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
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
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?
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.
Для чего нужен Большой адронный коллайдер?
Большой адронный коллайдер называют либо «машиной Судного дня», либо ключом к тайне Вселенной, но его значимость не подвергается сомнению.
Как сказал когда-то знаменитый британский мыслитель Бертран Рассел: «Наука – это то, что вы знаете, философия – то, чего не знаете». Казалось бы, что истинно научное знание давно отделилось от своих истоков, которые можно найти в философских изысканиях Древней Греции, но это не совсем так.
На протяжении двадцатого века ученые пытались найти в науке ответ на вопрос об устройстве мира. Этот процесс был похож на поиск смысла жизни: огромное множество теорий, предположений и даже безумный идей. К каким же выводам пришли ученые к началу XXI века?
Весь мир состоит из элементарных частиц, которые представляют собой конечные формы всего сущего, то есть то, что нельзя расщепить на более мелкие элементы. К ним относятся протоны, электроны, нейтроны и так далее. Эти частицы находятся между собой в постоянном взаимодействии. На момент начала нашего столетия оно выражалось в 4 фундаментальных типах: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.
Первое описывается Общей теорией относительности, другие три объединяются в рамках Стандартной модели (квантовая теория). Было также сделано предположение о существовании еще одного взаимодействия, впоследствии названного «поле Хиггса».
Постепенно стала формироваться идея объединения всех фундаментальных взаимодействий в рамках «теории всего», которая изначально воспринималась как шутка, но быстро переросла в мощное научное направление. Зачем это нужно? Всё просто! Без понимания того, как функционирует мир, мы словно муравьи в искусственном гнезде – не выберемся за пределы своих возможностей. Человеческое знание не может (ну, или пока не может, если вы оптимист) охватить устройство мира целиком.
Одной из самых знаменитых теорий, претендующих на «объятие всего», считается теория струн. Она подразумевает, что вся Вселенная и наша с вами жизнь многомерна. Несмотря на разработанную теоретическую часть и поддержку знаменитых физиков, таких, как Брайан Грин и Стивен Хокинг, она не имеет экспериментального подтверждения.
Ученые, спустя десятилетия, устали вещать с трибун и решили построить то, что раз и навсегда должно расставить все точки над «i». Для этого и была создана крупнейшая в мире экспериментальная установка – Большой адронный коллайдер (БАК).
«К коллайдеру!»
Ускоритель в Лаборатории Ферми. Вид на ускорительный центр Fermilab, США. Теватрон (кольцо на заднем плане) и кольцо-инжектор. Над подземными тоннелями видны кольцевые пруды, рассеивающие избыточное тепло от оборудования. Fermilab, Reidar Hahn / wikimedia.org (CC0 1.0)
Что такое коллайдер? Если говорить научным языком, то это – ускоритель заряженных частиц, предназначенный для разгона элементарных частиц для дальнейшего понимания их взаимодействия. Если говорить ненаучным языком – это большая арена (или песочница, если вам угодно), на которой ученые сражаются за подтверждение своих теорий.
Впервые идея столкнуть элементарные частицы и посмотреть, что будет, появилась у американского физика Дональда Вильяма Керста (Donald William Kerst) в 1956 году.
Он предположил, что благодаря этому ученым удастся проникнуть в тайны Вселенной. Казалось бы, что плохого в том, чтобы столкнуть между собой два пучка протонов с суммарной энергией в миллион раз больше, чем от термоядерного синтеза? Времена были соответствующие: холодная война, гонка вооружений и все такое.
История создания БАК
Глобус науки и инноваций ЦЕРНа. Brücke-Osteuropa / wikimedia.org
(CC0 1.0)
Идея создания ускорителя для получения и исследования заряженных частиц появилась еще в начале 1920-х годов, но первые прототипы были созданы только к началу 1930-х. Изначально они представляли собой высоковольтные линейные ускорители, то есть заряженные частицы двигались прямолинейно. Кольцевой вариант был представлен в 1931 году в США, после чего похожие устройства стали появляться в ряде развитых стран – Великобритании, Швейцарии, СССР. Они получили название циклотроны, и стали в дальнейшем активно использоваться для создания ядерного оружия.
Нужно отметить, что стоимость строительства ускорителя частиц неимоверно высокая.
Европа, игравшая во время холодной войны не первостепенную роль, поручила его создание Европейской организации по ядерным исследованиям (на русском часто читается как ЦЕРН), которая в дальнейшем занялась и строительством БАК.
ЦЕРН была создана на волне беспокойства мирового сообщества в отношении ядерных исследований в США и СССР, которые могли привести к всеобщему истреблению. Поэтому ученые решили объединить усилия и направить их в мирное русло. В 1954 году ЦЕРН получила своё официальное рождение.
В 1983 году под эгидой ЦЕРН были открыты бозоны W и Z, после чего вопрос об открытии бозонов Хиггса стал лишь делом времени. В том же году началась работа над строительством Большого электрон-позитронного коллайдера (БЭПК), который сыграл первостепенную роль в изучении обнаруженных бозонов. Однако уже тогда стало ясно, что мощности созданного устройства в скором времени окажутся недостаточными. И в 1984 году было принято решение о строительстве БАК, сразу после того, как БЭПК будет демонтирован.
Это и произошло в 2000 году.
Строительство БАК, начавшееся в 2001 году, облегчалось тем, что оно происходило на месте бывшего БЭПК, в долине Женевского озера. В связи с вопросами финансирования (в 1995 году стоимость оценивалась в 2,6 млрд швейцарских франков, к 2001 превысила 4,6 млрд, в 2009 составила 6 млрд долларов).
На данный момент БАК располагается в туннеле с длиной окружности 26,7 км и проходит через территории сразу двух европейских стран – Франции и Швейцарии. Глубина туннеля варьируется от 50 до 175 метров. Нужно также отметить, что энергия столкновения протонов в ускорителе достигает 14 тераэлектронвольт, что в 20 раз больше достигнутых результатов при использовании БЭПК.
«Любопытство – не порок, но большое свинство»
27-километровый туннель коллайдера ЦЕРН, расположен в 100 метрах под землей недалеко от Женевы. Здесь будут находиться огромные сверхпроводящие электромагниты. Справа транспортные вагоны. Juhanson / wikipedia.org (CC BY-SA 3.0)
Зачем нужна эта рукотворная «машина Судного дня»? Ученые рассчитывают увидеть мир таким, каким он был сразу после Большого взрыва, то есть в момент образования материи.
Цели, которые поставили перед собой ученые при строительстве БАК:
- Подтверждение или опровержение Стандартной модели с целью дальнейшего создания «теории всего».
- Доказательство существования бозона Хиггса как частицы пятого фундаментального взаимодействия. Она, согласно теоретическим изысканиям, должна влиять на электрическое и слабое взаимодействие, нарушая их симметрию.
- Изучение кварков, представляющих собой фундаментальную частицу, которая в 20 тысяч раз меньше состоящих из них протонов.
- Получение и исследование темной материи, составляющей большую часть Вселенной.
Это далеко не единственные цели, возложенные учеными на БАК, но остальные больше относятся к смежным или сугубо теоретическим.
Чего удалось достичь?
Несомненно, наиболее крупным и значимым достижением стало официальное подтверждение существования бозона Хиггса. Открытие пятого взаимодействия (поля Хиггса), которое, по утверждениям ученых, влияет на приобретение массы всеми элементарными частицами.
Считается, что при нарушении симметрии в процессе воздействия поля Хиггса на другие поля, бозоны W и Z становятся массивными. Открытие бозона Хиггса настолько велико по своей значимости, что ряд ученых дал им название «божественные частицы».
Кварки объединяются в частицы (протоны, нейтроны и другие), которые получили название адроны. Именно они ускоряются и сталкиваются в БАК, откуда и пошло его название. В процессе работы коллайдера было доказано, что выделить кварк из адрона попросту невозможно. Если вы попытаетесь это сделать, то просто вырвете из, например, протона другой вид элементарной частницы – мезон. Несмотря на то что это лишь один из адронов и ничего нового в себе не несет, дальнейшее изучение взаимодействия кварков должно осуществляться именно небольшими шагами. В исследованиях фундаментальных законов функционирования Вселенной спешка опасна.
Хоть сами кварки и не были открыты в процессе использования БАК, но их существование до определенного момента воспринималось как математическая абстракция.
Первые такие частицы были найдены в 1968 году, но лишь в 1995-ом официально доказано существование «истинного кварка». Результаты экспериментов подтверждаются возможностью их воспроизвести. Поэтому достижение БАК аналогичного результата воспринимается не как повтор, а как закрепляющее доказательство их существования! Хотя проблема с реальностью кварков никуда и не исчезла, ведь их просто нельзя выделить из адронов.
Какие планы?
Основная задача по созданию «теории всего» решена не была, но теоретическая проработка возможных вариантов её проявления ведется. До сих пор одной из проблем объединения Общей теории относительности и Стандартной модели остается разная область их действия, в связи с чем вторая не учитывает особенности первой. Поэтому важен выход за пределы Стандартной модели и достижения грани Новой физики.
Суперсимметрия – ученые считают, что она связывает бозонное и фермионное квантовые поля, да так, что они могут превращаться друг в друга.
Именно подобная конверсия выходит за рамки Стандартной модели, так как существует теория, что в основе симметричного отображения квантовых полей лежат гравитоны. Они, соответственно, могут являться элементарной частицей гравитации.
Бозон Мадала – гипотеза о существовании бозона Мадала предполагает, что имеется еще одно поле. Только если бозон Хиггса взаимодействует с известными частицами и материей, то бозон Мадала – с темной материей. Несмотря на то что она занимает большую часть Вселенной, её существование не входит в рамки Стандартной модели.
Микроскопическая черная дыра – одно из исследований БАК заключается в создании черной дыры. Да-да, именно той черной, всепоглощающей области в космическом пространстве. Благо, что значительных достижений в этом направлении сделано не было.
На сегодняшний день Большой адронный коллайдер представляет собой многоцелевой исследовательский центр, на основе работы которого создаются и экспериментально подтверждаются теории, которые помогут нам лучше понять устройство мира. Вокруг ряда проводимых исследований, которые клеймятся опасными, нередко поднимаются волны критики, в том числе со стороны Стивена Хокинга, но игра определенно стоит свеч. Мы не сможем плыть в черном океане под названием Вселенная с капитаном, у которого ни карты, ни компаса, ни элементарных знаний об окружающем мире.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Для чего нужен большой адронный коллайдер?
