Коллайдер для чего нужен: Зачем вообще нужен LHC? • Устройство и задачи Большого адронного коллайдера

Содержание

Зачем вообще нужен LHC? • Устройство и задачи Большого адронного коллайдера

Узнав впервые о существовании LHC, повосхищавшись его размерами, поудивлявшись непонятности и практической бесполезности его задач, читатель, как правило, задает вопрос: а зачем вообще нужен этот LHC?

В этом вопросе есть сразу несколько аспектов. Зачем людям вообще нужны эти элементарные частицы, зачем тратить столько денег на один эксперимент, какая будет польза для науки от экспериментов на LHC? Здесь я попробую дать ответы, пусть краткие и субъективные, на эти вопросы.

Зачем обществу нужна фундаментальная наука?

Начну с аналогии. Для первобытного человека связка бананов имеет очевидную пользу — их можно съесть. Острый нож тоже полезен на практике. А вот электродрель с его точки зрения — бессмысленная вещь: ее нельзя съесть, из нее нельзя извлечь какую-либо иную непосредственную пользу. Думая исключительно об удовлетворении сиюминутных потребностей, он не сможет понять ценность этого агрегата; он просто не знает, что бывают ситуации, в которых электродрель оказывается чрезвычайно полезной.

Отношение большей части общества к фундаментальной науке — примерно такое же. Только вдобавок человек в современном обществе уже пользуется огромным количеством достижений фундаментальной науки, не задумываясь об этом.

Да, люди, конечно, признают, что высокие технологии делают жизнь комфортнее. Но при этом они неявно полагают, что технологии эти — результат чисто прикладных разработок. А вот это — большое заблуждение. Надо четко понимать, что перед практической наукой регулярно встают задачи, которые она сама решить просто не в состоянии — ни с помощью накопленного практического опыта, ни через прозрение изобретателей-рационализаторов, ни методом проб и ошибок. Зато они решаются с помощью фундаментальной науки. Скажем, те свойства вещества, которые недавно казались совершенно бесполезными, вдруг открывают возможность для создания принципиально новых устройств или материалов с неожиданными возможностями. Или же вдруг обнаруживается глубокая параллель между какими-то сложными объектами из сугубо прикладной и из фундаментальной науки, и тогда абстрактные научные результаты удается использовать на практике.

В общем, фундаментальная наука — это основа технологий в долгосрочной перспективе, технологий, понимаемых в самом широком значении. И если какие-то небольшие усовершенствования существующих технологий можно сделать, ограничиваясь сугубо прикладными исследованиями, то создать новые технологии — и с их помощью преодолевать новые проблемы, регулярно встающие перед обществом! — можно, лишь опираясь на фундаментальную науку.

Опять же, прибегая к аналогиям, можно сказать, что пытаться развивать науку, ориентируясь только на немедленную практическую пользу — это словно играть в футбол, прыгая исключительно на одной ноге. И то, и другое, в принципе, можно себе представить, но в долгосрочной перспективе эффективность от обоих занятий почти нулевая.

Почему фундаментальной наукой занимаются сами ученые?

Кстати, стоит подчеркнуть, что большинство ученых занимается наукой вовсе не потому, что это может оказаться полезно для общества. Люди занимаются наукой, потому что это жутко интересно. Даже когда просто изучаешь открытые кем-то законы или построенные кем-то теории, это уже «щекочет мозги» и приносит огромное удовольствие. А те редкие моменты, когда удается самому открыть какую-то новую грань нашего мира, доставляют очень сильные переживания.

Эти ощущения отдаленно напоминают чувства, возникающие при чтении детектива: автор построил перед тобой загадку, а ты пытаешься разгадать ее, стараясь увидеть в описываемых фактах скрытый, взаимосвязанный смысл. Но если в детективе глубина и стройность загадки ограничены фантазией автора, то фантазия природы выглядит пока неограниченной, а ее загадки — многоуровневыми. И эти загадки не придуманы кем-то искусственно, они

настоящие, они вокруг нас. Вот ученым и хочется справиться хотя бы с кусочком этой вселенской головоломки, подняться еще на один уровень понимания.

Кому нужны элементарные частицы?

Хорошо, положим, фундаментальной наукой действительно стоит заниматься, раз она спустя несколько десятков лет сможет привести к конкретным практическим достижениям. Тогда давайте будем изучать фундаментальное материаловедение, будем манипулировать отдельными атомами, будем развивать новые методики диагностики веществ, поучимся рассчитывать сложные химические реакции на молекулярном уровне. Можно легко поверить в то, что спустя десятки лет всё это приведет к новым практическим приложениям.

Но трудно себе представить, какая в принципе может быть конкретная практическая польза от топ-кварков или от хиггсовского бозона. Скорее всего, вообще никакой. Тогда какой толк в развитии физики элементарных частиц?

Толк огромный, и заключается он вот в чём.

Физические явления эффективнее всего описываются на языке математики. Эту ситуацию обычно называют удивительной (знаменитое эссе Ю. Вигнера о «непостижимой эффективности математики»), но тут есть и другой, не менее сильный повод для удивления. Всё головокружительное разнообразие явлений, происходящих в нашем мире, описывается лишь очень небольшим числом математических моделей. Осознание этого поразительного, совсем не очевидного свойства нашего мира — одно из самых важных открытий в физике.

Пока знания ограничиваются лишь «повседневной» физикой, эта тенденция может оставаться незаметной, но чем глубже знакомишься с современной физикой, тем более яркой и завораживающей выглядит эта «математическая экономность» природы. Явление сверхпроводимости и хиггсовский механизм возникновения масс элементарных частиц, электроны в графене и безмассовые элементарные частицы, жидкий гелий и внутренности нейтронных звезд, теория гравитации в многомерном пространстве и сверххолодное облачко атомов — вот лишь некоторые пары разных природных явлений с удивительно схожим математическим описанием. Хотим мы или нет, но эта связь между разными физическими явлениями через математику —

это тоже закон природы, и им нельзя пренебрегать! Это полезный урок для тех, кто пытается рассуждать о физических явлениях, опираясь только на их «природную сущность».

Аналогии между объектами из разных областей физики могут быть глубокими или поверхностными, точными или приблизительными. Но благодаря всей этой сети математических аналогий наука физика предстает как многогранная, но цельная дисциплина. Физика элементарных частиц — это одна из ее граней, которая через развитие математического формализма крепко связана со многими более «практическими» областями физики, да и естественных наук в целом.

Поэтому, кто знает, может быть, изучая теорию гравитации, мы в конце концов придем к пониманию турбулентности, развитие методов квантовой теории поля позволит по-иному взглянуть на генетическую эволюцию, а эксперименты по изучению устройства протона откроют нам новые возможности для создания материалов с экзотическими свойствами.

Кстати, иногда в ответ на вопрос о пользе физики элементарных частиц начинают перечислять те конкретные методики и приборы, которые явились побочным результатом изучения элементарных частиц. Их уже немало: адронная терапия раковых опухолей, позитронно-эмиссионная томография, мюонная химия, цифровые малодозные рентгеновские установки, самые разнообразные применения синхротронного излучения, плюс еще несколько методик в процессе разработки. Это всё верно, но надо понимать, что это именно побочная, а не главная польза от физики элементарных частиц.

Зачем надо изучать нестабильные частицы?

Окружающий нас мир состоит из частиц трех типов: протонов, нейтронов, электронов. Казалось бы, если мы хотим знать устройство нашего мира, давайте изучать только эти частицы. Кому интересны частицы, которые живут мгновения, а потом снова распадаются? Какое отношение эти частицы имеют к нашему микромиру?

Причин тут две.

Во-первых, многие из этих нестабильных частиц напрямую влияют на свойства и поведение наших обычных частиц — и это, кстати, одно из важных открытий в физике частиц. Оказывается, эти нестабильные частицы на самом деле присутствуют в нашем мире, но не в виде самостоятельных объектов, а в виде «некоторого» облачка, окутывающего каждую обычную частицу. И то, как обычные частицы взаимодействуют друг с другом, зависит не только от них самих, но и от окружающих их «облачков». Эти облачка порождают ядерные силы, связывающие протоны и нейтроны в ядра, они заставляют распадаться свободный нейтрон, они наделяют обычные частицы массой и другими свойствами.

Эти нестабильные частицы — невидимая, но совершенно неотъемлемая часть нашего мира, заставляющая его крутиться, работать, жить.

Вторая причина тоже вполне понятная. Если вам надо разобраться с устройством или с принципом работы какой-то очень сложной вещи, ваша задача станет намного проще, если вам разрешат как-то изменять, перестраивать эту вещь. Собственно, этим и занимаются отладчики (не важно чего: техники, программного кода и т. п.) — они смотрят, что изменится, если сделать так, повернуть эдак.

Экзотические для нашего мира элементарные частицы — это тоже как бы обычные частицы, у которых «что-то повернуто не так». Изучая все эти частицы, сравнивая их друг с другом, можно узнать о «наших» частицах гораздо больше, чем в экспериментах только с протонами да электронами. Уж так устроена природа — свойства самых разных частиц оказываются глубоко связаны друг с другом!

Зачем нужны такие огромные ускорители?

Ускоритель — это по своей сути микроскоп, и для того, чтобы разглядеть устройство частиц на очень малых масштабах, требуется увеличивать «зоркость» микроскопа. Предельная разрешающая способность микроскопов определяется длиной волны частиц, используемых для «освещения» мишени — будь то фотоны, электроны или протоны. Согласно квантовым законам, уменьшить длину волны квантовой частицы можно путем увеличения ее энергии. Поэтому-то и строятся ускорители на максимально достижимую энергию.

В кольцевых ускорителях частицы летают по кругу и удерживаются на этой траектории магнитным полем мощных сверхпроводящих магнитов. Чем больше энергия частиц — тем большее требуется магнитное поле при постоянном радиусе или тем большим должен быть радиус при постоянном магнитном поле. Увеличивать силу магнитного поля очень трудно с физической и инженерной точки зрения, поэтому приходится увеличивать размеры ускорителя.

Впрочем, физики сейчас работают над новыми, намного более эффективными методиками ускорения элементарных частиц (см., например, новость Первое применение лазерных ускорителей будет медицинским). Если эти методы оправдают свои ожидания, то в будущем максимально достижимая энергия частиц сможет увеличиться при тех же размерах ускорителей. Однако ориентироваться тут можно лишь на срок в несколько десятков лет.

Но не стоит думать, что гигантские ускорители — это единственное орудие экспериментальной физики элементарных частиц. Есть и «второй фронт» — эксперименты с меньшей энергией, но с очень высокой чувствительностью. Тут примером могут служить так называемые b-фабрики BaBar в Стэнфорде и Belle в Японии. Это электрон-позитронные коллайдеры со скромной энергией (около 10 ГэВ), но с очень высокой светимостью. На этих коллайдерах рождаются B-мезоны, причем в таких больших количествах, что удается изучить чрезвычайно редкие их распады и заметить проявление разнообразных тонких эффектов. Эти эффекты могут быть вызваны новыми явлениями, которые изучаются (правда, с другой точки зрения) и на LHC. Поэтому такие эксперименты столь же важны, как и эксперименты на коллайдерах высоких энергий.

Зачем нужны такие дорогие эксперименты?

Часто можно услышать возмущенные голоса: а по какому праву физики тратят такие огромные деньги налогоплательщиков на удовлетворение собственного любопытства? Ведь их можно потратить и с гораздо большей конкретной практической пользой!

На самом деле, если взглянуть на ситуацию реалистично, то альтернатива LHC состояла не в том, чтобы пустить

эти же деньги на какую-то «практически полезную» деятельность, а в том, чтобы провести на них еще несколько десятков экспериментов по физике элементарных частиц, но среднего масштаба.

Логика тут совершенно прозрачна. Правительства большинства стран понимают, что некоторую долю бюджета необходимо тратить на фундаментальные научные исследования — от этого зависит будущее страны. Эта доля, кстати, не такая уж и большая, порядка 2-3% (для сравнения, военные расходы составляют, как правило, десятки процентов). Расходы на фундаментальную науку выделяются, разумеется, не в ущерб другим статьям бюджета. Государства тратят деньги и на здравоохранение, и на социальные проекты, и на развитие технологий с конкретными практическими применениями, и на благотворительность, и на помощь голодающим Африки и т. д. «Научные» деньги — это отдельная строка бюджета, и эти деньги сознательно направлены на развитие науки.

Как это финансирование распределяется между разными научными дисциплинами, зависит от конкретной страны. Значительная часть уходит в биомедицинские исследования, часть — в исследования климата, в физику конденсированных сред, астрофизику и т. д. Своя доля уходит и в физику элементарных частиц.

