Карта з нанесеним на неї розташуванням Коллайдера

Для подальшого об'єднання фундаментальних взаємодій в одній теорії використовуються різні підходи: теорія струн, що отримала свій розвиток в М-теорії (теорії бран), теорія супергравітації, петлева квантова гравітація та ін. Деякі з них мають внутрішні проблеми, і в жодній з них немає експериментального підтвердження. Проблема у цьому, що з проведення відповідних експериментів потрібні енергії, недосяжні на сучасних прискорювачах заряджених частинок.

ВАК дозволить провести експерименти, які раніше неможливо було провести і, ймовірно, підтвердить або спростує частину цих теорій. Так, існує цілий спектр фізичних теорій з розмірностями більше чотирьох, які передбачають існування «суперсиметрії» - наприклад, теорія струн, яку іноді називають теорією суперструн саме через те, що без суперсиметрії вона втрачає фізичний зміст. Підтвердження існування суперсиметрії таким чином буде непрямим підтвердженням істинності цих теорій.

Вивчення топ-кварків

Історія будівництва

27-кілометровий підземний тунель, призначений для розміщення прискорювача LHC

Ідея проекту Великого адронного колайдера народилася в 1984 році і була офіційно схвалена десятьма роками пізніше. Його будівництво почалося в 2001 році, після закінчення роботи попереднього прискорювача – Великого електрон-позитронного колайдера.

У прискорювачі передбачається зіштовхувати протони з сумарною енергією 14 ТеВ (тобто 14 тераелектронвольт або 14·10 12 електронвольт) у системі центру мас налітають частинок, а також ядра свинцю з енергією 5,5 ГеВ (5,5·10 9 електронвольт) пару зіштовхуються нуклонів. Таким чином, ВАК буде найвищим енергійним прискорювачем елементарних частинок у світі, на порядок переважаючи за енергією своїх найближчих конкурентів - протон-антипротонний колайдер Теватрон, який в даний час працює в Національній прискорювальній лабораторії ім. Енріко Фермі (США) та релятивістський колайдер важких іонів RHIC, що працює в Брукхейвенській лабораторії (США).

Прискорювач розташований у тому ж тунелі, який раніше займав Великий електрон-позитронний колайдер. Тунель із довжиною кола 26,7 км прокладено на глибині близько ста метрів під землею на території Франції та Швейцарії. Для утримання та корекції протонних пучків використовуються 1624 надпровідні магніти, загальна довжина яких перевищує 22 км. Останній із них був встановлений у тунелі 27 листопада 2006 року. Магніти працюватимуть за температури 1,9 K (−271 °C). Будівництво спеціальної кріогенної лінії для охолодження магнітів закінчено 19 листопада 2006 року.

Випробування

Технічні характеристики

Процес прискорення часток у колайдері

Швидкість частинок у ВАК на зустрічних пучках близька до швидкості світла у вакуумі. Розгін частинок до таких великих швидкостей досягається кілька етапів. На першому етапі низькоенергетичні лінійні прискорювачі Linac 2 та Linac 3 виробляють інжекцію протонів та іонів свинцю для подальшого прискорення. Потім частинки потрапляють у S-бустер і далі в сам S (протонний синхротрон), набуваючи енергію в 28 ГеВ. Після цього прискорення частинок продовжується в SPS (протонний суперсинхротрон), де енергія частинок досягає 450 ГеВ. Потім пучок направляють в головне 26,7-кілометрове кільце і в точках зіткнення детектори фіксують події, що відбуваються.

Споживання енергії

Під час роботи колайдера розрахункове споживання енергії становитиме 180 МВт. Імовірні енерговитрати всього кантону Женева. Сам CERN не виробляє енергію, маючи лише резервні дизельні генератори.

Розподілені обчислення

Для управління, зберігання та обробки даних, які надходитимуть з прискорювача ВАК та детекторів, створюється розподілена обчислювальна мережа LCG (англ. L HC C omputing G RID ), що використовує технологію грід. Для певних обчислювальних завдань буде задіяно проект розподілених обчислень [email protected].