Ну, вообще, надо сказать, что цель этого проекта – Большой адронный коллайдер – это цель чисто фундаментальная, получение фундаментальных знаний. Специально никаких целей для прикладных исследований или, тем более, коммерческих целей в этот проект не вкладывается. Хотя, надо сказать, что, безусловно, создание таких установок экспериментальных – и ускорителей, и детекторов, – ведет к появлению новых высоких технологий, безусловно, в промышленности. Поскольку требования к этим установкам очень высокие, то, следовательно, и материалы, и электроника, и другие компоненты этих установок должны быть высокого уровня – очень высокого, небывалого, скажем так. И это влечет за собой развитие технологий, которые могут быть использованы и в других областях. Это вот такой аспект. Да, есть даже такое выражение, что физика высоких энергий является локомотивом развития высоких технологий. То есть требования вот именно в этой области таковы к материалам и ко всем другим компонентам, что они приводят, вынуждают создавать, изобретать новые технологии, которые, безусловно, будут использованы и других, так сказать, отраслях. Ну вот, пример уже такой расхожий, я бы сказал, это всемирная сеть, всемирная паутина, как мы говорим – www, – которая была создана в ЦЕРНе и именно по запросу физики высоких энергий. Можно много примеров привести, когда вот такой процесс происходит. С другой стороны, действительно, куда надо вкладывать деньги и какой может быть выход уже как бы в народное хозяйство или в какие-то новые технологии, и на каких масштабах времен. Надо сказать, вот сейчас особенно, в последние годы, бурно развиваются так называемые нанотенологии – везде, во всем мире. И прогресс там колоссальный, и изобретается и в биологии, и в химии, и новые материалы, в общем, охвачены многие отрасли хозяйства и жизнедеятельности человека. Но, надо сказать, что фундаментальные основы вот этих нанотехнологий были заложены 100 лет назад, когда была создана квантовая теория, на основе ее. И тогда никто не помышлял и не думал о том, что мы придем вот к такому развитию нанотехнологий. Действительно, именно на основе квантовой теории была атомная физика, молекулярная физика развита. И вот сейчас, через 100 лет, мы достигли уровень, технологический уровень общества всех стран развитых достиг такого уровня, когда мы можем эти фундаментальные знания уже воплощать в какие-то практические изделия, там лакокрасочные покрытия, ну, знаете, что такое нанотехнологии, там биодобавки и так далее. Поэтому мы не исключаем – ну, это пока фантазии, но фантазии, основанные на истории развития науки, – что те знания, которые мы получаем сейчас в микромире, они будут каким-то образом использованы для какого-то вот практического применения. Через сколько лет – не знаю. Ну, через 50 или через 100, а, может быть, и через 200. И поэтому на этой шкале, если мы сейчас достигли уровня технологического в нанотехнологиях, то те знания, которые мы получаем из физики высоких энергий, физики элементарных частиц, могут и, скорее всего, будут основой для пикотехнологий и фентотехнологий. Это вот по той же шкале: нано – от слова 10 в минус 9-й, потом 10 в минус 12-й, 10 в минус 15-й. И, действительно, те процессы, которые мы будем изучать на коллайдере, это уже на уровне 10 в минус 15-й сантиметра, 10 в минус 17-й даже, может быть. Поэтому не исключено, что когда-то эти фентотехнологии придут на помощь человеку, чтобы создавать какие-то совершенно небывалые свойства материалов и других предметов, необходимых в жизни. Я бы хотел еще по поводу ГРИДа сказать, как в продолжение. ГРИД – это такая система распределенных вычислений. И вот Александр Михайлович совершенно правильно сказал, что, когда начнется обработка данных, то, в общем-то, ученые будут сидеть у себя дома и обрабатывать эти данные. Вот на это нацелена эта система. То есть, огромный поток информации, который пойдет с детекторов, а с одного детектора будет поток информации, равный примерно всей информации, которая сейчас находится в Интернете в мире, это колоссальный поток, поэтому нужна быстрая электроника, которая снимает эту информацию, нужны специальные хранилища этой информации и так далее. А дальше ее надо обрабатывать. Так вот, оказывается, в этой области, в отличие, может быть, от других, никакой суперкомпьютер вам не поможет, нужна распределенная система проведения этих вычислений – только она может обеспечить сбор и обработку вот таких потоков информации. То есть, опять же, хотя и ГРИД как глобальная система мыслится в будущем использоваться везде и всюду, ну, так же, как интернет – физики его изобрели (я имею в виду всемирную паутину), а сейчас им пользуются все – и домохозяйки, и все школьники и так далее, в детском саду уже. Так и это то же самое. Мыслится, что в целом будет глобальная такая система. Но локомотивом, повторяю, развития именно этой системы является проект – Большой адронный коллайдер, – именно здесь сделан колоссальный прогресс, и эта система уже существует и работает, хотя еще не начался сбор данных, она уже подготовлена к этому. Смысл ее состоит в том, что физик, имея какую-то задачу, и он должен ее решить, по обработке данных и изучению того полезного сигнала, который интересен физикам. Он у себя – я немножко упрощаю, – у себя на персональном компьютере на рабочем месте, а может быть и дома, запускает эту задачу. И дальше система построена так, что он не знает и не узнает, куда эта задача пошла, я имею в виду весь земной шар. То есть, по всему земному шару во всех странах будет установлены специальные вычислительные центры распределенные, которые предоставлены любому физику, участвующему в эксперименте вот через персональный компьютер. И дальше эта система сама ищет, где есть свободный ресурс, во-первых, во-вторых, где есть соответствующее программное обеспечение, которое может конкретно эту задачу решить. Находит – посылает туда. Это может быть, вы сидите в Москве, это может быть в Японии, в Соединенных Штатах, где-то в Европе. Дальше, когда эта задача решена, ну, конкретная частная задача, она возвращается к нему обратно, к этому физику, и он получает решение. Вот такая вот система. Поэтому нет необходимости всем физикам, которые будут заниматься обработкой, скажем, сидеть в ЦЕРНе у какого-то, так сказать, дисплея или монитора, или большого компьютера, а вот так вот все работают распределенным образом, и потом все это сводится вместе и получается уже конкретный результат. Отсюда это название и появилось. ГРИД – это вообще сеть, сетка. Это название пришло из Америки, где таким словом называют энергетическую систему – ну, так же, как у нас единая энергетическая система есть. Вы же, включая, скажем, утюг в розетку, не знаете, откуда эта электроэнергия пришла туда – с Красноярской ГЭС или еще откуда-то. Вот она откуда-то пришла, потому что все это в единой системе. Точно так же и вычислениями. Так что вот это очень интересная технология.
для чего нужен, где находится
Наверняка почти каждый человек на Земле, хоть раз, да слышал о большом адронном коллайдере. Вот только, несмотря на то, что многие слышали о нем, мало кто понимает, что такое адронный колладейр, каково его предназначение, в чем суть адронного коллайдера. В нашей сегодняшней статье мы ответим на эти вопросы.
Что такое адронный коллайдер
По сути адронный коллайдер представляет собой сложный ускоритель элементарных частиц. С его помощью физикам удается разогнать протоны и тяжелые ионы. Изначально адронный коллайдер создавался для подтверждения существования бозона Хиггса, неуловимой элементарной частицы, которую физики порой в шутку называют «частичкой Бога». И да, существование этой частички было подтверждено экспериментально с помощью коллайдера, а сам ее первооткрыватель Питер Хиггс получил за это нобелевскую премию по физике в 2013 году.
Разумеется, одним лишь бозоном Хиггса дело не ограничилось, помимо него физиками были найдены и некоторые другие элементарные частицы. Теперь вы знаете ответ на вопрос, зачем нужен адронный коллайдер.
Что представляет собой большой адронный коллайдер
Прежде всего, необходимо заметить, что большой адронный колайдер не возник на пустом месте, а появился как эволюция своего предшественника – большого электрон-позитронного коллайдера, представляющего собой 27-ми километровый подземный туннель, строительство которого началось еще в 1983 году. В 1988 году кольцевой тоннель сомкнулся, притом интересно то, что строители подошли к делу очень тщательно, настолько, что расхождение между двумя концами туннеля составляет лишь 1 сантиметр.
Так выглядит схема адронного коллайдера.
Электрон-позитронный коллайдер проработал до 2000 года и за время его работы в физике был сделан с его помощью целый ряд открытий, среди которых открытие W и Z бозонов и их дальнейшее исследование.
С 2001 года на месте электрон-позитронного коллайдера началось уже строительство коллайдера адронного, которое закончилось в 2007 году.
Где находится адронный коллайдер
Большой адронный коллайдер находится на границе Швейцарии и Франции, в долине женевского озера, всего лишь в 15 км от самой Женевы. И располагается он на глубине 100 метров.
Место расположения адронного коллайдера.
В 2008 году начались его первые испытания под патронатом ЦЕРН – Европейской организации по ядерным исследованиям, которая на данный момент является крупнейшей лабораторией в мире в области физики высоких энергий.
Для чего нужен адронный коллайдер
С помощью этого гигантского ускорителя элементарных частиц физики могут проникать так глубоко внутрь материи, как никогда раньше. Все это помогает, как подтверждать старые научные гипотезы, так и создавать новые интересные теории. Детальное изучение физики элементарных частиц помогает нам приблизиться в поисках ответов на вопросы об устройстве Вселенной, о том, как она зародилась.
Глубокое погружение в микромир позволяет открыть революционно новые пространственно-временные теории, и как знать, может быть, даже удастся проникнуть в тайну времени, этого четвертого измерения нашего мира.
Как работает адронный коллайдер
Теперь давайте опишем, как собственно работает большой адронный коллайдер. О принципах его работы говорит название, так как само слово «коллайдер» с английского переводится как «тот, кто сталкивает». Главная его задача – устроить столкновение элементарных частиц. Причем частицы в коллайдере летают (и сталкиваются) на скоростях, близких к скоростям света. Результаты столкновений частиц фиксируют четыре основных больших детектора: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb и множество вспомогательных детекторов.
Более детально принцип работы адронного коллайдера описан в этом интересно видео.
Опасность адронного коллайдера
В целом людям свойственно боятся вещей, которые они не понимают. Именно это иллюстрирует отношение к адроному коллайдеру и различные опасения, с ним связанные. Самые радикальные из них, высказывались, что в случае возможного взрыва адронного коллайдера может погибнуть, не много, не мало, а все человечество вместе с планетой Землей, которую поглотит образовавшаяся после взрыва черная дыра. Разумеется, первые же опыты показали, что подобные опасения не более чем детская страшилка.
А вот некоторые серьезные опасения относительно работы коллайдера были высказаны недавно умершим английским ученым Стивеном Хокингом. Причем опасения Хокинга связаны не столько с самим коллайдером, сколько с полученным с его помощью бозоном Хиггса. По мнению ученого этот бозон является крайне не стабильным материалом и в результате определенного стечения обстоятельств может привести к распаду вакуума и полному исчезновению таких понятий как пространство и время. Но не все так страшно, так согласно Хокингу, для того, чтобы произошло нечто подобное необходим коллайдер величиной с целую планету.
Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка
При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту [email protected] или в Фейсбук, с уважением автор.
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
Адронный коллайдер | Новости сибирской науки
10 лет назад был введён в действие Большой адронный коллайдер – крупнейший в мире ускоритель микрочастиц. Над проектом работали и работают тысячи специалистов, и среди них есть наши соотечественники.
Что такое БАК и зачем он нужен?
Прежде всего – знаете ли вы, почему Большой адронный коллайдер носит такое наименование? Итак, БАК (общепринятая аббревиатура) представляет собой ускоритель заряженных частиц – протонов и тяжелых ионов, которые физики называют также адронами. Слово «коллайдер» (collider) в переводе с английского означает буквально «сталкиватель». Частицы сталкиваются между собой, а исследователи изучают результаты их взаимодействий.
Зачем это вообще нужно? Дело в том, что существуют различные теории о поведении микрочастиц, которые пока не имеют экспериментального подтверждения. Возьмем теорию суперсимметрии, согласно которой у любой существующей во Вселенной элементарной частицы имеется более тяжелая «копия», или «суперчастица». Но это лишь предположение, которое надо еще подтвердить. Имея в распоряжении БАК, ученые смогут это сделать.
«Опыты на ускорителях помогают нам исследовать законы, по которым устроена материя, – комментирует заместитель директора по научной работе Института ядерной физики Сибирского отделения РАН Александр Бондарь. – Как мы знаем, в состав любого вещества входят атомы, а те, в свою очередь, делятся на электроны, протоны и нейтроны. Последние два вида частиц состоят из разных типов кварков. И все это показывают нам ускорители».
Также имеется теория Большого взрыва, объясняющая происхождение нашей Вселенной. Предполагается, что эксперименты на уровне микромира прольют свет на процессы, происходившие с материей миллиарды лет назад.
Наконец, как утверждают ученые, в перспективе благодаря коллайдеру возможно открытие новых источников энергии.
Вчера и сегодня
Идея создания БАК была выдвинута в далеком 1984 году. Но работа над установкой стартовала лишь в 2001 году, после того как перестал функционировать ее предшественник – Большой электрон-позитронный коллайдер.
Строительство велось под эгидой ЦЕРНа (Европейского центра ядерных исследований) в подземном туннеле, проложенном на глубине от 50 до 175 метров в районе Женевы. Длина основного кольца коллайдера равняется 26659 квадратным километрам. Стоимость создания установки оценивается от 6 до 8 миллиардов долларов.
10 сентября 2008 года состоялся официальный запуск суперускорителя. В общей сложности в работе с ним приняли участие около 10 тысяч ученых из разных стран мира, включая Россию. По словам координатора от российской стороны, заместителя директора НИИЯФ МГУ Виктора Саврина, с БАК работают около 800 отечественных экспертов из 12 научных учреждений, среди которых Академия наук, Росатом, Московский и Санкт-Петербургский государственные университеты, ядерные центры, расположенные в различных российских регионах.
Постоянно в ЦЕРНе трудятся несколько десятков наших соотечественников. Остальные приезжают туда в порядке командировок – обычно на несколько месяцев. Причем работа идет круглосуточно и без выходных.
Погоня за бозоном Хиггса
Пожалуй, самым большим научным достижением, связанным с БАК, стало экспериментальное подтверждение существования бозона Хиггса. О нем, вероятно, слышали многие, но мало кто знает, что до недавнего времени эта элементарная частица существовала лишь в «воображении» ученых. В 1964 году ее существование было теоретически предсказано британским физиком Питером Хиггсом, отсюда и название. В июле 2012 года ученые использовали коллайдер, дабы провести эксперимент по столкновению между собой двух протонов, причем скорость этого столкновения должна была примерно соответствовать скорости света. В итоге протоны распадались на отдельные мельчайшие частицы, среди которых исследователям «попадался» и бозон Хиггса.