Типичный годовой бюджет экспериментальной физики элементарных частиц, просуммированный по всем странам, — порядка нескольких миллиардов долларов (см., например, данные по США). Большинство этих денег тратится на многочисленные эксперименты небольшого масштаба, которых поставлено в последние годы порядка сотни, причем они финансируются на уровне отдельных институтов или в редких случаях — стран. Однако опыт последних десятилетий показал, что если объединить хотя бы часть денег, выделяемых на ФЭЧ во многих странах, в результате может получиться эксперимент, научная ценность которого намного превзойдет суммарную ценность множества мелких разрозненных экспериментов.

Именно с целью резкого увеличения научной эффективности при тех же деньгах и был создан LHC. Подробности про ожидаемую научную ценность экспериментов можно узнать из списка задач, стоящих перед LHC.

Зачем нужен новый суперколлайдер — Российская газета

Физики сделали знаменитым на весь мир бозон Хиггса. Про эту частицу Бога и поймавший ее Большой адронный коллайдер (БАК) наслышаны даже домохозяйки. Но он покажется лилипутом рядом с машиной, которую сейчас задумали построить в Европейском центре по ядерным исследованиям (ЦЕРН). Для сравнения: длина БАК 27 километров против 100 км у нового коллайдера, энергия 14 ТэВ против 100 ТэВ, стоимость 12 миллиардов долларов против 24 миллиардов. Новичок уже получил название Циклический коллайдер будущего, но судя по замаху, вполне может называться и циклопический.

Зачем он нужен этот гигант? Особенно если учесть, что недавно БАК остановили на два года, чтобы поднять энергию до максимальных 14 ТэВ. Чем он не устраивает физиков? Дело в том, что открыв Хиггса, этот коллайдер одновременно закрыл последнюю страницу Стандартной модели, которая считается одним из самых главных достижений науки XX века. Физики надеялись выжать из БАКа и другие открытия, однако он больше не “плодоносил”. Если он и дальше будет только подтверждать Стандартную модель, это, по мнению лауреата Нобелевской премии профессора Сэмюэля Тинга, окажется большой неудачей. Словом, ученые считают, что модель себя исчерпала. Она не может объяснить множество фактов, скажем, природу “темной материи”, и “темной энергии”, на которые приходится 95 процентов массы Вселенной, и только 5 процентов на видимую – звезды и планеты. Здесь нужна новая физика.

Многие ученые уже не верят, что даже модернизированный БАК сумеет открыть эту дверь. Сейчас считается, что носителями “темной материи” должны быть очень тяжелые частицы, которые ученые надеются получить на Циклическом ускорителе будущего. Его сооружение пройдет в два этапа. На первом к 2040 году в 100-километровом туннеле будет построен электрон-позитронный коллайдер. Его стоимость около 9 миллиардов долларов. Эта установка будет исследовать W- и Z-бозоны, бозон Хиггса, а также t-кварки – самые массивные частицы в Стандартной модели. На втором этапе в том же туннеле к 2050 году будет создан протон-протонный коллайдер. Его максимальная энергия около 100 ТэВ. Стоимость проекта оценивается в 15 миллиардов долларов. За время работы коллайдер должен породить около 1010 бозонов Хиггса. Физики надеются, что он сможет подтвердить или опровергнуть существование вимпов – гипотетических частиц темной материи. Также на нем будет исследоваться кварк-глюонная плазма, существовавшая на самых ранних стадиях развития Вселенной.

Чтобы разгадать тайну многих феноменов Вселенной, нужна принципиально новая физика

В работе над концепцией коллайдера будущего участвуют более 1,3 тысячи специалистов из 150 институтов и вузов всего мира. Сумели они найти весомые аргументы, чтобы убедить власть имущих раскошелиться? Доказать, что, чем дальше в глубь природы, тем неохотней она выдает свои тайны, тем они стоят дороже? Если прорыв к новой физике произойдет, то на энтузиастов прольется настоящий дождь новых Нобелей.

как работает, опасность, результаты работы и факты

Большой адронный коллайдер (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.

Коллайдер уничтожает землю

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).

Столкновение частиц

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.

Детектор на БАК

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.

Большой адронный коллайдер. Фото расположения

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.

Большой адронный коллайдер

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 наши авторы. Обращайтесь за помощью, и пусть учеба приносит радость!

 

«Чем выше энергия, тем ближе мы к началу Вселенной» – Огонек № 35 (5630) от 07.09.2020

Новый коллайдер NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility) в Дубне в скором времени начнет воспроизводить первые мгновения нашей Вселенной. О том, какие шансы у России во всемирной гонке коллайдеров, дойдут ли физики до торговли антивеществом и каким образом связаны свобода ученых и свобода кварков, «Огоньку» рассказал директор Лаборатории физики высоких энергий им. В.И. Векслера и А.М. Балдина Объединенного института ядерных исследований в Дубне Владимир Кекелидзе.

Беседовала Елена Кудрявцева

— Владимир Димитриевич, строительство 500-метрового кольца коллайдера NICA — по сути, первый российский мегапроект с середины XX века — подходит к концу. Что собой представляет установка?

— Это коллайдер протонов и тяжелых ионов. Он сможет воссоздать в лабораторных условиях особое состояние вещества, которое, возможно, существует только в ядрах нейтронных звезд. Такие установки называют гигантскими микроскопами, так как они позволяют все глубже проникать в материю и понять структуру вещества. Называют их и телескопами во времени — ведь чем выше энергия в эксперименте, тем ближе мы подходим к началу возникновения Вселенной. Чтобы понять, что же там происходило, нам нужно в минимальной единице объема сосредоточить максимум энергии.

— Для Дубны это далеко не первая стройка мегаустановок мирового класса. Как выбирали место для строительства синхрофазотрона? Известно, что, когда искали площадку для ускорителя в Протвино в 1970-е, объехали 40 площадок в поисках особой скальной породы. Здесь тоже какой-то особенный грунт?

— С одной стороны, скальная порода придает установке стабильность, с другой — она передает все колебания от незначительных землетрясений и даже от вибраций. Поэтому есть другой подход: ускоритель должен находиться на жесткой платформе, но в мягкой породе. Синхрофазотрон, запущенный в Дубне в 1957 году, имел относительно небольшие размеры и был построен на жесткой плите. На тот момент это был самый мощный ускоритель в мире, сегодня таковым является Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРНе, Швейцария. В 1950-е он был спланирован на энергию в 10 гигаэлектронвольт (1 ГэВ — это 1 млрд электронвольт.— «О»). Это знаковый рубеж для человечества, потому что за ним возможно всерьез изучать строение вещества.

— Предстоящие эксперименты на коллайдере NICA не предполагают столь высоких энергий, как на БАКе, где энергию и вовсе измеряют в ТэВах (тераэлектронвольтах — триллионах электронвольт). В чем же тогда их уникальность?

— Дело в том, что в Большом адронном коллайдере изучаются процессы, происходящие при крайне высоких энергиях.

Задача же нашего коллайдера — создать максимальную плотность ядерной материи, если говорить точнее — барионной материи. Барионы — это, прежде всего, протоны и нейтроны, из которых состоит весь окружающий нас мир. Когда-то, в начале Большого взрыва, ее плотность везде была нулевой, а сегодня обычная материя вокруг нас обладает «единичной» (нормальной) плотностью барионов, а в недрах нейтронных звезд эта плотность может быть на порядок выше. За счет большой гравитации материя так сжимается, что в их ядрах нуклоны (протоны и нейтроны.— «О») проникают друг в друга и в какой-то момент переходят в состояние кварков. Вот этот фазовый переход и будет изучать NICA. По сути, на этом коллайдере будут создаваться максимально возможные для лабораторных условий Земли плотности барионной материи.

— Что значит — максимально возможные?

— Это значит, что в лабораторных условиях невозможно создать состояние, в котором в единице объема будет больше барионов. В таком состоянии материи мы имеем дело уже не с нуклонами (протонами и нейтронами), а с кварками и глюонами. Если говорить упрощенно, то каждый протон или нейтрон содержит по три кварка.

Чтобы вырвать кварки у протона или нейтрона, нужно применить гигантские усилия. Та энергия, которую мы используем в ядерных реакторах и взрывах,— это лишь остаточные силы, связывающие кварки внутри нуклона.

— Как же тогда можно извлечь кварки, чтобы увидеть этот фазовый переход?

— Можно их или столкнуть, или применить способ, основанный на так называемом принципе асимптотической свободы. Это важное явление было открыто в конце прошлого века, в 2004 году за него получили Нобелевскую премию Дэвид Гросс, Дэвид Политцер и Фрэнк Вильчек. Оказалось, что если попытаться вытянуть кварк из нуклона, то нужно, как я сказал, приложить максимально известные человечеству силы. А вот если кварки сблизить, то в какой-то момент они перестают между собой взаимодействовать, становятся свободными, превращаясь в кварковую кашу — кваркглюонную плазму. Частицы в ней начинают свободно перемещаться, а когда все остывает, формируются в совершенно новые нуклоны и другие элементарные частицы.

— Не случайно, видимо, Дэвид Гросс приезжал в Дубну, когда закладывался первый камень в фундамент коллайдера NICA. Хотел посмотреть на место, где кварки выпустят на свободу?

— Да, он приезжал в 2016-м и участвовал в церемонии закладки фундамента.

— Как же вы будете сжимать нуклоны с такой силой без нейтронных звезд?

— Это можно сделать, разгоняя и сталкивая два тяжелых ядра, например, золота и золота. Но если их разогнать очень сильно, как происходит в Большом адронном коллайдере, то хотя и образуется кварковый бульон, плотность барионов в нем будет минимальной. Чтобы достичь нужного нам эффекта, энергия должна быть около 10 ГэВ на каждый нуклон. Именно такие параметры мы заложили в NICA.

В начале начала


Владимир Димитриевич — доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент РАН

Фото: Евгений Гурко, Коммерсантъ

— Что мы знаем о начале Вселенной, когда возникла плотная барионная материя? Если бы тогда был некий сторонний наблюдатель, он бы действительно увидел большой во всех отношениях взрыв?

— В первое мгновение Большого взрыва большой плотности барионной материи не было. Там была большая плотность энергии. В равных пропорциях находились вещество и антивещество. Все это расширялось в пространстве с колоссальной скоростью, создавая сложные флуктуации, которые в итоге, согласно теориям ведущих российских ученых, стали основой будущих звезд и галактик (подробнее — см. «Огонек», № 11 за 2019 год). Отдельный вопрос: как же появилось вещество? Это одна из интереснейших задач современной физики. В какой-то момент равновесие между частицами и античастицами было нарушено. Это была совсем маленькая разница, из которой получилась вся наша Вселенная.

За возникновение разницы между веществом и антивеществом ответствен ряд процессов, происходящих во Вселенной, невозможных без нарушения некоторых симметрий, одно из которых в науке называют СР-нарушением. За его открытие в 1980 году дали Нобелевскую премию Джеймсу Кронину и Вэлу Фитчу. Само открытие они, кстати, сделали в 1964-м и впервые докладывали о нем у нас в Дубне в том же году.

— Почему именно у вас?

— В Дубне проходила крупнейшая в области физики высоких энергий так называемая Рочестерская конференция — это как Олимпийские игры для физиков, занимающихся высокими энергиями. На ней представляются все самые яркие достижения последних лет.

Но если возвращаться ко Вселенной, то с помощью NICA мы будем пытаться понять, как происходит переход вещества из состояния обычной материи, которую мы видим вокруг, в свободную — кварковую.

Чрезвычайно интересно понять, как кварки высвобождаются, а затем снова попадают в «тюрьму» при условиях, когда они максимально сжаты. NICA будет воспроизводить весь этот процесс: от создания бульона из кварков до формирования новых частиц.

— А можно ли будет каким-то похожим образом изучать антивещество? Часто пишут, что оно будет стоить баснословных денег…

— Антивещество как раз изучают в ЦЕРНе. Там делают очень интересные эксперименты, когда антипротон пытаются удержать в особой ловушке. Вообще же антивещество создается каждый день в экспериментах на ускорителях и даже в результате естественных процессов, таких как молния, но оно быстро исчезает при столкновениях с обычным веществом. По этой же причине вряд ли его когда-нибудь станет возможным создать в ощутимых количествах.

— Интересно, что у вашего коллайдера, рассчитанного под самые фундаментальные задачи, есть прикладной аспект. В чем он заключается?