Неконтрольовані фізичні процеси

Деякі фахівці та представники громадськості висловлюють побоювання, що є відмінна від нуля ймовірність виходу експериментів, що проводяться в колайдері, з-під контролю та розвитку ланцюгової реакції, яка за певних умов теоретично може знищити всю планету. Точка зору прихильників катастрофічних сценаріїв, пов'язаних із роботою ВАК, викладена на окремому сайті. Через подібні настрої ВАК іноді розшифровують як Last Hadron Collider ( ОстаннійАдронний коллайдер).

У зв'язку з цим найчастіше згадується теоретична можливість появи в колайдері мікроскопічних чорних дірок, а також теоретична можливість утворення згустків антиматерії та магнітних монополів з подальшою ланцюговою реакцією захоплення навколишньої матерії.

Зазначені теоретичні можливості були розглянуті спеціальною групою CERN, яка підготувала відповідну доповідь, у якій всі такі побоювання визнаються необґрунтованими. Англійський фізик-теоретик Едріан Кент опублікував наукову статтю з критикою норм безпеки, прийнятих CERN, оскільки очікувані збитки, тобто добуток ймовірності події на кількість жертв, є, на його думку, неприйнятним. Тим не менш, максимальна верхня оцінка ймовірності катастрофічного сценарію на ВАК становить 10-31.

Як основні аргументи на користь необґрунтованості катастрофічних сценаріїв наводяться посилання те що, що Земля , Місяць та інші планети постійно бомбардуються потоками космічних частинок з набагато вищими енергіями. Згадується також успішна робота раніше введених в дію прискорювачів, включаючи релятивістський колайдер важких іонів RHIC у Брукхейвені. Можливість утворення мікроскопічних чорних дірок не заперечується фахівцями CERN, проте при цьому заявляється, що в нашому тривимірному просторі такі об'єкти можуть виникати лише за енергій, на 16 порядків великих енергії пучків у ВАК. Гіпотетично мікроскопічні чорні діри можуть з'являтися в експериментах на ВАК у прогнозах теорій з додатковими просторовими вимірами. Такі теорії поки що не мають якихось експериментальних підтверджень. Однак, навіть якщо чорні діри виникатимуть при зіткненні частинок у ВАК, передбачається, що вони будуть надзвичайно нестійкими внаслідок випромінювання Хокінга і практично миттєво випаровуватимуться у вигляді звичайних частинок.

21 березня 2008 року до федерального окружного суду штату Гаваї (США) було подано позов Уолтера Вагнера (англ. Walter L. Wagner) та Луїса Санчо (англ. Luis Sancho), в якому вони, звинувачуючи CERN у спробі влаштувати кінець світу, вимагають заборонити запуск колайдера доти, доки не буде гарантовано його безпеку.

Порівняння з природними швидкостями та енергіями

Прискорювач призначений для зіштовхування таких частинок, як адрони та атомарні ядра. Однак, існують природні джерела частинок, швидкість та енергія яких значно вища, ніж у колайдері (див.: Зеватрон). Такі природні частки виявляють у космічних променях. Земля частково захищена від цих променів, але, проходячи через атмосферу, частинки космічних променів стикаються з атомами і молекулами повітря. Внаслідок цих природних зіткнень в атмосфері Землі народжується безліч стабільних і нестабільних частинок. В результаті, на планеті вже протягом багатьох мільйонів років є природне радіаційне тло. Те саме (зіштовхування елементарних частинок і атомів) відбуватиметься і в ВАК, проте з меншими швидкостями та енергіями, і в набагато меншій кількості.

Мікроскопічні чорні дірки

Якщо чорні діри можуть виникати в ході зіткнення елементарних частинок, вони також і розпадатимуться на елементарні частинки, відповідно до принципу CPT-інваріантності, що є одним із фундаментальних принципів квантової механіки.

Далі, якби гіпотеза існування стабільних чорних мікро-дір була вірна, то вони б утворювалися у великих кількостях у результаті бомбардування Землі космічними елементарними частинками. Але більша частина високоенергетичних елементарних частинок, що прилітають з космосу, мають електричний заряд, тому частина чорних дірок були б електрично заряджені. Ці заряджені чорні діри захоплювалися б магнітним полем Землі і, якби вони справді були небезпечні, давно зруйнували б Землю. Механізм Швіммера, який робить чорні діри електрично нейтральними, дуже схожий на ефект Хокінга і не може працювати, якщо ефект Хокінга не працює.