Не так давно произошло еще одно знаменательное событие: исследовательским группам ATLAS и CMS удалось зафиксировать распад бозона Хиггса на боттом-кварки (последние чаще называют b-кварками). Таким образом была фундаментально подтверждена так называемая Стандартная модель элементарных частиц.
С 2015 года в исследовательской работе коллаборации ATLAS участвуют сотрудники лаборатории экспериментальной физики высоких энергий Томского госуниверситета во главе с Александром Ходиновым. В прошлом году ТГУ был получен правительственный мегагрант, который пойдет на финансирование Центра анализа данных эксперимента ATLAS. Запустить этот проект планируется до 2020 года.
Сейчас в задачи группы Ходинова входит исследование процессов распадов бозона Хиггса на частицы, представляющие собой более тяжелый аналог электрона – мюоны. Эта задача требует повышенной чувствительности соответствующих приборов, поэтому ученые ведут работы по модернизации мюонного спектрометра ATLAS. Кроме того, они занимаются разработкой новых многофункциональных детекторов. «Размеры каждой микросхемы составляют 20 на 20 миллиметров, и на ней способны разместиться около 6 миллионов транзисторов», – рассказывает Александр Ходинов.
Еще одно ноу-хау томских физиков – детекторы, считывающие полученную во время экспериментов информацию. Их разработка началась очень давно – еще в 1993 году. Приемники, изготовленные на основе арсенида галлия, способны регистрировать единичные кванты синхротронного излучения. Информация воспроизводится ими в виде электроимпульсов. Что же касается расшифровки полученных с БАК данных, то этим будет заниматься система искусственного интеллекта, которая сейчас разрабатывается на базе суперкомпьютера СКИФ Cyberia при ТГУ.
Еще один проект, в котором участвуют томичи, – это Beam Radiation Instrumentation and Luminosity (BRIL), над которым работает коллаборация CMS. Речь идет об усовершенствовании алмазных детекторов, «следящих» за коллайдером.
Апокалипсис и параллельные миры
Надо сказать, большинству обывателей мало что известно о деталях работы коллайдера. Зато за период его функционирования появилась масса связанных с ним конспирологических теорий, согласно которым установка катастрофическим образом влияет на климат, может вызывать землетрясения и, наконец, спровоцировать конец света…
Каким же образом? Конспирологи утверждают, что в результате функционирования БАК могут возникать микроскопические черные дыры, способные заглатывать окружающую материю, и таким образом может произойти глобальный взрыв. Хотя сложно себе такое представить: ведь все процессы в коллайдере происходят внутри локального замкнутого пространства. Никаких научных обоснований подобные апокалиптические гипотезы под собой, конечно же, не имеют.
Правда, недавно ушедший в мир иной знаменитый британский астрофизик Стивен Хокинг полагал, что манипуляции с бозоном Хиггса могут оказаться небезопасны для человечества. Почему? Ученый утверждает, что эта чудо-частица (иногда ее даже именуют частицей Бога) не обладает стабильностью, и при неблагоприятном стечении обстоятельств в результате экспериментов может начаться распад вакуума. Вселенная перейдет в иное физическое состояние, где пространство и время перестанут существовать. Понятно, что вряд ли кто-нибудь из нас, живущих, после этого уцелеет… Однако чтобы получить такой результат, уточнял Хокинг, необходимо построить коллайдер планетарных масштабов, до чего нам пока далеко.
В 2015 году международная команда физиков из США, Канады и Египта заявила, что мощности БАК должно хватить на то, чтобы обнаружить параллельные вселенные. Это еще одна распространенная теория, которая пока не находит приемлемого научного подтверждения.
По мнению авторов заявления, доказательством существования множественных пространственных измерений могут служить мини-дыры, возникающие, когда в коллайдере сталкиваются частицы с определенным уровнем энергии.
Каким же образом это доказывает многомерность Вселенной? Как считают исследователи, в теории гравитация способна «перетекать» из одного измерения в другое. В таком случае она будет проявляться в определенном диапазоне. И если удастся зафиксировать черные дыры именно в этом диапазоне, значит, теория верна.
Увы, пока попытки отыскать эти дыры закончились неудачей. Но в 2020 году, как ожидается, коллайдер будет модернизирован.
БАК по-российски
Кстати, первый в мире адронный коллайдер мог появиться в нашей стране, причем еще в советскую эпоху. В СССР работы над протонным ускорителем (так он назывался у нас) велись с 1983 года в подмосковном наукограде Протвино. Там, на глубине от 20 до 60 метров, был проложен туннель длиной 21 километр и диаметром 5 километров с подземными «ангарами» для размещения оборудования, соединенными с поверхностью вертикальными шахтами.
Строительство туннеля окончилось к 1994 году. И сразу же ввели в эксплуатацию первый участок объекта длиной 2,7 километра. Первые эксперименты прошли вполне успешно. Однако, как это нередко случалось в те годы, возникли сложности с финансированием. Сегодня объект пребывает в состоянии консервации.
Тем не менее отечественное научное руководство не оставило идею создания собственного аналога БАК. В 2013 году в подмосковной Дубне под эгидой международного Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) началось строительство сверхпроводящего коллайдера NICA (название представляет собой аббревиатуру от английского Nuclotron-based Ion Collider fAcility).
НИКА (будем все-таки называть ее по-русски) является циклотроном – кольцевым ускорителем, способным разгонять и сталкивать между собой протоны и тяжелые ионы. Проект предполагает широчайшую экспериментальную программу. Это и изучение свойств барионной материи, и исследование нуклонов и явлений поляризации. Прикладная сфера затронет такие области, как материаловедение, электроника, создание альтернативных источников энергии, криогенные технологии, радиобиология, утилизация и переработка радиоактивных отходов, медицина. Еще одно направление – участие в программах Роскосмоса.
Помимо России в проекте участвуют и другие страны, как входящие в организацию ОИЯИ, так и не являющиеся ее членами, но заинтересованные в исследованиях. Запуск комплекса запланирован на 2019 год, а с 2023 года он должен заработать в полную силу.
Заведующий лабораторией физики высоких энергий (ЛФВЭ) ОИЯИ Владимир Кекелидзе считает, что оборудование, предоставленное в распоряжение курирующей проект научной группы, позволит глубже изучить относительно новое направление в науке – физику высоких энергий. Одна из приоритетных задач – имитация Большого взрыва в лабораторных условиях. Конечно, это будет всего лишь мини-взрыв, но исходные данные максимально приблизят к тем, что существовали к моменту появления Вселенной. Для этого ученые используют частицы золота – данный металл как раз обладает всеми необходимыми свойствами и удобен с чисто технологической точки зрения.
«Изначально Вселенная состояла исключительно из однородного вещества – кварк-глюонной плазмы, – говорит Кекелидзе. – Сталкивая между собой атомы золота, мы попытаемся понять механизм образования таких частиц, как протоны и нейтроны. Ведь именно этот процесс сделал наш мир таким, как сейчас».
Наверное, поэтому тема коллайдеров так популярна. Человеку всегда важно понять смысл жизни, а для этого – осознать, как устроен мир и почему он выглядит именно так, а не иначе. Манипуляции с частицами как раз могут ответить на эти вопросы. Остается только подождать результатов.
«Здесь нащупывается дверь в Новую физику»: чем заняты российские ученые в ЦЕРН | Будущее
Большой адронный коллайдер. Фото: Nikolaus Geyrhalter Filmproduktion
В последние пару месяцев из Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН), в котором находится Большой адронный коллайдер (БАК), пришло сразу несколько интересных новостей. В одних экспериментах были обнаружены новые частицы, в других – получены результаты, потенциально открывающие дорогу к Новой физике.
Republic попросил российских ученых, участвующих в экспериментах ЦЕРН, объяснить суть новых открытий и их значение, а также рассказать, что придет на смену БАКу.
Сталкивая адроны
Прежде чем говорить о новых открытиях, нелишне будет вспомнить, как работает Большой адронный коллайдер, и зачем он нужен. В основу его работы положен принцип ускорения заряженных частиц электрическим полем, который используется физиками с 1930-х годов.
«Наверное, самый хорошо известный ускоритель, некогда широко использовавшийся в быту, – это телевизор с кинескопом. В нем создавался пучок электронов, который фокусировался, ускорялся и направлялся, чтобы электроны, попадая на нужную часть экрана, засвечивали люминофор и получалось изображение», – рассказывает Евгений Храмов, начальник сектора элементарных частиц Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ).
Принцип работы БАКа по большому счету тот же, только электронно-лучевая трубка длиннее (27 км) и замкнута в кольцо, а вместо электронов до скоростей, близких к скорости света, разгоняют протоны и ядра атомов (обычно свинца), а затем сталкивают их друг с другом. Столкновения на таких скоростях позволяют создать большую энергию в очень маленьком пространстве, и появляется возможность для рождения как уже хорошо известных или предсказанных частиц, так и новых – например, бозона Хиггса.
Слово «коллайдер» как раз означает что-то вроде «сталкиватель» (от англ. collide), а адроны – это частицы, состоящие из других (кварков и глюонов). Адроны делятся на два типа: барионы, в состав которых входят нечетное число кварков (сюда относятся, например, протоны и нейтроны), и мезоны, состоящие поровну из кварков и антикварков. Следовательно, адронный коллайдер – устройство, сталкивающее адроны. И задача БАК – с помощью этих столкновений найти ответы на многие вопросы, стоящие перед фундаментальной физикой.
Сейчас на БАКе проводится несколько экспериментов, из которых нас интересуют четыре: CMS, ATLAS, LHCb и TOTEM. CMS и ATLAS направлены на изучение бозона Хиггса и поиск проявлений Новой физики – то есть, явлений, не укладывающихся в Стандартную модель, которая описывает известные на сегодня взаимодействия между элементарными частицами: электромагнитные, слабые и ядерные, они же сильные (последним как раз подвержены адроны). К проявлениям Новой физики относятся, в том числе, новые частицы.
Эксперимент LHCb предназначен для исследования некоторых адронов, прежде всего, в контексте проблемы барионной асимметрии – наблюдаемого преобладания в видимой части Вселенной вещества над антивеществом, которое пока объяснить не удается.
«В Стандартной модели материя всегда порождается ровно в таком же количестве, как антиматерия. Согласно теории Большого взрыва, после него родилось одинаковое количество материи и антиматерии. Но с эволюцией вселенной первой стало больше, и причина такой асимметрии пока непонятна». – поясняет Евгений Храмов.
Наконец, эксперимент TOTEM изучает такие столкновения протонов, при котором они либо не разрушаются вовсе (и не порождают новых частиц), либо «разваливаются» на несколько адронов, но продолжают лететь в целом в том же направлении.
От России в работе ЦЕРН участвует свыше 1000 человек в 42 экспериментах. Эти ученые представляют 27 научных институтов и не только – например, в эксперименте LHCb заняты сотрудники компании Яндекс.
Новые подтверждения Стандартной модели
Многие из экспериментов, проводящихся на БАКе, призваны тем или иным образом подтвердить правильность Стандартной модели. Важнейшим из таких подтверждений стало открытие в 2012 году в экспериментах ATLAS и CMS бозона Хиггса – элементарной нейтральной (то есть, являющейся для самой себя античастицей) частицы с массой в 130 раз больше, чем у протона.
Моделирование, показывающее появление бозона Хиггса при столкновении двух протонов. Иллюстрация: Lucas Taylor / CERN
Аналогично в Стандартную модель укладываются и две частицы, об обнаружении которых на БАКе было объявлено в начале этого года. Первая из них – орбитальное возбуждение Ξb(6100)– (кси бэ минус бариона), существование которого подтвердили в рамках эксперимента CMS. В невозбужденном виде этот адрон уже некоторое время известен физикам, но его возбужденное состояние – фактически уже новая частица, с другой массой и менее стабильная.
Что касается оддерона, открытого в эксперименте TOTEM, в сотрудничестве с американскими коллегами (работающими на коллайдере «Теватрон»), то это виртуальная частица – они используется для описания некоторых сильных взаимодействий между адронами. Стандартная модель предсказывала, что оддероны должны проявляться во время таких взаимодействий при высоких энергиях, что и было подтверждено экспериментаторами ЦЕРН.