— Мы предложили три инновационных проекта, которые могут принести ощутимую пользу в ближайшее время. Первый связан с облучением электронных схем, без чего невозможно создание революционной по характеристикам электроники, которая будет стойко работать в условиях высокой радиации и космического излучения. Это нужно для полетов в космос и для других целей. Ведь даже единичное попадание тяжелого иона в электронное устройство может вывести его из строя. С помощью NICA будет нарабатываться статистика отказов, отрабатываться система защиты.

Всю жизнь работает в области экспериментальной физики частиц и пытается проникнуть вглубь ядерной материи

Фото: Евгений Гурко, Коммерсантъ

Второй проект связан с исследованием воздействия тяжелого космического излучения на живые организмы. Сейчас у нас тоже проходят такие работы, но условия для их проведения ограниченны. Тем не менее здесь нашими коллегами из лаборатории радиобиологических исследований уже были получены очень интересные результаты в экспериментах с обезьянами. Оказалось, что после небольшой дозы облучения их когнитивные способности повышались, а вот затем резко падали. Это чрезвычайно важно для будущих полетов человека на Марс, видимо, когнитивные способности и, кстати, зрение в условиях длительных полетов будут страдать сильнее всего. При этом если от заряженных частиц можно спастись каким-то защитным полем, то от нейтральных практически нечем. Вы же не повезете туда огромные бетонные блоки! Поэтому здесь для ученых большое поле деятельности.

Третье направление связано с медицинскими технологиями на основе наших магнитов. Это очень перспективная область, связанная с лечением онкологических заболеваний.

— NICA — не единственный проект, который изучает кварковый бульон?

— Да, у нас есть конкуренты. Например, Брукхейвенская национальная лаборатория в США. Они запустили коллайдер еще в 2000-м и уже сделали много интересных открытий, изучая кваркглюонную плазму. Но барионная плотность вещества у них очень маленькая: изначально проект был рассчитан на энергии в 200 ГэВ на нуклон, а для достижения максимальной барионной плотности, как я говорил, нужно всего 10. Для расширения исследований в области большой барионной плотности они доработали конструкцию коллайдера, чтобы понизить энергию, но при этом он потерял такое важное качество, как светимость,— число взаимодействий на поперечный сантиметр в секунду. А этот параметр в конечном счете влияет на статистику взаимодействий, которая набирается в ходе эксперимента и определяет точность измерений.

Еще у нас есть непосредственный конкурент, который должен заработать в 2025 году,— коллайдер FAIR, строящийся недалеко от города Дармштадт в Германии. Поэтому нам так важно не сдвигать даты запуска.

Коллайдер размером с Землю

— Вы сказали, что самые крупные эксперименты в области физики высоких энергий сегодня проводятся в ЦЕРНе. Какую основную задачу собираются там решить физики и что будет, когда возможности коллайдера исчерпаются?

— Сейчас БАК будет детально изучать бозон Хиггса, а дальше, скорее всего, будет создан еще более крупный ускоритель, в разы превосходящий по энергии существующий. Перспективы такого проекта регулярно обсуждаются на собрании управляющего комитета ЦЕРНа, куда входят представители 23 стран. Каждые семь лет он подготавливает стратегическую программу развития. На этот раз было решено изучать возможности реализации проекта — географию, технологические возможности и стоимость.

— Какой же будет размер этого гиганта?

— Если диаметр работающего сегодня Большого адронного коллайдера примерно 27 километров, то здесь речь идет о 100 километрах.

— Значит, ученые снова столкнутся с протестами местных жителей? Они ведь и в прошлый раз не хотели соседства с такой мощной научной установкой, как БАК.

— Да, причем выявились неожиданные коллизии, в том числе юридические. Нынешний коллайдер проходит, как известно, по территории Франции и Швейцарии. Когда для него копали туннель, оказалось, что на разных землях законы отличаются: где-то владелец имеет право только на почвенный слой, а где-то его права распространяются вглубь, вплоть до центра Земли! Иными словами, вы не можете просто прокопать у него под ногами ветку метро или нечто подобное. Поэтому пришлось проводить сложные согласования.

— У ученых есть какая-то конкретная задача для такой огромной и дорогой установки?

— В том-то и дело, что пока ясной физической цели нет, а без этого двигаться очень сложно. Никто не знает, какая нужна энергия, чтобы обнаружить явления так называемой новой физики (явления за пределами принятой сегодня Стандартной модели.— «О»). БАК строился исходя из представлений о том, при каких энергиях можно открыть бозон Хиггса, поэтому все и получилось. Правда, при этом ожидалось, что, возможно, подтвердится так называемая теория суперсимметрии, а этого пока не произошло. А нам важно понять, существует ли она в природе или только в головах теоретиков. Также было бы интересно разобраться с природой кварка: выяснить, является ли он точечной частицей или у него есть структура.

— А в принципе, есть ли предел развития ускорительной техники? Или коллайдеры вечно будут расти в размерах?

— По большому счету, предел — это размеры Земли, а может, и больше.

Дороги, которые мы выбираем


Под его руководством разработан и создается крупнейший в России мегапроект — ускорительно-экспериментальный комплекс NICA

Фото: Евгений Гурко, Коммерсантъ

— Как сильно пандемия сдвинула сроки сдачи NICA?

— По нашей оценке, примерно на полгода, потому что многие работы за границей пришлось приостановить. Но пока мы не меняем планов запуститься в конце 2022-го.

— Что это за работы и где они проходили?

— В основном в Европе. Сейчас у нас очень напряженный момент, связанный с поставкой из Италии важнейшего компонента детектора MPD на коллайдере — сверхпроводящей катушки большого анализирующего магнита. Это огромная деталь размером, с упаковкой, 8 на 9 метров, которая сама весит более 70 тонн плюс еще половину весит каркас, в котором ее везут. Это очень деликатный груз, который нужно везти со всеми мерами предосторожности, с шоковыми датчиками и т.п. Доставить такую объемную установку можно только по воде. Наш груз должен был доплыть из Генуи, где его сделали, до Санкт-Петербурга, а далее уже на речной барже по Волге прямо сюда, в Дубну. Но так как из-за пандемии весной работать было невозможно, сроки поставки сдвинулись. И теперь нам нужно успеть доставить до того, как на Волге закроется навигация. А оставлять катушку в Италии до весны нельзя, это и задержка проекта, и дополнительные большие расходы. В мире, кстати, вообще не так много компаний, которые могут сделать что-то подобное.

— В чем основная сложность?

— Это большой магнит со сверхпроводящей катушкой, который должен создать высокооднородное магнитное поле в цилиндрическом объеме диаметром 6 метров и длиной 8 метров. Катушка должна работать в условиях, близких к абсолютному нулю (минус 273,15°C.— «О»). Для Большого адронного коллайдера такие установки делали японская «Тошиба» и «АСГ Суперкондакторс» в Италии.

Когда нам потребовался такой магнит, то решили обратиться именно к ним, потому что для строительства наукоемких установок лучше пользоваться услугами компании, которая такие приборы уже делала. В мировой практике есть много отрицательных примеров, когда известная компания без опыта в изготовлении такого сложного оборудования берется за работу и через несколько лет сообщает, что ничего не получилось, и ученые остаются у разбитого корыта. Поэтому мы выбрали итальянцев, работа которых оказалась в полтора раза дешевле, чем японцев. А так как речь идет о десятках миллионов евро, это важно.

— Что самое главное в такой детали?

— Качество магнита определяется качеством магнитного поля, которое он создает. Поле должно быть очень однородным, чтобы в нем можно было с высокой точностью восстанавливать траектории частиц в детекторе. А это определяется как катушкой, так и самим магнитным ярмом — железом, которое нам пришлось делать в другом месте, так как итальянцы не захотели брать это на себя.

— Где вы его взяли?

— Это отдельная и тоже очень интересная история. Для детектора нужно не литое, а кованое железо очень хорошего качества. Речь идет о балках длиной 9 метров и кольцах диаметром 8 метров, и, чтобы их ковать, нужен огромный молот. Считалось, делать такие могут лишь в США и Китае, ни России, ни Европе это не по плечу. Но мы совершенно неожиданно недалеко от Милана нашли маленькую компанию. У них есть огромная рука-манипулятор, которая может взять кусок железа в несколько сот тонн, положить на молот и затем отковать.

При этом заготовки самого железа мы брали в России, предварительно обрабатывали в Новокраматорске на Украине. Оттуда отвезли в Италию, а уже затем — в Чехию для высокоточной обработки и сборки на большом заводе, который специализируется на том, что делает огромные металлические конструкции, в том числе шестерни для переноса барж из одного канала в другой. Затем это все разобрали и на 42 грузовиках привезли сюда. Это лишь один из эпизодов большого проекта.

— Получается, что каждый раз приходится искать буквально штучных специалистов по миру.

— А здесь по-другому нельзя. Если при создании уникального проекта вы где-то понизите планку качества или ответственности, то никогда не сможете достичь требуемых результатов. Вот мы и ищем только тех, кто делает то, что нам требуется, лучше всех в мире.

— А что лучше всех в мире делает Россия?

— Многое, например в Новосибирске в Институте ядерной физики им. Будкера делают лучшие в мире системы электронного охлаждения. Все существующие сегодня ускорители используют их системы.

Нигде не делают лучше, чем у нас, в Дубне, быстроциклирующие сверхпроводящие магниты. За четыре года было создано уникальное в мировом масштабе производство, где собираются, испытываются и сертифицируются сверхпроводящие магниты для NICA и для наших партнеров-конкурентов — FAIR. Это основные элементы нашего коллайдера.

Наука для всех

— Можно сказать, кто придумал NICA? Чьи идеи тут стали ключевыми?

— Идея изучения столкновения ядер при этих энергиях принадлежит Александру Михайловичу Балдину, чье имя носит наша лаборатория. Он был инициатором создания «Нуклотрона», который функционирует с 1993-го и который сейчас — в основе NICA.

А вообще, к началу нашего века идея изучать плотную барионную материю витала в воздухе. В состав ученого совета Объединенного института ядерных исследований входит много ученых со всего мира — в обсуждениях с ними она обрела конкретные черты. И рождение проекта происходило благодаря дискуссиям на ученом совете института, директором которого тогда был Алексей Норайрович Сисакян. Он понимал, что нам нужен именно такой флагманский проект, и сделал все возможное, чтобы инициировать его реализацию.

— Интересно, почему именно физика высоких энергий с самого начала была площадкой для активного международного общения? Даже в 1950-е, в разгар Холодной войны, наши физики ездили в национальные исследовательские лаборатории США…

— Потому что иначе она бы не развивалась. Если вы замкнетесь в рамках одной страны, проект не получится. У вас не хватит ни образования во всех требуемых направлениях, ни технологий, ни знаний, ни ресурсов. Чтобы сделать что-то стоящее, у вас должен быть большой набор различных методов и технологий, широкий спектр образованных специалистов и даже разнообразие менталитета участников проекта. Сегодня нет страны, которая могла бы сказать, что обладает, предположим, 90 процентами технологий в данной сфере. Не случайно, что ОИЯИ, созданный в 1956 году, с самого начала был задуман как международная организация. Изначально в состав института вошли 12 стран-участниц.

— Непонятно, почему в составе нет Китая.

— Изначально он был, но в 1965 году из-за политических разногласий китайское правительство в течение нескольких дней отозвало всех своих сотрудников на родину. С тех пор КНР не входит в состав ОИЯИ. Сегодня в его составе 18 стран и 6 ассоциированных членов. Кстати, еще в 1950-е устав нашего института был зарегистрирован в ООН и хранится в ее Секретариате. В том числе это и помогло нам отстоять статус института в сложные 90-е годы.

— Тогда физика высоких энергий как наука недешевая пострадала особенно сильно. Строительство в Протвино коллайдера УНК пришлось остановить…

—Да, и я считаю это ошибкой. По масштабам он был близок к современному Большому адронному коллайдеру. Туда было вложено очень много ресурсов, метростроевцы полностью построили 20-километровый туннель, были разработаны уникальные криогенные технологии и множество другого.

— Немало российских специалистов из Протвино затем поехали работать в ЦЕРН.

—Да, так и было. Но здесь мы опять же возвращаемся к вопросу международного сотрудничества в науке. Национальные проекты такого масштаба закрывались не только у нас. Примерно в то же время остановили строительство еще более масштабного коллайдера SSC в Техасе. В 1992 году как раз в Техасе проходила Рочестерская конференция. Я помню, как техасский таксист с гордостью рассказывал мне, что у них строится огромный сверхпроводящий суперколлайдер, который перевернет всю мировую науку. Но когда в проект уже вложили несколько миллиардов долларов, его вдруг закрыли из-за разногласий между организациями разного уровня. Это, конечно, оказало большое негативное влияние на всю физику высоких энергий. В этом отношении ЦЕРН более устойчив, так как в его составе более двух десятков стран, и даже если одна из них решит проект покинуть, он все равно будет реализован.

