формировании облаков, засеивая крошечные капельки воды. Изучать в реальной атмосфере с настоящими космическими лучами непросто, поэтому ЦЕРН создает свои собственные космические лучи с помощью ускорителя. Затем их запускают в искусственную атмосферу, где их эффекты можно изучить более подробно.

Создание антиматерии

Антиматерия часто появляется в высокоэнергетических ускорителях ЦЕРН как половина пары частица-античастица. Но при обычном ходе событий античастицы не существуют долго, прежде чем они аннигилируют при столкновениях с обычными частицами.

Если вы хотите создать антивещество, которое будет существовать достаточно долго для детального изучения, вам понадобится нечто большее, чем просто ускоритель. Именно здесь вступает в действие уникальная «фабрика антивещества» ЦЕРН. Она берет античастицы, созданные в протонном синхротроне, и замедляет их до управляемых скоростей в том, что фактически является полной противоположностью ускорителя частиц: антипротонным замедлителем. Полученные «антиатомы» затем можно изучать с помощью ряда инструментов, таких как AEGIS (эксперимент с антиводородом: гравитация, интерферометрия и спектроскопия).

Один из вопросов, на который AEGIS вскоре сможет ответить, заключается в том, падает ли антивещество в гравитационном поле вниз, как обычное вещество, или вверх в противоположном направлении.

Опасен ли Большой адронный коллайдер?

БАК иногда называют физикой «высоких энергий», но это только высокие энергии на субатомном уровне. (Изображение предоставлено: mesut zengin через Getty Images)

По разным причинам на протяжении многих лет люди предполагали, что эксперименты в CERN могут представлять опасность для общественности. К счастью, такие опасения беспочвенны. Возьмем, к примеру, букву N в CERN, что означает «ядерный», согласно UK Research and Innovation (UKRI). Это не имеет ничего общего с реакциями внутри ядерного оружия, которые включают обмен протонами и нейтронами внутри ядер.

Исследования ЦЕРН находятся на еще более низком уровне, чем этот, в отношении составляющих самих протонов и нейтронов. Иногда ее называют физикой «высоких энергий», но энергии считаются «высокими» только в субатомном масштабе. Частицы внутри БАК, например, обычно обладают энергией комара, согласно отчету о безопасности Группы оценки безопасности БАК .

Люди также обеспокоены тем, что БАК может создать «мини-черную дыру», но даже если это произойдет — что маловероятно — она будет невероятно крошечной и настолько нестабильной, что исчезнет за долю секунды, согласно исследованию. отчет по безопасности. отчет.

За пределами Большого адронного коллайдера

Спустя 12 лет после ввода в эксплуатацию БАК по-прежнему остается самым большим и мощным ускорителем частиц в мире. Но он не будет держать этот рекорд вечно. Несколько стран имеют планы сделать еще один шаг вперед, в том числе круговой электронно-позитронный коллайдер в Китае и Международный линейный коллайдер в Японии.

Европейское предложение – круговой коллайдер будущего (FCC), который будет построен рядом с LHC в ЦЕРНе, но будет казаться карликовым по размеру. Несмотря на то, что он еще не одобрен с финансовой точки зрения — ориентировочная стоимость составляет 20 миллиардов фунтов стерлингов (27 миллиардов долларов США), — по данным Physics World (открывается в новой вкладке), проект хорошо проработан.

FCC будет иметь окружность 62 мили (99 км) и располагаться рядом с LHC, который он будет использовать в качестве инжектора частиц, в конечном итоге достигая энергии в семь раз большей, чем у его предшественника.

Вопросы и ответы с ученым ЦЕРН Кларой Неллист

Физик элементарных частиц и научный коммуникатор.

Доктор Неллист работает над экспериментом ATLAS на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе.

Мы обсуждаем, каково это работать с крупнейшим в мире ускорителем частиц.

Как вы пришли к участию в эксперименте ATLAS?

Я начал работать с ATLAS для своей докторской диссертации. Я разрабатывал новые пиксельные датчики, чтобы улучшить измерение частиц, когда они проходят через наш детектор. Очень важно сделать их устойчивыми к радиационному повреждению, что является большой проблемой, когда вы размещаете датчики близко к месту столкновения частиц. С тех пор у меня была возможность работать над рядом различных проектов, таких как понимание того, как бозон Хиггса и топ-кварк взаимодействуют друг с другом. Теперь я применяю алгоритмы машинного обучения к нашим данным, чтобы искать намеки на темную материю. Одна из самых больших загадок в физике сейчас заключается в том, что составляет 85% материи в нашей Вселенной? Мы называем это темной материей, но на самом деле мы мало о ней знаем!

Каково работать с такой уникальной и мощной машиной?

Удивительно иметь возможность работать над этой невероятно сложной машиной с людьми со всего мира. Один человек не может управлять всем этим, поэтому каждая команда становится экспертом в своей конкретной части. Когда мы все работаем вместе, мы можем делать открытия о мельчайших строительных кирпичиках нашей вселенной.

Есть ли какие-нибудь интересные новые разработки, которых вы особенно ждете?

В этом году мы снова запускаем Большой адронный коллайдер, так что я очень рад увидеть, что мы можем с его помощью найти. Часть нашей работы состоит в том, чтобы максимально подробно изучить частицы, о которых мы уже знаем, чтобы проверить, соответствуют ли наши теории тому, что мы измеряем. Но мы также ищем совершенно новые частицы, которых никогда раньше не видели. Если мы найдем что-то новое, это может быть кандидат на темную материю или что-то совершенно неожиданное.

Дополнительные ресурсы

Вы можете совершить виртуальную экскурсию по Большому адронному коллайдеру с Европейским советом по ядерным исследованиям (CERN), который дает вам 360-градусный обзор коллайдера. Вы также можете просматривать состояние Большого адронного коллайдера в режиме реального времени с помощью инструмента CERN Vistar (откроется в новой вкладке). Узнайте о том, что ускорители частиц сделали для нас, в этой интересной статье (открывается в новой вкладке) от Physics World. По всему миру существует множество ускорителей частиц. Полный список примеров можно найти на этом ресурсе Института физики Боннского университета (откроется в новой вкладке), Германия.

Библиография

• Сирунян А.М. и др. «Доказательства наличия X (3872) в столкновениях Pb-Pb и исследования его быстрого образования при s N N = 5,02 ТэВ (открывается в новой вкладке)» Physical Review Letters 128.3 (2022): 032001.
• Aaij, Roel, et al. . «Проверка универсальности лептона в распадах красивых кварков (открывается в новой вкладке)» препринт arXiv arXiv: 2103.11769 (2021 г.).
• Группа оценки безопасности LHC «Обзор безопасности столкновений LHC (откроется в новой вкладке)».
• Группа по оценке безопасности LHC «Обзор приложения о безопасности столкновений LHC о странных летательных аппаратах (откроется в новой вкладке)». Июнь 2008 г. 
• Гиддингс, Стивен Б. и Микеланджело Л. Мангано. «Астрофизические последствия гипотетических стабильных черных дыр ТэВного масштаба (открывается в новой вкладке)» Physical Review D 78.3 (2008): 035009. 
• Аад, Джорджес и др. «Эксперимент ATLAS на большом адронном коллайдере ЦЕРН (открывается в новой вкладке)» Журнал приборостроения 3.S08003 (2008 г.).
• Димопулос, Савас и Грег Ландсберг. «Черные дыры на большом адронном коллайдере (открывается в новой вкладке)» Physical Review Letters 87.16 (2001): 161602. 

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].

Дейзи Добриевич присоединилась к Space. com в феврале 2022 года в качестве справочного автора, ранее работавшего штатным автором в нашем сестринском журнале All About Space. Прежде чем присоединиться к нам, Дейзи прошла редакционную стажировку в журнале BBC Sky at Night Magazine и работала в Национальном космическом центре в Лестере, Великобритания, где ей нравилось знакомить общественность с космической наукой. В 2021 году Дейзи защитила докторскую диссертацию по физиологии растений, а также имеет степень магистра наук об окружающей среде. В настоящее время она проживает в Ноттингеме, Великобритания.0003

Большой адронный коллайдер: все, что вам нужно знать

Большой адронный коллайдер занимает круглый подземный туннель длиной почти 17 миль (27 километров). (Изображение предоставлено: xenotar через Getty Images)

Большой адронный коллайдер (БАК) — самый большой и мощный ускоритель частиц в мире. Он расположен в европейской лаборатории физики элементарных частиц CERN в Швейцарии.

БАК был перезапущен 22 апреля 2022 года после трех лет технического обслуживания и модернизации. Ожидается, что запуск 3 начнется 5 июля, через день после 10-летия открытия бозона Хиггса.

Ученые используют БАК для проверки теоретических предсказаний физики элементарных частиц, особенно тех, которые связаны со “Стандартной моделью”. Хотя Стандартная модель может объяснить почти все результаты в физике элементарных частиц, некоторые вопросы остаются без ответа, например, что такое темная материя и темная энергия? Почему материи больше, чем антиматерии? LHC призван помочь ответить на такие вопросы.

БАК может воспроизвести условия, существовавшие в течение одной миллиардной доли секунды после Большого Взрыва. Колоссальный ускоритель позволяет ученым сталкивать высокоэнергетические субатомные частицы в контролируемой среде и наблюдать за взаимодействием. Один из самых значительных прорывов LHC произошел в 2012 году с открытием бозона Хиггса.

Связанный: Бозон Хиггса мог предотвратить коллапс нашей Вселенной в Швейцарии.

Недавний пример произошел в январе 2022 года, когда ученые ЦЕРНа объявили о «доказательствах наличия X-частиц в кварк-глюонной плазме, образующейся на Большом адронном коллайдере». За этим техноязыком скрывается сногсшибательный факт, что ЦЕРН удалось воссоздать ситуацию, которая не происходила естественным путем через несколько микросекунд после Большого взрыва.

Когда начнется запуск 3, мы можем ожидать целую волну новых открытий, так что самое время поближе взглянуть на то, что делает БАК и весь ЦЕРН такими уникальными.

