Спустя десятилетия ученым надоело постоянно говорить с трибуны, и они решили построить нечто, что прояснит ситуацию раз и навсегда. Именно поэтому была создана крупнейшая в мире экспериментальная установка — Большой адронный коллайдер (БАК).
Угроза для планеты или будущее физики: все о Большом адронном коллайдере
Большой адронный коллайдер — самый мощный ускоритель частиц в мире. Многие считают, что он способен уничтожить планету, создав черные дыры или опасную материю. Давайте посмотрим, возможно ли это и почему БАК действительно необходим.
В физике частиц существует важная аксиома — Стандартная модель. Это теория, которая описывает, как взаимодействуют друг с другом элементарные частицы нашего мира: кварки, бозоны, лептоны и барионы. Ученые заинтересованы в этой взаимосвязи, поскольку она может привести к появлению новых или очень редких элементов, которые были изучены мало или не изучены вовсе. Это, в свою очередь, позволит нам больше узнать о мире и его материи. Чтобы открыть новые частицы, необходимо провести эксперименты. Здесь ученым помогают ускорители. Эти машины воспроизводят процессы, происходящие в природе, то есть сталкивают заряженные частицы материи — протоны с протонами или электроны с позитронами. Затем собранные данные записываются и передаются в компьютер. Ученые имеют возможность детально изучить взаимодействие заряженных частиц: они могут обнаружить следы распадов мюонов, p- и k-мезонов и других событий, происходящих в коллайдере.
Анатолий Сидорин, заместитель начальника отдела ускорителей Лаборатории физики высоких энергий имени Векслера и Балдина в Дубне, один из ведущих экспертов по кольцевым ускорителям и коллайдерам: «Строительство Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе привело к закрытию многих небольших ускорительных лабораторий практически во всей Европе: в Голландии, в Швеции, во Франции. Первое, что ожидалось от Большого адронного коллайдера, — это открытие бозона Хиггса (элементарная частица с нулевым импульсом и нулевым зарядом, которая играет важную роль в Стандартной модели и существование которой было предсказано задолго до ее открытия — РБК Trends ). Но, конечно, не стоило строить его ради одной-единственной частицы. Самые большие надежды физиков были связаны с тем, что БАК обнаружит нечто неожиданное. Поэтому, помимо изучения механизма Хиггса, одной из задач был поиск крошечных черных дыр. К сожалению, они до сих пор не найдены.
- Поиск суперсимметрии, то есть подтверждение теории о том, что у каждой элементарной частицы Вселенной есть суперсимметричный партнер. Если БАК сможет доказать это явление, то подтвердится, что Стандартная модель — не единственная теория устройства элементарных частиц, а лишь часть большой системы микромира.
- Изучение топ-кварков — самых тяжелых элементарных частиц. Их свойства недостаточно изучены и потому интересны физикам.
- Изучение кварк-глюонной плазмы, которая возникает при столкновении ядер свинца. Исследование этого явления поможет ученым построить более совершенные теории сильных взаимодействий частиц.
Один из секторов туннеля, в котором находится БАК (Фото: wikimedia.org)
Как работает Большой адронный коллайдер
Большой адронный коллайдер — это кольцо ускорителя с окружностью 27 километров, оснащенное множеством установок, каждая из которых выполняет свою функцию. Кольцо ускорителя можно разделить на восемь секторов, через которые проходят пучки частиц.
Пучки частиц поступают в Большой адронный коллайдер из SPS, протонного суперколлайдера, где им придают форму, а затем направляют в специальную камеру БАК. Внутри ускорителя протоны начинают циркулировать в противоположных направлениях в двух вакуумных трубках. На своем пути они проходят через последовательные установки ускорительного кольца:
- Ускорительная секция. Протонные пучки впрыскиваются в БАК на энергии 0,45 ТэВ и ускоряются до 7 ТэВ уже внутри коллайдера. С каждым новым оборотом через ускорительную секцию протоны получают дополнительную энергию.
- Система сброса пучка. Эта установка останавливает и выводит из БАК протонный пучок, если он отклоняется от заданной траектории.
- Чистка пучка. По мере движения протонного пучка по вакуумной трубе некоторые его частицы могут отклониться. Система очистки пучка отсекает их, не задевая основную часть пучка.
- Детекторы. Основная задача этих установок — зафиксировать результат взаимодействия частиц и передать соответствующую информацию в цифровом виде в центр управления ЦЕРН.
Устройство БАК (на рисунке обозначено как LHC — Large Hadron Collider).
Анатолий Сидорин:
«Детектор — это огромное электронное устройство, сигналы которого могут быть использованы для мониторинга различных типов частиц, образующихся при столкновении пучков протонов, а также их параметров (энергия, направление движения и т.д.).
Все данные поступают в виде информационного потока — около 20 ГБ в секунду. Такой объем информации просто невозможно хранить, поэтому необходима дополнительная классификация. Из всей совокупности информации, поступающей от электроники детектора, выбираются только те сигналы, которые могут быть использованы для реконструкции событий — появления частиц.
После этого вся информация записывается на жесткий диск. Весь объем данных с Большого адронного коллайдера хранится в вычислительном центре ЦЕРН. Есть еще 12 подчиненных центров, которые хранят резервные копии этих данных, например, наш в Дубне. Таким образом, данные распространяются по всему миру.
Чтобы удержать пучки протонов внутри ускорителя, на них должно воздействовать магнитное поле. Большой адронный коллайдер имеет несколько тысяч мощных магнитов, которые выполняют эту задачу.
Один из вращающихся магнитов опускают на вал для установки на БАК (Фото: home.cern)
Кто обслуживает Большой адронный коллайдер
Вся система управления БАК находится в центре управления ЦЕРН. Постоянный персонал насчитывает около 1 500 человек: технический и научный персонал, обслуживающий ускорительный комплекс, персонал, занимающийся разработкой, ремонтом и модернизацией установки и т.д.
Еще одна категория сотрудников БАК — это выездные группы ученых, которые проводят эксперименты. Они приезжают на определенный период времени и изучают данные, полученные с помощью детектора. Кроме того, физики из других стран помогают контролировать работу БАК: они выходят на смену и следят за приборами и системами БАК.
«К коллайдеру!»
Что такое акселератор? С научной точки зрения, это ускоритель заряженных частиц, предназначенный для ускорения элементарных частиц с целью улучшения нашего понимания их взаимодействия. Говоря ненаучным языком, это большая арена (или песочница, если хотите), где ученые сражаются за подтверждение своих теорий.
Идея позволить элементарным частицам столкнуться и посмотреть, что произойдет, была впервые предложена американским физиком Дональдом Уильямом Керстом в 1956 году. Он предположил, что таким образом ученые смогут проникнуть в тайны Вселенной. Что плохого в столкновении двух пучков протонов с общей энергией, в миллион раз превышающей энергию термоядерного синтеза? Время было благоприятное: холодная война, гонка вооружений и так далее.
История создания БАК
Идея создания ускорителя для производства и исследования заряженных частиц возникла еще в начале 1920-х годов, но первые прототипы были построены только в начале 1930-х годов. Первоначально это были линейные высоковольтные ускорители, что означало, что заряженные частицы двигались по прямой линии. Кольцевой вариант был представлен в США в 1931 году, а затем подобные устройства появились во многих развитых странах — Великобритании, Швейцарии и СССР. Их назвали циклотронами и позже активно использовали для создания ядерного оружия.
Следует отметить, что стоимость строительства ускорителя частиц невероятно высока. Европа, которая не играла большой роли во время холодной войны, заказала Европейской организации ядерных исследований (часто называемой по-русски ЦЕРН), которая затем построила БАК.
ЦЕРН был основан в связи с опасениями всего мира по поводу ядерных исследований в США и СССР, которые могли привести к глобальному уничтожению. Поэтому ученые решили объединить свои усилия и направить их на мирные цели. В 1954 году был официально основан ЦЕРН.
В 1983 году под эгидой ЦЕРН были открыты W- и Z-бозоны, поэтому открытие бозонов Хиггса было лишь вопросом времени. В том же году началось строительство Большого электрон-позитронного коллайдера (LEPC), который сыграл ключевую роль в изучении открытых бозонов. Однако уже тогда было ясно, что мощность созданного устройства вскоре окажется недостаточной. Поэтому в 1984 году, сразу после демонтажа БЭПК, было принято решение о строительстве БАК. Это произошло в 2000 году.
Строительство БАК, начавшееся в 2001 году, облегчалось тем, что оно велось на месте бывшего БЭПК в долине Женевского озера. Из-за проблем с финансированием (в 1995 году стоимость оценивалась в 2,6 миллиарда швейцарских франков, в 2001 году она превысила 4,6 миллиарда, а в 2009 году составила 6 миллиардов долларов).
В настоящее время БАК находится в 26,7-километровом тоннеле, который проходит по территории двух европейских стран — Франции и Швейцарии. Глубина туннеля составляет от 50 до 175 метров. Стоит также отметить, что энергия столкновения протонов в ускорителе достигает 14 тераэлектронвольт, что в 20 раз выше, чем в БЭПК.
«Любопытство – не порок, но большое свинство»
Зачем нужен этот искусственный «двигатель разрушения»? Ученые надеются увидеть мир таким, каким он был вскоре после Большого взрыва — момента возникновения материи.
Цели, которые ученые поставили перед собой 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, которые ученые ставят перед БАК, но другие цели являются более относительными или чисто теоретическими.
Детекторы БАК
На БАК работают четыре основных и три вспомогательных детектора:
- ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
- ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)
- CMS (Compact Muon Solenoid)
- LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment)
- TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement)
- LHCf (The Large Hadron Collider forward)
- MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC).
ATLAS, CMS, ALICE, LHCb — большие детекторы, расположенные вокруг точек столкновения пучков. TOTEM и LHCf — вспомогательные детекторы, расположенные всего в нескольких десятках метров от точек столкновения пучков, занятых детекторами CMS и ATLAS, соответственно, и используются вместе с основными детекторами.
Детекторы ATLAS и CMS — детекторы общего назначения, предназначенные для поиска бозона Хиггса и «нетрадиционной физики», в частности, темной материи; ALICE — для изучения кварк-глюонной плазмы в столкновениях тяжелых ионов свинца; LHCb — для изучения физики кварка b, что позволит лучше понять разницу между материей и антиматерией; TOTEM предназначен для изучения рассеяния малоугловых частиц, таких как те, которые возникают при близких транзитах без столкновений (так называемые форвард-частицы), что позволит более точно измерять размеры протонов, а также контролировать светимость ускорителя; и, наконец, LHCf предназначен для изучения космических лучей, моделируемых с помощью тех же неколлидирующих частиц.
Также с БАК связан седьмой детектор (эксперимент), очень маленький по бюджету и сложности, детектор MoEDAL, который будет искать медленно движущиеся тяжелые частицы.
Во время работы ускорителя столкновения происходят одновременно на всех четырех пересечениях пучка, независимо от типа ускоряемых частиц (протоны или ядра). Таким образом, все детекторы собирают статистические данные одновременно.
Ускорение частиц в коллайдере
Скорость частиц во входящих пучках в БАК близка к скорости света в вакууме. Ускорение частиц до таких высоких энергий происходит в несколько этапов. На первом этапе протоны и ионы свинца вводятся в низкоэнергетические линейные ускорители Linac 2 и Linac 3 для дальнейшего ускорения. Затем частицы поступают в усилитель ПС, а затем в сам ПС (протонный синхротрон), где они достигают энергии 28 ГэВ. Благодаря этой энергии они уже движутся со скоростью, близкой к скорости света. Затем ускорение частиц продолжается в установке SPS (суперсинхротронный протон), где энергия частиц достигает 450 ГэВ. Затем пучок протонов направляется в главное кольцо длиной 26,7 км, увеличивая энергию протонов до максимальной энергии 7 ТэВ, а детекторы в точках столкновения регистрируют происходящие события. Два сталкивающихся пучка протонов при полном заряде могут содержать 2808 сгустков. На начальном этапе отладки процесса ускорения только один сгусток циркулирует в пучке длиной несколько сантиметров и малым поперечным сечением. Впоследствии количество тромбов начинает увеличиваться. Сгустки располагаются в фиксированных позициях относительно друг друга, синхронно двигаясь вдоль кольца. В определенной последовательности сгустки могут сталкиваться в четырех точках кольца, где расположены детекторы частиц.
Кинетическая энергия всех адронных кластеров в БАК, когда они полностью заряжены, сравнима с кинетической энергией самолета, хотя масса всех частиц меньше нанограмма и не видна невооруженным глазом. Эта энергия достигается за счет скорости частиц, которая близка к скорости света.
Глыбы проходят полный цикл ускорителя менее чем за 0,0001 секунды, совершая более 10 000 оборотов в секунду.
Цели и задачи БАК
Основная цель Большого адронного коллайдера — исследовать структуру нашего мира на расстояниях менее 10-19 м, используя частицы с энергией в несколько ТэВ. Пока есть много косвенных признаков того, что физики хотят открыть «новый уровень реальности» в этом масштабе, который даст ответы на многие вопросы фундаментальной физики. Как именно будет выглядеть этот уровень реальности, заранее неизвестно. Теоретики, конечно, уже предложили сотни различных явлений, которые можно было бы наблюдать при энергии столкновений в несколько ТэВ, но только эксперимент покажет, что действительно происходит в природе.
Поиск новой физики Стандартная модель не может рассматриваться как окончательная теория элементарных частиц. Она должна быть частью более глубокой теории о структуре микромира, наблюдаемой в экспериментах на ускорителях при энергиях ниже примерно 1 ТэВ. Такие теории объединяются под термином «Новая физика» или «За пределами Стандартной модели». Главная цель Большого адронного коллайдера — получить хотя бы первые подсказки к этой более глубокой теории. Существуют различные подходы к объединению фундаментальных взаимодействий в одну теорию: теория струн, развитая в М-теорию (теория мембран), теория супергравитации, квантовая петлевая гравитация и др. Некоторые из них чреваты проблемами, и ни для одного из них нет экспериментального подтверждения. Проблема заключается в том, что для проведения соответствующих экспериментов требуются энергии, которые не могут быть достигнуты в современных ускорителях заряженных частиц. БАК позволит проводить эксперименты, которые раньше были невозможны, и, возможно, подтвердит или опровергнет некоторые из этих теорий. Например, существует целый ряд физических теорий с более чем четырьмя измерениями, которые требуют существования «суперсимметрии» — например, теория струн, которую иногда называют теорией суперструн, поскольку без суперсимметрии она теряет свой физический смысл. Поэтому подтверждение существования суперсимметрии будет косвенным подтверждением истинности этих теорий. Исследование топ-кварков Топ-кварк — самый тяжелый кварк и, более того, самая тяжелая из открытых до сих пор элементарных частиц. Согласно последним результатам Теватрона, его масса составляет 173,1 ± 1,3 ГэВ/c 2. Из-за своей большой массы топ-кварк до сих пор наблюдался только в одном ускорителе — Теватроне, а в других ускорителях не хватало энергии для его получения. Более того, топ-кварки представляют интерес для физиков не только сами по себе, но и как «рабочий инструмент» для изучения бозона Хиггса. Одним из наиболее важных каналов рождения бозона Хиггса на БАК является случайное рождение вместе с топ-кварк-антикварковой парой. Чтобы надежно отделить такие события от фона, необходимо сначала изучить свойства самих топ-кварков. Исследование механизма электросимметрии Одна из главных целей проекта — экспериментально доказать существование бозона Хиггса, частицы, предсказанной шотландским физиком Питером Хиггсом в 1964 году в рамках Стандартной модели. Бозон Хиггса — это квант так называемого поля Хиггса, благодаря которому частицы испытывают притяжение, которое мы считаем коррекцией массы. Сам бозон нестабилен и имеет большую массу (более 120 ГэВ/c 2 ). На самом деле, физиков интересует не столько бозон Хиггса, сколько механизм Хиггса, который нарушает симметрию электрослабого взаимодействия. Ожидается, что изучение кварк-глюонной плазмы будет проводиться на ускорителе в режиме ядерных столкновений в течение примерно одного месяца в год. В течение этого месяца ускоритель будет разгонять ядра свинца, а не протоны, и сталкиваться с ними в детекторах. Когда два ядра сталкиваются неупруго при сверхрелятивистских скоростях, на короткое время образуется плотный и очень горячий объем ядерного материала, который затем рассеивается. Понимание происходящих явлений (переход материи в состояние кварк-глюонной плазмы и охлаждение) необходимо для разработки лучшей теории сильного взаимодействия, которая будет полезна как для ядерной физики, так и для астрофизики.