До того ж, будь-які чорні дірки, заряджені чи електрично нейтральні, захоплювалися б білими карликами та нейтронними зірками (які, як і Земля, бомбардуються космічним випромінюванням) та руйнували їх. В результаті час життя білих карликів і нейтронних зірок було б набагато коротшим, ніж спостерігається насправді. Крім того, білі карлики, що руйнуються, і нейтронні зірки випускали б додаткове випромінювання, яке насправді не спостерігається.

Нарешті, теорії з додатковими просторовими вимірами, що передбачають виникнення мікроскопічних чорних дірок, не суперечать експериментальним даним, тільки якщо кількість додаткових вимірів не менше трьох. Але за такої кількості додаткових вимірів повинні пройти мільярди років, перш ніж чорна діра завдасть Землі скільки-небудь істотної шкоди.

Страпельки

Протилежних поглядів дотримується доктор фізико-математичних наук з НДІ ядерної фізики МДУ Едуард Боос, який заперечує виникнення на ВАК макроскопічних чорних дірок, а отже, «кротових нір» та подорожей у часі.

Примітки

  1. ultimate guide to the LHC (англ.) P. 30.
  2. LHC: ключові факти. "Елементи великої науки". Перевірено 15 вересня 2008 року.
  3. Tevatron Electroweak Working Group, Top Subgroup
  4. LHC synchronization test successful (англ.)
  5. Другий тест системи інжекції пройшов із перебоями, але мети досяг . «Елементи великої науки» (24 серпня 2008 року). Перевірено 6 вересня 2008 року.
  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. Перевірено 12 вересня 2008 року.
  9. На LHC запущено стабільно циркулюючий пучок. «Елементи великої науки» (12 вересня 2008 року). Перевірено 12 вересня 2008 року.
  10. Пригода на Великому адронному колайдері затримує експерименти на невизначений термін. «Елементи великої науки» (19 вересня 2008 року). Перевірено 21 вересня 2008 року.
  11. Великий адронний колайдер відновить роботу не раніше весни – ЦЕРН. РІА "Новини" (23 вересня 2008). Перевірено 25 вересня 2008 року.
  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 пошкоджених магнітів буде більшим, ніж здавалося раніше. «Елементи великої науки» (09 листопада 2008 року). Перевірено 12 листопада 2008 року.
  16. Розклад на 2009 рік. «Елементи великої науки» (18 січня 2009 року). Перевірено 18 січня 2009 року.
  17. Прес-реліз ЦЕРН
  18. Затверджено план роботи Великого адронного колайдера на 2009-2010 роки. «Елементи великої науки» (6 лютого 2009 року). Перевірено 5 квітня 2009 року.
  19. The LHC experiments.
  20. «Скриньку Пандори» відкривається . Вести.ру (9 вересня 2008 року). Перевірено 12 вересня 2008 року.
  21. 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. та ін. Study of Potentially Dangerous Events Під час Heavy-Ion Collisions на LHC.
  24. Review of the Safety of LHC Collisions LHC Safety Assessment Group
  25. Критичний огляд ризиків прискорювачів. Проза.ру (23 травня 2008 року). Перевірено 17 вересня 2008 року.
  26. Якою є ймовірність катастрофи на LHC?
  27. Судний день
  28. Залишаючи юдею до збереження світу, і Maybe a Whole Lot More (англ.)
  29. Пояснення того, чому ВАК буде безпечним (англ.)
  30. http://environmental-impact.web.cern.ch/environmental-impact/Objects/LHCSafety/LSAGSummaryReport2008-es.pdf (ісп.)
  31. http://environmental-impact.web.cern.ch/environmental-impact/Objects/LHCSafety/LSAGSummaryReport2008-de.pdf (нім.)
  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.
Дата публікації: 17.09.2012

Що таке Великий Адронний Колайдер? Навіщо він потрібен? Чи може він стати причиною кінця світу? Давайте розкладемо все «по поличках».

Що таке ВАК?

Це величезний кільцеподібний тунель, подібний до труби для розгону частинок. Знаходиться він на глибині близько 100 метрів під територією Франції та Швейцарії. У його будівництві брали участь вчені з усього світу.