Криптон, и не только


С 2007-го директор Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ

Фото: Евгений Гурко, Коммерсантъ

— Вы пришли в науку в то тяжелое время. Не было желания уехать из страны в 1990-е?

— Нет, так получилось, что в те годы мы вели очень интересный проект в Протвино: на нескольких установках изучали рождение очарованных частиц (кварков с более тяжелой массой.— «О») и искали новые кварковые резонансы.

Кроме того, именно в 90-е годы у нас началось сотрудничество с ЦЕРНом в эксперименте NA-48, где как раз уже с нашим участием было открыто прямое СР-нарушение, о котором я говорил, объясняя разницу между веществом и антивеществом. Разумеется, участие в таком престижном эксперименте — предмет гордости для любого коллектива. Однако попасть туда было непросто. Когда я познакомился с лидерами этого проекта, то нам предложили войти в состав участников эксперимента при условии, что мы поможем создать жидкокриптоновый калориметр. Это уникальный прибор, без которого не было бы открытия. Его основа — гигантский криостат (цистерна), наполненный жидким криптоном. Этот прибор был необходим для регистрации гамма-квантов от распадов нейтральных пионов.

— Боюсь, что многие сегодня знают Криптон только как родную планету Супермена из комиксов DC…

— Это химический элемент с атомным номером 36. Сложность в том, что для эксперимента нужно было найти 23 тонны чистого криптона, а этот объем сравним с объемом мирового производства. Криптон был побочным продуктом сталелитейного производства и применялся в основном для выпуска лампочек. Для наших же целей требовался криптон тщательной очистки. Мы обратились в Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники Минатома, где владели технологиями очистки газов, с просьбой помочь организовать такое производство. Финансировала завод (а речь шла о миллионах долларов) голландская компания. В итоге в закрытом городе недалеко от Екатеринбурга был запущен завод по очистке сжиженного криптона, качество которого превысило требования эксперимента. Полученный газ мы заправляли в баллоны и на грузовиках везли прямо в Женеву.

Затем на грант Международного научно-технического центра, который финансировал конверсионные программы в СНГ, мы сделали на лучшем космическом предприятии России — НПЦ им. Хруничева — очень хороший криостат из алюминия. И так получили входной билет в проект NA-48, который сегодня в пятерке самых успешных экспериментов ЦЕРНа. Молодых ученых из Дубны, которые в нем участвовали, тут же стали приглашать работать по всему миру. Это стало для них отличным стартом. Кстати, сегодня под наш проект в Дубну тоже приезжает много молодежи: каждый год мы берем на практику примерно 40–50 студентов и конкурс весьма напряженный. В прошлом году было много ребят из Польши, недавно подписали контракт с пятью мексиканскими университетами.

— Можно ли говорить, что в физике высоких энергий сохранилась российская школа?

— Мне трудно ответить на этот вопрос. Развитие российской физики высоких энергий, по большому счету, закончилось, когда закрылся проект УНК в Протвино. С тех пор интересные работы были, но масштаб их не дотягивал до мирового. Поэтому мы с такой надеждой ждем реализации не только проекта NICA, но и других российских мегапроектов. Например, создания синхротрона «СКИФ» в Новосибирске. Дело в том, что большие научные проекты формируют высокопрофессиональную научную среду — большие коллективы ученых, инженеров, специалистов, а если у страны нет своих базовых проектов и мы работаем только на выездных экспериментах, говорить о возрождении науки преждевременно…

«Огонек» в рамках совместного медиапроекта со Сколковским институтом науки и технологий продолжает публикацию цикла интервью с ведущими отечественными физиками. В № 37 за 2018 год была опубликована беседа с Владимиром Захаровым; в № 39 за 2018 год — с Ильдаром Габитовым; в № 45 за 2018 год — с Валерием Рубаковым; в № 2 за 2019 год — с Альбертом Насибулиным, в № 11 за 2019 год — с Алексеем Старобинским, в № 20 — со Львом Зелёным, в № 23 — с Михаилом Фейгельманом, в № 30 — с Александром Белавиным, в № 38 — с Валерием Рязановым в № 47—Юрием Оганесяном, в № 2 за 2020 год — с Алексеи Китаевым, в №11 за 2020 год с — Владимиром Драчевым, с Александром Замолодчиковвым в № 18, со Львом Иоффе в № 24, с Фазоилом Атауллахановым в № 27, с Геннадием Борисовым в №30.

Заглянуть на 14 млрд лет назад: зачем нужен кольцевой коллайдер будущего

https://ria.ru/20190226/1551341736.html

Заглянуть на 14 млрд лет назад: зачем нужен кольцевой коллайдер будущего

Заглянуть на 14 млрд лет назад: зачем нужен кольцевой коллайдер будущего – РИА Новости, 26.02.2019

Заглянуть на 14 млрд лет назад: зачем нужен кольцевой коллайдер будущего

Недавно Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН) представила концептуальный проект Будущего кольцевого коллайдера (Future Circular Collider, FCC),… РИА Новости, 26.02.2019

2019-02-26T09:14

2019-02-26T09:14

2019-02-26T10:54

навигатор абитуриента

университетская наука

национальный исследовательский ядерный университет “мифи”

наука

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

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

https://cdn24.img.ria.ru/images/155133/94/1551339436_458:0:4099:2048_1920x0_80_0_0_727fd8fa54f1c10807bbb9a18c82d6f4.jpg

Недавно Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН) представила концептуальный проект Будущего кольцевого коллайдера (Future Circular Collider, FCC), который должен прийти на смену Большому адронному коллайдеру. Концепция предполагает создание в окрестностях Женевы тоннеля длинной 100 км, в котором планируется последовательно размещать ускорительные кольца для работы с пучками различных типов: от электронов до тяжелых ядер. Зачем физикам понадобился новый коллайдер, какие задачи он будет решать, и какую роль в этом играют ученные из России корреспонденту РИА Новости рассказал участник проекта FCC, профессор Национального исследовательского ядерного университета “МИФИ” (НИЯУ МИФИ) Виталий Окороков.- Виталий Алексеевич, для чего физикам нужен Будущий кольцевой коллайдер?- Проект FCC – один из важнейших пунктов новой редакции Европейской стратегии по физике частиц, которая формируется сегодня. Ученые из России участвуют в международных проектах в этой области фундаментальной науки – как в исследованиях на коллайдерах, так и в неускорительных экспериментах.В современной физике мир элементарных частиц описывается так называемой Стандартной моделью – квантовой теорией поля, включающей электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия. Состав фундаментальных частиц в этой модели был полностью экспериментально подтвержден с открытием бозона Хиггса в 2012 году на Большом адронном коллайдере (БАК). Однако ответы на многие важнейшие вопросы, например, о природе темной материи, о возникновении асимметрии вещества и антивещества в наблюдаемой Вселенной и так далее, находятся за рамками Стандартной модели. Чтобы найти решения ключевых проблем фундаментальной физики, ученые проектируют новые, все более мощные ускорительные комплексы. – Какие задачи будет решать Будущий кольцевой коллайдер?- Это измерение параметров Стандартной модели с недостижимой прежде точностью, детальное исследование происходящих в очень ранней Вселенной фазовых переходов и свойств материи при экстремальных условиях, поиск сигналов новой физики за рамками Стандартной модели, в том числе, частиц темной материи. С точки зрения физики, очень интересно изучить свойства сильного взаимодействия при сверхвысоких энергиях и развить описывающую его теорию – квантовую хромодинамику. – В чем суть этой теории?- В соответствии с ней, частицы, называемые адронами, например, протоны и нейтроны, имеют сложную внутреннюю структуру, образуемую кварками и глюонами – фундаментальными частицами Стандартной модели, участвующими в сильном взаимодействии. По существующим представлениям кварки и глюоны удерживаются внутри адронов и, даже при экстремальных условиях, могут быть квазисвободными только на линейных масштабах порядка размера атомного ядра. Это ключевая особенность сильного взаимодействия, которая подтверждена большим количеством экспериментальных и теоретических исследований. Однако механизм этого важнейшего явления – удержания кварков и глюонов (конфайнмента) до сих пор не определен. На протяжении нескольких десятилетий проблема конфайнмента неизменно входит во всевозможные списки главных нерешенных вопросов фундаментальной физики.В рамках проекта FCC планируется получить новые экспериментальные данные и существенно продвинуться в понимании свойств сильного взаимодействия, в частности, конфайнмента.- Какими инструментами предполагается решать эти задачи?- Для выполнения обширной программы исследований используется комплексный подход, в соответствии с которым проект FCC включает две стадии. Первая стадия “FCC–ee” предполагает создание электрон-позитронного коллайдера c энергией пучка в диапазоне от 44 до 182.5 гигаэлектронвольт. На второй стадии “FCC–hh” эксперименты будут выполняться на встречных пучках протонов и ядер. В этом случае предполагается ускорять протоны до энергии 50 тераэлектронвольт и тяжелые ядра (свинец) – до 19.5 тераэлектронвольт. Это более чем в семь раз превосходит энергии, достигнутые на самом мощном действующем комплексе БАК. Его вместе со всей имеющейся инфраструктурой планируют использовать для получения пучков ускоренных частиц перед их вводом в основное стокилометровое кольцо нового коллайдера FCC–hh. Сооружение внешнего линейного ускорителя электронов на энергию 60 гигаэлектронвольт позволит реализовать программу детального исследования внутренней структуры протона с помощью глубоко неупругого электрон-протонного рассеяния (FCC–eh).- Разработка и строительство установок такого уровня занимает десятки лет. Когда начнется строительство? Когда предполагается получить первые научные результаты? – В случае принятия концепции, начало реализации интегральной программы FCC планируется около 2020 года. Сооружение лептонного коллайдера FCC–ee займет примерно 18 лет при продолжительности последующей работы около 15 лет. Получается, что длительность первой стадии составит около 35 лет. В ходе функционирования FCC–ee начнется подготовка второй стадии проекта. В соответствии с концепцией, в течение десяти лет после окончания работы FCC–ee будет выполнен его демонтаж, будет сооружено кольцо адронного коллайдера и будут установлены детекторы. Получение новых данных для протонных и ядерных пучков запланировано на середину 2060 гг. Длительность работы FCC с протонными и ядерными пучками планируется около 25 лет и общая продолжительность второй стадии – около 35 лет. Таким образом, предполагается, что эксперименты на FCC продлятся до конца XXI века. Этот проект будет носить действительно глобальный характер.- Какую роль в проекте FCC играют ученые из России, в частности, из НИЯУ МИФИ?- НИЯУ МИФИ совместно с другими российскими организациями активно участвует в проекте FCC и выполняет научные работы как для физической программы будущих исследований, так и для ускорительного комплекса. Ученые НИЯУ МИФИ сделали вклад в концепцию FCC, в частности, в первый том, содержащий описание общей физической программы для всех планируемых типов пучков, и в третий том, посвященный исследованиям с пучками протонов и ядер (FCC–hh). – Расскажите подробнее, пожалуйста.- Как упоминалось выше, при экстремально высоких температурах (в сотни тысяч раз больше, чем в центре Солнца) и плотностях энергии кварки и глюоны могут становиться квазисвободными на ядерных масштабах, образуя новое состояние материи, которое обычно принято называть кварк-глюонной плазмой. Столкновения пучков протонов и различных ядер при сверхвысоких энергиях коллайдера FCC–hh позволят исследовать, в частности, коллективные свойства кварк-глюонной материи, образуемой при взаимодействиях как больших систем (тяжелые ядра), так и малых (протон–протон, протон–ядро), предоставляя уникальные условия для изучения свойств многочастичных состояний. Планируемое для FCC–hh, существенное, по сравнению с БАК, увеличение энергии и интегральной светимости пучков открывает качественно новые возможности по изучению, например, поведения самых тяжелых фундаментальных частиц Стандартной модели – бозона Хиггса (тяжелее протона примерно в 125 раз) и t-кварка (тяжелее протона примерно в 175 раз) – в горячей и плотной кварк-глюонной материи, а также их возможного использования в качестве “зондов” для определения свойств этой материи. Летом 2014 года в ходе дискуссии в Институте физики высоких энергий им. А.А. Логунова Национального исследовательского центра “Курчатовский институт” было выдвинуто предложение использовать бозоны Хиггса для изучения свойств кварк-глюонной материи. Это предложение вошло одним из пунктов в программу исследований с пучками тяжелых ядер на FCC. По моему мнению, это направление представляет значительный интерес для физики сильных взаимодействий.Мы затронули лишь отдельные аспекты будущих исследований. Научная программа FCC очень обширна и работы в рамках данного проекта продолжаются.

https://ria.ru/20170820/1500544444.html

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

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

2019

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

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

Новости

ru-RU

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

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

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

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

https://cdn22.img.ria.ru/images/155133/94/1551339436_913:0:3644:2048_1920x0_80_0_0_65ac2efeca2829e5e3169404199e0421.jpg

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

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

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

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

навигатор абитуриента, университетская наука, национальный исследовательский ядерный университет “мифи”

Недавно Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН) представила концептуальный проект Будущего кольцевого коллайдера (Future Circular Collider, FCC), который должен прийти на смену Большому адронному коллайдеру. Концепция предполагает создание в окрестностях Женевы тоннеля длинной 100 км, в котором планируется последовательно размещать ускорительные кольца для работы с пучками различных типов: от электронов до тяжелых ядер. Зачем физикам понадобился новый коллайдер, какие задачи он будет решать, и какую роль в этом играют ученные из России корреспонденту РИА Новости рассказал участник проекта FCC, профессор Национального исследовательского ядерного университета “МИФИ” (НИЯУ МИФИ) Виталий Окороков.