«Эти два открытия лишний раз подтверждают правильность Стандартной модели и Квантовой хромодинамики – той ее части, которая описывает сильные взаимодействия между частицами. Мы положили еще два кирпичика в огромную стену наших знаний о микромире», – комментирует Евгений Храмов.
Дверь в Новую физику?
Но задачи самого большого в мире коллайдера не сводятся к подтверждению Стандартной модели, в которую некоторые наблюдаемые явления не укладываются. Это касается, в частности, гравитации и темной материи, которая гипотетически не взаимодействует с электромагнитным излучением, а проявляет себя только в виде той же гравитации. Прямых доказательств существования темной материи пока нет, но есть множество косвенных – в частности, на это указывают аномально высокие скорости вращения внешних областей галактик.
«Стандартная модель выглядит как хорошая модель, которая является частью чего-то большего, – говорит Андрей Серяков, сотрудник Лаборатории сверхвысоких энергий СПбГУ, популяризатор науки и создатель ВК-паблика “ЦЕРНач”. – И мы пробуем выйти на это “что-то большее” в результате лабораторных экспериментов, а не только космических наблюдений».
Похоже, одна из этих попыток на наших глазах дает перспективные результаты. В марте сотрудники ЦЕРН обнародовали результаты анализа новых данных проводимой в рамках эксперимента LHCb проверки лептонной универсальности в редких распадах B-мезонов. И эти результаты все больше расходятся с предсказаниями Стандартной модели. Одним из возможных объяснений этого может быть существование новой частицы – лептокварка.
«Предполагается, что такой B-мезон должен одинаково распадаться как на пару электрон-позитрон, так и на пару мюон-антимюон (эти частицы по свойствам очень схожи с электронами, но в 200 раз тяжелее). Однако эксперимент показывает, что это не так, и между обычными электронами и “тяжелыми” возникает асимметрия. С новыми данными статистическая достоверность этого результата возросла, и составляет уже 3,1 стандартного отклонения. Этого пока по-прежнему мало, чтобы говорить о совершившемся открытии. Но возможно, здесь нащупывается дверь в Новую физику – чтобы понять, так ли это, нужно продолжить собирать данные», – комментирует Андрей Серяков.
«Гипотетический лептокварк – это как раз частица, не укладывающаяся в Стандартную модель. Если ее существование удастся доказать, это будет важным шагом к Новой физике. Но полученные пока что на БАКе результаты пока дают лишь намек на возможный вклад этой новой частицы в распады тяжелых адронов. Статистическая значимость полученного сигнала не очень высока. Так что для подтверждения этого результата нужны новые эксперименты», – соглашается с ним Иван Елецких, старший научный сотрудник Сектора теоретической поддержки экспериментов физики высоких энергий Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ.
Что дальше?
Продолжая сталкивать между собой уже известные частицы, физики собираются продолжать искать новые.
«Прежде всего это будут различные адроны: как состоящие из двух и трех кварков (обычные мезоны и барионы), так и экзотические состояния, представляющие из себя связанные состояния четырех или пяти кварков (тетракварки и пентакварки). Будет замечательно, если удастся обнаружить частицы темной материи – ряд гипотез предсказывает их существование», – говорит Иван Елецких.
Для проведения этих и других экспериментов в ЦЕРН сейчас рассматриваются проекты строительства двух новых коллайдеров на смену БАКу: CLIC (Компактного линейного коллайдера) и FCC (Циклического коллайдера будущего). Оба проекта должны заработать в конце 2030-х, и они сначала будут сталкивать пучки электронов и позитронов. Однако на FCC, судя по всему, в перспективе можно будет перейти к работе с протонами (то есть, адронами, как и на БАКе), и существенно повысить энергию их столкновений, до 100 ТэВ (для сравнения, БАК был спроектирован для 14 ТэВ, но пока выдает только 13), что откроет больше перспективы, в том числе, поиска новых частиц.
Главная площадка ЦЕРН. Фото: Brücke-Osteuropa
При этом многочисленные антинаучные страшилки о том, что БАК или его преемники могут стать причиной глобальной катастрофы – например, образования черной дыры, которая «проглотит» нашу планету, – беспочвенны, говорят ученые.
«Соударения частиц со столь высокими энергиями не являются чем-то уникальным, – объясняет Иван Елецких. – Такие столкновения, и даже столкновения намного больших энергий, наблюдаются во вселенной – например, в ядрах галактик. Частицы энергий сравнимых с энергиями БАК регулярно наблюдаются в космических лучах, достигающих Земли».
«Конечно же глобальной катастрофы в том смысле, что вы спросили [в результате работы адронного коллайдера], случиться не может. Может быть только что-то вроде аварии 2009 года, в результате которой были повреждены несколько магнитов БАК, произошла утечка гелия, и кто-то в мире на полгода остался без жидкого гелия, потому что он срочно понадобился для БАК», – добавляет Евгений Храмов.
Нужен ли миру более мощный суперколлайдер?
Уничтожитель атомов нового поколения будет стоить миллиарды долларов. Европа и Китай планируют построить такой, но ученые спорят, стоит ли оно того.
(Inside Science) – В 2012 году физики элементарных частиц впервые обнаружили долгожданный бозон Хиггса. Эта частица была последней недостающей частью того, что физики называют Стандартной моделью – наиболее тщательно проверенного набора физических законов, управляющих нашей Вселенной.Открытие Хиггса стало возможным благодаря гигантской машине в Европе, известной как Большой адронный коллайдер, которая использует 27-километровое кольцо сверхпроводящих магнитов для ускорения, а затем столкновения частиц вместе со скоростью, близкой к скорости света.
Но Стандартная модель – это еще не конец физики. Он не дает объяснений таких загадок, как существование темной материи или темной энергии или почему гравитация так отличается от других фундаментальных сил.
Подобно неизведанным территориям, которые средневековые картографы заполнили фантастическими животными, границы физики были заполнены множеством гипотез о том, что может таиться во тьме.А в науке единственный способ подтвердить или опровергнуть эти гипотезы – это собрать больше данных – данных с более совершенных телескопов и микроскопов и, возможно, с совершенно нового, еще более крупного суперколлайдера.
В 2012 году Институт физики высоких энергий Китайской академии наук объявил о плане создания следующего великого суперколлайдера. Планируемый круговой электронно-позитронный коллайдер будет иметь длину 100 километров, что почти в четыре раза больше, чем Большой адронный коллайдер, или LHC. Затем в 2013 году оператор LHC, известный как CERN, также объявил о своем плане создания нового коллайдера, названного просто Future Circular Collider.
Однако исследование неизведанного зачастую обходится недешево. Ученые и инженеры обсуждают, стоит ли вложить в проект как минимум 10-значную цену.
Хорошее
Хотя обнаружение бозона Хиггса в некотором смысле ознаменовало завершение Стандартной модели, предстоит еще много работы.
Фундаментальные частицы Стандартной модели.
Медиа-права
Авторские права Американский институт физики
«Мы до сих пор не понимаем массу бозона Хиггса.Мы не понимаем семейную проблему, например, почему существует три семейства частиц », – сказала генеральный директор CERN Фабиола Джанотти. «Итак, изучение бозона Хиггса с максимально возможной точностью является обязательным, и будущий коллайдер сделает это».
Когда частицы сталкиваются друг с другом со скоростью, близкой к скорости света, внутри суперколлайдера, часть их объединенной кинетической энергии преобразуется в массу, создавая новые частицы, такие как частицы Хиггса. Однако LHC может производить только один бозон Хиггса примерно на каждый миллиард столкновений, поэтому даже с возможностью производить сотни миллионов столкновений каждую секунду, LHC все равно потребовалось несколько лет, чтобы получить достаточно данных, чтобы сигнал Хиггса превысил фоновый шум.Более мощный коллайдер может увеличить скорость образования и позволить ученым лучше изучить бозон Хиггса.
Чтобы лучше понять, почему для создания большего количества частиц требуется столько энергии, представьте себе игру в боулинг с миллионами кеглей на дорожке, некоторые из которых легкие, а некоторые тяжелые. Легких штифтов гораздо больше, чем тяжелых – например, один миллион штифтов весом в 1 унцию на каждый штифт весом в 1 тонну. Теперь, чтобы «создать» тяжелую частицу, такую как Хиггс, что похоже на сбивание тяжелой булавки, вам нужно бросить шар для боулинга с такой силой, чтобы не только сбить тяжелую булавку, но и пробить миллионы более мелких булавок. в пути.
Энергия, необходимая для создания таких частиц, как бозон Хиггса, измеряется в так называемых гигаэлектронвольтах или ГэВ. LHC может генерировать столкновения с энергией 13000 ГэВ, что более чем в сто раз превышает эквивалентную массу-энергия 125 ГэВ бозона Хиггса. Он может производить только один бозон Хиггса на каждые 10 миллиардов столкновений из-за того, что вся энергия расходуется на все более легкие частицы.
Могут существовать даже более тяжелые частицы, производство которых выходит за рамки технических возможностей LHC, или LHC может генерировать их с такой низкой скоростью, что их невозможно обнаружить статистически.Другими словами, если мы хотим сбить больше «тяжелых кеглей», нам понадобится больше «мускулов».
«Мы находимся в ситуации, когда Стандартная модель не может объяснить различные явления», – сказал Джанотти. «Есть много других теорий, но мы не знаем, какая из них верна. Итак, шаг вперед с точки зрения энергетической шкалы… может помочь перенаправить наши мысли ».
Плохое
Одна из ведущих теорий, выходящих за рамки Стандартной модели, известна как суперсимметрия. На первый взгляд кажущаяся абстрактной, основная концепция суперсимметрии на самом деле довольно проста.Суперсимметрия предсказывает, что для каждой из 17 фундаментальных частиц в Стандартной модели существует гипотетическая частица-партнер – таким образом, «симметрия» – и каждая из этих гипотетических частиц будет тяжелее, чем их соответствующий, уже обнаруженный партнер – таким образом, “супер.”
Впервые представленная в конце 1960-х – начале 1970-х годов, суперсимметрия выглядела многообещающей благодаря своей математической элегантности и способности объяснять, почему гравитация кажется намного слабее, чем другие фундаментальные силы, и разрешать другие загадки, такие как темная материя.
Однако, как бы многообещающе ни выглядела суперсимметрия как теория, которая могла бы помочь объединить все фундаментальные силы во Вселенной, исследователям элементарных частиц еще предстоит увидеть никаких прямых доказательств, подтверждающих ее после десятилетий экспериментов. Поколения физиков элементарных частиц работали над теорией, и многие думали, что они наконец увидят следы суперсимметричных частиц, когда LHC впервые появится в сети.
Вид изнутри туннеля, в котором находится БАК, под французско-швейцарской границей недалеко от Женевы.Туннель имеет 27 километров в окружности и 574 фута под землей в самом глубоком месте ».
«Подавляющее большинство исследователей в нашей области до включения LHC, может быть, 90% из нас были уверены, что эта новая физика появится», – сказал Найджел Локьер, руководитель Национальной ускорительной лаборатории Ферми недалеко от Чикаго. «У меня был друг, который сказал, что найдешь его через три недели».
Однако первоначальные оптимистические ожидания не оправдались.
«Это прекрасное время, знаете ли, потому что лучшее время для экспериментатора – это когда у теоретиков заканчиваются идеи.Потому что тогда все, что мы открываем, является новым », – сказал Дэвид Ньюболд, который руководит программой физики элементарных частиц в лаборатории Резерфорда Эпплтона в Великобритании и в настоящее время возглавляет усилия по модернизации одного из основных детекторов на LHC.
Прямо сейчас никто не может сказать наверняка, сколько еще энергии нам понадобится, чтобы найти следующие новые частицы – если они есть. Вполне возможно, что следующий коллайдер может их вообще не увидеть.
Уродливые
С момента их предложения европейские и китайские планы создания нового суперколлайдера вызвали критику со стороны тех, кто сомневается, что проекты оправдают себя.Между тем их сторонники утверждают, что неопределенность выигрыша присуща процессу исследования неизвестного. Эти усилия вознаграждаются независимо от того, приводят ли они к новым захватывающим частицам, поскольку мы все равно сможем уточнить наше понимание Вселенной, исключив теории, не соответствующие новым данным.