Что такое Большой адронный коллайдер?

БАК — это ускоритель частиц — устройство, которое контролируемым образом разгоняет субатомные частицы до огромных энергий, чтобы ученые могли изучать получающиеся взаимодействия, согласно информационному бюллетеню CERN LHC (открывается в новой вкладке). «Большой», что обозначает буква L, — это преуменьшение; LHC на сегодняшний день является самым большим ускорителем в мире, занимая кольцевой туннель почти 17 миль (27 километров) в окружности. Средняя буква H означает «адрон», общее название составных частиц LHC, таких как протоны, которые состоят из более мелких частиц, называемых кварками. Наконец, C означает «коллайдер» — БАК ускоряет два пучка частиц в противоположных направлениях, и все действие происходит, когда лучи сталкиваются.

Как и все физические эксперименты, БАК предназначен для проверки теоретических предсказаний — в данном случае так называемой Стандартной модели физики элементарных частиц — и проверки наличия в них пробелов. Как бы странно это ни звучало, физики жаждут найти несколько дыр в Стандартной модели, потому что некоторые вещи, такие как темная материя и темная энергия, не могут быть объяснены до тех пор, пока они этого не сделают.

Открытия и история Большого адронного коллайдера

БАК сталкивает частицы друг с другом на высоких скоростях, создавая каскад новых частиц, включая печально известный бозон Хиггса. (Изображение предоставлено Ket4up через Getty Images)

Важнейшим событием для LHC стало открытие бозона Хиггса в 2012 году. Несмотря на то, что его часто называют «частицей Бога», на самом деле он сам по себе не так уж удивителен, как можно было бы предположить из этого названия. Его огромное значение было связано с тем, что это было последнее предсказание Стандартной модели, которое еще не было доказано. Но бозон Хиггса — далеко не единственное открытие БАК.

Согласно физическому журналу CERN Courier , БАК также обнаружил около 60 ранее неизвестных адронов, представляющих собой сложные частицы, состоящие из различных комбинаций кварков. Тем не менее, все эти новые частицы по-прежнему находятся в рамках Стандартной модели, которую БАК изо всех сил пытался выйти за пределы , к большому разочарованию многих ученых, посвятивших свою карьеру работе над альтернативными теориями.

Связанный: 10 ошеломляющих фактов о квантовой физике, которые вы должны знать это указывало на небольшие, но определенные отклонения от Стандартной модели.

Согласно ЦЕРН, БАК открылся для работы в 2009 году, но история ЦЕРН уходит гораздо дальше. Организация была создана в 1954 по рекомендации Европейского совета по ядерным исследованиям — или Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire на французском языке, от которого он и получил свое название. Между его созданием и открытием LHC ЦЕРН был ответственен за серию новаторских открытий, включая слабые нейтральные токи, легкие нейтрино и бозоны W и Z. Как только БАК снова заработает, мы можем ожидать продолжения открытий.

Запуск 3: чего ожидать

Как следует из названия, запуск 3 — это третий научный запуск БАК, который начнется 5 июля 2022 года. Он будет основываться на открытиях БАК, сделанных во время запуска 1 (2009 г.)-2013) и запуск 2 (с 2015 по 2018 год) и проводить эксперименты до 2024 года. 

На пороге новой физики ученые стремятся использовать новые усовершенствования БАК для исследования бозона Хиггса, исследования темной материи и, возможно, расширить наше понимание стандартной модели, ведущей теории, описывающей все известные фундаментальных сил и элементарных частиц во Вселенной.

С помощью новых обновлений ЦЕРН увеличил мощность инжекторов БАК, которые подают в коллайдер пучки ускоренных частиц. Во время предыдущего отключения в 2018 году коллайдер мог ускорять лучи до энергии 6,5 тераэлектронвольт, и это значение было увеличено до 6,8 тераэлектронвольт9. 0049 согласно заявлению CERN (откроется в новой вкладке).

Для справки: один тераэлектронвольт эквивалентен 1 триллиону электронвольт (электронвольт, единица энергии, эквивалентен работе, совершаемой электроном, ускоряющимся при потенциале в один вольт).

Для увеличения энергии протонные лучи до такого экстремального уровня, «тысячи сверхпроводящих магнитов, поля которых направляют лучи по их траектории, должны привыкнуть к гораздо более сильным токам после длительного периода бездействия в течение LS2 (открывается в новой вкладке)», — говорится в том же заявлении ЦЕРН. Приведение оборудования в соответствие с этой модернизацией — это процесс, который ЦЕРН называет «магнитным обучением» и который состоит из примерно 12 000 отдельных тестов.

С Магниты БАК «обучены», а протонные пучки стали более мощными, чем когда-либо, БАК сможет создавать столкновения при более высоких энергиях, чем когда-либо прежде, расширяя возможности того, что могут обнаружить ученые, использующие модернизированное оборудование

После завершения запуска 3 в 2024 году , ученые ЦЕРН закроют его для еще одного запланированного капитального ремонта, который будет включать в себя дополнительные обновления массивного ускорителя частиц. После завершения эти обновления позволят ученым переименовать БАК в «Большой адронный коллайдер высокой светимости», как только он снова откроется в 2028 году.0003

Как работает Большой адронный коллайдер?

Представленный здесь компактный мюонный соленоид (CMS) может захватывать изображения частиц до 40 миллионов раз в секунду. (Изображение предоставлено xenotar через Getty Images)

(открывается в новой вкладке)

Каким бы огромным он ни был, БАК не может функционировать без помощи других машин вокруг него. Согласно отчету CERN LHC, прежде чем частицы, которые обычно являются протонами, но для некоторых экспериментов гораздо более тяжелыми ионами свинца, вводятся в него, они проходят через цепочку меньших ускорителей, которые постепенно увеличивают их скорость. . Меньше — это просто относительный термин; последний шаг в цепочке инжектора, суперпротонный синхротрон, имеет окружность почти 4,3 мили (6,9км). В результате два луча движутся в противоположных направлениях вокруг БАК практически со скоростью света, согласно ЦЕРН .

Лучи удерживаются на своих круговых траекториях сильным магнитным полем, которое искривляет траекторию электрически заряженных частиц. В четырех точках обширного кольца БАК противоположные лучи собираются вместе и сталкиваются, и именно здесь происходит вся научная деятельность.

Похожие истории:

Частицы сталкиваются с такими огромными энергиями, что столкновения создают каскад новых частиц, большинство из которых чрезвычайно короткоживущие. Для ученых важно выяснить, что представляют собой все эти частицы, а это непростая задача.

Для этой цели на БАК имеется множество сложных детекторов частиц (открывается в новой вкладке), каждый из которых состоит из слоев поддетекторов, предназначенных для измерения определенных свойств частиц или поиска определенных типов частиц. Например, калориметры измеряют энергию частицы, а кривая траектории движения частицы в магнитном поле дает информацию об ее электрическом заряде и импульсе.

Две из четырех точек столкновения по окружности БАК заняты большими детекторами общего назначения. К ним относится Compact Muon Solenoid (CMS) (откроется в новой вкладке), который можно рассматривать как гигантскую 3D-камеру, делающую снимки частиц до 40 миллионов раз в секунду.

Пути частиц внутри детектора контролируются гигантским электромагнитом, называемым соленоидом. Несмотря на вес 12 500 метрических тонн, он довольно компактен, как следует из названия детектора. Это среднее слово, мюон, относится к неуловимой частице, похожей на электрон, но гораздо более массивной, что требует набора поддетекторов, обернутых вокруг соленоида.

Другой универсальный детектор БАК, ATLAS (тороидальный аппарат БАК) , имеет такое же назначение, что и CMS, но отличается конструкцией детектора, подсистем и магнитов. Он также менее компактен, чем CMS, и занимает больший объем, чем любой другой когда-либо созданный детектор частиц.

Эксперименты на Большом адронном коллайдере

Детектор ATLAS (тороидальный аппарат LHC) — один из детекторов общего назначения LHC. (Изображение предоставлено: xenotar через Getty Images)

Во многих наиболее важных экспериментах БАК, включая открытие бозона Хиггса, используются детекторы общего назначения ATLAS и CMS. Но у него также есть несколько других более специализированных детекторов, которые можно использовать в определенных типах экспериментов.

Детектор LHC forward (LHCf) , расположенный недалеко от точки взаимодействия ATLAS, использует частицы, выбрасываемые вперед при столкновениях, как средство имитации космических лучей в лабораторных условиях. Далее по траектории луча проходит эксперимент прямого поиска (FASER) (откроется в новой вкладке), предназначенный для поиска легких слабо взаимодействующих частиц, которые, вероятно, ускользнут от более крупных детекторов.

Третий эксперимент, оптимизированный для прямого направления, — это измерение полного упругого и дифракционного сечения (TOTEM) (открывается в новой вкладке), расположенное рядом с точкой взаимодействия CMS, которое фокусируется на физике самих протонов высокой энергии.

Помимо ATLAS и CMS, у LHC есть еще две точки взаимодействия. Один из них занят Экспериментом на большом ионном коллайдере (ALICE) (открывается в новой вкладке), специализированным детектором для физики тяжелых ионов. В последней точке взаимодействия находятся два эксперимента на самом переднем крае физики: LHCb (открывается в новой вкладке), посвященный физике экзотического «кварка красоты», и MoEDAL — детектор монополя и экзотики (открывается в новой вкладке). ) на БАК.

LHC и бозон Хиггса

Согласно CERN, когда физики выдвигают новые теории, они всегда стараются убедиться, что их можно проверить экспериментально. Это произошло в начале 1960-х, когда Питер Хиггс и другие разработали теорию, объясняющую, почему некоторые частицы-переносчики взаимодействия имеют ненулевую массу.

Теория предсказала существование ранее неизвестной частицы, получившей название бозона Хиггса. Следующим шагом было найти бозон Хиггса и таким образом подтвердить теорию. Как бы просто это ни звучало, это привело к многолетней охоте по всему миру. Конец, наконец, наступил в 2012 году, когда данные с БАК — в частности, из комбинации измерений ATLAS и CMS — вне всяких сомнений доказали, что бозон Хиггса был открыт.