– Виталий Алексеевич, для чего физикам нужен Будущий кольцевой коллайдер?

– Проект FCC – один из важнейших пунктов новой редакции Европейской стратегии по физике частиц, которая формируется сегодня. Ученые из России участвуют в международных проектах в этой области фундаментальной науки – как в исследованиях на коллайдерах, так и в неускорительных экспериментах.

В современной физике мир элементарных частиц описывается так называемой Стандартной моделью – квантовой теорией поля, включающей электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия. Состав фундаментальных частиц в этой модели был полностью экспериментально подтвержден с открытием бозона Хиггса в 2012 году на Большом адронном коллайдере (БАК).

Однако ответы на многие важнейшие вопросы, например, о природе темной материи, о возникновении асимметрии вещества и антивещества в наблюдаемой Вселенной и так далее, находятся за рамками Стандартной модели. Чтобы найти решения ключевых проблем фундаментальной физики, ученые проектируют новые, все более мощные ускорительные комплексы.

20 августа 2017, 08:00НаукаФизики заглянули в первые мгновения после Большого взрыва

– Какие задачи будет решать Будущий кольцевой коллайдер?

– Это измерение параметров Стандартной модели с недостижимой прежде точностью, детальное исследование происходящих в очень ранней Вселенной фазовых переходов и свойств материи при экстремальных условиях, поиск сигналов новой физики за рамками Стандартной модели, в том числе, частиц темной материи.

С точки зрения физики, очень интересно изучить свойства сильного взаимодействия при сверхвысоких энергиях и развить описывающую его теорию – квантовую хромодинамику.

– В чем суть этой теории?

– В соответствии с ней, частицы, называемые адронами, например, протоны и нейтроны, имеют сложную внутреннюю структуру, образуемую кварками и глюонами – фундаментальными частицами Стандартной модели, участвующими в сильном взаимодействии.

По существующим представлениям кварки и глюоны удерживаются внутри адронов и, даже при экстремальных условиях, могут быть квазисвободными только на линейных масштабах порядка размера атомного ядра. Это ключевая особенность сильного взаимодействия, которая подтверждена большим количеством экспериментальных и теоретических исследований.

Однако механизм этого важнейшего явления – удержания кварков и глюонов (конфайнмента) до сих пор не определен. На протяжении нескольких десятилетий проблема конфайнмента неизменно входит во всевозможные списки главных нерешенных вопросов фундаментальной физики.

В рамках проекта FCC планируется получить новые экспериментальные данные и существенно продвинуться в понимании свойств сильного взаимодействия, в частности, конфайнмента.

– Какими инструментами предполагается решать эти задачи?

– Для выполнения обширной программы исследований используется комплексный подход, в соответствии с которым проект FCC включает две стадии. Первая стадия “FCC–ee” предполагает создание электрон-позитронного коллайдера c энергией пучка в диапазоне от 44 до 182.5 гигаэлектронвольт.

На второй стадии “FCC–hh” эксперименты будут выполняться на встречных пучках протонов и ядер. В этом случае предполагается ускорять протоны до энергии 50 тераэлектронвольт и тяжелые ядра (свинец) – до 19.5 тераэлектронвольт. Это более чем в семь раз превосходит энергии, достигнутые на самом мощном действующем комплексе БАК. Его вместе со всей имеющейся инфраструктурой планируют использовать для получения пучков ускоренных частиц перед их вводом в основное стокилометровое кольцо нового коллайдера FCC–hh.

Сооружение внешнего линейного ускорителя электронов на энергию 60 гигаэлектронвольт позволит реализовать программу детального исследования внутренней структуры протона с помощью глубоко неупругого электрон-протонного рассеяния (FCC–eh).

– Разработка и строительство установок такого уровня занимает десятки лет. Когда начнется строительство? Когда предполагается получить первые научные результаты?

– В случае принятия концепции, начало реализации интегральной программы FCC планируется около 2020 года. Сооружение лептонного коллайдера FCC–ee займет примерно 18 лет при продолжительности последующей работы около 15 лет. Получается, что длительность первой стадии составит около 35 лет.

В ходе функционирования FCC–ee начнется подготовка второй стадии проекта. В соответствии с концепцией, в течение десяти лет после окончания работы FCC–ee будет выполнен его демонтаж, будет сооружено кольцо адронного коллайдера и будут установлены детекторы.

Получение новых данных для протонных и ядерных пучков запланировано на середину 2060 гг. Длительность работы FCC с протонными и ядерными пучками планируется около 25 лет и общая продолжительность второй стадии – около 35 лет.

Таким образом, предполагается, что эксперименты на FCC продлятся до конца XXI века. Этот проект будет носить действительно глобальный характер.

20 июня 2018, 09:00НаукаРоссийский коллайдер: как ученые готовят “большой взрыв” в Дубне

– Какую роль в проекте FCC играют ученые из России, в частности, из НИЯУ МИФИ?

– НИЯУ МИФИ совместно с другими российскими организациями активно участвует в проекте FCC и выполняет научные работы как для физической программы будущих исследований, так и для ускорительного комплекса.

Ученые НИЯУ МИФИ сделали вклад в концепцию FCC, в частности, в первый том, содержащий описание общей физической программы для всех планируемых типов пучков, и в третий том, посвященный исследованиям с пучками протонов и ядер (FCC–hh).

– Расскажите подробнее, пожалуйста.

– Как упоминалось выше, при экстремально высоких температурах (в сотни тысяч раз больше, чем в центре Солнца) и плотностях энергии кварки и глюоны могут становиться квазисвободными на ядерных масштабах, образуя новое состояние материи, которое обычно принято называть кварк-глюонной плазмой.

Столкновения пучков протонов и различных ядер при сверхвысоких энергиях коллайдера FCC–hh позволят исследовать, в частности, коллективные свойства кварк-глюонной материи, образуемой при взаимодействиях как больших систем (тяжелые ядра), так и малых (протон–протон, протон–ядро), предоставляя уникальные условия для изучения свойств многочастичных состояний.

Планируемое для FCC–hh, существенное, по сравнению с БАК, увеличение энергии и интегральной светимости пучков открывает качественно новые возможности по изучению, например, поведения самых тяжелых фундаментальных частиц Стандартной модели – бозона Хиггса (тяжелее протона примерно в 125 раз) и t-кварка (тяжелее протона примерно в 175 раз) – в горячей и плотной кварк-глюонной материи, а также их возможного использования в качестве “зондов” для определения свойств этой материи.

Летом 2014 года в ходе дискуссии в Институте физики высоких энергий им. А.А. Логунова Национального исследовательского центра “Курчатовский институт” было выдвинуто предложение использовать бозоны Хиггса для изучения свойств кварк-глюонной материи. Это предложение вошло одним из пунктов в программу исследований с пучками тяжелых ядер на FCC. По моему мнению, это направление представляет значительный интерес для физики сильных взаимодействий.

Мы затронули лишь отдельные аспекты будущих исследований. Научная программа FCC очень обширна и работы в рамках данного проекта продолжаются.

Почему миру не нужен новый коллайдер — Forbes Kazakhstan

Фото: Depositphotos.com/exinocactus

На сборке Большого адронного коллайдера. ЦЕРН, Женева, Швейцария

Большой адронный коллайдер (БАК), которым управляет Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН), является крупнейшим из когда-либо построенных коллайдеров частиц. Когда его запустили в 2008, на него возлагались большие надежды. Одни предсказывали, что он позволит обнаружить частицы «тёмной материи», которая, по мнению астрофизиков, составляет 85% всей материи во вселенной. Другие ожидали, что БАК предоставит свидетельства новых случаев естественной симметрии или новых измерений пространства или же поможет объяснить «тёмную энергию» (которая, как предполагается, является причиной наблюдаемого ускоренного расширения вселенной).

Ничего подобного не произошло. БАК действительно позволил открыть одну новую элементарную частицу – бозон Хиггса. Это была последняя недостающая частица, которая была предсказана (в 1960-е) Стандартной моделью физики элементарных частиц. Однако это открытие случилось в 2012, и с тех пор не было обнаружено ни одной новой частицы. Позволит ли строительство нового, более крупного коллайдера что-либо изменить?

Защитники идеи нового коллайдера утверждают, что более крупный коллайдер позволит точнее измерить свойства уже известных частиц. Кроме того, на нём можно будет достичь немного более высоких энергий столкновения, чем на БАК, поэтому он способен принести новые открытия. Между тем у физиков сейчас нет никаких оснований полагать, что более крупный коллайдер сможет засвидетельствовать что-либо такое, чего уже нет в Стандартной модели. Для открытия любых новых частиц может потребоваться энергия, превосходящая количество энергии, которую способен произвести очередной коллайдер, в миллиард раз.

Кроме того, ускорители частиц очень дорого стоят. Коллайдеры (линейные и кольцевые), проекты которых предлагают физики в Китае, Японии и ЦЕРНе, будут стоить около $10-20 млрд каждый, а чтобы их построить, потребуется 20-30 лет. Хотя определённый прогресс в технологиях помог бы снизить затраты, этот прогресс ещё предстоит достигнуть.

Конечно, высокие затраты могут быть оправданы, если существуют высокие шансы, что подобные инвестиции принесут большую пользу обществу. Ранее исследования в области фундаментальной физики, несомненно, приносили человечеству огромную пользу. За минувший век благодаря прорывным исследованиям удалось разработать все современные электронные устройства (транзисторы, микрочипы, лазеры, светодиоды, цифровые фотокамеры, а вскоре, возможно, и квантовые компьютеры), а также методы получения изображений в медицине (рентген, ультразвук, спектроскопия, магнитный резонанс, позитронно-эмиссионная томография, электронные туннельные микроскопы).

Однако нет никаких причин думать, что более крупный коллайдер себя оправдает. Проблема не в том, что у физиков больше не осталось дел в области фундаментальных исследований. Их самые надёжные теории по-прежнему наталкиваются на нерешённые проблемы, а дальнейший прогресс может привести к новым открытиям, особенно в квантовой теории (а это основа современных компьютерных технологий). Проблема в другом – в их подходах.

Физика изменилась, а методы физиков, которые исследуют элементарные частицы, нет: они по-прежнему надеются на случайные открытия. Такой подход работает, когда исследовательские эксперименты разнообразны и многочисленны. Однако когда новые эксперименты стоят миллиарды долларов и требуют десятилетий подготовки, как это происходит сейчас, нам следует строже распределять наши инвестиции. В противном случае бюджеты могут быстро истощиться из-за дорогостоящих экспериментов, которые приносят нулевые результаты, в частности, позволяют совершать наблюдения, подтверждающие существующие теории, а не поддерживающие новые гипотезы.

Именно это происходит уже 40 лет. БАК подтвердил один надёжный прогноз – существование бозона Хиггса. И всё. Что же касается явлений, которые в Стандартной модели не предсказаны, БАК оказывается всего лишь новейшим примером из длинной серии экспериментов в области физики частиц (включая все предыдущие эксперименты, проводившиеся с момента завершения создания Стандартной модели в 1970-х), которые принесли нулевой результат. Эти попытки не просто не принесли доказательств единых сил или новых симметрий и частиц, они научили физиков изобретать частицы, которые намного труднее измерить.

Да, нулевые результаты – это тоже результаты. Они позволяют исключать гипотезы. Но если вам надо разработать новую теорию, такие результаты не очень полезны. Нулевой результат указывает на тупик, и таких тупиков может быть огромное количество. Для достижения прогресса в понимании оснований физики нам нужны результаты, которые укажут путь вперёд. Более крупный коллайдер таких результатов не даст.