ВАК був побудований для того, щоб знайти бозон Хіггса – механізм, що наділяє частинки масою. Другою метою також є вивчення кварків - фундаментальних частинок, з яких складаються адрони (звідси і назва «адронний» колайдер).

Багато хто наївно вважає, що ВАК - це єдиний прискорювач частинок у світі. Однак по всьому світу, починаючи з 50-х років, було збудовано не один десяток колайдерів. ВАК вважається найбільшим - його довжина 25,5 км. До того ж у його структуру входить ще один, менший діаметром, прискорювач.

ВАК та ЗМІ

З моменту початку будівництва, з'явилося безліч статей про дорожнечу та небезпеку прискорювача. Більшість людей вважають, що гроші були витрачені даремно, і не розуміють, навіщо потрібно було витрачати стільки грошей та сил для того, щоб знайти якусь частинку.

По-перше, ВАК – це не найдорожчий науковий проект в історії. На півдні Франції знаходиться науковий центр Кадараш із дорогим термоядерним реактором. Кадараш був побудований за підтримки шести країн (у тому числі і Росії); на даний момент у нього вже вкладено близько 20 мільярдів доларів. По-друге, відкриття бозона Хіггса принесе світу безліч революційних технологій. До того ж, коли винайшли перший мобільний телефон, люди теж зустріли його винахід негативно.

Як працює ВАК?

ВАК зіштовхує на великих швидкостях пучки частинок і стежить за подальшою їхньою поведінкою та взаємодією. Як правило, один пучок часток розганяється спочатку на допоміжному кільці, а потім уже вирушає в основне кільце.

Багато сильних магнітів утримують частинки всередині колайдера. А високоточні прилади фіксують переміщення частинок, оскільки зіткнення відбувається за частки секунди.

Організацією роботи колайдера займається ЦЕРН (організація з ядерних досліджень).

У результаті, після величезних праць та грошових вкладень, 4 липня 2012 року ЦЕРН офіційно оголосило про те, що бозон Хіггса знайдено. Звичайно, деякі властивості бозона, виявлені на практиці, відрізняються від теоретичних аспектів, проте сумнівів у вчених у «реальності» бозона Хіггса немає.

Навіщо потрібен ВАК?

Чим корисний ВАК для звичайних людей? Наукові відкриття, пов'язані з відкриттям бозона Хіггса та вивченням кварків, у перспективі можуть призвести до нової науково-технічної революції.

По-перше, оскільки маса - це енергія у стані спокою (грубо кажучи), є можливість у майбутньому перетворювати матерію на енергію. Тоді проблем з енергією не буде, отже, з'явиться можливість подорожувати до далеких планет. А це крок до міжзоряних подорожей.

По-друге, вивчення квантової гравітації дозволить у майбутньому керувати гравітацією. Однак це трапиться ще не скоро, оскільки гравітони поки що не дуже добре вивчені, а тому пристрій, що контролює гравітацію, може бути непередбачуваним.

По-третє, можна детальніше зрозуміти М-теорію (похідна від теорії струн). Ця теорія стверджує, що світобудова складається з 11 вимірів. М-теорія претендує звання «теорії всього», отже, її вивчення дозволить нам краще зрозуміти будову Всесвіту. Хто знає, можливо, в майбутньому людина навчиться переміщатися і впливати на інші виміри.

ВАК і Кінець Світу

Багато людей стверджують, що робота ВАК може знищити людство. Як правило, говорять про це люди, які погано розуміються на фізиці. Запуск ВАК багато разів відкладався, але 10 вересня 2008 року він все ж таки був запущений. Однак варто звернути увагу, що ВАК ще жодного разу не розганяли на повну міць. Вчені планують запустити ВАК на повну потужність у грудні 2014 року. Давайте розглянемо можливі причини кінця світу та інші чутки.

1. Створення чорної дірки

Чорна діра - це зірка з величезною гравітацією, яка притягує не тільки матерію, а й світло, і навіть час. Чорна діра не може з'явитися з нізвідки, тому вчені з ЦЕРН вважають, що шанси появи стійкої чорної діри вкрай малі. Однак це можливо. При зіткненні частинок може бути створена мікроскопічна чорна дірка, розмірів якої вистачить, щоб знищити нашу планету за кілька років (або швидше). Але боятися людству не варто, оскільки завдяки випромінюванню Хокінга чорні дірки швидко втрачають свою масу та енергію. Хоча і серед вчених є песимісти, які вважають, що сильне магнітне поле всередині колайдера не дозволить чорній дірі розпастись. У результаті шанс, що створиться чорна діра, яка знищить планету, дуже малий, але така ймовірність є.