История двух коллайдеров
В своем отчете о концептуальном дизайне ЦЕРН перечислил три возможных пути для своего будущего кругового коллайдера, каждый из которых имеет свой набор преимуществ и недостатков с точки зрения науки, техники и стоимости.Первый – это строительство электронно-позитронного коллайдера (FCC-ee) в 100 км вокруг, который обеспечит высокоточные исследования бозона Хиггса и других известных частиц. Второй модернизирует FCC-ee до нового адронного коллайдера (FCC-hh) с энергией в семь раз больше, чем у LHC. Эта конструкция могла бы включать точку взаимодействия адронов с лептонами (FCC-he). И, наконец, возможно, в самом низу списка желаний находится модернизация LHC (HE-LHC), которая удвоит его текущую мощность до 27000 ГэВ.
Проект CEPC в Китае немного отличается.Без существующей инфраструктуры ускорителей, такой как LHC, CEPC необходимо будет строить полностью с нуля. Их отчет о концептуальном дизайне разделяет проект на две фазы. Первый этап – электрон-позитронный коллайдер, который будет размещен в круглом подземном туннеле протяженностью 100 км, – начнется строительство в 2022 году и будет завершено к концу десятилетия. Он будет служить «фабрикой Хиггса», которая может обеспечить более точное измерение бозона Хиггса. Вторая фаза, получившая название Super Proton Proton Collider или SPPC, будет делить пространство в том же 100-километровом туннеле.Его строительство планируется начать около 2040 года и закончить к середине 2040-х годов. Это будет протон-протонный коллайдер, подобный LHC, но с гораздо более высокой энергией, до 100 000 ГэВ, что позволит ему искать новую физику, такую как суперсимметрия. Предлагаемое местоположение объекта – Циньхуандао, портовый город в 300 км к востоку от Пекина, до которого можно добраться на высокоскоростном поезде за один час.
Медиа-права
Авторские права Американский институт физики
«Уметь исключать теоретические сценарии и перенаправлять наши мысли так же важно, как и делать новые открытия», – сказал Джанотти.«Например, посмотрите на спутники WMAP и Planck – они ничего не обнаружили, но они сделали очень точные измерения нашей Вселенной, которые революционизировали наше понимание космоса. Мы должны быть осторожны, чтобы не думать, что успехи в науке – это просто открытия ».
Хотя физики знают, что они не могут узнать результаты без создания инструментов и проведения эксперимента, экономика таких исследований более открыта для дискуссий. Какую цену мы готовы заплатить за лучшее понимание нашей Вселенной?
Чен-Нин Ян, лауреат Нобелевской премии по физике элементарных частиц, в 2016 году привлек внимание общественности к этой дискуссии в Китае.В широко распространенном блоге он раскритиковал поиски признаков суперсимметрии с помощью нового суперколлайдера как «предположение поверх предположения». Он также выразил беспокойство по поводу того, что проект отрицательно скажется на финансировании других областей исследований, особенно тех, которые «требуют неотложных решений, таких как окружающая среда, образование и здравоохранение».
Ян назвал отмену сверхпроводящего суперколлайдера в США «болезненным опытом», который превратился в «бездонную яму» растраченного финансирования.Первоначально предложенный с ценой в 4,4 миллиарда долларов в 1987 году, расчетная стоимость этого коллайдера быстро выросла до 12 миллиардов долларов, а затем была отменена в 1993 году после того, как 2 миллиарда долларов уже были потрачены. Оглядываясь назад, можно сказать, что этот инструмент мог помочь научному сообществу открыть бозон Хиггса несколькими годами ранее.
Тянь Ю Цао, философ науки и политики из Бостонского университета, пессимистично оценивает будущее китайского кольцевого электронно-позитронного коллайдера, или CEPC. Он указал на последний пятилетний план Китая, опубликованный в 2016 году, в котором CEPC не упоминается среди 10 флагманских проектов, объявленных в отчете.
«Они определенно колеблются», – сказал Цао. «Они колеблются, потому что есть возражения со стороны людей из всех областей физики. Как они могут получить столько денег для этого проекта, когда существует так много других проектов, нуждающихся в финансировании? »
Европейский партнер CEPC, FCC, также получил несколько противников. В начале этого года физик-теоретик Сабина Хоссенфельдер опубликовала в New York Times статью, в которой написала: «Я все еще верю, что столкновение частиц друг с другом – наиболее многообещающий путь к пониманию того, из чего состоит материя и как она скрепляется. .Но 10 миллиардов долларов – это изрядная цена. И я не уверен, что оно того стоит “.
Оба проекта в настоящее время все еще находятся на стадии исследований и разработок, но с учетом графика строительства, запланированного на следующее десятилетие, проекты, вероятно, будут привлекать более пристальное внимание, поскольку их сторонники пытаются обеспечить финансирование.
«Прямо сейчас у нас есть пять лет для обоснования исследования, а затем, вероятно, еще пять лет или около того на детальное инженерное проектирование. Затем мы действовали в любом темпе, который был ограничен деньгами », – сказал Ньюболд.«Вероятно, это произойдет как минимум через 20 лет, а может быть и дольше».
Команды из FCC и CEPC опубликовали в прошлом году свои отчеты о концептуальном дизайне, каждый объемом в сотни страниц и созданный более чем тысячей ученых и инженеров. На первый взгляд, оба проекта нацелены на достижение схожих научных целей, поэтому успех одного может опередить другой. На данный момент оба проекта находятся в начале долгой гонки в неизведанное.
Коллайдер с круглыми частицами будущего: некоторые физики видят в азартной игре 22 миллиарда долларов
Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН), которая управляет Большим адронным коллайдером недалеко от Женевы, Швейцария, стремится построить новый ускоритель элементарных частиц – еще более крупный.
Группа выпустила отчет о концептуальном дизайне ранее в этом месяце; Предлагаемый коллайдер, получивший название Future Circular Collider, будет иметь окружность более 60 миль, будет стоить более 20 миллиардов евро (22 миллиарда долларов) и будет завершен примерно в 2050 году.
Большой адронный коллайдер находится в туннеле длиной 17 миль под границей Франции и Швейцарии. Там пучки протонов и тяжелых ионов сталкиваются при высоких энергиях, и измерительное оборудование собирает данные о нашей Вселенной.
Но нужен ли нам еще один коллайдер частиц? Когда в 2008 году ЦЕРН построил Большой адронный коллайдер, у нас были очень веские основания ожидать, что мы откроем что-то новое в физике – наши существующие модели взаимодействия субатомных частиц не складывались, и они не складывались. способ, который предполагал, что существует новая частица, которая должна быть открыта в диапазоне энергий, который способен произвести Большой адронный коллайдер.
Но мир физики элементарных частиц сейчас выглядит совсем иначе. Мы обнаружили бозон Хиггса, который завершил картину стандартной модели физики, и с тех пор обширные испытания LHC не выявили никаких признаков новых открытий.
ЦЕРН утверждает, что новый коллайдер может позволить нам вглядываться в оставшиеся загадки физики, от темной материи до преобладания материи над антивеществом. Но некоторые физики в этом не уверены. Сабина Хоссенфельдер, физик-теоретик из Франкфуртского института, написала ответ на заявление ЦЕРН, в котором говорится, что нам не следует беспокоиться: «Коллайдер частиц большего размера – один из самых дорогостоящих экспериментов, о которых вы можете подумать, и в настоящее время у нас нет повод думать, что он откроет для себя что-нибудь новое.”
Ускорители элементарных частиц исторически были отличным способом построить более глубокую картину нашего мира, хотя вероятность того, что работа, которую они выполняют, будет иметь практическое применение, становится все меньше. Некоторые ученые утверждают, что новый ускоритель может иметь ограниченное научное применение, а также ограниченное практическое применение – и что важно убедиться, что общественность знает об этом, когда начнутся дебаты по поводу ускорителя.
Что такое ускорители элементарных частиц и что сейчас хочет построить ЦЕРН?
Ускоритель частиц – это машина, которая может двигать заряженные частицы с очень высокими скоростями и энергиями, используя электромагнитные поля для ускорения частиц и удержания их взаперти.В популярном освещении, особенно в 20 веке, их часто называли «сокрушителями атомов», хотя сегодня большинство ускорителей разбивают субатомные частицы, а не атомы.
Эти столкновения высоких энергий позволяют нам измерить характеристики Вселенной, которые мы не надеемся измерить при более нормальных условиях, и они продвинули наше понимание фундаментальной физики. В 1969 году физик Роберт Уилсон свидетельствовал перед Объединенным комитетом Конгресса по атомной энергии о предложении построить первый ускоритель элементарных частиц в Фермилабе.Его спросили о его значении для защиты страны, и он, как известно, ответил, что у него нет ничего, «кроме того, чтобы сделать его достойным защиты».
Технически не все ускорители частиц являются коллайдерами. Коллайдер – это ускоритель, оборудованный для организации столкновений между частицами высоких энергий. Однако наиболее полезные сегодняшние эксперименты включают столкновения либо для непосредственного изучения столкновений, либо потому, что столкновения испускают высокоэнергетические рентгеновские лучи и гамма-лучи.
ЦЕРН – это организация, которая управляет Большим адронным коллайдером, известным своим открытием бозона Хиггса, частицы, существование которой предполагалось, но не могло быть обнаружено до тех пор, пока не был построен LHC.Бозон Хиггса завершил так называемую стандартную модель физики элементарных частиц – модель, которая объясняет фундаментальные силы, кроме гравитации, и описывает все известные нам частицы. Это не значит, что новых частиц определенно нет, но вполне возможно, что мы впервые обнаружили их все.
Одна команда в ЦЕРНе работает над планированием будущего физики элементарных частиц, выходящего за рамки ожидаемого срока службы LHC. Они начали свою работу в 2014 году, а в этом месяце выпустили проектную документацию для нового предлагаемого коллайдера.Европейские страны, которые сотрудничают для финансирования ЦЕРН, должны будут одобрить это предложение, и финансирование будет происходить в основном за счет их взносов. Новый коллайдер будет почти в четыре раза больше БАК и позволит сталкиваться частицам примерно в 10 раз быстрее. Как минимум, это позволит более точно измерить некоторые параметры. Исследователи надеются, что это поможет.
Мы узнали некоторые важные вещи из ускорителей частиц. Ускорители ранних частиц позволяют открывать новые изотопы и новые элементы периодической таблицы.Ускорители используются для испытаний деталей и материалов космических аппаратов. Почти вся стандартная модель физики, которая объединяет все известные нам силы (кроме гравитации), была построена на открытиях, сделанных на коллайдерах частиц.
Но по мере того, как мы развиваем более полное понимание физики, практические применения новых ускорителей высоких энергий становятся все реже и реже. Остается меньше научных вопросов. С открытиями LHC стандартная модель физики элементарных частиц завершена.Очевидно, это не означает, что мы понимаем все во Вселенной – есть еще много загадок. Но впервые кажется правдоподобным, что более крупный коллайдер не даст новых частиц.
ЦЕРН не видит в этом убедительного аргумента против строительства нового коллайдера. «Если мы оглянемся на историю физики элементарных частиц, – написал мне Арно Марсолье, глава отдела по связям со СМИ в CERN, – мы также увидим, что огромные успехи в знаниях и технологиях были сделаны каждый раз, когда мы добивались большей точности и большего. энергия, внедряя инновации с помощью новых более крупных объектов.”
Совершенно верно. Но есть основания полагать, что на этот раз все может быть иначе.
«Научное обоснование более слабое, чем было у прошлых коллайдеров», – сказал мне Джаред Каплан, физик-теоретик из Университета Джона Хопкинса. Исторически также иногда утверждалось, что новые открытия в физике помогут нам разрабатывать новые технологии. Этот «гуманитарный» случай ускорителей на самом деле неприменим к современной физике высоких энергий. «Гуманитарное обоснование очень слабое, и оно было слабым и для LHC.”
Ускорители частиц не способствуют достижению конкретных технических новшеств
СвидетельствоУилсона в 1969 году было необычно прямым о том, что любой, кто лоббирует дополнительное финансирование, не всегда хочет признавать в своей работе: человечество не собирается изобретать новые промышленные технологии, новые источники энергии или новое оружие с помощью открытий.
Как утверждают Каплан и другие физики, мы вряд ли встретим кого-либо из Кругового коллайдера будущего.Это связано с тем, что все области физики элементарных частиц с приложениями в основном изучены, а остальные области было бы чрезвычайно трудно найти для реальных приложений, даже если бы мы обнаружили что-то неожиданное.
«Причина пессимизма в отношении практического применения в том, что мы действительно очень хорошо понимаем природу в некоторых отношениях», – сказал мне Каплан. «Вы все больше отдаляетесь от технологий в человеческом масштабе».