Есть такие области исследований, которые сегодня могут с большей вероятностью дать реальные результаты, причём с меньшими затратами, например, астрофизические исследования тёмной материи и эксперименты с квантованием гравитации. Это те области, на которых физики должны сосредоточиться прямо сейчас.

Если технологический прогресс сделает коллайдеры более доступными по цене или же какие-либо другие эксперименты дадут основания полагать, что более крупный коллайдер покажет физикам новые частицы, тогда, может быть, появится смысл в его строительстве. Однако это может произойти через 20, 50 или 100 лет. А до тех пор мы должны инвестировать в более многообещающие исследования.

Сабина Хоссенфельдер, научный сотрудник Франкфуртского института передовых исследований, автор книги «Затерянные в математике: Как красота вводит физику в заблуждение»

© Project Syndicate 1995-2019 

Что такое большой адронный коллайдер?

Большинство людей знают, что большой адронный коллайдер – это огромная машина для сталкивания атомов. Он пересекает французско-швейцарскую границу, и стоит настолько дорого, что более десятку правительственных неправительственных органов пришлось скинуться на его постройку. Весь проект ведется тысячами ученых из сотен стран, под руководством Европейского агентства ядерных исследований, CERN. Основные детекторы просто огромны, для их обслуживания необходимы леса, а так же едва ли не хирургическая аккуратность при работе. Грубо говоря, это просто огромная петля, но давайте поближе ее рассмотрим.

В реальности, коллайдер это несколько очень больших петель, выстроенных в порядке усиления мощности. Получается, что ускоренные частицы вроде протона требуют разное оборудование для достижения нужной скорости. Магниты могут разогнать частицу с 99% до 99.9999% скорости света, но это совсем не те магниты, что разгоняют частицу с 1% до 15% скорости света. Как таковой, коллайдер питается ускорителями частиц, работающих в последовательности, чтобы достичь финального разгона в 7 тера-электрон-вольт (ТэВ) и более.

Эта карта показывает основной круг коллайдера и суперпротонный синхротрон.

Первый это линейный ускоритель частиц (LINAC 2), который производит какие-то жалкие 50 мега-электрон-вольт (МэВ) и передает экспериментальные протоны на первый из цепи замкнутых акселераторов, протонный синхротронный ускоритель (Pb). Петля Pb быстро разгоняет частицы до 2ГэВ, и передает их на протонный синхротрон, который продолжает ускорение до 28 ГэВ. Оттуда, протонный синхротрон передает частицу на… суперпротонный синхротрон, который может достигать энергии в 400ГэВ и выше. Физики практически предложили улучшить СПС до супер-СПС (да, супер-суперпротонный синхротрон), чтобы протоны могли достигать ТэВ перед тем, как выйти на последний круг самого коллайдера.

Эти частицы движутся со скоростью, очень близкой к скорости света, перед тем, как перейти к самому коллайдеру. Но разгон протона на эти несколько последних процентов становится решающим для современных физических экспериментов. Разбивать протоны на кварки это одно, но коллайдер может сталкивать частицы с такой силой, что в точке столкновения будет искажаться пространство, открывая бесконечно краткое окно в истинно квантовый мир. Это не так-то просто, и далеко не дешево.

LINAC является самым простым из ускорителей, и, тем не менее, он абсолютный зверь.

Обратите внимание, что кольцо коллайдера это не эксперимент сам по себе, но инструмент для их проведения при помощи определенного ресурса – сверхзаряженных частиц. Как именно эти сверхзаряженные частицы должны использоваться описано во время самих экспериментов, которые проводятся в разных участках кольца и с разными целями. Есть всего семь экспериментов, но внимание стоит уделить всего четырем: ATLAS, ALICE, CMS, и LHCb.

ATLAS, вероятно, самый популярный из всех экспериментов коллайдера. Именно из него CERN получила необходимые данные для исследования бозона Хиггса. Название расшифровывается как A Toroidal LHC ApparatuS (тодориальный аппарат большого адронного коллайдера), и его диаметр более 80 футов. ATLAS был разработан как универсальный детектор 40 миллионов пересечений лучей в секунду, и собирает столько информации об этих пересечениях, сколько вообще возможно.

CMS, или Compact Muon Solenoid (компактный мюонный соленоид) – это попытка достичь того же результата, что и ATLAS, но иными средствами. Еще “детектор общего назначения” CMS меньше, но более магнитно концентрирован, чем ATLAS. Он разработан для наблюдения за тем же феноменом, что и ATLAS, но допускает чуть больше компромиссов в процессе. CMS также внес вклад в поиски бозона Хиггса, но не так популярен в СМИ.

ATLAS против CMS

ALICE, с другой стороны, более специализирован. Названный A Large Ion Collider Experiment (эксперимент большого адронного коллайдера), он не ставит себе целью разогнать частицы до предела, так как он измеряет эффекты “тяжелых ядер”, например, свинца, которому нужно 2-3ТэВ для столкновения. Это создает уровень деструктивной энергии, которая может подтолкнуть атомы к формированию кварк-глюонной плазмы, где они могут свободно перемещаться, и их можно исследовать в этом состоянии. Это означает, что ALICE разработан для наблюдения за концепцией под названием квантовая хромидинамика (QCD), и он улучшает научное понимание этого принципа еще с момента первого запуска в 2010 году.

ATLAS, определенно, самый визуально впечатляющий эксперимент на коллайдере.

Потому есть и Large Hadron Collider beauty (красота большого адронного коллайдера), который недавно подтвердил частицу собственного открытия: пентакварк. LHCb разработан для исследования экзотического поведения материи и, собственно, природы антиматериально-материальной асимметрии Вселенной. Основной вопрос этого эксперимента – почему вообще во Вселенной есть материя? Теория гласит, что в начале Вселенной, большой взрыв должен был создать равное количество материи и антиматерии. Эти два материала уничтожают друг друга при взаимодействии, так как так получилось, что на текущем этапе так много материи, и так мало антиматерии? LHCb разработан как раз для ответа на этот вопрос.

Мысли о следующем большом шаге для науки частиц, вероятно, остаются в коллайдере еще на некоторое время. И вместо создания нового проекта, ученые озабочены более сильным разгоном в существующем коллайдере. Ускоритель снова распахнул свои двери после длительной серии модернизаций. Никто не говорит, как много раз еще можно толкнуть физику в этом направлении до следующего совершенно нового проекта настолько же масштабного.

Определение коллайдера Merriam-Webster

колпачок | \ kə-lī-dər \ : ускоритель частиц, в котором два луча частиц, движущихся в противоположных направлениях, сталкиваются.

Большой адронный коллайдер | ЦЕРН

Большой адронный коллайдер (БАК) – крупнейший и самый мощный ускоритель элементарных частиц в мире.Он был впервые запущен 10 сентября 2008 года и остается последним дополнением к ускорительному комплексу ЦЕРНа. LHC состоит из 27-километрового кольца сверхпроводящих магнитов с рядом ускоряющих структур для увеличения энергии частиц по пути.

(Изображение: Анна Пантелия / ЦЕРН)

Внутри ускорителя два пучка частиц высокой энергии движутся со скоростью, близкой к скорости света, прежде чем они столкнутся. Лучи движутся в противоположных направлениях в отдельных лучевых трубках – двух трубках, в которых поддерживается сверхвысокий вакуум.Они направляются вокруг кольца ускорителя сильным магнитным полем, поддерживаемым сверхпроводящими электромагнитами. Электромагниты состоят из катушек специального электрического кабеля, который работает в сверхпроводящем состоянии, эффективно проводя электричество без сопротивления или потери энергии. Для этого необходимо охладить магниты до -271,3 ° C – температуры ниже, чем в космосе. По этой причине большая часть ускорителя подключена к системе распределения жидкого гелия, который охлаждает магниты, а также к другим службам снабжения.

Замена одного из дипольных магнитов LHC (Изображение: Максимилиан Брайс / ЦЕРН)

Тысячи магнитов различных типов и размеров используются для направления лучей вокруг ускорителя. В их число входят 1232 дипольных магнита длиной 15 метров, изгибающих лучи, и 392 квадрупольных магнита, каждый длиной 5-7 метров, которые фокусируют лучи. Непосредственно перед столкновением используется другой тип магнита, чтобы «сжать» частицы ближе друг к другу, чтобы увеличить вероятность столкновения. Частицы настолько малы, что их столкновение сравнимо с запуском двух игл на расстоянии 10 километров друг от друга с такой точностью, что они встречаются на полпути.

Все элементы управления ускорителем, его услугами и технической инфраструктурой размещены под одной крышей в Центре управления ЦЕРН. Отсюда лучи внутри LHC сталкиваются в четырех точках вокруг кольца ускорителя, соответствующих положениям четырех детекторов частиц – ATLAS, CMS, ALICE и LHCb.

Изучите Центр управления ЦЕРН с помощью Google Street View (Изображение: Google Street View)

Большой адронный коллайдер | Определение, открытия и факты

Большой адронный коллайдер (LHC) , самый мощный в мире ускоритель элементарных частиц.LHC был построен Европейской организацией ядерных исследований (CERN) в том же 27-километровом (17-мильном) туннеле, в котором находился Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP). Туннель имеет круглую форму и расположен на глубине 50–175 метров (165–575 футов) под землей, на границе между Францией и Швейцарией. 10 сентября 2008 г. БАК провел свою первую тестовую эксплуатацию. 18 сентября возникла электрическая проблема в системе охлаждения, которая привела к повышению температуры примерно на 100 ° C (180 ° F) в магнитах, которые предназначены для работы при температурах, близких к абсолютный ноль (−273.15 ° C или -459,67 ° F). Ранние оценки того, что LHC будет быстро исправлен в ближайшее время, оказались слишком оптимистичными. Он был перезапущен 20 ноября 2009 года. Вскоре после этого, 30 ноября, он вытеснил Теватрон из Национальной ускорительной лаборатории Ферми как самый мощный ускоритель элементарных частиц, разогнав протоны до энергии 1,18 тераэлектронвольт (ТэВ; 1 × 10 12 электрон-вольт. ). В марте 2010 года ученые из ЦЕРН объявили, что проблема с конструкцией сверхпроводящего провода в LHC требует, чтобы коллайдер работал только на половинной энергии (7 ТэВ).LHC был остановлен в феврале 2013 года, чтобы решить проблему, и был перезапущен в апреле 2015 года, чтобы работать на полной энергии 13 ТэВ. Вторая длительная остановка, во время которой будет модернизировано оборудование LHC, началась в декабре 2018 года и должна завершиться в конце 2021 или начале 2022 года.

Большой адронный коллайдер

Магнит компактного мюонного соленоида, прибывающий в Большой адронный коллайдер в ЦЕРН. 2007.

© 2007 CERN

Сердце LHC – это кольцо, проходящее по окружности туннеля LEP; Кольцо имеет диаметр всего несколько сантиметров, откачивается в большей степени, чем из глубокого космоса, и охлаждается с точностью до двух градусов от абсолютного нуля.В этом кольце два встречно вращающихся луча тяжелых ионов или протонов ускоряются до скорости в пределах одной миллионной процента от скорости света. (Протоны относятся к категории тяжелых субатомных частиц, известных как адроны, что и объясняет название этого ускорителя частиц.) В четырех точках кольца лучи могут пересекаться, и небольшая часть частиц сталкивается друг с другом. На максимальной мощности столкновения между протонами будут происходить при суммарной энергии до 13 ТэВ, что примерно в семь раз больше, чем было достигнуто ранее.В каждой точке столкновения находятся огромные магниты весом в десятки тысяч тонн и блоки детекторов для сбора частиц, образовавшихся в результате столкновений.

На реализацию проекта ушло четверть века; планирование началось в 1984 году, а окончательное разрешение было получено в 1994 году. Тысячи ученых и инженеров из десятков стран были вовлечены в проектирование, планирование и строительство LHC, а затраты на материалы и рабочую силу составили почти 5 миллиардов долларов; это не включает стоимость проведения экспериментов и компьютеров.

Ознакомьтесь с трудностями при доказательстве доказательства существования недавно открытой частицы, такой как бозон Хиггса.

Узнайте о сложности определения и предоставления доказательств для недавно «открытой» субатомной частицы, такой как бозон Хиггса.