2. Освіта «темної матерії»

Вона ж – «дивна матерія», страпелька (дивна крапелька), «странглет». Це матерія, яка при зіткненні з іншою матерією перетворюють її на подібну до себе. Тобто. при зіткненні странглета і звичайного атома, утворюються два странглета, породжуючи ланцюгову реакцію. Якщо така матерія з'явиться в колайдері, людство буде знищено за лічені хвилини. Однак шанс, що це станеться, також малий, як і утворення чорної дірки.

3. Антиречовина

Версія, пов'язана з тим, що при роботі коллайдера може з'явитися така кількість антиречовини, яка знищить планету, виглядає марною. І суть навіть не в тому, що шанси на утворення антиматерії дуже малі, а в тому, що на землі вже є зразки антиматерії, що зберігаються у спеціальних ємностях, де гравітація відсутня. На Землі навряд чи з'явиться така кількість антиречовини, яка буде здатна знищити планету.

Висновки

Багато жителів Росії навіть не знають, як правильно написати фразу «великий адронний колайдер», чого вже говорити про їхнє знання його призначення. А деякі псевдопророки стверджують, що у Всесвіті немає розумної цивілізації тому, що кожна цивілізація, досягнувши наукового прогресу, створює колайдер. Тоді утворюється чорна діра, що знищує цивілізацію. Звідси вони пояснюють і велику кількість масивних чорних дірок у центрі галактик.

Проте є й такі люди, які вважають, що ми маємо якнайшвидше вже запустити ВАК, інакше в момент прильоту інопланетян вони нас захоплять, бо вважатимуть нас дикунами.

Зрештою, єдиний шанс дізнатися про те, що принесе нам ВАК - це просто чекати. Рано чи пізно ми таки дізнаємося, що нас чекає: знищення чи прогрес.


Останні поради розділу «Наука & Техніка»:

Вам допомогла ця порада?Ви можете допомогти проекту, пожертвувавши на його розвиток будь-яку суму на власний розсуд. Наприклад, 20 рублів. Або більше:)

Нею є пошук шляхів об'єднання двох фундаментальних теорій - ОТО (про гравітаційне) і СМ (стандартної моделі, що поєднує три фундаментальні фізичні взаємодії - електромагнітного, сильного і слабкого). Виявленню рішення до створення БАКа перешкоджали труднощі при створенні теорії квантової гравітації.

Побудова цієї гіпотези включає поєднання двох фізичних теорій - квантової механіки і загальної теорії відносності.

Для цього були використані відразу кілька популярних і потрібних у сучасному підходах – струнна теорія, теорія бран, теорія супергравітації, а також теорія квантової гравітації. До побудови колайдера головною проблемою проведення необхідних експериментів була відсутність енергії, яку не можна досягти інших сучасних прискорювачах заряджених частинок.

Женевський ВАК дав вченим можливість проведення раніше нездійсненних експериментів. Вважається, що вже незабаром за допомогою апарата буде підтверджено або спростовано багато фізичних теорій. Однією з найпроблемніших є суперсиметрія або теорія струн, яка тривалий час поділяла фізичне на два табори – «струнників» та їхніх суперників.

Інші фундаментальні експерименти, які проводяться в рамках роботи ВАК

Цікаві й дослідження вчених у галузі вивчення топ-, що є найбільш кварками і найважчими (173,1 ± 1,3 ГеВ/c²) з усіх відомих в даний час елементарних частинок.

Через цю властивість і до створення БАКа, вчені могли спостерігати кварки тільки на прискорювачі «Теватрон», так як інші пристрої просто не мали достатньої потужності та енергії. У свою чергу, теорія кварків є важливим елементом гучної гіпотези про бозон Хіггса.

Усі наукові дослідження зі створення та вивчення властивостей кварків вчені виробляють у топ-кварк-антикварковій паровій у БАКУ.