Частицы, которые мы обнаруживаем в подобных коллайдерах, существуют только в крайне редких условиях, требуют чрезвычайных усилий для получения и невероятно нестабильны, существуя всего лишь доли секунды.Физики, с которыми я разговаривал, сказали, что даже если бы один из них обладал невероятно полезными свойствами, трудно представить, как мы доберемся до промышленного применения.
Это выдвигает на первый план интересный факт о физике: наши приближения к физическому миру работают поразительно хорошо, позволяя нам понять большинство промышленных приложений физических принципов, даже когда мы очень плохо их понимаем. «Чтобы заниматься ядерной физикой, не нужно понимать, как работают кварки, – сказал мне Каплан. «Мы не знали о существовании кварков, когда работали над Манхэттенским проектом.”
Итак, что бы мы ни открыли с помощью Кругового коллайдера будущего, маловероятно, что он станет новым источником энергии или создаст новые продукты или технологии.
«Можем ли мы оправдать эти затраты технологическими прорывами, которые мы делаем на этом пути? У меня смешанные чувства по этому поводу, – сказал мне Шон Кэрролл, профессор физики Калифорнийского технологического института. «То, что мы обнаружим, имеет нулевой шанс привести к технологическим прорывам, – подчеркнул он, – однако есть абсолютно технологические прорывы в процессе, который мы используем для создания ускорителей.”
Тем не менее, будущее Кругового коллайдера состоит в том, что он может научить нас новому о Вселенной, а не в том, что он может привести к новым методам, потому что это чрезвычайно амбициозный строительный проект.
Есть ли исследования, которые лучше финансировать?
Физики-теоретики во всем согласны. Тем не менее, они разделились во мнениях, стоит ли строить новый ускоритель CERN. Что их разделяет, так это в значительной степени разногласия по поводу того, куда могут пойти деньги.
«Есть много других предлагаемых и продолжающихся экспериментов, которые намного дешевле», – сказал мне Каплан. «Есть еще огромные загадки в других областях физики. Стоимость многих экспериментов по поиску темной материи составляет 10 миллионов долларов, а не 20 миллиардов долларов. Возможно, имеет смысл профинансировать сотню таких экспериментов, чем построить один коллайдер за 10 раз больше денег ».
Это и есть суть дела Хоссенфельдера против коллайдера. «В настоящее время другие крупномасштабные эксперименты более надежно предложат новое понимание основ физики», – утверждает она в своем блоге.«Все, что заглядывает в раннюю Вселенную, например, большие радиотелескопы, или все, что исследует свойства темной материи. Есть также средние и мелкие эксперименты, которые, как правило, не актуальны, если большое сотрудничество съедает большую часть денег и внимания ».
Кэрролл не согласен. Он указал мне на дебаты 1990-х о строительстве ускорителя элементарных частиц в Техасе, достаточно большого, чтобы открыть бозон Хиггса и, возможно, даже больше. Некоторые физики в то время заметили, что деньги могли бы пойти и дальше, если бы они были потрачены на другие физические эксперименты, и коллайдер был отклонен.
Но пошли ли тогда деньги на другие физические эксперименты? Нет. «Если вы не потратите 20 миллиардов на ускоритель элементарных частиц, они не отдадут их другим физикам», – сказал он мне. «Они никогда этого не делают».
С этой точки зрения, выбор стоит не между финансированием ускорителя и расходованием 22 миллиардов долларов на стратегические гранты на перспективные научные исследования, которые улучшают как наше понимание Вселенной, так и нашу повседневную жизнь. Если вы не ожидаете увеличения финансирования в каких-либо других важных областях, если мы откажемся от ускорителя, то анализ затрат и выгод на ускорителе немного упускает суть.
Итак, стоит ли его строить?
Хоссенфельдер относится к числу тех, кто более решительно настроен против коллайдера, но поразительная особенность ее серии постов в блоге против него состоит в том, что ее в первую очередь беспокоит то, что она считает нечестной попыткой заставить аргументы в пользу коллайдера звучать сильнее, чем они есть на самом деле. . Она утверждает, что пресс-релизы CERN преувеличивают, сколько новой науки мы узнаем из нового коллайдера, зная, что общественность недостаточно знает, чтобы оценить эти утверждения.
В отчетах о проектировании ЦЕРН упоминается несколько оставшихся загадок физики – например, темная материя, массы нейтрино и почему материи больше, чем антивещества.Но это загадки, которые ускоритель вряд ли разрешит. Хоссенфельдер пишет:
В сопутствующем видео также неопределенно говорится о «больших вопросах», что-то связанное с 95% Вселенной (имея в виду темную материю и темную энергию), и создается впечатление, что более крупный коллайдер может рассказать нам что-то интересное об этом.
Верно, что стандартная модель требует расширения, но нет причин, по которым новые физические эффекты, такие как частицы, составляющие темную материю, должны быть доступны на следующем более крупном коллайдере.Действительно, самые надежные в настоящее время предсказания ставят любую новую физику при энергиях на 14 порядков выше, что вне досягаемости любого коллайдера, который мы сможем построить в ближайшие столетия.
Другими словами, самая большая жалоба Хоссенфельдера заключается не только в том, что коллайдер, скорее всего, не даст ничего нового. Дело в том, что она думает, что ЦЕРН скрывает это. (Арно Марсолье, глава отдела по связям со СМИ в ЦЕРНе, ответил на ее опасения в электронном письме, адресованном мне, утверждая, что это разумные загадки, которые следует осветить при обосновании будущего кругового коллайдера: «Ясно, что нет фундаментального проекта – большого или малого – может обещать важное открытие, но прогресс также достигается благодаря настойчивости, и если мы прекратим исследования, мы, возможно, никогда не узнаем, что такое темная материя или почему материя преобладает над антивеществом.”)
Хоссенфельдер – не единственный, кто обеспокоен тем, что разговор о коллайдерах частиц не зависит от четкого представления о достоинствах. «Если вы поговорите с людьми о том, как это на самом деле решается, это не имеет ничего общего с серьезным анализом затрат и выгод», – сказала Джесс Ридель, исследователь из Института теоретической физики Периметра.
Я чувствую, что нам нужен кто-то вроде Уилсона, который открыто заявил Конгрессу, что ускоритель, о котором мечтали он и другие исследователи, не будет иметь никаких защитных приложений, никаких приложений безопасности, никаких преимуществ перед русскими.Тогда мы сможем решить, нужен ли нам ускоритель элементарных частиц только потому, что ради него самого, вместо того, чтобы продавать его публике с преувеличением того, что он позволит нам понять.
Подпишитесь на рассылку Future Perfect. Дважды в неделю вы будете получать сводку идей и решений для решения наших самых больших проблем: улучшения здоровья населения, уменьшения страданий людей и животных, снижения катастрофических рисков и, проще говоря, улучшения в доброй воле.
Мнение | Неопределенное будущее физики элементарных частиц
Большой адронный коллайдер – крупнейший в мире ускоритель элементарных частиц. Это подземное кольцо длиной 16 миль, расположенное в ЦЕРНе в Женеве, в котором протоны сталкиваются почти со скоростью света. При цене в 5 миллиардов долларов и ежегодных эксплуатационных расходах в 1 миллиард долларов L.H.C. это самый дорогой инструмент из когда-либо созданных, и это несмотря на то, что он повторно использует туннель более раннего коллайдера.
L.H.C. собирает данные с сентября 2008 года.В прошлом месяце завершился второй экспериментальный запуск, и коллайдер будет остановлен на следующие два года для плановых обновлений. С L.H.C. в перерыве физики элементарных частиц уже строят планы построить коллайдер еще большего размера. На прошлой неделе ЦЕРН обнародовал планы по созданию ускорителя, который будет больше и мощнее, чем L.H.C. – и будет стоить более 10 миллиардов долларов.
Раньше я был физиком элементарных частиц. Для моей докторской степени. диссертацию, я сделал L.H.C. предсказания, и, хотя я перестал работать в этой области, я все еще считаю, что столкновение частиц друг с другом является наиболее многообещающим путем к пониманию того, из чего состоит материя и как она скрепляется.Но 10 миллиардов долларов – это изрядная цена. И я не уверен, что оно того стоит.
В 2012 году эксперименты в L.H.C. подтвердил открытие бозона Хиггса – предсказание, сделанное еще в 1960-х годах – и остается единственным открытием, сделанным в L.H.C. Физики элементарных частиц сразу же подчеркивают, что они узнали другие вещи: например, теперь они лучше знают структуру протона и увидели новые (хотя и нестабильные) композитные частицы. Но давайте будем честными: это разочаровывает.
Перед L.H.C. Когда началась работа, у физиков элементарных частиц были более захватывающие предсказания, чем это. Они думали, что рядом с энергией, при которой может образоваться бозон Хиггса, появятся и другие новые частицы. Они также думали, что L.H.C. увидит доказательства новых измерений космоса. Они также надеялись, что этот гигантский коллайдер даст ключ к разгадке природы темной материи (которая, по мнению астрофизиков, составляет 85 процентов материи во Вселенной), или об объединенной силе.
Истории о новых частицах, темной материи и дополнительных измерениях повторялись в бесчисленных СМИ еще до запуска L.H.C. пока несколько лет назад. Что случилось с этими предсказаниями? Простой ответ таков: эти прогнозы были ошибочными – теперь это ясно.
Проблема в том, что «предсказание» в физике элементарных частиц сегодня – это не более чем предположения. (Если вам интересно, да, именно поэтому я покинул эту область.) За последние 30 лет физики элементарных частиц создали тысячи теорий, математику которых они могут разработать, чтобы «предсказывать» практически все.Например, в 2015 году, когда статистические колебания L.H.C. данные выглядели так, как будто это могла быть новая частица, физики выпустили более 500 статей за восемь месяцев, чтобы объяснить то, что позже оказалось просто шумом. То же самое происходило много раз с аналогичными колебаниями, демонстрируя, насколько бесполезны эти прогнозы.
На сегодняшний день у физиков элементарных частиц нет надежного предсказания, что должно быть что-то новое, что можно найти до примерно 15 порядков величины выше доступных в настоящее время энергий.И единственное надежное предсказание, которое у них было для L.H.C. был бозоном Хиггса. К сожалению, физики элементарных частиц не очень открыли эту информацию. В прошлом году Найджел Локьер, директор Fermilab, сказал BBC: «Из простого вычисления массы Хиггса должна быть новая наука». Этот «простой расчет» и предсказал, что L.H.C. уже должен был увидеть новую науку.
Недавно я наткнулся на рекламный ролик будущего кругового коллайдера, который физики предложили построить в ЦЕРНе.Это видео, размещенное на веб-сайте ЦЕРН, рекламирует планируемую машину как испытание на темную материю и как исследование происхождения Вселенной. Это крайне вводит в заблуждение: да, вполне возможно, что новый коллайдер обнаружит частицу, составляющую темную материю, но нет особых причин полагать, что это произойдет. И такая машина ничего нам не расскажет о происхождении Вселенной. Паола Катапано, руководитель отдела аудиовизуальной продукции в ЦЕРНе, сообщила мне, что это видео «явно адресовано политикам, а не коллегам-физикам, и в нем используются те же аргументы, что и те, которые использовались для продвижения фильма Л.H.C. в 90-е ».
Но большие научные эксперименты – это инвестиции в наше будущее. Решения о финансировании должны основываться на фактах, а не на блестящей рекламе. Для этого нам нужно знать, когда прогноз – это просто предположение. И если у физиков элементарных частиц есть только предположения, возможно, нам следует подождать, пока у них не появятся более веские причины, почему более крупный коллайдер может найти что-то новое.
Верно, что некоторые технологические разработки, такие как сильные магниты, получают выгоду от этих коллайдеров частиц, и что физика элементарных частиц вносит положительный вклад в научное образование в целом.Это достойные инвестиции, но если это то, на что вы хотите потратить деньги, вам также не нужно рыть туннель.
Есть и другие возможности для развития. Например, следует продолжить изучение астрофизических наблюдений, указывающих на темную материю; Лучшее понимание этих наблюдений поможет нам сделать более надежные прогнозы о том, может ли более крупный коллайдер производить частицу темной материи – если даже – это частиц.
Есть также эксперименты среднего масштаба, которые, как правило, не актуальны, потому что гигантские проекты съедают деньги.Один из важных проектов среднего масштаба – это интерфейс между квантовым миром и гравитацией, который теперь доступен для экспериментального тестирования. Еще одно место, где могут ждать открытия, – это основы квантовой механики. Это может иметь серьезные технологические последствия.
Теперь, когда L.H.C. модернизируется, и эксперименты по физике элементарных частиц на детекторе делают перерыв, пора физикам элементарных частиц сделать шаг назад и задуматься о состоянии поля. Пора им спросить, почему ни одно из обещанных ими захватывающих предсказаний не привело к открытиям.Деньги не решат эту проблему. И коллайдер частиц большего размера тоже.
Сабина Хоссенфельдер – научный сотрудник Франкфуртского института перспективных исследований и автор книги «Затерянные в математике: как красота сбивает с толку физику».
Следите за разделом мнения New York Times на Facebook , Twitter (@NYTopinion) и Instagram .
Новая физика на Большом адронном коллайдере? Ученые взволнованы, но еще рано утверждать
На прошлой неделе физики Большого адронного коллайдера в Швейцарии заявили, что , возможно, открыли совершенно новую силу природы.Или, если быть точным, они обнародовали «новые результаты, которые, в случае их подтверждения, дадут намек на нарушение Стандартной модели физики элементарных частиц».
Что это значит? И почему они придают такое большое значение, в то же время не претендуя на новое открытие?
Ответы лежат в том, как физики элементарных частиц думают о доказательствах и результатах, и в том, что будет означать обнаружение «нарушения Стандартной модели».
И что?
Стандартная модель, разработанная между 1950-ми и 1970-ми годами, оказалась чрезвычайно успешной в объяснении поведения субатомных частиц и трех из четырех известных нам фундаментальных сил.Физики из ЦЕРН считают, что они обнаружили ситуацию, которую Стандартная модель не может объяснить: если модель предсказывает, что частица, называемая красивым кварком, должна распадаться на другие частицы, называемые мюонами и электронами, примерно с той же скоростью, похоже, что на самом деле это распадается на электроны чаще, чем мюоны.
Прочитайте больше: Доказательства новой физики в Церне? Почему мы с осторожным оптимизмом смотрим на наши новые открытия
Это захватывающе, потому что мы уже знаем, что Стандартная модель не раскрывает всей истории того, что происходит во Вселенной.Он очень хорошо рассказывает нам о материи и энергии. Но он не описывает так называемую темную материю и темную энергию, которые, по мнению ученых, должны существовать для объяснения крупномасштабного поведения звезд и галактик.
Стандартную модель также чрезвычайно трудно согласовать с нашим лучшим объяснением гравитации, общей теорией относительности Эйнштейна. Стандартная модель – это в лучшем случае шаг на пути к полной теории всего.
Распад красивого мезона с участием электрона и позитрона, наблюдаемый в эксперименте LHCb.ЦЕРНЧтобы выйти за рамки Стандартной модели, нам нужны новые эмпирические данные. Что нам действительно нужно, так это доказательства, показывающие, что некоторые предсказания Стандартной модели неверны, но не предсказания, столь важные для теории, которые нам нужно строить заново с нуля.
Вот почему так интересен распад прекрасных кварков. Неожиданное поведение указывает на область, в которой теория может быть изменена без необходимости начинать с нуля.
Сигмы и p-значения
Причина, по которой ученые осторожно относятся к результату, заключается в том, что это так называемое открытие трех сигм.
Для пояснения представим, что вы ищете фей в глубине своего сада. Вы начинаете с предположения, что фей нет – это называется вашей нулевой гипотезой .
Затем вы собираете несколько наблюдений, чтобы опровергнуть эту гипотезу. Проанализировав свои данные, вы обнаружите, что с вероятностью 90% , если бы не было фей в саду, вы бы сделали наблюдения, подобные тем, которые вы на самом деле сделали.
Прочитайте больше: Объяснитель: что такое элементарные частицы?
Это дает вам так называемое значение p .Вероятность 90% наблюдения данных, которые вы на самом деле наблюдали, если ваша нулевая гипотеза была верна, равна p-значению 0,9.
По сути, вы обнаружили, что у вас нет веских причин, чтобы отвергать предположение, что ваш сад свободен от фей. Это , а не , то же самое, что найти причину, по которой ваша нулевая гипотеза верна.
Значение p – это вероятность свидетельства с учетом вашей нулевой гипотезы, которая отличается от вероятности того, что нулевая гипотеза верна с учетом ваших свидетельств.(Если это кажется странным, примите во внимание, что вероятность того, что кто-то забавный, учитывая, что он отец, равна , а не , как вероятность того, что кто-то является вашим отцом, учитывая, что он забавный).
Значения сигмы, такие как результат «3-сигма», соответствуют p-значениям. На LHC нулевая гипотеза – это утверждение, что Стандартная модель верна, а наблюдения касаются взаимодействий частиц.
Результат 3-сигма означает, что существует примерно 1 из 1000 вероятностей, что наблюдения, по крайней мере, столь же экстремальные, как собранные, будут иметь место, с учетом Стандартной модели.Это значительно лучше, чем ваши поиски фей, и, похоже, ставит под сомнение Стандартную модель.
Почему так осторожно?
Физики обычно не открывают шампанское, пока не получат результат 5-сигма .
Результат 5 сигм говорит о том, что вероятность вашего наблюдения составила бы менее одного случая из миллиона, если бы Стандартная модель была правильной. Это все равно, что бродить по саду и болтать с маленьким существом с крыльями: ваша гипотеза «никаких фей» начинает выглядеть довольно шаткой.
Почему физики ищут событие 5 сигм? Причин несколько. Первый – исторический: их уже ужалили. В 2011 году физики заявили, что измерили нейтрино, летящие со скоростью, превышающей скорость света. Это измерение превысило 3 сигма, но оказалось, что это произошло из-за неисправного кабеля.
Физик Томмазо Дориго ведет дневник измеренных событий, которые достигли или превзошли значимость трех сигм. Он отмечает 6 предыдущих исков, которые позже были отозваны.
Еще одна причина для осторожности – проблема множественных сравнений. Если вы проведете достаточно тестов, вы обязательно увидите что-то странное.
Предположим, вы подбрасываете монету 100 раз и получаете 50 орлов и 50 решек. Теперь предположим, что вы повторяете эксперимент 100 раз (всего подбрасываете монету 10 000 раз).
Прочитайте больше: Объяснитель: как работает эксперимент на Большом адронном коллайдере?
В некоторых вариантах эксперимента вы можете увидеть 20 орлов и 80 решек.В некоторых вы видите 10 орлов и 90 решек. Оба распределения маловероятны, если предположить, что монета справедливая.
У вас есть доказательства того, что монета несправедлива? Вроде сомнительно. Иногда даже честная монета дает неоднозначные результаты.
LHC похож на машину для подбрасывания монеты. Здесь постоянно проводятся эксперименты. Чтобы исправить это, физики требуют очень высокого стандарта 5 сигм. Результат 3-сигма заслуживает внимания, но еще не «открытие».
Наконец, есть пословица, что экстраординарные утверждения требуют неординарных доказательств.Стандартная модель очень хорошо подтверждена. Потребуется чрезвычайно яркое наблюдение (например, наблюдение за событием, которое было бы очень маловероятным, если бы стандартная модель была верной), чтобы снизить доверие к модели.
Что дальше?
LHC – чрезвычайно сложный эксперимент, и есть много вещей, которые могут пойти не так. Это затрудняет контроль систематических ошибок.
Так что даже достижения уровня 5 сигм может быть недостаточно для подтверждения нового открытия.Действительно, три из шести отозванных результатов, задокументированных Дориго, достигли еще более высокого уровня 6-сигма .
Чтобы подтвердить открытие, в идеале результаты должны быть воспроизведены с использованием другой экспериментальной установки (такой, которая не подвергается риску повторения тех же ошибок), предпочтительно более одного раза. Вот почему физики из ЦЕРНа надеются, что их результаты будут воспроизведены в эксперименте Belle в Японии.
Таким образом, заявление ЦЕРН может показаться несколько преждевременным.Но дневник Дориго дает повод для оптимизма. Он указывает, что все отозванные результаты экспериментов с ускорителями частиц достигли уровней значимости, которые являются четными числами (4 или 6-сигма), в то время как подлинные открытия достигли уровней, которые являются нечетными числами (3 или 5-сигма).
Дориго предлагает очень серьезно отнестись к наблюдениям с нечетными сигма-значениями. Он шутит. Но за шуткой стоит социологическое наблюдение: физики не склонны публиковать результаты трех сигм, если они не уверены, что они приведут к открытию.Физики в ЦЕРНе явно верят, что они что-то поняли, и мы должны тоже.
За 10 лет Большой адронный коллайдер произвел фурор – впереди еще много открытий
Еще в 2008 году пучок протонов впервые пронесся вокруг Большого адронного коллайдера (БАК), самого мощного ускорителя частиц в мире. Теперь, десять лет спустя, пришло время подвести итоги того, что мы узнали благодаря этому объекту и что нас ждет впереди.
Этот отчет включает в себя как будущие исследования, которые может проводить LHC, так и возможные новые объекты, которые могут сталкивать частицы с энергиями, намного превышающими те, которые могут быть достигнуты с помощью LHC.Было предложено две, а может быть, три возможных замены LHC. Итак, давайте рассмотрим, где мы находимся и куда пришли за последнее десятилетие.
История LHC одновременно захватывающая и бурная, с событиями, варьирующимися от катастрофического повреждения огромных магнитов инструмента в первые дни работы до фениксоподобного восхождения после той трагедии, за которым последовали серьезные и захватывающие открытия, в том числе открытие бозона Хиггса. Эта находка принесла Питеру Хиггсу и Франсуа Энглеру Нобелевскую премию, как они и предсказывали частицы более полувека назад.Для мира необычно пристально следить за новостями физики элементарных частиц, но объявление об открытии Хиггса привело к появлению информационных выпусков по всему миру. [5 неуловимых частиц за пределами Хиггса]
В поисках новой физики
Физики тоже сидели на краю, ожидая, как они надеялись, неожиданных открытий. В течение почти полувека ученые разработали текущее теоретическое понимание поведения субатомной материи. Такое понимание называется Стандартной моделью физики элементарных частиц.
Модель объясняет наблюдаемое поведение молекул и атомов обычного вещества и даже самых маленьких известных строительных блоков, которые когда-либо наблюдались. Эти частицы называются кварками и лептонами, причем кварки находятся внутри протонов и нейтронов, составляющих ядро атома, а электроны являются наиболее знакомым лептоном. Стандартная модель также объясняет поведение всех известных сил, кроме силы тяжести. Это действительно выдающееся научное достижение.
Однако Стандартная модель не объясняет всего в теоретической физике.Это не объясняет, почему кварки и лептоны существуют в трех различных, но почти идентичных конфигурациях, называемых поколениями. (Почему три? Почему не два? Или четыре? Или один? Или 20?) Эта модель не объясняет, почему наша Вселенная полностью состоит из материи, тогда как простейшее понимание теории относительности Альберта Эйнштейна гласит, что Вселенная также должна содержать равное количество антивещества.
Стандартная модель не объясняет, почему исследования космоса предполагают, что обычная материя атомов составляет всего 5 процентов материи и энергии Вселенной.Остальное, как полагают, состоит из темной материи и темной энергии. Темная материя – это форма материи, которая испытывает только гравитацию и ни одну из других фундаментальных сил, в то время как темная энергия – это форма отталкивающей гравитации, которая пронизывает космос. [18 величайших неразгаданных тайн физики]
До первых операций с LHC физики вроде меня надеялись, что уничтожитель атомов поможет нам ответить на эти загадочные вопросы. Наиболее часто цитируемая теория кандидатов для объяснения этих загадок называлась суперсимметрией.Это предполагает, что все известные субатомные частицы имеют двойные частицы-суперпартнеры. Они, в свою очередь, могут дать объяснение темной материи и ответить на некоторые другие вопросы. Однако физики не наблюдали суперсимметрии. Более того, данные LHC исключили простейшие теории, основанные на суперсимметрии. Итак, чего удалось достичь с помощью LHC?
LHC сделал много
Что ж, помимо всей этой истории с бозоном Хиггса, LHC предоставил данные своим четырем крупным экспериментальным коллаборациям, результатом которых стало более 2000 научных работ.Внутри LHC частицы сталкивались друг с другом с энергиями в 6,5 раз выше, чем у Fermilab Tevatron, который на протяжении четверти века считался самым мощным ускорителем элементарных частиц в мире, пока LHC не получил эту корону.