© MinutePhysics (издательский партнер Britannica) Посмотреть все видео к этой статье

Одна из целей проекта LHC – понять фундаментальную структуру материи путем воссоздания экстремальных условий, которые возникли в первые несколько мгновений существования Вселенной. к модели большого взрыва.На протяжении десятилетий физики использовали так называемую стандартную модель элементарных частиц, которая хорошо зарекомендовала себя, но имеет недостатки. Во-первых, и это самое главное, он не объясняет, почему некоторые частицы обладают массой. В 1960-х годах британский физик Питер Хиггс постулировал частицу, которая взаимодействовала с другими частицами в начале времен, чтобы обеспечить им их массу. Бозон Хиггса никогда не наблюдался – он должен образовываться только в результате столкновений в диапазоне энергий, недоступном для экспериментов до LHC.После года наблюдений за столкновениями на LHC ученые объявили в 2012 году, что они обнаружили интересный сигнал, который, вероятно, исходил от бозона Хиггса с массой около 126 гигаэлектрон-вольт (миллиард электрон-вольт). Дальнейшие данные окончательно подтверждают эти наблюдения как бозона Хиггса. Во-вторых, стандартная модель требует некоторых произвольных предположений, которые, по мнению некоторых физиков, могут быть разрешены путем постулирования еще одного класса суперсимметричных частиц; они могут быть вызваны экстремальными энергиями LHC.Наконец, изучение асимметрии между частицами и их античастицами может дать ключ к разгадке еще одной загадки: дисбаланса между материей и антивеществом во Вселенной.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Коллайдер

Процесс генерации данных

На основе мотивирующего примера эпидемиологии неинфекционных заболеваний мы создали набор данных с 1000 наблюдений, чтобы контекстуализировать влияние кондиционирования на коллайдер.Почти каждый третий американец страдают повышенным артериальным давлением, и более половины из них не контролируют его [1]. Повышенные уровни систолического артериального давления с течением времени связаны с усилением сердечно-сосудистой системы. заболеваемость и смертность [2]. Суммарные данные показывают, что превышение рекомендаций по суточному потреблению натрия с пищей в граммах (гр) связан с повышенным уровнем систолического артериального давления (САД) в мм рт. ст. [3].Кроме того, с возрастом почка претерпевает несколько анатомических и физиологических изменений, которые ограничивают адаптивный механизм, ответственный за поддержание состав и объем внеклеточной жидкости. К ним относятся снижение скорости клубочковой фильтрации и нарушение способность поддерживать гомеостаз воды и натрия в ответ на изменения питания и окружающей среды [4]. Точно так же возраст связан с структурные изменения артерий и, следовательно, САД [2].Возраст – частая причина как высокого САД, так и нарушения гомеостаза натрия. Таким образом, возраст играет роль фактора, влияющего на связь между потреблением натрия и САД (то есть возраст находится на закоулке между потреблением натрия и САД). Однако высокий уровень 24-часовой экскреции белка с мочой (протеинурия) вызван устойчиво высоким САД. и увеличенное суточное потребление натрия с пищей. Следовательно, протеинурия (PRO в DAG) действует как коллайдер по пути SOD -> PRO <- SBP.

Генерация данных для моделирования основана на структурной взаимосвязи между переменными, изображенными на направленном ациклическом графике. Мы смоделировали суточную экскрецию белка с мочой в зависимости от возраста, САД и потребления натрия. Мы заверили, что диапазон значений смоделированных данных был биологически правдоподобным и как максимально приближенным к реальности [5, 6].

Список литературы
[1] Эмилия Дж. Бенджамин, Майкл Дж. Блаха, Стефани Э Чиув, Мэри Кушман, Сандип Р. Дас, Раджат Део, Дж. Флойд, М. Форнаж, К. Гиллеспи, С. Р. Исаси и др. Обновление статистики сердечных заболеваний и инсульта-2017: отчет Американская кардиологическая ассоциация. Тираж, 135 (10): e146-e603, 2017.

[2] Цюпин Гу, Вики Л. Берт, Райн Полозе-Рам, Сара Юн и Ричард Ф. Гиллум.Высокое кровяное давление и Риск смертности от сердечно-сосудистых заболеваний среди нас, взрослых: третье национальное обследование здоровья и питания обследование последующего исследования смертности. Анналы эпидемиологии, 18 (4): 302-309, 2008.

[3] Фрэнк М. Сакс, Лаура П. Светки, Уильям М. Воллмер, Лоуренс Дж. Аппель, Джордж А. Брэй, Дэвид Харша, Ева Обарзанек, Пол Р. Конлин, Эдгар Р. Миллер, Дениз Г. Саймонс-Мортон и др.Влияние на артериальное давление пониженное содержание натрия в рационе и диетические подходы к отмене гипертонической диеты (тире). Журнал Новой Англии медицины, 344 (1): 3-10, 2001.

[4] Тарин, Н., Мартинс, Д., Нагами, Г., Левин, Б., Норрис, К. С. Расстройства натрия у пожилых людей. J Natl Med Assoc. 2005; 97, 217-224

[5] Линда Ван Хорн, Джо Энн С. Карсон, Лоуренс Дж. Аппель, Лора Э. Берк, Кристина Экономос, Вахида Кармалли и другие.Рекомендуемый режим питания для достижения приверженности американскому Рекомендации кардиологической ассоциации / американского колледжа кардиологов (aha / acc): научное заявление от американского сердца ассоциация. Тираж, 134 (22): e505e529, ноя 2016.

[6] Майкл Ф. Кэрролл. Протеинурия у взрослых: диагностический подход. Американский семейный врач, 62 (6), 2000 г.

Код генерации данных

alpha1 (влияние SOD на PRO) и alpha2 (влияние SBP на PRO) – это параметры, которые вы можете изменить в «Визуализации коллайдера».

generateData <- function (n, seed, beta1, alpha1, alpha2) {

set.seed (семя)
Возраст_лет <- rnorm (n, 65, 5)
Sodium_gr <- Возраст_лет / 18 + rnorm (n)
sbp_in_mmHg <- beta1 * Sodium_gr + 2,00 * Age_years + rnorm (n)
Протеинурия_in_mg <- alpha1 * Sodium_gr + alpha2 * sbp_in_mmHg + rnorm (n)
data.frame (sbp_in_mmHg, Sodium_gr, Age_years, Proteinuria_in_mg)

}

Отображение данных и загрузка Скачать 1.000 симуляций (.csv)

ЦЕРН предпринимает смелые шаги по созданию суперколлайдера

стоимостью 21 миллиард евро

Предлагаемый 100-километровый коллайдер частиц в ЦЕРНе будет сталкивать электроны и позитроны, а позже и протоны (впечатление художника) Фото: Polar Media

ЦЕРН сделал важный шаг к созданию 100-километрового кругового суперколлайдера, который расширит границы физики высоких энергий.

Решение было единогласно одобрено Советом ЦЕРН, руководящим органом организации, 19 июня после утверждения плана независимой комиссией в марте.Ведущей европейской организации в области физики элементарных частиц потребуется глобальная помощь для финансирования проекта, который, как ожидается, будет стоить не менее 21 миллиарда евро (24 миллиарда долларов США) и станет продолжением знаменитого Большого адронного коллайдера (БАК) лаборатории. К середине века новая машина будет сталкивать электроны со своими партнерами из антивещества, позитронами. Этот проект, который будет построен в подземном туннеле недалеко от ЦЕРНа недалеко от Женевы, Швейцария, позволит физикам изучить свойства бозона Хиггса, а затем разместить еще более мощную машину, которая будет сталкиваться с протонами и прослужит долго. вторая половина века.

Утверждение еще не окончательное. Но это означает, что ЦЕРН теперь может приложить значительные усилия к разработке коллайдера и исследованию его осуществимости, а также предложить альтернативные конструкции для последующих коллайдеров после LHC, таких как линейный электрон-позитронный коллайдер или коллайдер, который ускорял бы мюоны. . «Я думаю, что это исторический день для ЦЕРНа и физики элементарных частиц в Европе и за ее пределами», – заявила совету генеральный директор ЦЕРН Фабиола Джанотти после голосования.

По словам бывшего генерального директора ЦЕРН Криса Ллевеллина Смита, это «явная точка разветвления» для лаборатории.До сегодняшнего дня рассматривалось несколько других вариантов коллайдера следующего поколения, но теперь Совет ЦЕРН сделал недвусмысленное и единодушное заявление. «Это важный шаг, чтобы заставить страны Европы сказать:« Да, это то, что мы хотели бы сделать », – говорит Ллевеллин Смит, физик из Оксфордского университета, Великобритания.

Два этапа

Решение содержится в утвержденном сегодня документе – Обновлении Европейской стратегии по физике элементарных частиц 2020 года. Он выделяет два этапа развития.Во-первых, ЦЕРН построит электрон-позитронный коллайдер с энергией столкновения, настроенной так, чтобы максимизировать образование бозонов Хиггса, и подробно изучить их свойства.

Позже в этом веке первая машина будет демонтирована и заменена протон-протонным разрушителем. Это позволит достичь энергии столкновения в 100 тераэлектронвольт (ТэВ) по сравнению с 14 ТэВ на LHC, который также сталкивает протоны и в настоящее время является самым мощным ускорителем в мире. Его цель – поиск новых частиц или сил природы и расширение или замена текущей стандартной модели физики элементарных частиц.Большая часть технологий, которые потребуются для окончательной машины, еще предстоит разработать, и в ближайшие десятилетия они будут предметом интенсивного изучения.

«Это очень амбициозная стратегия, которая намечает светлое будущее для Европы и ЦЕРН с осторожным, поэтапным подходом», – сказал Джанотти.

«Я думаю, что это правильное направление, – говорит Ифан Ван, возглавляющий Институт физики высоких энергий (IHEP) Китайской академии наук в Пекине. Предлагаемая ЦЕРН новая машина похожа по концепции на предложение Ванга по созданию китайского электрон-позитронного коллайдера после открытия БАК бозона Хиггса в 2012 году.Как и теперь официальная стратегия ЦЕРНа, предложение Вана также включало возможность размещения протонного коллайдера на второй стадии, следуя модели LHC (27-километровое кольцо LHC занимает туннель, в котором в 1990-х годах размещался Большой электрон-позитронный коллайдер ЦЕРН). Решение CERN «является подтверждением того, что наш выбор был правильным», – говорит Ван.

Полностью одобряя кольцевой коллайдер ЦЕРН, эта стратегия также призывает организацию изучить возможность участия в отдельном Международном линейном коллайдере (ILC), более старой идее, которую поддерживали физики в Японии.Хитоши Ямамото, физик из Университета Тохоку в Сендае, Япония, говорит, что это одобрение обнадеживает. «Я считаю, что условия для перехода ILC к следующему шагу в Японии, а также во всем мире, теперь прочно созданы».

Финансирование

Стратегия ЦЕРН предусматривает 2038 год как дату начала строительства нового 100-километрового туннеля и электрон-позитронного коллайдера. До тех пор лаборатория продолжит работу с модернизированной версией LHC, получившей название High Luminosity LHC, которая в настоящее время находится в стадии строительства.

Но прежде чем ЦЕРН сможет приступить к созданию своей новой машины, ему придется искать новое финансирование помимо обычного бюджета, который он получает от государств-членов. Ллевеллин Смит говорит, что странам за пределами Европы, включая США, Китай и Японию, возможно, потребуется присоединиться к ЦЕРН, чтобы сформировать новую глобальную организацию. «Почти наверняка потребуется новая структура», – говорит он.

У дорогостоящего плана есть противники – даже в физическом сообществе. Сабина Хоссенфельдер, физик-теоретик из Франкфуртского института перспективных исследований в Германии, стала критиком стремления к все более высоким энергиям, когда научная окупаемость – помимо измерения свойств известных частиц – далека от гарантии.«Я все еще считаю, что это плохая идея», – говорит Хоссенфельдер. «Речь идет о десятках миллиардов. Я просто думаю, что в проведении такого рода исследований сейчас недостаточно научного потенциала ».

Новый коллайдер будет на неизведанной территории, говорит Тара Ширс, физик из Ливерпульского университета, Великобритания. У LHC была четкая цель, которую нужно было искать – бозон Хиггса, а также хорошо мотивированные причины теоретиков полагать, что могут появиться новые частицы в диапазоне масс, который он мог бы исследовать, но сейчас ситуация иная, говорит она.«Сейчас у нас нет равноценного и надежного прогноза, поэтому знание того, где и как искать ответы, становится более сложной задачей и повышает риск».

Тем не менее, она говорит: «Мы знаем, что единственный способ найти ответы – это эксперимент, и единственное место, где их можно найти, – это то, где мы еще не могли искать».

Закрывая встречу, на которой большинство членов присутствовало удаленно, президент Совета ЦЕРН Урсула Басслер сказала: «Сейчас перед нами стоит большая задача – претворить эту стратегию в жизнь.Затем она открыла бутылку шампанского перед тем, как закончить телеконференцию.

Что такое большой адронный коллайдер?