Многочисленные эксперименты ЦЕРНа

Ученые все еще пытаются понять, почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии. (Изображение предоставлено: sakkmesterke через Getty Images)

(открывается в новой вкладке)

Одной из ключевых загадок Вселенной является поразительная асимметрия между материей и антиматерией — почему она содержит гораздо больше первой, чем второй. Согласно теории Большого взрыва, Вселенная должна была начаться с равных количеств обоих. Однако очень рано, вероятно, в течение первой секунды, практически вся антиматерия исчезла, и осталась только нормальная материя, которую мы видим сегодня. Эта асимметрия получила техническое название «CP-нарушение», и ее изучение является одной из основных целей эксперимента LHCb на Большом адронном коллайдере.

Все адроны состоят из кварков, но LHCb предназначен для обнаружения частиц, включающих особенно редкий тип кварков, известный как «красота». Изучение CP-нарушения в частицах, содержащих красоту, является одним из наиболее многообещающих способов пролить свет на возникновение асимметрии материи и антиматерии в ранней Вселенной.

Охота за экзотическими частицами

В той же подземной пещере, что и LHCb, находится меньший инструмент под названием MoEDAL, что означает «Детектор монополя и экзотики на БАК». В то время как большинство экспериментов ЦЕРН предназначены для изучения известных частиц, этот эксперимент направлен на обнаружение до сих пор неизвестных частиц, лежащих за пределами существующей Стандартной модели. Монополем, например, была бы намагниченная частица, состоящая только из северного полюса без южного, или наоборот. Такие частицы давно предполагались, но никогда не наблюдались.

Целью MoEDAL является поиск любых монополей, которые могут образоваться в результате столкновений внутри БАК. Он также потенциально может обнаруживать определенные «стабильные массивные частицы», которые предсказываются теориями, выходящим за рамки Стандартной модели. Если удастся найти любую из этих частиц, MoEDAL может помочь решить фундаментальные вопросы, такие как существование других измерений или природа темной материи.

Наука о климате

Помимо БАК, в ЦЕРН есть другие объекты, которые проводят не менее важные исследования. Связывание физики элементарных частиц с наукой о климате может быть неочевидным шагом, но это то, что делает один эксперимент на протонном синхротроне в ЦЕРНе. Это меньший и менее сложный ускоритель, чем БАК, но он все же способен выполнять полезную работу.

Климатический эксперимент называется ОБЛАКО, что дает четкое представление о том, о чем идет речь, хотя название расшифровывается как «Космос, оставляющий наружные капли» . Земля находится под постоянной бомбардировкой космическими лучами, и было высказано предположение, что они играют роль в формировании облаков, засеивая крошечные капельки воды. Изучать в реальной атмосфере с настоящими космическими лучами непросто, поэтому ЦЕРН создает свои собственные космические лучи с помощью ускорителя. Затем их запускают в искусственную атмосферу, где их эффекты можно изучить более подробно.

Создание антиматерии

Антиматерия часто появляется в высокоэнергетических ускорителях ЦЕРН как половина пары частица-античастица. Но при обычном ходе событий античастицы не существуют долго, прежде чем они аннигилируют при столкновениях с обычными частицами.

Если вы хотите создать антивещество, которое будет существовать достаточно долго для детального изучения, вам понадобится нечто большее, чем просто ускоритель. Именно здесь вступает в действие уникальная «фабрика антивещества» ЦЕРН. Она берет античастицы, созданные в протонном синхротроне, и замедляет их до управляемых скоростей в том, что фактически является полной противоположностью ускорителя частиц: антипротонным замедлителем. Полученные «антиатомы» затем можно изучать с помощью ряда инструментов, таких как AEGIS (эксперимент с антиводородом: гравитация, интерферометрия и спектроскопия).

Один из вопросов, на который AEGIS вскоре сможет ответить, заключается в том, падает ли антивещество в гравитационном поле вниз, как обычное вещество, или вверх в противоположном направлении.

Опасен ли Большой адронный коллайдер?

БАК иногда называют физикой «высоких энергий», но это только высокие энергии на субатомном уровне. (Изображение предоставлено: mesut zengin через Getty Images)

По разным причинам на протяжении многих лет люди предполагали, что эксперименты в CERN могут представлять опасность для общественности. К счастью, такие опасения беспочвенны. Возьмем, к примеру, букву N в CERN, что означает «ядерный», согласно UK Research and Innovation (UKRI). Это не имеет ничего общего с реакциями внутри ядерного оружия, которые включают обмен протонами и нейтронами внутри ядер.

Исследования ЦЕРН находятся на еще более низком уровне, чем этот, в отношении составляющих самих протонов и нейтронов. Иногда ее называют физикой «высоких энергий», но энергии считаются «высокими» только в субатомном масштабе. Частицы внутри БАК, например, обычно обладают энергией комара, согласно отчету о безопасности Группы оценки безопасности БАК .

Люди также обеспокоены тем, что БАК может создать «мини-черную дыру», но даже если это произойдет — что маловероятно — она будет невероятно крошечной и настолько нестабильной, что исчезнет за долю секунды, согласно исследованию. отчет по безопасности. отчет.

За пределами Большого адронного коллайдера

Спустя 12 лет после ввода в эксплуатацию БАК по-прежнему остается самым большим и мощным ускорителем частиц в мире. Но он не будет держать этот рекорд вечно. Несколько стран имеют планы сделать еще один шаг вперед, в том числе круговой электронно-позитронный коллайдер в Китае и Международный линейный коллайдер в Японии.

Европейское предложение – круговой коллайдер будущего (FCC), который будет построен рядом с LHC в ЦЕРНе, но будет казаться карликовым по размеру. Несмотря на то, что он еще не одобрен с финансовой точки зрения — ориентировочная стоимость составляет 20 миллиардов фунтов стерлингов (27 миллиардов долларов США), — по данным Physics World (открывается в новой вкладке), проект хорошо проработан.

FCC будет иметь окружность 62 мили (99 км) и располагаться рядом с LHC, который он будет использовать в качестве инжектора частиц, в конечном итоге достигая энергии в семь раз большей, чем у его предшественника.

Вопросы и ответы с ученым ЦЕРН Кларой Неллист

Физик элементарных частиц и научный коммуникатор.

Доктор Неллист работает над экспериментом ATLAS на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе.

Мы обсуждаем, каково это работать с крупнейшим в мире ускорителем частиц.

Как вы пришли к участию в эксперименте ATLAS?

Я начал работать с ATLAS для своей докторской диссертации. Я разрабатывал новые пиксельные датчики, чтобы улучшить измерение частиц, когда они проходят через наш детектор. Очень важно сделать их устойчивыми к радиационному повреждению, что является большой проблемой, когда вы размещаете датчики близко к месту столкновения частиц. С тех пор у меня была возможность работать над рядом различных проектов, таких как понимание того, как бозон Хиггса и топ-кварк взаимодействуют друг с другом. Теперь я применяю алгоритмы машинного обучения к нашим данным, чтобы искать намеки на темную материю. Одна из самых больших загадок в физике сейчас заключается в том, что составляет 85% материи в нашей Вселенной? Мы называем это темной материей, но на самом деле мы мало о ней знаем!

Каково работать с такой уникальной и мощной машиной?

Удивительно иметь возможность работать над этой невероятно сложной машиной с людьми со всего мира. Один человек не может управлять всем этим, поэтому каждая команда становится экспертом в своей конкретной части. Когда мы все работаем вместе, мы можем делать открытия о мельчайших строительных кирпичиках нашей вселенной.

Есть ли какие-нибудь интересные новые разработки, которых вы особенно ждете?

В этом году мы снова запускаем Большой адронный коллайдер, так что я очень рад увидеть, что мы можем с его помощью найти. Часть нашей работы состоит в том, чтобы максимально подробно изучить частицы, о которых мы уже знаем, чтобы проверить, соответствуют ли наши теории тому, что мы измеряем. Но мы также ищем совершенно новые частицы, которых никогда раньше не видели. Если мы найдем что-то новое, это может быть кандидат на темную материю или что-то совершенно неожиданное.

Дополнительные ресурсы

Вы можете совершить виртуальную экскурсию по Большому адронному коллайдеру с Европейским советом по ядерным исследованиям (CERN), который дает вам 360-градусный обзор коллайдера. Вы также можете просматривать состояние Большого адронного коллайдера в режиме реального времени с помощью инструмента CERN Vistar (откроется в новой вкладке). Узнайте о том, что ускорители частиц сделали для нас, в этой интересной статье (открывается в новой вкладке) от Physics World. По всему миру существует множество ускорителей частиц. Полный список примеров можно найти на этом ресурсе Института физики Боннского университета (откроется в новой вкладке), Германия.

Библиография

• Сирунян А.М. и др. «Доказательства наличия X (3872) в столкновениях Pb-Pb и исследования его быстрого образования при s N N = 5,02 ТэВ (открывается в новой вкладке)» Physical Review Letters 128.3 (2022): 032001.
• Aaij, Roel, et al. . «Проверка универсальности лептона в распадах красивых кварков (открывается в новой вкладке)» препринт arXiv arXiv: 2103.11769 (2021 г.).
• Группа оценки безопасности LHC «Обзор безопасности столкновений LHC (откроется в новой вкладке)».
• Группа по оценке безопасности LHC «Обзор приложения о безопасности столкновений LHC о странных летательных аппаратах (откроется в новой вкладке)». Июнь 2008 г. 
• Гиддингс, Стивен Б. и Микеланджело Л. Мангано. «Астрофизические последствия гипотетических стабильных черных дыр ТэВного масштаба (открывается в новой вкладке)» Physical Review D 78.3 (2008): 035009. 
• Аад, Джорджес и др. «Эксперимент ATLAS на большом адронном коллайдере ЦЕРН (открывается в новой вкладке)» Журнал приборостроения 3.S08003 (2008 г.).
• Димопулос, Савас и Грег Ландсберг. «Черные дыры на большом адронном коллайдере (открывается в новой вкладке)» Physical Review Letters 87.16 (2001): 161602. 

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].

Дейзи Добриевич присоединилась к Space. com в феврале 2022 года в качестве справочного автора, ранее работавшего штатным автором в нашем сестринском журнале All About Space. Прежде чем присоединиться к нам, Дейзи прошла редакционную стажировку в журнале BBC Sky at Night Magazine и работала в Национальном космическом центре в Лестере, Великобритания, где ей нравилось знакомить общественность с космической наукой. В 2021 году Дейзи защитила докторскую диссертацию по физиологии растений, а также имеет степень магистра наук об окружающей среде. В настоящее время она проживает в Ноттингеме, Великобритания.0003

Большой адронный коллайдер: все, что вам нужно знать

Большой адронный коллайдер занимает круглый подземный туннель длиной почти 17 миль (27 километров). (Изображение предоставлено: xenotar через Getty Images)

Большой адронный коллайдер (БАК) — самый большой и мощный ускоритель частиц в мире. Он расположен в европейской лаборатории физики элементарных частиц CERN в Швейцарии.

БАК был перезапущен 22 апреля 2022 года после трех лет технического обслуживания и модернизации. Ожидается, что запуск 3 начнется 5 июля, через день после 10-летия открытия бозона Хиггса.

Ученые используют БАК для проверки теоретических предсказаний физики элементарных частиц, особенно тех, которые связаны со “Стандартной моделью”. Хотя Стандартная модель может объяснить почти все результаты в физике элементарных частиц, некоторые вопросы остаются без ответа, например, что такое темная материя и темная энергия? Почему материи больше, чем антиматерии? LHC призван помочь ответить на такие вопросы.

БАК может воспроизвести условия, существовавшие в течение одной миллиардной доли секунды после Большого Взрыва. Колоссальный ускоритель позволяет ученым сталкивать высокоэнергетические субатомные частицы в контролируемой среде и наблюдать за взаимодействием. Один из самых значительных прорывов LHC произошел в 2012 году с открытием бозона Хиггса.

Связанный: Бозон Хиггса мог предотвратить коллапс нашей Вселенной в Швейцарии.

Недавний пример произошел в январе 2022 года, когда ученые ЦЕРНа объявили о «доказательствах наличия X-частиц в кварк-глюонной плазме, образующейся на Большом адронном коллайдере». За этим техноязыком скрывается сногсшибательный факт, что ЦЕРН удалось воссоздать ситуацию, которая не происходила естественным путем через несколько микросекунд после Большого взрыва.

Когда начнется запуск 3, мы можем ожидать целую волну новых открытий, так что самое время поближе взглянуть на то, что делает БАК и весь ЦЕРН такими уникальными.

Что такое Большой адронный коллайдер?

БАК — это ускоритель частиц — устройство, которое контролируемым образом разгоняет субатомные частицы до огромных энергий, чтобы ученые могли изучать получающиеся взаимодействия, согласно информационному бюллетеню CERN LHC (открывается в новой вкладке). «Большой», что обозначает буква L, — это преуменьшение; LHC на сегодняшний день является самым большим ускорителем в мире, занимая кольцевой туннель почти 17 миль (27 километров) в окружности. Средняя буква H означает «адрон», общее название составных частиц LHC, таких как протоны, которые состоят из более мелких частиц, называемых кварками. Наконец, C означает «коллайдер» — БАК ускоряет два пучка частиц в противоположных направлениях, и все действие происходит, когда лучи сталкиваются.

Как и все физические эксперименты, БАК предназначен для проверки теоретических предсказаний — в данном случае так называемой Стандартной модели физики элементарных частиц — и проверки наличия в них пробелов. Как бы странно это ни звучало, физики жаждут найти несколько дыр в Стандартной модели, потому что некоторые вещи, такие как темная материя и темная энергия, не могут быть объяснены до тех пор, пока они этого не сделают.

Открытия и история Большого адронного коллайдера

БАК сталкивает частицы друг с другом на высоких скоростях, создавая каскад новых частиц, включая печально известный бозон Хиггса. (Изображение предоставлено Ket4up через Getty Images)

Важнейшим событием для LHC стало открытие бозона Хиггса в 2012 году. Несмотря на то, что его часто называют «частицей Бога», на самом деле он сам по себе не так уж удивителен, как можно было бы предположить из этого названия. Его огромное значение было связано с тем, что это было последнее предсказание Стандартной модели, которое еще не было доказано. Но бозон Хиггса — далеко не единственное открытие БАК.

Согласно физическому журналу CERN Courier , БАК также обнаружил около 60 ранее неизвестных адронов, представляющих собой сложные частицы, состоящие из различных комбинаций кварков. Тем не менее, все эти новые частицы по-прежнему находятся в рамках Стандартной модели, которую БАК изо всех сил пытался выйти за пределы , к большому разочарованию многих ученых, посвятивших свою карьеру работе над альтернативными теориями.

Связанный: 10 ошеломляющих фактов о квантовой физике, которые вы должны знать это указывало на небольшие, но определенные отклонения от Стандартной модели.

Согласно ЦЕРН, БАК открылся для работы в 2009 году, но история ЦЕРН уходит гораздо дальше. Организация была создана в 1954 по рекомендации Европейского совета по ядерным исследованиям — или Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire на французском языке, от которого он и получил свое название. Между его созданием и открытием LHC ЦЕРН был ответственен за серию новаторских открытий, включая слабые нейтральные токи, легкие нейтрино и бозоны W и Z. Как только БАК снова заработает, мы можем ожидать продолжения открытий.

Запуск 3: чего ожидать

Как следует из названия, запуск 3 — это третий научный запуск БАК, который начнется 5 июля 2022 года. Он будет основываться на открытиях БАК, сделанных во время запуска 1 (2009 г.)-2013) и запуск 2 (с 2015 по 2018 год) и проводить эксперименты до 2024 года. 

На пороге новой физики ученые стремятся использовать новые усовершенствования БАК для исследования бозона Хиггса, исследования темной материи и, возможно, расширить наше понимание стандартной модели, ведущей теории, описывающей все известные фундаментальных сил и элементарных частиц во Вселенной.

С помощью новых обновлений ЦЕРН увеличил мощность инжекторов БАК, которые подают в коллайдер пучки ускоренных частиц. Во время предыдущего отключения в 2018 году коллайдер мог ускорять лучи до энергии 6,5 тераэлектронвольт, и это значение было увеличено до 6,8 тераэлектронвольт9. 0049 согласно заявлению CERN (откроется в новой вкладке).

Для справки: один тераэлектронвольт эквивалентен 1 триллиону электронвольт (электронвольт, единица энергии, эквивалентен работе, совершаемой электроном, ускоряющимся при потенциале в один вольт).

Для увеличения энергии протонные лучи до такого экстремального уровня, «тысячи сверхпроводящих магнитов, поля которых направляют лучи по их траектории, должны привыкнуть к гораздо более сильным токам после длительного периода бездействия в течение LS2 (открывается в новой вкладке)», — говорится в том же заявлении ЦЕРН. Приведение оборудования в соответствие с этой модернизацией — это процесс, который ЦЕРН называет «магнитным обучением» и который состоит из примерно 12 000 отдельных тестов.

С Магниты БАК «обучены», а протонные пучки стали более мощными, чем когда-либо, БАК сможет создавать столкновения при более высоких энергиях, чем когда-либо прежде, расширяя возможности того, что могут обнаружить ученые, использующие модернизированное оборудование

После завершения запуска 3 в 2024 году , ученые ЦЕРН закроют его для еще одного запланированного капитального ремонта, который будет включать в себя дополнительные обновления массивного ускорителя частиц. После завершения эти обновления позволят ученым переименовать БАК в «Большой адронный коллайдер высокой светимости», как только он снова откроется в 2028 году.0003

Как работает Большой адронный коллайдер?

Представленный здесь компактный мюонный соленоид (CMS) может захватывать изображения частиц до 40 миллионов раз в секунду. (Изображение предоставлено xenotar через Getty Images)

(открывается в новой вкладке)

Каким бы огромным он ни был, БАК не может функционировать без помощи других машин вокруг него. Согласно отчету CERN LHC, прежде чем частицы, которые обычно являются протонами, но для некоторых экспериментов гораздо более тяжелыми ионами свинца, вводятся в него, они проходят через цепочку меньших ускорителей, которые постепенно увеличивают их скорость. . Меньше — это просто относительный термин; последний шаг в цепочке инжектора, суперпротонный синхротрон, имеет окружность почти 4,3 мили (6,9км). В результате два луча движутся в противоположных направлениях вокруг БАК практически со скоростью света, согласно ЦЕРН .

Лучи удерживаются на своих круговых траекториях сильным магнитным полем, которое искривляет траекторию электрически заряженных частиц. В четырех точках обширного кольца БАК противоположные лучи собираются вместе и сталкиваются, и именно здесь происходит вся научная деятельность.

Похожие истории:

Частицы сталкиваются с такими огромными энергиями, что столкновения создают каскад новых частиц, большинство из которых чрезвычайно короткоживущие. Для ученых важно выяснить, что представляют собой все эти частицы, а это непростая задача.

Для этой цели на БАК имеется множество сложных детекторов частиц (открывается в новой вкладке), каждый из которых состоит из слоев поддетекторов, предназначенных для измерения определенных свойств частиц или поиска определенных типов частиц. Например, калориметры измеряют энергию частицы, а кривая траектории движения частицы в магнитном поле дает информацию об ее электрическом заряде и импульсе.

Две из четырех точек столкновения по окружности БАК заняты большими детекторами общего назначения. К ним относится Compact Muon Solenoid (CMS) (откроется в новой вкладке), который можно рассматривать как гигантскую 3D-камеру, делающую снимки частиц до 40 миллионов раз в секунду.

Пути частиц внутри детектора контролируются гигантским электромагнитом, называемым соленоидом. Несмотря на вес 12 500 метрических тонн, он довольно компактен, как следует из названия детектора. Это среднее слово, мюон, относится к неуловимой частице, похожей на электрон, но гораздо более массивной, что требует набора поддетекторов, обернутых вокруг соленоида.

Другой универсальный детектор БАК, ATLAS (тороидальный аппарат БАК) , имеет такое же назначение, что и CMS, но отличается конструкцией детектора, подсистем и магнитов. Он также менее компактен, чем CMS, и занимает больший объем, чем любой другой когда-либо созданный детектор частиц.

Эксперименты на Большом адронном коллайдере

Детектор ATLAS (тороидальный аппарат LHC) — один из детекторов общего назначения LHC. (Изображение предоставлено: xenotar через Getty Images)

Во многих наиболее важных экспериментах БАК, включая открытие бозона Хиггса, используются детекторы общего назначения ATLAS и CMS. Но у него также есть несколько других более специализированных детекторов, которые можно использовать в определенных типах экспериментов.

Детектор LHC forward (LHCf) , расположенный недалеко от точки взаимодействия ATLAS, использует частицы, выбрасываемые вперед при столкновениях, как средство имитации космических лучей в лабораторных условиях. Далее по траектории луча проходит эксперимент прямого поиска (FASER) (откроется в новой вкладке), предназначенный для поиска легких слабо взаимодействующих частиц, которые, вероятно, ускользнут от более крупных детекторов.

Третий эксперимент, оптимизированный для прямого направления, — это измерение полного упругого и дифракционного сечения (TOTEM) (открывается в новой вкладке), расположенное рядом с точкой взаимодействия CMS, которое фокусируется на физике самих протонов высокой энергии.

Помимо ATLAS и CMS, у LHC есть еще две точки взаимодействия. Один из них занят Экспериментом на большом ионном коллайдере (ALICE) (открывается в новой вкладке), специализированным детектором для физики тяжелых ионов. В последней точке взаимодействия находятся два эксперимента на самом переднем крае физики: LHCb (открывается в новой вкладке), посвященный физике экзотического «кварка красоты», и MoEDAL — детектор монополя и экзотики (открывается в новой вкладке). ) на БАК.

LHC и бозон Хиггса

Согласно CERN, когда физики выдвигают новые теории, они всегда стараются убедиться, что их можно проверить экспериментально. Это произошло в начале 1960-х, когда Питер Хиггс и другие разработали теорию, объясняющую, почему некоторые частицы-переносчики взаимодействия имеют ненулевую массу.

Теория предсказала существование ранее неизвестной частицы, получившей название бозона Хиггса. Следующим шагом было найти бозон Хиггса и таким образом подтвердить теорию. Как бы просто это ни звучало, это привело к многолетней охоте по всему миру. Конец, наконец, наступил в 2012 году, когда данные с БАК — в частности, из комбинации измерений ATLAS и CMS — вне всяких сомнений доказали, что бозон Хиггса был открыт.

Многочисленные эксперименты ЦЕРНа

Ученые все еще пытаются понять, почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии. (Изображение предоставлено: sakkmesterke через Getty Images)

(открывается в новой вкладке)

Одной из ключевых загадок Вселенной является поразительная асимметрия между материей и антиматерией — почему она содержит гораздо больше первой, чем второй. Согласно теории Большого взрыва, Вселенная должна была начаться с равных количеств обоих. Однако очень рано, вероятно, в течение первой секунды, практически вся антиматерия исчезла, и осталась только нормальная материя, которую мы видим сегодня. Эта асимметрия получила техническое название «CP-нарушение», и ее изучение является одной из основных целей эксперимента LHCb на Большом адронном коллайдере.

Все адроны состоят из кварков, но LHCb предназначен для обнаружения частиц, включающих особенно редкий тип кварков, известный как «красота». Изучение CP-нарушения в частицах, содержащих красоту, является одним из наиболее многообещающих способов пролить свет на возникновение асимметрии материи и антиматерии в ранней Вселенной.

Охота за экзотическими частицами

В той же подземной пещере, что и LHCb, находится меньший инструмент под названием MoEDAL, что означает «Детектор монополя и экзотики на БАК». В то время как большинство экспериментов ЦЕРН предназначены для изучения известных частиц, этот эксперимент направлен на обнаружение до сих пор неизвестных частиц, лежащих за пределами существующей Стандартной модели. Монополем, например, была бы намагниченная частица, состоящая только из северного полюса без южного, или наоборот. Такие частицы давно предполагались, но никогда не наблюдались.

Целью MoEDAL является поиск любых монополей, которые могут образоваться в результате столкновений внутри БАК. Он также потенциально может обнаруживать определенные «стабильные массивные частицы», которые предсказываются теориями, выходящим за рамки Стандартной модели. Если удастся найти любую из этих частиц, MoEDAL может помочь решить фундаментальные вопросы, такие как существование других измерений или природа темной материи.

Наука о климате

Помимо БАК, в ЦЕРН есть другие объекты, которые проводят не менее важные исследования. Связывание физики элементарных частиц с наукой о климате может быть неочевидным шагом, но это то, что делает один эксперимент на протонном синхротроне в ЦЕРНе. Это меньший и менее сложный ускоритель, чем БАК, но он все же способен выполнять полезную работу.

Климатический эксперимент называется ОБЛАКО, что дает четкое представление о том, о чем идет речь, хотя название расшифровывается как «Космос, оставляющий наружные капли» . Земля находится под постоянной бомбардировкой космическими лучами, и было высказано предположение, что они играют роль в формировании облаков, засеивая крошечные капельки воды. Изучать в реальной атмосфере с настоящими космическими лучами непросто, поэтому ЦЕРН создает свои собственные космические лучи с помощью ускорителя. Затем их запускают в искусственную атмосферу, где их эффекты можно изучить более подробно.

Создание антиматерии

Антиматерия часто появляется в высокоэнергетических ускорителях ЦЕРН как половина пары частица-античастица. Но при обычном ходе событий античастицы не существуют долго, прежде чем они аннигилируют при столкновениях с обычными частицами.

Если вы хотите создать антивещество, которое будет существовать достаточно долго для детального изучения, вам понадобится нечто большее, чем просто ускоритель. Именно здесь вступает в действие уникальная «фабрика антивещества» ЦЕРН. Она берет античастицы, созданные в протонном синхротроне, и замедляет их до управляемых скоростей в том, что фактически является полной противоположностью ускорителя частиц: антипротонным замедлителем. Полученные «антиатомы» затем можно изучать с помощью ряда инструментов, таких как AEGIS (эксперимент с антиводородом: гравитация, интерферометрия и спектроскопия).

Один из вопросов, на который AEGIS вскоре сможет ответить, заключается в том, падает ли антивещество в гравитационном поле вниз, как обычное вещество, или вверх в противоположном направлении.

Опасен ли Большой адронный коллайдер?

БАК иногда называют физикой «высоких энергий», но это только высокие энергии на субатомном уровне. (Изображение предоставлено: mesut zengin через Getty Images)

По разным причинам на протяжении многих лет люди предполагали, что эксперименты в CERN могут представлять опасность для общественности. К счастью, такие опасения беспочвенны. Возьмем, к примеру, букву N в CERN, что означает «ядерный», согласно UK Research and Innovation (UKRI). Это не имеет ничего общего с реакциями внутри ядерного оружия, которые включают обмен протонами и нейтронами внутри ядер.

Исследования ЦЕРН находятся на еще более низком уровне, чем этот, в отношении составляющих самих протонов и нейтронов. Иногда ее называют физикой «высоких энергий», но энергии считаются «высокими» только в субатомном масштабе. Частицы внутри БАК, например, обычно обладают энергией комара, согласно отчету о безопасности Группы оценки безопасности БАК .

Люди также обеспокоены тем, что БАК может создать «мини-черную дыру», но даже если это произойдет — что маловероятно — она будет невероятно крошечной и настолько нестабильной, что исчезнет за долю секунды, согласно исследованию. отчет по безопасности. отчет.

За пределами Большого адронного коллайдера

Спустя 12 лет после ввода в эксплуатацию БАК по-прежнему остается самым большим и мощным ускорителем частиц в мире. Но он не будет держать этот рекорд вечно. Несколько стран имеют планы сделать еще один шаг вперед, в том числе круговой электронно-позитронный коллайдер в Китае и Международный линейный коллайдер в Японии.

Европейское предложение – круговой коллайдер будущего (FCC), который будет построен рядом с LHC в ЦЕРНе, но будет казаться карликовым по размеру. Несмотря на то, что он еще не одобрен с финансовой точки зрения — ориентировочная стоимость составляет 20 миллиардов фунтов стерлингов (27 миллиардов долларов США), — по данным Physics World (открывается в новой вкладке), проект хорошо проработан.

FCC будет иметь окружность 62 мили (99 км) и располагаться рядом с LHC, который он будет использовать в качестве инжектора частиц, в конечном итоге достигая энергии в семь раз большей, чем у его предшественника.

Вопросы и ответы с ученым ЦЕРН Кларой Неллист

Физик элементарных частиц и научный коммуникатор.

Доктор Неллист работает над экспериментом ATLAS на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе.

Мы обсуждаем, каково это работать с крупнейшим в мире ускорителем частиц.

Как вы пришли к участию в эксперименте ATLAS?

Я начал работать с ATLAS для своей докторской диссертации. Я разрабатывал новые пиксельные датчики, чтобы улучшить измерение частиц, когда они проходят через наш детектор. Очень важно сделать их устойчивыми к радиационному повреждению, что является большой проблемой, когда вы размещаете датчики близко к месту столкновения частиц. С тех пор у меня была возможность работать над рядом различных проектов, таких как понимание того, как бозон Хиггса и топ-кварк взаимодействуют друг с другом. Теперь я применяю алгоритмы машинного обучения к нашим данным, чтобы искать намеки на темную материю. Одна из самых больших загадок в физике сейчас заключается в том, что составляет 85% материи в нашей Вселенной? Мы называем это темной материей, но на самом деле мы мало о ней знаем!

Каково работать с такой уникальной и мощной машиной?

Удивительно иметь возможность работать над этой невероятно сложной машиной с людьми со всего мира. Один человек не может управлять всем этим, поэтому каждая команда становится экспертом в своей конкретной части. Когда мы все работаем вместе, мы можем делать открытия о мельчайших строительных кирпичиках нашей вселенной.

Есть ли какие-нибудь интересные новые разработки, которых вы особенно ждете?

В этом году мы снова запускаем Большой адронный коллайдер, так что я очень рад увидеть, что мы можем с его помощью найти. Часть нашей работы состоит в том, чтобы максимально подробно изучить частицы, о которых мы уже знаем, чтобы проверить, соответствуют ли наши теории тому, что мы измеряем. Но мы также ищем совершенно новые частицы, которых никогда раньше не видели. Если мы найдем что-то новое, это может быть кандидат на темную материю или что-то совершенно неожиданное.

Дополнительные ресурсы

Вы можете совершить виртуальную экскурсию по Большому адронному коллайдеру с Европейским советом по ядерным исследованиям (CERN), который дает вам 360-градусный обзор коллайдера. Вы также можете просматривать состояние Большого адронного коллайдера в режиме реального времени с помощью инструмента CERN Vistar (откроется в новой вкладке). Узнайте о том, что ускорители частиц сделали для нас, в этой интересной статье (открывается в новой вкладке) от Physics World. По всему миру существует множество ускорителей частиц. Полный список примеров можно найти на этом ресурсе Института физики Боннского университета (откроется в новой вкладке), Германия.

Библиография

• Сирунян А.М. и др. «Доказательства наличия X (3872) в столкновениях Pb-Pb и исследования его быстрого образования при s N N = 5,02 ТэВ (открывается в новой вкладке)» Physical Review Letters 128.3 (2022): 032001.
• Aaij, Roel, et al. . «Проверка универсальности лептона в распадах красивых кварков (открывается в новой вкладке)» препринт arXiv arXiv: 2103.11769 (2021 г.).
• Группа оценки безопасности LHC «Обзор безопасности столкновений LHC (откроется в новой вкладке)».
• Группа по оценке безопасности LHC «Обзор приложения о безопасности столкновений LHC о странных летательных аппаратах (откроется в новой вкладке)». Июнь 2008 г. 
• Гиддингс, Стивен Б. и Микеланджело Л. Мангано. «Астрофизические последствия гипотетических стабильных черных дыр ТэВного масштаба (открывается в новой вкладке)» Physical Review D 78.3 (2008): 035009. 
• Аад, Джорджес и др. «Эксперимент ATLAS на большом адронном коллайдере ЦЕРН (открывается в новой вкладке)» Журнал приборостроения 3.S08003 (2008 г.).
• Димопулос, Савас и Грег Ландсберг. «Черные дыры на большом адронном коллайдере (открывается в новой вкладке)» Physical Review Letters 87.16 (2001): 161602. 

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].

Дейзи Добриевич присоединилась к Space. com в феврале 2022 года в качестве справочного автора, ранее работавшего штатным автором в нашем сестринском журнале All About Space. Прежде чем присоединиться к нам, Дейзи прошла редакционную стажировку в журнале BBC Sky at Night Magazine и работала в Национальном космическом центре в Лестере, Великобритания, где ей нравилось знакомить общественность с космической наукой. В 2021 году Дейзи защитила докторскую диссертацию по физиологии растений, а также имеет степень магистра наук об окружающей среде. В настоящее время она проживает в Ноттингеме, Великобритания.0003

Как обновленный Большой адронный коллайдер будет искать новую физику

Охота за новой физикой возобновилась. Самая мощная в мире машина для столкновения частиц высокой энергии — Большой адронный коллайдер (БАК) — заработала после более чем трехлетнего простоя. Пучки протонов снова со свистом проносятся по 27-километровой петле в ЦЕРН, европейской лаборатории физики элементарных частиц недалеко от Женевы. К июлю физики смогут включить свои эксперименты и наблюдать за столкновением сгустков частиц.

В первые два периода работы, в 2009–2013 и 2015–2018 годах, БАК исследовал известный физический мир. Вся эта работа, включая триумфальное открытие бозона Хиггса в 2012 году, подтвердила лучшее на сегодняшний день описание физиками частиц и сил, составляющих Вселенную: стандартную модель. Но ученым, просеивающим обломки квадриллионов высокоэнергетических столкновений, еще предстоит найти доказательства каких-либо удивительных новых частиц или чего-то еще совершенно неизвестного.

На этот раз все могло быть по-другому. LHC до сих пор стоил 9 долларов США.0,2 миллиарда, включая последние обновления: третья версия содержит больше данных, улучшенные детекторы и инновационные способы поиска новой физики. Более того, ученые начинают с дразнящего списка аномальных результатов — намного больше, чем в начале последнего запуска, — которые намекают на то, где искать частицы вне стандартной модели.

«Мы действительно начинаем с адреналина», — говорит Изабель Педраса, физик из Заслуженного автономного университета Пуэблы (BUAP) в Мексике. «Я уверен, что мы увидим что-то в третьем заезде».

Более высокая энергия и больше данных

После обновления ускорителей частиц третья версия БАК будет сталкивать протоны при 13,6 триллиона электрон-вольт (ТэВ) — немного выше, чем во втором опыте, где энергия достигла 13 ТэВ. Более энергичные удары должны увеличить шансы того, что столкновения создадут частицы в высокоэнергетических областях, где, согласно некоторым теориям, может лежать новая физика, говорит Ренде Стеренберг, который руководит операциями с пучками в ЦЕРНе. Лучи машины также будут доставлять более компактные пучки частиц, увеличивая вероятность столкновений. Это позволит LHC дольше поддерживать пиковую частоту столкновений, что в конечном итоге позволит экспериментам записывать столько же данных, сколько в первых двух запусках вместе взятых.

Чтобы справиться с наводнением, детекторы машины — слои датчиков, которые улавливают частицы, разбрызгиваемые в результате столкновений, и измеряют их энергию, импульс и другие свойства — были модернизированы, чтобы сделать их более эффективными и точными (см. «Увеличение данных»).

Ник Спенсер/ Природа ; Источник: ЦЕРН

.

Серьезной проблемой для исследователей LHC всегда было то, что можно сохранить так мало данных о столкновениях. Машина сталкивается со сгустками 40 миллионов раз в секунду, и каждое протон-протонное столкновение, или «событие», может выбрасывать сотни частиц. «Триггерные» системы должны отсеивать самые интересные из этих событий и отбрасывать большую часть данных. Например, в CMS — одном из четырех основных экспериментов LHC — триггер, встроенный в аппаратное обеспечение, делает грубую запись около 100 000 событий в секунду на основе оценок таких свойств, как энергия частиц, прежде чем программное обеспечение выделит около 1000 событий. полностью реконструировать для анализа.

Имея больше данных, триггерные системы должны сортировать еще больше событий. Одно из улучшений связано с испытанием чипов, изначально разработанных для видеоигр, которые называются GPU (графические процессоры). Они могут реконструировать историю частиц быстрее, чем обычные процессоры, поэтому программное обеспечение сможет сканировать быстрее и по большему количеству критериев каждую секунду. Это позволит ему потенциально обнаруживать странные столкновения, которые ранее могли быть пропущены.

В частности, эксперимент LHCb обновил электронику своего детектора, так что он будет использовать только программное обеспечение для сканирования событий в поисках интересной физики. Усовершенствования во всем эксперименте означают, что он должен собрать в четыре раза больше данных в ходе 3, чем во время 2. Это «почти как новый детектор», — говорит Ясмин Амхис, физик из Лаборатории физики Ирен-Жолио Кюри. из Two Infinities Lab в Орсе, Франция, и член коллаборации LHCb.

«Вершинный локатор» LHCb, расположенный близко к линии луча LHC, чтобы увидеть короткоживущие частицы. Предоставлено: Максимилиан Брис, Жюльен Мариус Ордан / CERN

Обнаружение аномалий

Прогон 3 также даст физикам более точные измерения известных частиц, таких как бозон Хиггса, говорит Людовико Понтекорво, физик из эксперимента ATLAS. Уже одно это может привести к результатам, которые противоречат известной физике — например, при более точном измерении погрешности уменьшаются настолько, что выходят за рамки прогнозов стандартной модели.

Но физики также хотят знать, являются ли множество странных недавних результатов настоящими аномалиями, которые могли бы помочь заполнить некоторые пробелы в понимании Вселенной. Стандартная модель неполна: например, она не может объяснить такие явления, как темная материя. И результаты, которые противоречат модели — но недостаточно убедительны, чтобы претендовать на явное несоответствие — появлялись много раз за последние два года (см. «Намек на новую физику?»).

Ник Спенсер/ Природа ; Источник: ЦЕРН

Самый последний из них — с коллайдера Тэватрон в Национальной ускорительной лаборатории Ферми (Fermilab) в Батавии, штат Иллинойс, который был закрыт в 2011 году. Исследователи провели последнее десятилетие, изучая данные эксперимента CDF Тэватрона. В апреле они сообщили ¹ , что масса бозона W , фундаментальной частицы, несущей слабое ядерное взаимодействие, связанное с радиоактивным распадом, значительно выше, чем предсказывает стандартная модель.

Это не согласуется с данными LHC: измерения на ATLAS и LHCb расходятся с данными CDF, хотя они менее точны. Физики из CMS сейчас работают над собственным измерением, используя данные второго запуска машины. Данные третьего прогона могли бы дать окончательный ответ, хотя и не сразу, потому что масса 9Известно, что бозон 0655 W трудно измерить.

Путаница с B-мезонами

Данные БАК намекнули на другие аномалии. В частности, в течение почти десяти лет накапливались доказательства странного поведения частиц, называемых В-мезонами. Эти переходные частицы, которые быстро распадаются на другие, названы так потому, что они содержат пары фундаментальных частиц, в том числе «нижний» или «красавый» кварк. Анализы LHCb показывают, что при распаде B-мезонов электроны образуются чаще, чем их более тяжелые родственники, мюоны 9.0679 2 . Стандартная модель предсказывает, что природа не должна отдавать предпочтение одному над другим, говорит Тара Ширс, физик элементарных частиц из Ливерпульского университета, Великобритания, и член коллаборации LHCb. «Мюоны производятся примерно на 15% реже, чем электроны, и это совершенно странно», — говорит она.

Результат отличается от предсказаний стандартной модели значимостью около 3 сигм, или 3 стандартных отклонений от ожидаемого, что соответствует вероятности 3 из 1000 того, что случайный шум мог вызвать очевидное смещение. Только дополнительные данные могут подтвердить, является ли эффект реальным или статистической случайностью. По словам Ширса, экспериментаторы могли что-то неправильно понять в своих данных или машине, но теперь, когда многие из соответствующих детекторов LHCb были заменены, следующий этап сбора данных должен обеспечить перекрестную проверку. «Мы будем раздавлены, если [аномалия] исчезнет. Но это жизнь ученого, такое может случиться».

Аномалия подкрепляется такими же тонкими несоответствиями, которые LHCb наблюдал в других распадах с участием нижних кварков; эксперименты на коллайдерах в Японии и Соединенных Штатах также показали намеки на этот странный результат. Такого рода работа — специальность LHCb: его детекторы были разработаны для детального изучения распадов частиц, содержащих тяжелые кварки, что позволяет эксперименту собирать косвенные намеки на явления, которые могут влиять на поведение этих частиц. CMS и ATLAS — эксперименты более общего назначения, но экспериментаторы сейчас проверяют, смогут ли они обнаружить больше событий, чувствительных к аномалиям, — говорит Флоренсия Канелли, физик-экспериментатор элементарных частиц из Цюрихского университета в Швейцарии и член сотрудничества CMS.

Охота на лептокварк

CMS и ATLAS также будут делать то, что LHCb не может: прочесывать данные о столкновениях, чтобы напрямую искать экзотические частицы, которые, как предполагают теоретики, могут вызывать все еще неподтвержденные аномалии. Одну такую ​​гипотетическую частицу назвали лептокварком, потому что при высоких энергиях она приобретала бы свойства двух в остальном различных семейств частиц — лептонов, таких как электроны и мюоны, и кварков (см. «Расшифровка распадов»). Эта гибридная частица исходит из теорий, которые стремятся объединить электромагнитное, слабое и сильное фундаментальные взаимодействия как аспекты одной и той же силы, и могут объяснить результаты LHCb. Лептокварк — или его сложная версия — также соответствует другой дразнящей аномалии; измерение в прошлом году ³ , из эксперимента Muon g – 2 в Fermilab, что мюоны более магнитны, чем ожидалось.

Ник Спенсер/ Природа

На конференции по физике элементарных частиц Moriond в Ла-Туиле, Италия, в марте исследователи CMS представили результаты поиска, которые нашли интригующие намеки на существование лептона за пределами стандартной модели. Эта частица будет взаимодействовать с лептокварками и предсказывается некоторыми теориями лептокварков. Физики увидели небольшой избыток частиц, на которые мог бы распадаться предполагаемый лептон, низших кварков и тау (более тяжелых родственников мюона), но значимость открытия составляет всего 2,8 сигма. «Это очень интересные результаты, поскольку LHCb также наблюдает нечто подобное», — говорит Педраса. Физики CMS представили намеки на другие новые явления на конференции: две возможные частицы, которые могут распасться на два тау, и потенциальная высокоэнергетическая частица, которая в результате теоретического, но недоказанного пути распада превратится в характерные каскады частиц, называемые струями.

Еще один интригующий результат получен в ATLAS, где Исмет Сирал из Орегонского университета в Юджине и его коллеги искали гипотетические тяжелые долгоживущие заряженные частицы. В триллионах столкновений из данных за 3 года они нашли 7 кандидатов с энергией около 1,4 ТэВ, что примерно в 8 раз превышает энергию самой тяжелой известной частицы ⁴ . Эти результаты составляют 3,3 сигма, и идентичность частиц-кандидатов остается загадкой. «Мы не знаем, правда ли это, нам нужно больше данных. Вот тут-то и вступает в игру третья серия», — говорит Сирал.

86-метровый ускоритель Linac4 ЦЕРН, производящий протонные пучки для Большого адронного коллайдера. Предоставлено: Роберт Градил, Моника Майер/ProStudio22.ch/CERN

Другой эксперимент LHC, ALICE, исследует свой собственный удивительный вывод: экстремальные условия, возникающие при столкновениях между ионами свинца (которые LHC сталкивает друг с другом, когда он не работает с протонами), могут возникать где-то еще. ALICE предназначен для изучения кварк-глюонной плазмы, горячего плотного супа из элементарных частиц, образовавшегося в результате столкновений тяжелых ионов, который, как считается, существовал сразу после Большого взрыва. Анализ первых двух прогонов показал, что частицы в столкновениях протон-протон и протон-ион свинца демонстрируют некоторые черты этого состояния вещества, например, траектории, которые коррелируют, а не случайны. «Это чрезвычайно интересное и неожиданное явление, — говорит Барбара Эразмус, заместитель представителя ALICE в ЦЕРНе.

Как и LHCb, ALICE претерпел серьезные обновления, включая обновленную электронику, чтобы обеспечить более быструю программную систему запуска. Эксперимент, который будет исследовать температуру плазмы, а также точно измерять частицы, содержащие обаятельные и красивые кварки, на этот раз сможет собрать в 100 раз больше событий, чем в его предыдущих двух запусках, благодаря усовершенствованиям его детекторов.

Машинное обучение помогает в поиске

В ходе 3 также будут проведены совершенно новые эксперименты. FASER, расположенный в полукилометре от ATLAS, будет искать легкие и слабо взаимодействующие частицы, включая нейтрино, а также новые явления, которые могут объяснить темную материю. (Эти частицы не могут быть обнаружены ATLAS, потому что они вылетают из столкновений по траектории, близкой к линии луча БАК и уклоняющейся от детекторов). Между тем, эксперименты ATLAS и CMS теперь имеют улучшенные детекторы, но не получат серьезных обновлений оборудования до следующего длительного отключения в 2026 году. до 2029 года(см. «Хронология LHC»). Это позволит ученым в следующих прогонах собрать в 10 раз больше данных о столкновениях, чем в прогонах с 1 по 3 вместе взятых. На данный момент у CMS и ATLAS есть прототип технологии, которая поможет им подготовиться.

Ник Спенсер/ Природа ; Источник: ЦЕРН

.

Физики, такие как Siral, не только собирают больше событий, но и стремятся изменить способ, которым эксперименты LHC охотятся за частицами. До сих пор большая часть исследований БАК включала проверку конкретных предсказаний (например, поиск бозона Хиггса там, где физики ожидали его увидеть) или поиск конкретных гипотез новой физики.

Ученые подумали, что это будет плодотворной стратегией, потому что они хорошо знали, где искать. Многие ожидали обнаружить новые тяжелые частицы, подобные тем, которые предсказывала группа теорий, известных как суперсимметрия, вскоре после запуска LHC. То, что они ничего не видели, исключает все, кроме самых запутанных версий суперсимметрии. Сегодня немногие теоретические расширения стандартной модели кажутся более верными, чем другие.

Экспериментаторы теперь переходят на поисковые стратегии, которые менее ограничены ожиданиями. И ATLAS, и CMS собираются искать долгоживущие частицы, которые, например, могут остаться после двух столкновений. По словам Сирала, новые стратегии поиска часто подразумевают создание программного обеспечения для анализа, которое отвергает обычные предположения.

Возможно, машинное обучение тоже поможет. Многие эксперименты LHC уже используют эту технику, чтобы отличить конкретные искомые столкновения от фонового шума. Это «контролируемое» обучение: алгоритму дается образец для поиска. Но исследователи все чаще используют «неконтролируемые» алгоритмы машинного обучения, которые могут широко сканировать аномалии без каких-либо ожиданий. Например, нейронная сеть может сравнивать события с изученной симуляцией стандартной модели. Если симуляция не может воссоздать событие, это аномалия. Хотя такой подход еще не используется систематически, «я действительно думаю, что люди будут двигаться в этом направлении», — говорит Саша Карон из Университета Радбауд в Неймегене в Нидерландах, который работает над применением этих методов к данным ATLAS.

Чтобы сделать поиск менее предвзятым, триггеры, которые определяют, какие события интересны для просмотра, имеют решающее значение, поэтому помогает то, что новые графические процессоры смогут просматривать события-кандидаты с более широкими критериями. CMS также будет использовать подход, называемый «разведка»: анализ грубых реконструкций всех 100 000 или около того событий, изначально выбранных, но не сохраненных во всех подробностях. «Это эквивалентно еще 10 годам работы вашего детектора, но за один год», — говорит Андреа Массирони, физик, участвовавший в эксперименте CMS.

Детектор эксперимента CMS на Большом адронном коллайдере во время остановки машины. Авторы и права: Сэмюэл Джозеф Херцог, Жюльен Мариус Ордан/CERN

Сами триггеры тоже скоро смогут полагаться на машинное обучение при выборе. Катя Говоркова, физик элементарных частиц из ЦЕРН, и ее коллеги разработали высокоскоростной алгоритм проверки принципа действия, который использует машинное обучение для выбора, какие из 40 миллионов событий коллайдера в секунду следует сохранять, в соответствии с их соответствием стандартная модель ⁵ . В прогоне 3 исследователи планируют обучить и протестировать алгоритм на коллизиях CMS вместе с обычным триггером эксперимента. Сложность будет заключаться в том, чтобы понять, как анализировать события, которые алгоритм помечает как аномальные, потому что он еще не может точно указать, почему событие является аномальным, говорит Говоркова.

Физики должны непредвзято относиться к тому, где они могут найти нить, которая приведет их к теории, выходящей за рамки стандартной модели, говорит Амхис. Хотя текущий урожай аномалий впечатляет, даже предыдущие странности, наблюдаемые в нескольких экспериментах, оказались статистическими случайностями, которые исчезли, когда было собрано больше данных. «Важно, чтобы мы продолжали продвигать всю программу по физике», — говорит она. «Вопрос в том, чтобы не класть все яйца в одну корзину».

Адронный коллайдер: что может обнаружить ускоритель субатомных частиц? | Новости науки и технологий

Ученые в Швейцарии возобновили столкновение крошечных частиц, составляющих физические свойства Вселенной, в надежде лучше понять силы и явления, лежащие в основе существования.

Во вторник началась последняя серия экспериментов на Большом адронном коллайдере, массивном аппарате в центре Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве, после трехлетней реконструкции, которая, по словам ученых, расширила возможности крупнейший и самый мощный ускоритель частиц.

Начало так называемого «Запуска 3» коллайдера произошло спустя почти десятилетие после того, как данные, которые он дал, подтвердили существование частицы бозона Хиггса, также известной как «частица Бога». «последняя часть головоломки» теории Стандартной модели, в которой описываются фундаментальные строительные блоки и силы Вселенной.

Что такое Большой адронный коллайдер?

В своей основе Большой адронный коллайдер (БАК) представляет собой механизм, создающий управляемые пучки атомных и субатомных частиц, которые затем сталкиваются. Используя чрезвычайно продвинутые датчики, можно собирать и изучать данные о столкновениях, которые могут на короткое время выявить еще более мелкие частицы, из которых состоят столкнувшиеся. Процесс столкновения использовался для создания того, что было описано как мини-большой взрыв, помогая пролить свет на условия в первые моменты создания Вселенной.

БАК состоит из 27-километрового подземного кольца «сверхпроводящих магнитов» и структур, повышающих энергию, которые помогают пучкам частиц двигаться со скоростью, близкой к скорости света. Кольцо подключено к системе распределения жидкого гелия, которая поддерживает магниты при температуре -271,3 градуса по Цельсию, температуре ниже, чем в космосе, согласно ЦЕРН.

Коллайдер, на планирование и строительство которого ушло около трех десятилетий, начал работу 10 сентября 2008 года. Он был остановлен в 2013 и 2018 годах для модернизации. Текущий эксперимент будет включать столкновения при рекордных 13,6 триллиона электронвольт, что позволит увеличить частоту столкновений и более высокую энергию столкновения.

«Это значительное увеличение, прокладывающее путь к новым открытиям», — говорится в заявлении директора ЦЕРН по ускорителям и технологиям Майка Ламонта.

Коллайдер начал работать в апреле, чтобы разогнаться до уровня, необходимого для проведения экспериментов.

Что было открыто ранее?

Самым громким открытием коллайдера стало подтверждение существования бозона Хиггса, субатомной частицы, которая «по существу обеспечивает происхождение массы», Брайан Коул, профессор экспериментальной ядерной физики Колумбийского университета. , сказал Аль-Джазира во время открытия.

Масса — одно из основных свойств материи, из которой состоят все физические компоненты Вселенной. Из-за этого частица бозона Хиггса уже помогла ученым объяснить несколько явлений, в том числе то, как атомы обладают массой.

Это также может помочь раскрыть детали того, как образовалась Вселенная.

«Мы знаем, что очень рано во Вселенной произошел период так называемой инфляции, когда Вселенная невероятно быстро росла за миллиардные доли миллиардных долей секунды, — сказал Коул. «И мы еще не знаем точно, как это произошло, но возможно, что это связано с бозоном Хиггса».

Существование бозона Хиггса было впервые выдвинуто группой ученых, в том числе Питером Хиггсом, физиком из Эдинбургского университета, в 1964 году, почти за 50 лет до того, как это было доказано.

Коллайдер был использован для открытия еще десятков так называемых «неэлементарных» частиц, то есть частиц помимо протонов, нейтронов и электронов, составляющих атом.

Что надеются найти ученые?

Ученые будут стремиться к дальнейшему изучению бозона Хиггса с помощью обновленного коллайдера, позволяющего лучше понять поведение частицы.

Ученые также надеются, что передовая технология поможет обнаружить признаки темной материи, то есть материи, которую нельзя увидеть напрямую, но о существовании которой известно из-за ее воздействия на наблюдаемые объекты, в том числе ее гравитационного притяжения. агентство НАСА.

Есть также надежда, что LHC поможет ответить на вопрос, почему во Вселенной значительно меньше антиматерии по сравнению с материей-партнером, когда обе должны были образоваться в равных частях после Большого взрыва.

Между тем во вторник, когда начались эксперименты, ученые из ЦЕРН объявили об открытии новых «экзотических частиц», которые могут дать ключ к пониманию силы, связывающей субатомные частицы вместе.

Большой адронный коллайдер начинает третий запуск, чтобы разгадать новые тайны Вселенной : NPR

Большой адронный коллайдер начинает третий запуск, чтобы разгадывать новые тайны Вселенной После нескольких лет модернизации Большой адронный коллайдер в Европе разбивается частицы снова вместе, чтобы узнать больше о Вселенной.

• • NPR Один
  • Подкасты Apple
  • Спотифай
  • Подкасты Google
  • Амазонка Алекса
  • RSS-ссылка

Наука

5 июля 2020 г., 17:18 по восточноевропейскому времени.

Услышано во всех случаях

Большой адронный коллайдер запускает третий запуск, чтобы разгадать еще больше тайн Вселенной

После нескольких лет модернизации Большой адронный коллайдер в Европе снова сталкивает частицы, чтобы узнать больше о Вселенной.

ХУАНА САММЕРС, ВЕДУЩИЙ:

Сегодня к жизни вернулась гигантская машина. Большой адронный коллайдер, или БАК, вошел в историю в 2012 году, когда ученые использовали его, чтобы доказать существование частицы, называемой бозоном Хиггса, а вместе с ней и секрет того, что дает всем частицам массу. БАК представляет собой почти 17-мильное кольцо, похороненное под землей недалеко от Женевы, и после многих лет паузы ученые все еще возлагают большие надежды на то, что он может открыть. Я разговаривал с Сарой Демерс, профессором физики из Йельского университета, которая ранее работала на БАК, и спросил ее, каково это находиться под землей, когда машина работает.

САРА ДЕМЕРС: Ну, я думаю, что это всегда очень круто, конечно, но я думаю, что я предвзят. Правда в том, что когда работает Большой адронный коллайдер, мы не можем уйти под землю.

САММЕРС: О.

ДЕМЕРС: Мы не можем приблизиться к этим столкновениям, потому что радиоактивность довольно высока из-за всех тех частиц, которые создаются. Таким образом, мы благополучно находимся на высоте 100 метров над детекторами и коллайдером и управляем диспетчерскими здесь с поверхности в диспетчерских и спутниковых диспетчерских.

САММЕРС: Насколько я понимаю, это третий запуск БАК. На какие вопросы ученые надеются ответить на этот раз?

ДЕМЕРС: Ну, на данный момент у нас в руках бозон Хиггса. И поэтому мы оба пытаемся лучше понять его, проводя более тщательные измерения того, как он образуется и как он распадается, потому что у нас все еще есть некоторые открытые вопросы. Знаешь, Хиггс у нас уже пару лет. Мы сделали некоторые измерения, но нам нужно больше данных, чтобы действительно завершить картину. В то же время мы возвращаемся и используем бозон Хиггса для поиска других вопросов физики, которые у нас есть. Мы думаем о бозоне Хиггса как о портале для исследования темной материи, как об одном действительно захватывающем примере.

А еще мы используем тот факт, что в этом забеге у нас более высокая энергия. Мы достигли рекордной для всего мира энергии 13,6 ТэВ, так что это самый высокий показатель, который нам удалось достичь в мире с точки зрения антропогенных столкновений. И поэтому более высокая энергия дает нам больше пространства для исследования. Мне нравится думать об этом, как будто вы взбираетесь на гору. Чем выше вы сможете подняться, тем дальше сможете увидеть. Итак, с нашей точки зрения в физике элементарных частиц, мы только что достигли нового пика.

САММЕРС: Вы упомянули темную материю и надеетесь узнать о ней немного больше. Что вы надеетесь узнать о темной материи в ходе этого эксперимента? И я должен спросить, что такое темная материя?

ДЕМЕРС: Хотел бы я, чтобы мы знали. И я думаю, что даже если бы мы сделали хотя бы один шаг вперед в попытке ответить на этот вопрос, мы бы добились реального прогресса. Интересно, как мы можем так много понимать в материи, которая нас окружает. Мы каталогизировали его, классифицировали. Мы можем делать прогнозы об этом и измерять их очень хорошо. Но когда мы смотрим во Вселенную, у нас есть множество свидетельств того, что мы упускаем из виду огромное количество материи. Мы так мало знаем об этом. Это невидимо для нас. Мы назвали это темной материей.

У нас есть фундаментальные вопросы по этому поводу. Это даже частицы? Если это частицы, то какие у них массы? И когда мы думаем о попытках исследовать и ответить на вопросы о темной материи на БАК, я думаю, что было бы огромным прогрессом, если бы мы даже исключили некоторые вещи, чтобы иметь возможность сказать: ах, хорошо, ну, это не так. Мы просто пытаемся двигаться вперед в любом возможном направлении в этом действительно сложном, заманчивом вопросе.

ЛЕТО: Физик Сара Демерс работает на Большом адронном коллайдере. Большое вам спасибо за ваше время.

ДЕМЕРС: Спасибо.

(ЗВУК ИЗ ПЕСНИ МЭРИИ КЭРИ, «WITH YOU»)

Copyright © 2022 NPR. Все права защищены. Посетите страницы условий использования и разрешений нашего веб-сайта по адресу www.npr.org для получения дополнительной информации.

Стенограммы NPR создаются в спешке подрядчиком NPR. Этот текст может быть не в своей окончательной форме и может быть обновлен или пересмотрен в будущем. Точность и доступность могут отличаться. Официальной записью программ NPR является аудиозапись.