Самый большой в мире разрушитель атомов, Большой адронный коллайдер, образует кольцо длиной 17 миль (27 километров) под французско-швейцарской границей. (Изображение предоставлено Максимилианом Брайсом / ЦЕРН)
Эти испытания Стандартной модели были очень важны.Любое из этих измерений могло не соответствовать предсказаниям, что привело бы к открытию. Однако оказывается, что Стандартная модель – очень хорошая теория, и она сделала такие же точные предсказания для энергий столкновения LHC, как и для уровней энергии в более раннем Тэватроне.
Итак, это проблема? В самом прямом смысле этого слова нет. В конце концов, наука – это не только проверка и отклонение неправильных новых идей, но и подтверждение правильных.
С другой стороны, нельзя отрицать, что ученые были бы гораздо более взволнованы, обнаружив явления, которые ранее не были предсказаны.Открытия такого типа стимулируют человеческие знания, кульминацией которых является переписывание учебников.
История LHC не окончена
Итак, что теперь? БАК закончил рассказывать нам свою историю? Едва. Действительно, исследователи с нетерпением ждут усовершенствований оборудования, которые помогут им изучать вопросы, которые они не могут решить с помощью современных технологий. БАК был закрыт в начале декабря 2018 года на два года ремонта и модернизации. Когда ускоритель возобновит работу весной 2021 года, он вернется с небольшим увеличением энергии, но удвоит количество столкновений в секунду.Принимая во внимание будущие запланированные обновления, ученые LHC на данный момент зарегистрировали только 3 процента от ожидаемых данных. Хотя на то, чтобы проанализировать все результаты, потребуется много лет, текущий план состоит в том, чтобы записать примерно в 30 раз больше данных, чем было получено на сегодняшний день. С таким большим количеством данных LHC все еще есть что рассказать.
Тем не менее, хотя LHC будет работать, вероятно, еще 20 лет, вполне разумно также спросить: «Что дальше?» Физики элементарных частиц думают о создании следующего ускорителя частиц, который заменит LHC.Следуя традиции LHC, одна из возможностей могла бы столкнуть пучки протонов вместе с ошеломляющими энергиями – 100 триллионов электрон-вольт (ТэВ), что намного больше, чем максимальная мощность LHC в 14 ТэВ. Но для достижения этих энергий потребуются две вещи: во-первых, нам нужно будет создать магниты, которые в два раза мощнее тех, которые толкают частицы вокруг LHC. Это считается сложным, но достижимым. Во-вторых, нам понадобится еще один туннель, очень похожий на LHC, но более чем в три раза больше по периметру, с приблизительной окружностью 61 мили (100 километров), что примерно в четыре раза больше, чем у LHC.
Но где будет построен этот большой туннель и как он будет выглядеть на самом деле? Какие лучи столкнутся и с какой энергией? Что ж, это хорошие вопросы. Мы еще недостаточно продвинулись в процессе проектирования и принятия решений, чтобы получить ответы, но есть две очень большие и опытные группы физиков, которые думают над проблемами, и каждая из них выдвинула предложение о новом ускорителе. Одно из предложений, в значительной степени выдвинутое европейскими исследовательскими группами, предполагает создание большого дополнительного ускорителя, скорее всего, расположенного в лаборатории ЦЕРН недалеко от Женевы.
Согласно одной идее, там установка столкнет пучок электронов и электронов антивещества. Из-за различий между ускоряющими протонами и электронами – электронный пучок теряет больше энергии вокруг круговой структуры, чем протонный пучок – этот пучок будет использовать туннель длиной 61 милю, но работает с меньшей энергией, чем если бы это были протоны. Другое предложение – использовать тот же ускоритель длиной 61 милю для столкновения пучков протонов. Более скромное предложение могло бы повторно использовать нынешний туннель LHC, но с более мощными магнитами.Этот вариант только удвоит энергию столкновения по сравнению с тем, что может сделать LHC сейчас, но это менее дорогая альтернатива. [Изображение: Внутри ведущих физических лабораторий мира] Другое предложение, в значительной степени поддержанное китайскими исследователями, предполагает создание совершенно нового объекта, предположительно построенного в Китае. Этот ускоритель также будет около 61 мили вокруг, и он будет сталкивать электроны и электроны антивещества вместе, прежде чем переключиться на протон-протонные столкновения примерно в 2040 году.
Эти два потенциальных проекта все еще находятся в стадии обсуждения.В конце концов, ученым, вносящим эти предложения, придется найти правительство или группу правительств, готовых оплатить счет. Но прежде чем это произойдет, ученым необходимо определить возможности и технологии, необходимые для создания этих новых объектов. Обе группы недавно выпустили обширную и подробную документацию по своим проектам. Этого недостаточно для строительства предлагаемых ими объектов, но этого достаточно, чтобы сравнить прогнозируемые характеристики будущих лабораторий и начать составлять надежные прогнозы затрат.
Изучение границ знаний – трудное дело, и может пройти много десятилетий от первых мечтаний о строительстве объекта такого масштаба, от операций до закрытия объекта. Когда мы отмечаем 10-летнюю годовщину первого луча на LHC, стоит подвести итоги того, чего удалось достичь на установке и что принесет будущее. Мне кажется, что следующее поколение ученых будет изучать интересные данные. А может быть, может быть, мы узнаем еще несколько увлекательных секретов природы.
Первоначально опубликовано на Live Science .
Дон Линкольн – физик-исследователь в Fermilab . Он является автором книги « Большой адронный коллайдер: необычная история о бозоне Хиггса и других материалах, которые поразят вас » (Johns Hopkins University Press, 2014), а также выпускает серию научно-образовательных работ видео . Следуйте за ним на Facebook .Мнения, выраженные в этом комментарии, принадлежат ему.
Дон Линкольн написал эту статью для журнала Live Science Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Физики ускоряют планы по созданию нового Большого адронного коллайдера втрое большего размера
Более 500 ученых собрались в Берлине, Германия, с 29 мая по 2 июня, чтобы обсудить будущее физики элементарных частиц. Мероприятие было организовано Международным сотрудничеством физиков Future Circular Collider (FCC) Study и сосредоточено на разработке следующего Большого адронного коллайдера (LHC), который будет в семь раз мощнее.
Размещенный в CERN, Европейской организации ядерных исследований, LHC находится на переднем крае исследований частиц и ускоряет пучки частиц высокой энергии вокруг 27-километрового туннеля с петлей. Он сталкивает эти частицы, высвобождая экстремальные уровни энергии, и при этом стремится раскрыть неуловимые строительные блоки Вселенной.
В 2012 году БАК подтвердил существование бозона Хиггса – последней невидимой элементарной частицы в Стандартной модели физики, придающей массу всей материи в нашей Вселенной.Но открытие бозона Хиггса оставило у физиков больше вопросов, чем ответов.
EuroCirCol, четырехлетнее исследование, финансируемое Европой, в настоящее время изучает будущие эксперименты и технологии, необходимые для их достижения. Проект закладывает основу для ускорителя частиц, в три раза большего, чем LHC, с магнитами двойной силы, позволяющими исследователям разбивать пучки частиц вместе с мощностью до 100 тераэлектронвольт – ускорение частиц примерно эквивалентно 10 миллионам молний. удары.
«Когда вы смотрите на такие вещи, как движение галактик, мы видим, что можем понять и объяснить только около 5% того, что мы наблюдаем».
Профессор Майкл Бенедикт, ЦЕРН, Швейцария
По словам профессора Майкла Бенедикта , лидер FCC, этот скачок энергии может позволить нам обнаружить ранее не наблюдаемые частицы, даже более тяжелые, чем бозон Хиггса, что даст более глубокое понимание законов, управляющих Вселенной.
«Когда вы смотрите на такие вещи, как движение галактик, мы видим, что можем понять и объяснить только около 5% того, что мы наблюдаем», – говорит проф.Бенедикт, который также является координатором проекта EuroCirCol.
‘Но с такими вопросами, как так называемая проблема темной материи, которая связана с тем фактом, что галактики и звезды движутся не так, как вы ожидали бы, единственное объяснение, которое у нас есть, состоит в том, что должна быть материя, которую мы не посмотрите, что соответственно искажает движение ».
Возникает еще один вопрос: зачем нужен новый коллайдер, когда строительство LHC, крупнейшего научного объекта в мире, было завершено только в 2008 году и стоило около 4 миллиардов евро.
Для начала, LHC не сидит без дела. Он ищет новые частицы и особенности физики до середины 2020-х годов, после чего его следует модернизировать на десять лет, увеличив частоту столкновений частиц.
И тот факт, что на создание LHC официально ушло почти 30 лет, от первоначального планирования до щелчка переключателя, означает, что исследователи уже должны начать строить планы его преемника.
Профессор Карстен П. Велш, глава факультета физики Ливерпульского университета, говорит, что человечество, желающее понять основные принципы природы, не является единственной движущей силой такой науки.
«Красота физики в том, что у нас есть эти два направления», – сказал профессор Велш, который также является координатором по связям с общественностью EuroCirCol. «С одной стороны, он задает эти очень фундаментальные вопросы, но, с другой стороны, он не забывает, что почти всегда существует прямая связь с приложениями, которые приносят немедленную пользу обществу».
Тим Бернерс-Ли, британский ученый из ЦЕРН, изобрел Всемирную паутину в 1989 году, но LHC также привел к другим открытиям, таким как адронная терапия для лечения рака и достижения в области медицинской визуализации.По словам профессора Велша, следующий LHC может привести к созданию более радиационно-стойких материалов, которые могут нести большую мощность, что применимо к будущим ядерным реакторам и энергосетям.
«Точно так же сильнопольные магниты найдут прямое применение в больницах, где такие технологии, как МРТ, могут улучшить разрешение за счет увеличения напряженности магнитного поля».
Физика будущего
Проф. Бенедикт уверен в концепции конструкции ускорителя. «приведет к желаемым и нужным нам характеристикам».Прототип усовершенствованной вакуумной системы с криогенным пучком, необходимой для FCC, уже проходит испытания в Германии, но независимо от окончательной концепции, по словам профессора Бенедикта, 2018 г. определит технические требования и внесет вклад в исследование FCC, чтобы начать подготовку.
Огромный подвиг по созданию следующего LHC потребует глобального сотрудничества, значительного финансирования и исследователей, которые все еще будут активны через 20 лет, к этому моменту профессор Велш рассчитывает, что он уйдет на пенсию.
Вот почему он говорит, что большая часть мероприятия FCC посвящена разъяснительной работе; соблазняйте школы и общественность протонным футболом, интерактивным туннелем LHC и ускорителями дополненной реальности.
Подпишитесь на нашу рассылку
Проф. Велш говорит, что последний позволяет любому создать свой собственный виртуальный ускоритель частиц с помощью приложения для смартфона, которое превращает бумажные кубики, напечатанные с QR-кодами, в высокотехнологичные компоненты.
«Я кладу бумажную коробку на стол, камера и приложение воспринимают ее как источник ионных частиц, лежащий на моем офисном столе – как в Pokémon Go – и здесь я вижу частицы, летающие по всему моему столу. Добавив вторую коробку, я могу увидеть, как магнит изгибает мои частицы и так далее.’
Он говорит, что такая пропаганда жизненно важна не только для привлечения следующих поколений к науке, но и для того, чтобы каждый мог подключиться к более специализированным исследованиям и получить от них удовольствие.
«У нас были семилетние дети, которые, когда их спрашивали, что они делают, рассказывали своим матерям, что они отклоняют заряженные частицы с помощью дипольных магнитов».
Если вам понравилась эта статья, поделитесь ею в социальных сетях.
Объяснение большого адронного коллайдера
Я хотел узнать больше о Большом адронном коллайдере (LHC) на века.Он такой большой и загадочный! Почему это там? Что это делает делать? Блестящий Большой Hadron Rap помог мне понять это немного больше.
Это видео с участием профессора Брайана Кокса хорошо помогает объясняя LHC тоже. К сожалению, рэпа нет!
Итак, LHC – самый крупный и сложный научный эксперимент когда-либо проводился. Очень впечатляет!
Большой адронный коллайдер.фото Джон Макнаб.
Но это еще не все …
БАК:
- 174 метра под землей
- Колоссальные 27 километров в окружности – такие большие, что они проходят под французско-швейцарской границей, недалеко от Женевы
- Наполнен 2000 гигантскими электромагнитами с температурой 1,9 Кельвина. Это холоднее, чем пространство между звездами!
Эксперимент ATLAS – часть
Большой адронный коллайдер.Фото Лоуренса
Национальная лаборатория Беркли.
Почему мы хотим знать о Большом взрыве?
Выявление условий, существовавших сразу после Большого Взрыв теперь может объяснить физику нашей Вселенной – почему именно наша Вселенная расширяется.