Большой адронный коллайдер (LHC) – это чудо современной физики элементарных частиц, которое позволило исследователям проникнуть в глубины реальности. Его истоки уходят корнями в 1977 год, когда сэр Джон Адамс, бывший директор Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН), предложил построить подземный туннель, в котором мог бы разместиться ускоритель элементарных частиц, способный достигать чрезвычайно высоких энергий. Исторический доклад 2015 года физика Томаса Шёрнера-Садениуса.

Проект был официально одобрен двадцатью годами позже, в 1997 году, и началось строительство кольца длиной 16,5 миль (27 километров), которое проходило под французско-швейцарской границей, способного ускорять частицы до 99,99% скорости света и разбивая их вместе. Внутри кольца 9300 магнитов направляют пакеты заряженных частиц в двух противоположных направлениях со скоростью 11 245 раз в секунду, в конечном итоге сводя их вместе для лобового столкновения. Установка способна создавать около 600 миллионов столкновений каждую секунду, извергая невероятное количество энергии и время от времени экзотические и невиданные ранее тяжелые частицы.LHC работает при энергиях в 6,5 раз выше, чем предыдущий рекордный ускоритель частиц, выведенный из эксплуатации Tevatron Fermilab в США

Строительство LHC обошлось в 8 миллиардов долларов, из которых 531 миллион долларов поступил из Соединенных Штатов. Над его экспериментами сотрудничают более 8000 ученых из 60 разных стран. Ускоритель впервые включил свои пучки 10 сентября 2008 года, столкнувшись с частицами с интенсивностью, составляющей лишь десятимиллионную от первоначальной расчетной интенсивности.

До начала работы некоторые опасались, что новый разрушитель атомов уничтожит Землю, возможно, создав всепоглощающую черную дыру.Но любой уважаемый физик заявил бы, что подобные опасения необоснованны.

«LHC безопасен, и любое предположение о том, что он может представлять опасность, – чистая выдумка», – сказал LiveScience генеральный директор CERN Роберт Эймар.

Это не значит, что объект не может быть потенциально вредным при неправильном использовании. Если бы вы засунули руку в луч, который фокусирует энергию движущегося авианосца до ширины менее миллиметра, он проделал бы дыру прямо в нем, и тогда излучение в туннеле убило бы вас.

Новаторское исследование

За последние 10 лет LHC разбил атомы вместе в своих двух основных экспериментах, ATLAS и CMS, которые работают и анализируют свои данные по отдельности. Это делается для того, чтобы ни одно из них не влияло на другое, и чтобы каждый из них проверял свой родственный эксперимент. С помощью этих инструментов было написано более 2000 научных работ по многим областям физики фундаментальных частиц.

4 июля 2012 года научный мир, затаив дыхание, наблюдал за тем, как исследователи на LHC объявили об открытии бозона Хиггса, последнего фрагмента головоломки в теории пятидесятилетней давности, называемой Стандартной моделью физики.Стандартная модель пытается учесть все известные частицы и силы (кроме гравитации) и их взаимодействия. Еще в 1964 году британский физик Питер Хиггс написал статью о частице, которая теперь носит его имя, объясняя, как возникает масса во Вселенной.

Хиггс – это на самом деле поле, которое пронизывает все пространство и затягивает каждую частицу, которая движется через него. Некоторые частицы движутся по полю медленнее, и это соответствует их большей массе. Бозон Хиггса – проявление этого поля, за которым физики гнались на протяжении полувека.БАК был специально построен, чтобы наконец захватить этот неуловимый карьер. В конце концов, обнаружив, что масса Хиггса в 125 раз превышает массу протона, и Питер Хиггс, и бельгийский физик-теоретик Франсуа Энглерт были награждены Нобелевской премией в 2013 году за предсказание его существования.

Это составное изображение Большого адронного коллайдера было создано 3D-художником. Лучевые трубки представлены в виде прозрачных трубок, с противоположно вращающимися протонными пучками, показанными красным и синим. (Изображение предоставлено Даниэлем Домингесом / ЦЕРН)

Даже с Хиггсом в руках физики не могут отдыхать, потому что в Стандартной модели все еще есть некоторые дыры.Во-первых, он не имеет отношения к гравитации, которая в основном охватывается теориями относительности Эйнштейна. Это также не объясняет, почему Вселенная состоит из материи, а не антивещества, которое должно было быть создано примерно в равных количествах в начале времен. И в нем ничего не говорится о темной материи и темной энергии, которые еще не были обнаружены, когда она была впервые создана.

До того, как LHC включился, многие исследователи сказали бы, что следующая великая теория – это теория, известная как суперсимметрия, которая добавляет подобных, но гораздо более массивных партнеров-близнецов ко всем известным частицам.Один или несколько из этих тяжелых партнеров могли быть идеальным кандидатом на роль частиц, составляющих темную материю. И суперсимметрия начинает управлять гравитацией, объясняя, почему она намного слабее трех других фундаментальных сил. До открытия Хиггса некоторые ученые надеялись, что в конечном итоге бозон будет немного отличаться от того, что предсказывала Стандартная модель, намекая на новую физику.

Но когда появился Хиггс, это было невероятно нормально, именно в том диапазоне масс, который, по утверждениям Стандартной модели, будет.Хотя это большое достижение для Стандартной модели, физики остались без каких-либо хороших выводов. Некоторые начали говорить о потерянных десятилетиях в погоне за теориями, которые хорошо звучали на бумаге, но, похоже, не соответствуют реальным наблюдениям. Многие надеются, что следующие прогоны сбора данных с LHC помогут немного прояснить этот беспорядок.

БАК был закрыт в декабре 2018 года, чтобы пройти два года модернизации и ремонта. Когда он вернется в строй, он сможет разбивать атомы вместе с небольшим увеличением энергии, но с удвоенным числом столкновений в секунду.Что он найдет, остается только гадать. Уже идут разговоры о еще более мощном ускорителе частиц на замену, расположенном в том же районе, но в четыре раза больше LHC. На строительство огромной замены может потребоваться 20 лет и 27 миллиардов долларов.

Дополнительные ресурсы:

Миру не нужен новый гигантский коллайдер частиц

Сейчас не время для более крупного ускорителя частиц. Но у CERN, европейского физического центра, базирующегося в Женеве, Швейцария, есть планы – большие планы.Крупнейшая в мире лаборатория физики элементарных частиц, в которой в настоящее время работает самый большой в мире коллайдер элементарных частиц, объявила о своем намерении построить еще более крупную машину, как было объявлено на пресс-конференции и в сегодняшнем выпуске.

При этом ЦЕРН решил, что он хочет продолжить первый этап плана будущего кругового коллайдера (FCC), размещенного в кольцевом туннеле длиной 100 километров или чуть более 60 миль по окружности. Эта машина могла в конечном итоге достичь энергии столкновения в 100 тераэлектронвольт, что примерно в шесть раз больше энергии столкновения действующего в настоящее время Большого адронного коллайдера (LHC).Достигнув беспрецедентно высоких энергий, новый коллайдер позволит глубже изучить структуру материи и даст возможность находить новые частицы.

Пока неясно, появится ли полное видение. Но ЦЕРН объявил, что для организации «первоочередной задачей» является сделать первый шаг на пути к FCC: найти подходящее место для туннеля и построить машину для столкновения электронов и позитронов с энергиями, аналогичными энергии LHC. (который, однако, использует протоны на протонах).Решение о том, будет ли ЦЕРН продвигаться вперед к столкновениям между протонами при высоких энергиях, будет принято только после нескольких лет исследований и размышлений.

Этот первый шаг также получил название «фабрика Хиггса», потому что он специально разработан для производства большого количества бозонов Хиггса. Бозон Хиггса, открытый в ЦЕРНе в 2012 году, был последней недостающей частицей в Стандартной модели физики элементарных частиц. С помощью новой машины физики, работающие с частицами, хотят более детально измерить ее свойства и свойства некоторых ранее открытых частиц.(Япония рассматривает возможность создания линейного коллайдера с той же целью, что и фабрика Хиггса в ЦЕРНе, но комитет, работающий над этой идеей, не принял окончательного решения в своем прошлогоднем отчете. Китай рассматривает круговой коллайдер, аналогичный по масштабу и размеру полному плану ЦЕРНа FCC. , но решение ожидается не раньше следующего года.)

Но план ЦЕРН, если он будет полностью выполнен, будет стоить десятки миллиардов долларов. Точные цифры недоступны, потому что смета бюджета, представленная CERN, обычно не включает стоимость эксплуатации.Если исходить из эксплуатационных расходов на Большой адронный коллайдер, эти затраты на новый коллайдер, вероятно, составят не менее 1 миллиарда долларов в год. Для объекта, который может проработать 20 лет и более, это сопоставимо со стоимостью строительства.

Это, без сомнения, сногсшибательные цифры. Действительно, коллайдеры частиц в настоящее время являются самыми дорогими физическими экспериментами из существующих. Их цена выше, чем у следующего по стоимости эксперимента – телескопов в спутниковых полетах.

Основная причина такой высокой стоимости заключается в том, что с 1990-х годов технология коллайдеров постоянно улучшалась. Как следствие, единственный способ достичь более высоких энергий сегодня – это создавать машины большего размера. Это просто физический размер – длинные туннели, множество магнитов, необходимых для их заполнения, и все, что нужно для этого, – вот что делает коллайдеры частиц такими дорогими.

Но в то время как стоимость этих коллайдеров резко возросла, их актуальность снизилась.Когда физики начали создавать коллайдеры в 1940-х годах, у них не было полного инвентаря элементарных частиц, и они это знали. Новые измерения породили новые головоломки, и они построили более крупные коллайдеры, пока в 2012 году картина не была полной. Стандартная модель все еще имеет некоторые недостатки, но их экспериментальное тестирование потребует энергии, по крайней мере, в десять миллиардов раз выше, чем может проверить даже FCC. Следовательно, научные основания для следующего более крупного коллайдера в настоящее время невелики.

Конечно, возможно, что следующий более крупный коллайдер сделает прорывное открытие. Некоторые физики надеются, например, что это может дать ключ к разгадке природы темной материи или темной энергии.

Да, можно надеяться. Но нет причин, по которым частицы, из которых состоит темная материя или темная энергия, должны появляться в диапазоне энергий нового устройства. И это при условии, что они изначально являются частицами, для которых нет доказательств. Более того, даже если они являются частицами, столкновения с высокой энергией могут быть не лучшим способом их поиска.Например, слабо взаимодействующие частицы с крошечными массами – это не то, что нужно для больших коллайдеров.

И есть совершенно разные типы экспериментов, которые могут привести к прорывам с гораздо меньшими затратами, такие как высокоточные измерения при низких энергиях или увеличение массы объектов в квантовых состояниях. Переход к более высоким энергиям – не единственный способ добиться прогресса в основах физики; это просто самый дорогой.

В этой ситуации физикам элементарных частиц следует сосредоточиться на разработке новых технологий, которые могли бы вернуть коллайдеры в разумный ценовой диапазон и отложить рытье новых туннелей.Самая многообещающая технология на горизонте – это новый тип ускорения «кильватерного поля», который может резко сократить расстояние, необходимое для ускорения частиц, и, следовательно, уменьшить размер коллайдеров. Еще одна революционная технология – это сверхпроводники при комнатной температуре, которые могут сделать сильные магниты, на которые полагаются коллайдеры, более эффективными и доступными.

Изучение этих новых технологий также входит в число приоритетов ЦЕРН. Но, как показывает обновление стратегии, физики элементарных частиц так и не осознали свою новую реальность.Создание более крупных коллайдеров частиц исчерпало себя. Сегодня он малоэффективен для научных исследований и в то же время почти не имеет значения для общества. Крупные научные проекты, как правило, приносят пользу образованию и инфраструктуре, но это не относится только к коллайдерам частиц. И если эти побочные эффекты – то, что нас действительно интересует, то мы должны, по крайней мере, вкладывать деньги в научные исследования, имеющие значение для общества.

Почему, например, у нас до сих пор нет международного центра климатических прогнозов, который, по текущим оценкам, будет стоить «всего» 1 миллиард долларов за 10 лет? Это мелочь по сравнению с тем, что засасывает физика элементарных частиц, но гораздо важнее.Или почему, возможно, вы недавно задались вопросом, у нас нет центра моделирования эпидемий?

Это потому, что слишком много финансирования науки распределяется по инерции. За прошедшее столетие физика элементарных частиц превратилась в большое, очень влиятельное сообщество с хорошими связями. Они будут продолжать строить более крупные коллайдеры частиц так долго, как только смогут, просто потому, что это то, что делают физики элементарных частиц, независимо от того, имеет это смысл или нет.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *