Электронный коллайдер что. Что такое большой адронный коллайдер

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

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

Краткое описание

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

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

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

Для чего нужен Адронный коллайдер?

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

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

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

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

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

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

Темная материя

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

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

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

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

Большой взрыв в микромасштабах

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

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

Необычные теории

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

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

Что такое коллайдер в цифрах?

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

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

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

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

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

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

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

Столкновение протонов

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

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

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

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

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

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

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

Детекторы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Обработка данных

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

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

Опасность для планеты?

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

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

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

Определение большого адронного коллайдера звучит так: БАК является ускорителем заряженных частиц, и создан он с целью разгона тяжелых ионов и протонов свинца, и исследования тех процессов, которые происходят при их столкновении. Но зачем это нужно? Таит ли в себе это какую-то опасность? В этой статье мы и будем отвечать на эти вопросы, и попробуем понять, зачем нужен большой адронный коллайдер.

Что собой представляет БАК

Большой адронный коллайдер – это огромнейший тоннель кольцеобразной формы. Он похож на большую трубу, которая разгоняет частицы. Находится БАК под территорией Швейцарии и Франции, на глубине 100 метров. Ученые всего мира принимали участие в его создании.

Цель его постройки:

• Найти бозон Хиггса. Это механизм, который наделяет частицы массой.
• Изучение кварков – это фундаментальные частицы, которые входят в состав адронов. Поэтому и название коллайдера «адронный».

Многие думают, что БАК является единственным ускорителем в мире. Но это далеко не так. Начиная с 50-х годов 20 века в мире построен не один десяток подобных коллайдеров. Но большой адронный коллайдер считается самым масштабным сооружением, длина его составляет 25,5 км. Кроме этого, в него входит еще один ускоритель, меньший по размеру.

СМИ о БАК

В СМИ, еще с начала создания коллайдера, появилось огромное количество статей об опасности и дороговизне ускорителя. Основная масса людей считает, что деньги потрачены зря, они не могут понять, зачем тратить столько средств и сил на поиски какой-то частицы.

• Большой адронный коллайдер не является самым дорогим научным проектом в истории.
• Основная цель этой работы - бозон Хиггса, для открытия которого и созданадронный коллайдер. Результаты этого открытия принесут человечеству множество революционных технологий. Ведь изобретение сотового телефона тоже когда-то было встречено негативно.

Принцип работы БАК

Рассмотрим, как выглядит работа адронного коллайдера. Он на больших скоростях сталкивает пучки частиц, а затем следит за их последующим взаимодействием и поведением. Как правило, на вспомогательном кольце сначала разгоняется один пучок частиц, а уже после этого он отправляется в кольцо основное.

Внутри коллайдера частицы удерживают множество сильнейших магнитов. Так как столкновение частиц происходит за доли секунды, то их перемещение фиксируют высокоточные приборы.

Организацией, которая осуществляет работу коллайдера, является ЦЕРН. Именно она, 4 июля 2012 года, после огромных денежных вложений и трудов, официально объявила о том, что бозон Хиггса таки найден.

Зачем БАК нужен

Теперь необходимо понять, что же дает БАК обычным людям, зачем адронный коллайдер нужен.

Открытия, связанные с бозоном Хиггса и изучение кварков, могут привести в перспективе к новой волне научно-технического прогресса.

• Грубо говоря, масса является энергией в состоянии покоя, а значит, в будущем есть возможность преобразовать материю в энергию. И, следовательно, не будет проблем с энергией и появится возможность межзвездных путешествий.
• В будущем изучение квантовой гравитации позволит управлять гравитацией.
• Это дает возможность подробнее изучить М-теорию, которая утверждает, что в мироздание входит 11 измерений. Это изучение позволит глубже понять строение Вселенной.

О надуманной опасности адронного коллайдера

Как правило, люди боятся всего нового. Опасения у них вызывает и адронный коллайдер. Опасность же его надумана и разжигается в СМИ людьми, не имеющими естественно-научного образования.

• В БАК сталкиваются адроны, а не бозоны, как пишут некоторые журналисты, пугая людей.
• Подобные приборы работают уже много десятилетий и приносят не вред, а пользу науке.
• Предположение о столкновении протонов с высокими энергиями, в результате которых могут возникнуть черные дыры, опровергается квантовой теорией гравитации.
• В черную дыру может коллапсировать только звезда в 3 раза тяжелее солнца. Так как в солнечной системе таких масс нет, то и черной дыре неоткуда возникнуть.
• Из-за той глубины, на которой находится коллайдер под землей, его излучение не представляет опасности.

Мы узнали, что такое БАК и для чего нужен адронный коллайдер и поняли, что опасаться его не стоит, а лучше ждать открытий, которые сулят нам большой технический прогресс.

Где находится большой адронный коллайдер?

В 2008 году CERN (Европейский совет ядерных исследований) завершил строительство сверхмощного ускорителя частиц, названного Большой адронный коллайдер. По-английски: LHC – Large Hadron Collider. CERN – международная межправительственная научная организация, образованная в 1955 году. По сути, это главная лаборатория мира в областях высоких энергий, физики частиц и солнечной энергетики . Членами организации являются порядка 20 стран.

Зачем нужен большой адронный коллайдер?

В окрестностях Женевы в 27-километровом (26 659 м) круговом бетонном тоннеле создано кольцо сверхпроводящих магнитов для разгона протонов. Предполагается, что ускоритель поможет не только проникнуть в тайны микроструктуры материи, но и позволит продвинуться в поисках ответа на вопрос о новых источниках энергии в глубине материи.

С этой целью одновременно со строительством самого ускорителя (стоимостью свыше 2 млрд долларов) созданы четыре детектора частиц. Из них два больших универсальных (CMS и ATLAS) и два – более специализированных. Общая стоимость детекторов приближается также к 2 млрд долларов. В каждом из больших проектов CMS и ATLAS приняли участие свыше 150 институтов из 50 стран, в том числе российских и белорусских.

Охота за неуловимым бозоном Хиггса

Как работает адронный коллайдер ускоритель? Коллайдер – это крупнейший ускоритель протонов, работающий на встречных пучках. В результате ускорения каждый из пучков будет иметь энергию в лабораторной системе 7 тераэлектрон-вольт (ТэВ), то есть 7x1012 электрон-вольт. При столкновении протонов образуется множество новых частиц, которые будут регистрироваться детекторами. После анализа вторичных частиц полученные данные помогут ответить на фундаментальные вопросы, волнующие ученых, занимающихся физикой микромира и астрофизикой. В числе главных вопросов – экспериментальное обнаружение бозона Хиггса.

Ставший «знаменитым» бозон Хиггса – гипотетическая частица, являющаяся одним из главных компонентов так называемой стандартной, классической модели элементарных частиц. Назван по имени британского теоретика Питера Хиггса, предсказавшего его существование в 1964 году. Считается, что хиггсовские бозоны, будучи квантами поля Хиггса, имеют отношение к фундаментальным вопросам физики. В частности – к концепции происхождения масс элементарных частиц.

2-4 июля 2012 ряд экспериментов на коллайдере выявили некую частицу, которую можно соотнести с бозоном Хиггса. Причем, данные подтвердились при измерении и системой ATLAS, и системой CMS. До сих пор идут споры, действительно ли открыт пресловутый бозон Хиггса, или это другая частица. Факт в том, что обнаруженный бозон – самый тяжелый из ранее фиксировавшихся. Для решения фундаментального вопроса были приглашены ведущие физики мира: Джеральд Гуральник, Карл Хаген, Франсуа Энглер и сам Питер Хиггс, теоретически обосновавший в далеком 1964 году существование бозона, названного в его честь. После анализа массива данных, участники исследования склонны считать, что бозон Хиггса действительно обнаружен.

Многие физики надеялись, что при исследовании бозона Хиггса выявятся «аномалии», которые заставили бы говорить о так называемой «Новой физике». Однако к концу 2014 года обработан почти весь массив данных, накопленный за три предыдущих года в результате экспериментов на БАК, и интригующих отклонений (за исключением отдельных случаев) не выявлено. На поверку оказалось, что двухфотонный распад пресловутого бозона Хиггса оказался, по словам исследователей, «слишком стандартным». Впрочем, намеченные на весну 2015 года эксперименты могут удивить научный мир новыми открытиями.

Не бозоном единым

Поиск бозона Хиггса – не самоцель гигантского проекта. Для ученых также важен поиск новых видов частиц, позволяющих судить о едином взаимодействии природы на ранней стадии существования Вселенной. Сейчас ученые различают четыре фундаментальных взаимодействия природы: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Теория предполагает, что на начальной стадии Вселенной, возможно, существовало единое взаимодействие. Если новые частицы будут открыты, то подтвердится эта версия.

Физиков также волнует вопрос о загадочном происхождении массы частиц. Почему частицы вообще имеют массу? И почему они имеют такие массы, а не другие? Попутно здесь всегда имеется в виду формула Е =mc ². В любом материальном объекте есть энергия. Вопрос в том, как ее высвободить. Как создать такие технологии, которые позволили бы высвобождать ее из вещества с максимальным коэффициентом полезного действия? На сегодня это основной вопрос энергетики.

Иными словами, проект Большого адронного коллайдера поможет ученым найти ответы на фундаментальные вопросы и расширить знания о микромире и, таким образом, – о происхождении и развитии Вселенной.

Вклад белорусских и российских ученых и инженеров в создание БАК

На этапе строительства европейские партнеры из CERN обратились к группе белорусских ученых, имеющих серьезные наработки в этой области, принять участие в создании детекторов для LHC с самого начала проекта. В свою очередь, белорусские ученые пригласили к сотрудничеству коллег Объединенного института ядерных исследований из наукограда Дубна и других российских институтов. Специалисты единой командой приступили к работе над так называемым детектором CMS – «Компактным мюонным соленоидом». Он состоит из многих сложнейших подсистем, каждая из которых сконструирована так, чтобы выполнялись специфические задачи, при этом совместно они обеспечивают идентификацию и точное измерение энергий и углов вылета всех частиц, рождающихся в момент протонных столкновений в БАК.

Белорусско-российские специалисты также участвовали в создании детектора ATLAS. Это установка высотой 20 м, способная измерить траектории частиц с высокой точностью: до 0,01 мм. Чувствительные датчики внутри детектора содержат около 10 млрд транзисторов. Приоритетная цель эксперимента ATLAS состоит в обнаружении бозона Хиггса, изучении его свойств.

Без преувеличения, наши ученые внесли существенный вклад в создание детекторов CMS и ATLAS. Некоторые важные компоненты были изготовлены на минском Машиностроительном заводе им. Октябрьской революции (МЗОР). В частности – торцевые адронные калориметры для эксперимента CMS. Кроме того, завод произвел весьма сложные элементы магнитной системы детектора ATLAS. Это крупногабаритные изделия, требующие владения специальными технологиями обработки металлов и сверхточной обработки. По оценке техников CERN, заказы были выполнены блестяще.

Нельзя недооценивать и «вклад личностей в историю». Например, инженер кандидат технических наук Роман Стефанович ответственен в проекте CMS за сверхточную механику. В шутку даже говорят, что без него CMS не был бы собран. Но если серьезно, то можно вполне определенно утверждать: без него сроки сборки и наладки при требуемом качестве не были бы выдержаны. Другой наш инженер-электронщик Владимир Чеховский, пройдя достаточно сложный конкурс, сегодня отлаживает электронику детектора CMS и его мюонных камер.

Наши ученые участвуют как в запуске детекторов, так и в лабораторной части, в их эксплуатации, поддержании и обновлении. Ученые из Дубны и их белорусские коллеги полноправно занимают свои места в международном физическом сообществе CERN, которое трудится ради получения новой информации о глубинных свойствах и строении материи.

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

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

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

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

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

ЦЕРН

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

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

Как работает Большой адронный коллайдер?

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

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

Получение протонов

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

Предварительный разгон частиц

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

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

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

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

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

Разгон и столкновение частиц в LHC

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

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

Детекторы Большого адронного коллайдера

ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)

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

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

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

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

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

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

LAr (Liquid Argon Calorimeter) — калориметр ATLAS

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

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

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

CMS (Compact Muon Solenoid)

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

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

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

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

ALICE (A Large Ion Collider Experiment)

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

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

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

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

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

LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment)

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

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

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

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

Другие эксперименты на коллайдере

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

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

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

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

Зачем нужен Большой адронный коллайдер?

Крупнейшая международная научная установка исследует широкий спектр физических задач:

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

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

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

Практическая польза Большого адронного коллайдера и фундаментальной науки

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

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

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

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

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

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

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

Многие, 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?