Как выглядит адронный коллайдер. Открытия, сделанные в большом адронном коллайдере

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

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

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

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

Параллельно с этим, на коллайдере проводятся эксперименты по поиску:

— частиц вне «Стандартной модели»,

— магнитных монополей (частиц, обладающих магнитным полем),

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

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

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

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

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

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

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

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

Сроки повторного запуска БАКа из‑за выявления на нем новых неполадок уже несколько раз переносились . В частности, в середине июля 2009 года на коллайдере были обнаружены нарушения герметичности и утечки в системе охлаждения в секторах 8‑1 и 2‑3, из‑за чего запуск коллайдера был вновь отложен.

Как объявил ЦЕРН, пучки протонов вновь начнут циркулировать по 27‑километровому кольцу в середине ноября, а столкновения частиц начнутся несколько недель спустя.

Специалисты ЦЕРНа намерены сперва провести столкновения на энергии предыдущей ступени ускорителя ‑ 450 гигаэлектронвольт на пучок, и только затем доведут энергию до половины проектной ‑ до 3,5 тераэлектронвольт на пучок.

Однако физики отмечают, что и на этой энергии цель создания коллайдера ‑ обнаружение бозона Хиггса , частицы, отвечающей за массу всех других элементарных частиц, ‑ может быть достигнута.

БАК будет работать в этом режиме до конца 2010 года, после чего он будет остановлен для подготовки к переходу к энергии в 7 тераэлектронвольт на пучок.

В мае 2009 года в мировой прокат вышел приключенческий фильм "Ангелы и демоны" по мотивам одноименной книги Дэна Брауна.

ЦЕРН играет ключевую роль в сюжете этого произведения, и несколько эпизодов фильма были отсняты на территории ЦЕРНа. Поскольку в фильме присутствуют элементы вымысла, в том числе и при описании того, что и как изучается в ЦЕРНе, руководство ЦЕРНа сочло полезным предупредить те вопросы, которые неизбежно возникнут у многих зрителей фильма. С этой целью был запущен специальный вебсайт Angels and Demons ‑ the science behind the story. На нём в доступной форме рассказывается о тех физических явлениях, которые вплетены в сюжет фильма (прежде всего ‑ это получение, хранение и свойства антиматерии).

Развитие сюжета начинается с двух, казалось бы, не связанных между собой, но, тем не менее, ключевых для фильма событий: смерть действующего Папы Римского, и завершение экспериментов с Большим адронным коллайдером. В результате испытаний ученые получают антивещество, которое по силе действия может сравниться с самым мощным оружием. Тайное общество Иллюминатов решает воспользоваться этим изобретением в собственных целях - уничтожить Ватикан, центр мирового католицизма, который сейчас как раз остался без главы.

Материал подготовлен на основе информации РИА Новости и открытых источников

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Материал подготовлен на основе информации РИА Новости и открытых источников

Карта с нанесённым на неё расположением Коллайдера

Для дальнейшего объединения фундаментальных взаимодействий в одной теории используются различные подходы: теория струн , получившая своё развитие в М-теории (теории бран), теория супергравитации , петлевая квантовая гравитация и др. Некоторые из них имеют внутренние проблемы, и ни у одной из них нет экспериментального подтверждения. Проблема в том, что для проведения соответствующих экспериментов нужны энергии, недостижимые на современных ускорителях заряженных частиц.

БАК позволит провести эксперименты, которые ранее было невозможно провести и, вероятно, подтвердит или опровергнет часть этих теорий. Так, существует целый спектр физических теорий с размерностями больше четырёх, которые предполагают существование «суперсимметрии » - например, теория струн , которую иногда называют теорией суперструн именно из-за того, что без суперсимметрии она утрачивает физический смысл. Подтверждение существования суперсимметрии, таким образом, будет косвенным подтверждением истинности этих теорий.

Изучение топ-кварков

История строительства

27-километровый подземный туннель, предназначенный для размещения ускорителя LHC

Идея проекта Большого адронного коллайдера родилась в 1984 году и была официально одобрена десятью годами позже. Его строительство началось в 2001 году , после окончания работы предыдущего ускорителя - Большого электрон-позитронного коллайдера .

В ускорителе предполагается сталкивать протоны с суммарной энергией 14 ТэВ (то есть 14 тераэлектронвольт или 14·10 12 электронвольт) в системе центра масс налетающих частиц, а также ядра свинца с энергией 5,5 ГэВ (5,5·10 9 электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов . Таким образом, БАК будет самым высокоэнергичным ускорителем элементарных частиц в мире, на порядок превосходя по энергии своих ближайших конкурентов - протон-антипротонный коллайдер Тэватрон , который в настоящее время работает в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (США), и релятивистский коллайдер тяжёлых ионов RHIC, работающий в Брукхейвенской лаборатории (США).

Ускоритель расположен в том же туннеле, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер . Туннель с длиной окружности 26,7 км проложен на глубине около ста метров под землёй на территории Франции и Швейцарии . Для удержания и коррекции протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита , общая длина которых превышает 22 км. Последний из них был установлен в туннеле 27 ноября 2006 года . Магниты будут работать при температуре 1,9 K (−271 °C). Строительство специальной криогенной линии для охлаждения магнитов закончено 19 ноября 2006 года.

Испытания

Технические характеристики

Процесс ускорения частиц в коллайдере

Скорость частиц в БАК на встречных пучках близка к скорости света в вакууме . Разгон частиц до таких больших скоростей достигается в несколько этапов. На первом этапе низкоэнергетичные линейные ускорители Linac 2 и Linac 3 производят инжекцию протонов и ионов свинца для дальнейшего ускорения. Затем частицы попадают в PS-бустер и далее в сам PS (протонный синхротрон), приобретая энергию в 28 ГэВ. После этого ускорение частиц продолжается в SPS (протонный суперсинхротрон), где энергия частиц достигает 450 ГэВ. Затем пучок направляют в главное 26,7-километровое кольцо и в точках столкновения детекторы фиксируют происходящие события.

Потребление энергии

Во время работы коллайдера расчётное потребление энергии составит 180 МВт . Предположительные энергозатраты всего кантона Женева. Сам CERN не производит энергию, имея лишь резервные дизельные генераторы .

Распределённые вычисления

Для управления, хранения и обработки данных, которые будут поступать с ускорителя БАК и детекторов, создаётся распределённая вычислительная сеть LCG (англ. LHC Computing GRID ), использующая технологию грид . Для определённых вычислительных задач будет задействован проект распределённых вычислений LHC@home .

Неконтролируемые физические процессы

Некоторые специалисты и представители общественности высказывают опасения, что имеется отличная от нуля вероятность выхода проводимых в коллайдере экспериментов из-под контроля и развития цепной реакции, которая при определённых условиях теоретически может уничтожить всю планету. Точка зрения сторонников катастрофических сценариев, связанных с работой БАК, изложена на отдельном сайте. Из-за подобных настроений БАК иногда расшифровывают как Last Hadron Collider (Последний Адронный Коллайдер).

В этой связи наиболее часто упоминается теоретическая возможность появления в коллайдере микроскопических чёрных дыр , а также теоретическая возможность образования сгустков антиматерии и магнитных монополей с последующей цепной реакцией захвата окружающей материи.

Указанные теоретические возможности были рассмотрены специальной группой CERN, подготовившей соответствующий доклад, в котором все подобные опасения признаются необоснованными. Английский физик-теоретик Эдриан Кент опубликовал научную статью с критикой норм безопасности, принятых CERN, поскольку ожидаемый ущерб, то есть произведение вероятности события на число жертв, является, по его мнению, неприемлемым. Тем не менее, максимальная верхняя оценка вероятности катастрофического сценария на БАК составляет 10 -31 .

В качестве основных аргументов в пользу необоснованности катастрофических сценариев приводятся ссылки на то, что Земля , Луна и другие планеты постоянно бомбардируются потоками космических частиц с гораздо более высокими энергиями. Упоминается также успешная работа ранее введённых в строй ускорителей, включая релятивистский коллайдер тяжёлых ионов RHIC в Брукхейвене . Возможность образования микроскопических чёрных дыр не отрицается специалистами CERN, однако при этом заявляется, что в нашем трёхмерном пространстве такие объекты могут возникать только при энергиях, на 16 порядков больших энергии пучков в БАК. Гипотетически микроскопические чёрные дыры могут появляться в экспериментах на БАК в предсказаниях теорий с дополнительными пространственными измерениями. Такие теории пока не имеют каких-либо экспериментальных подтверждений. Однако, даже если чёрные дыры будут возникать при столкновении частиц в БАК, предполагается, что они будут чрезвычайно неустойчивыми вследствие излучения Хокинга и будут практически мгновенно испаряться в виде обычных частиц.

21 марта 2008 года в федеральный окружной суд штата Гавайи (США) был подан иск Уолтера Вагнера (англ. Walter L. Wagner ) и Луиса Санчо (англ. Luis Sancho ), в котором они, обвиняя CERN в попытке устроить конец света, требуют запретить запуск коллайдера до тех пор, пока не будет гарантирована его безопасность.

Сравнение с природными скоростями и энергиями

Ускоритель предназначен для сталкивания таких частиц, как адроны и атомарные ядра. Однако, существуют природные источники частиц, скорость и энергия которых значительно выше, чем в коллайдере (см.: Зэватрон). Такие природные частицы обнаруживают в космических лучах . Поверхность планеты Земля частично защищена от этих лучей, но, проходя через атмосферу, частицы космических лучей сталкиваются с атомами и молекулами воздуха. В результате этих природных столкновений в атмосфере Земли рождается множество стабильных и нестабильных частиц. В результате, на планете уже в течение многих миллионов лет присутствует естественный радиационный фон. То же самое (сталкивание элементарных частиц и атомов) будет происходить и в БАК, однако с меньшими скоростями и энергиями, и в гораздо меньшем количестве.

Микроскопические чёрные дыры

Если чёрные дыры могут возникать в ходе столкновения элементарных частиц, они также будут и распадаться на элементарные частицы, в соответствии с принципом CPT-инвариантности , являющимся одним из самых фундаментальных принципов квантовой механики.

Далее, если бы гипотеза существования стабильных чёрных микро-дыр была верна, то они бы образовывались в больших количествах в результате бомбардировки Земли космическими элементарными частицами. Но бо́льшая часть прилетающих из космоса высокоэнергетических элементарных частиц обладают электрическим зарядом, поэтому часть чёрных дыр были бы электрически заряжены. Эти заряженные чёрные дыры захватывались бы магнитным полем Земли и, будь они в самом деле опасны, давно разрушили бы Землю. Механизм Швиммера, делающий чёрные дыры электрически нейтральными, очень похож на эффект Хокинга и не может работать, если эффект Хокинга не работает.

К тому же, любые чёрные дыры, заряженные или электрически нейтральные, захватывались бы белыми карликами и нейтронными звёздами (которые, как и Земля, бомбардируются космическим излучением) и разрушали их. В результате время жизни белых карликов и нейтронных звёзд было бы гораздо короче, чем наблюдаемое в действительности. Кроме того, разрушаемые белые карлики и нейтронные звёзды испускали бы дополнительное излучение, которое в действительности не наблюдается.

Наконец, теории с дополнительными пространственными измерениями, предсказывающие возникновение микроскопических чёрных дыр, не противоречат экспериментальным данным, только если количество дополнительных измерений не меньше трёх. Но при таком количестве дополнительных измерений должны пройти миллиарды лет, прежде чем чёрная дыра причинит Земле сколько-нибудь существенный вред.

Страпельки

Противоположных взглядов придерживается доктор физико-математических наук из НИИ ядерной физики МГУ Эдуард Боос, отрицающий возникновение на БАК макроскопических чёрных дыр, а следовательно, «кротовых нор» и путешествий во времени .

Примечания

1. The ultimate guide to the LHC (англ.) P. 30.
2. LHC: ключевые факты . «Элементы большой науки». Проверено 15 сентября 2008.
3. Tevatron Electroweak Working Group, Top Subgroup
4. LHC synchronization test successful (англ.)
5. Второй тест системы инжекции прошёл с перебоями, но цели достиг . «Элементы большой науки» (24 августа 2008). Проверено 6 сентября 2008.
6. LHC milestone day gets off to fast start
7. First beam in the LHC - accelerating science .
8. Mission complete for LHC team . physicsworld.com. Проверено 12 сентября 2008.
9. На LHC запущен стабильно циркулирующий пучок . «Элементы большой науки» (12 сентября 2008). Проверено 12 сентября 2008.
10. Происшествие на Большом адронном коллайдере задерживает эксперименты на неопределённый срок . «Элементы большой науки» (19 сентября 2008). Проверено 21 сентября 2008.
11. Большой адронный коллайдер возобновит работу не раньше весны - ЦЕРН . РИА «Новости» (23 сентября 2008). Проверено 25 сентября 2008.
12. http://press.web.cern.ch/Press/PressReleases/Releases2008/PR14.08E.html
13. https://edms.cern.ch/file/973073/1/Report_on_080919_incident_at_LHC__2_.pdf
14. https://lhc2008.web.cern.ch/LHC2008/inauguration/index.html
15. Ремонт поврежденных магнитов будет более объемным, чем казалось ранее . «Элементы большой науки» (09 ноября 2008). Проверено 12 ноября 2008.
16. Расписание на 2009 год . «Элементы большой науки» (18 января 2009). Проверено 18 января 2009.
17. Пресс-релиз ЦЕРН
18. Утверждён план работы Большого адронного коллайдера на 2009-2010 годы . «Элементы большой науки» (6 февраля 2009). Проверено 5 апреля 2009.
19. The LHC experiments .
20. «Ящик Пандоры» открывается . Вести.ру (9 сентября 2008). Проверено 12 сентября 2008.
21. The Potential for Danger in Particle Collider Experiments (англ.)
22. Dimopoulos S., Landsberg G. Black Holes at the Large Hadron Collider (англ.) Phys. Rev. Lett. 87 (2001)
23. Blaizot J.-P. et al. Study of Potentially Dangerous Events During Heavy-Ion Collisions at the LHC.
24. Review of the Safety of LHC Collisions LHC Safety Assessment Group
25. Критический обзор рисков ускорителей . Проза.ру (23 мая 2008). Проверено 17 сентября 2008.
26. Какова вероятность катастрофы на LHC?
27. Судный день
28. Asking a Judge to Save the World, and Maybe a Whole Lot More (англ.)
29. Объяснение того, почему БАК будет безопасным (англ.)
30. http://environmental-impact.web.cern.ch/environmental-impact/Objects/LHCSafety/LSAGSummaryReport2008-es.pdf (исп.)
31. http://environmental-impact.web.cern.ch/environmental-impact/Objects/LHCSafety/LSAGSummaryReport2008-de.pdf (нем.)
32. http://environmental-impact.web.cern.ch/environmental-impact/Objects/LHCSafety/LSAGSummaryReport2008-fr.pdf (фр.)
33. H. Heiselberg. Screening in quark droplets // Physical Review D. - 1993. - Т. 48. - № 3. - С. 1418-1423. DOI :10.1103/PhysRevD.48.1418
34. M. Alford, K. Rajagopal, S. Reddy, A. Steiner. Stability of strange star crusts and strangelets // The American Physical Society. Physical Review D. - 2006. - Т. 73, 114016.

В этом вопросе (и ему подобных) любопытно появление слов «на самом деле» – как будто есть некая скрытая от непосвящённых суть, охраняемая «жрецами науки» от обывателей, тайна, которую нужно раскрыть. Однако при взгляде изнутри науки тайна исчезает и места этим словам нет – вопрос «зачем нужен адронный коллайдер» ничем принципиально не отличается от вопроса «зачем нужна линейка (или весы, или часы и т.д.)». То, что коллайдер – штука большая, дорогая и по любым меркам сложная – дела не меняет.

Наиболее близкой аналогией, позволяющей понять, «зачем это нужно», является, на мой взгляд, линза. Человечество знакомо со свойствами линз с незапамятных времён, однако только в середине прошлого тысячелетия было понято, что определённые комбинации линз могут быть использованы как приборы, позволяющие рассматривать очень маленькие либо очень далёкие объекты – речь идёт, конечно, о микроскопе и телескопе. Нет никаких сомнений, что вопрос, зачем всё это нужно, неоднократно задавался при появлении этих новых для современников конструкций. Однако он снялся с повестки дня сам собой, по мере того, как ширились области научного и прикладного применения и того, и другого устройства. Заметим, что, вообще говоря, это разные приборы – рассматривать звёзды в перевёрнутый микроскоп не получится. Большой адронный коллайдер же, парадоксальным образом, объединяет их в себе, и может с полным основанием рассматриваться как высшая достигнутая человечеством точка эволюции как микроскопов, так и телескопов за прошедшие века. Это утверждение может показаться странным, и, разумеется, его не следует понимать буквально – в ускорителе нет линз (по крайней мере, оптических). Но по сути дела это именно так. В своей «микроскопной» ипостаси коллайдер позволяет изучать структуру и свойства объектов на уровне 10-19 метров (напомню, что размер атома водорода – примерно 10-10 метра). Ещё интереснее обстоит дело в «телескопной» части. Каждый телескоп – самая настоящая машина времени, так как наблюдаемая в нём картина соответствует тому, каким был объект наблюдения в прошлом, а именно то время назад, которое необходимо электромагнитному излучению, чтобы дойти от этого объекта до наблюдателя. Это время может составлять восемь с небольшим минут в случае наблюдения Солнца с Земли и до миллиардов лет при наблюдении далёких квазаров. Внутри Большого адронного коллайдера создаются условия, которые существовали во Вселенной через ничтожную долю секунды после Большого взрыва. Таким образом, мы получаем возможность заглянуть в прошлое почти на 14 миллиардов лет, к самому началу нашего мира. Обычные земные и орбитальные телескопы (по крайней мере, те, которые регистрируют электромагнитное излучение), обретают «зрение» лишь после эры рекомбинации, когда Вселенная стала оптически прозрачной – это произошло по современным представлениям через 380 тысяч лет после Большого взрыва.

Дальше нам предстоит решать – что делать с этим знанием: как об устройстве материи на малых масштабах, так и об её свойствах при рождении Вселенной, и именно это в конечном итоге вернёт тайну, о которой шла речь в начале, и определит, зачем же коллайдер был нужен «на самом деле». Но это решение человека, коллайдер же, с помощью которого было получено это знание, останется всего лишь прибором – возможно, самой изощрённой системой «линз», которую когда-либо видел мир.