Важливою метою женевського проекту є процес вивчення механізму електрослабкої симетрії, яка також пов'язана з експериментальним доказом існування бозона Хіггса. Якщо позначити проблематику ще точніше, то предметом вивчення є не так сам бозон, як передбачений Пітером Хіггсом механізм порушення симетрії електрослабкої взаємодії.

В рамках БАКу також проводяться експерименти з пошуку суперсиметрії – причому бажаним результатом стане і доказ теорії про те, що будь-яка елементарна частка завжди супроводжується більш важким партнером, та її спростування.

Трохи фактів про Великого адронного колайдера, як і для чого він створений, яка з нього користь і які потенційні небезпеки для людства він таїть.

1. Будівництво ВАК'а, або Великого адронного коллайдера, задумали ще 1984 року, а почали лише 2001. Через 5 років, 2006 року, завдяки зусиллям більш ніж 10 тисяч інженерів та вчених з різних держав, будівництво Великого адронного колайдера було завершено.

2. ВАК - це найбільша експериментальна установка у світі.

3. То чому ж Великий адронний колайдер?
Великим його назвали завдяки його солідним розмірам: довжина основного кільця, яким ганяють частинки, становить близько 27 км.
Адронним – оскільки установка прискорює адрони (частки, що складаються з кварків).
Колайдер — через прискорювані в протилежному напрямку пучки частинок, які стикаються один з одним у спеціальних точках.

4. Навіщо потрібен Великий адронний колайдер? ВАК являє собою суперсучасний дослідницький центр, де вчені проводять досліди з атомами, зіштовхуючи між собою на величезній швидкості іони та протони. Вчені сподіваються за допомогою досліджень відкрити завісу над таємницями появи Всесвіту.

5. Проект коштував науковому співтовариству астрономічну суму — 6 млрд. доларів. До речі, Росія делегувала на ВАК 700 фахівців, які працюють і сьогодні. Замовлення для ВАК принесли російським підприємствам близько 120 млн. доларів.

6. Без сумніву, головне відкриття, зроблене у ВАК — відкриття у 2012 р. бозона Хіггса, або як його ще називають «частинки Бога». Бозон Хігса – це остання ланка у Стандартній моделі. Ще одна значна подія в Бак'ї — досягнення рекордного значення енергії зіткнень у 2,36 тераелектронвольта.

7. Деякі вчені, зокрема й у Росії, вважають, що завдяки масштабним експериментам у ЦЕРН'і (Європейській організації з ядерних досліджень, де, власне, і розташований колайдер), ученим вдасться збудувати першу у світі машину часу. Проте більшість учених не поділяють оптимізму колег.

8. Головні побоювання людства з приводу найпотужнішого на планеті прискорювача ґрунтуються на небезпеці, яка загрожує людству, внаслідок утворення мікроскопічних чорних дірок, здатних до захоплення навколишньої матерії. Є ще одна потенційна і вкрай небезпечна загроза — виникнення страпелів (проіз. від Дивна крапелька), які, гіпотетично, здатні при зіткненні з ядром якогось атома, утворювати нові страпельки, перетворюючи матерію всього Всесвіту. Однак більшість найавторитетніших учених заявляють, що такий результат є малоймовірним. Але теоретично можливий

9. 2008 року на ЦЕРН подали до суду двоє жителів штату Гаваї. Вони звинуватили ЦЕРН у спробі покласти край людству через недбалість, вимагаючи від вчених гарантій на безпеку.

10. Великий адронний колайдер розташований у Швейцарії неподалік Женеви. У ЦЕРНі функціонує музей, де відвідувачам наочно пояснюють принципи роботи колайдера і для чого він був побудований.

11 . Ну і насамкінець трохи кумедний факт. Судячи з запитів в Яндексі, багато людей, які шукають інформацію про Великого адронного колайдера, не знають, як правильно пишеться назва прискорювача. Наприклад, пишуть «андронний» (і не тільки пишуть, чого варті репортажі НТВ з їх андронним колайдером), часом пишуть «андроїдний» (Імперія завдає удару у відповідь). У буржуазному неті теж не відстають і замість «hadron» вбивають у пошуковик «hardon» (православною англійською hard-on — стояк). Цікавим є варіант написання білоруською — «Вялікі гадронний паскаральник», що перекладається як «Великий гадронний прискорювач».

Адронний коллайдер. Фото

Європейський центр ядерних досліджень, або просто ЦЕРН, – місце, де поруч із вами у їдальні запросто може обідати нобелівський лауреат з фізики. Він відомий у всьому світі завдяки найпотужнішому прискорювачу частинок – Великому адронному колайдеру. Майже через десять років роботи настав час підбити підсумок – чи виправдав надії вчених один із найамбітніших наукових проектів сучасності?

У 2008 році я навчалася у десятому класі. Незважаючи на те, що в ті роки я ще зовсім не цікавилася фізикою, хвиля ажіотажу не змогла обійти мене стороною: з кожної праски трубили, що ось-ось запустять машину судного дня. Що тільки дуже важливий директор підніме рубильник, утвориться чорна діра і нам усім кінець. У день офіційного старту Великого адронного колайдера деякі вчителі навіть дозволили на своїх уроках переглянути репортаж із місця подій.

Найстрашнішого не сталося. За великим рахунком, не сталося нічого – рубильник було піднято, на екрані комп'ютера заскакали незрозумілі простому обивателю цифри, а вчені почали святкувати. Загалом, для чого запускали, було незрозуміло.

Безперечно, без Великого адронного колайдера вчені не змогли б зробити деякі знаменні відкриття – зокрема йдеться про виявлення бозона Хіггса. Але чи все із запланованого вдасться реалізувати, і чи є ще перспективи ВАК – про це й розповімо.

Експеримент DELPHI Великого електрон-позитронного колайдера

Старший брат: Великий електрон-позитронний колайдер

Наприкінці сімдесятих років ХХ століття фізика елементарних частинок розвивалася семимильними кроками. Для перевірки передбачень Стандартної моделі у 1976 році було запропоновано проект Великого електрон-позитронного колайдера (БЕЗ або LEP – від англ. Large Electron-Positron Collider) у Європейському центрі ядерних досліджень (ЦЕРН, від фр. CERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) . Серед безлічі різних конфігурацій було обрано варіант розташування майбутнього експерименту в підземному тунелі завдовжки 27 кілометрів. Йому передбачалося прискорювати електрони та позитрони до енергій близько десятків і сотень гігаелектронвольт: зустрічні пучки перетиналися в чотирьох точках, в яких згодом розташувалися експерименти ALEPH, DELPHI, OPAL і L3.

З погляду фізиків енергії ніколи не буває мало: обраний у результаті для реалізації варіант БЕЗ був компромісом між вартістю та потужністю; розглядалися і тунелі більшої довжини, здатні сильніше прискорювати частки. Підсумкова енергія могла використовуватись для перевірки Стандартної моделі, але була надто мала для пошуку так званої «нової фізики» – явищ, які не передбачаються її законами. Набагато краще для таких цілей підходять адронні колайдери – прискорювачі складових частинок на кшталт протонів, нейтронів та атомних ядер. Ще в 1977 році, в момент обговорення БЕЗ, Джон Адамс, директор ЦЕРН на той час, пропонував зробити тунель ширшим, і розмістити там відразу обидва прискорювачі - і електрон-позитронний, і адронний. Однак, рада, яка ухвалює підсумкові рішення, цю ідею відхилила, і в 1981 році було затверджено проект Великого електрон-позитронного колайдера.

Тунель Великого адронного колайдера

На зміну приходить LHC

БЕЗ пропрацював понад десять років: з 1989 по 2000 рік. Цьому часу належить низка знаменних експериментів, таких як підтвердження передбачених мас переносників слабкої взаємодії – W- та Z-бозонів, а також вимірювання різних параметрів стандартної моделі з безпрецедентною точністю. І вже 1984 року було проведено конференцію «Великий адронний колайдер у тунелі LEP», присвячену питанню будівництва нового колайдера після припинення роботи попередника.

У 1991 році був остаточно затверджений проект Великого адронного колайдера (БАК або LHC – від англ. Large Hadron Collider), за допомогою якого планувалося досягти сумарної енергії частинок, що стикаються, в 14 тераелектронвольт, тобто в сто разів більшої, ніж розвивав Великий електрон-позитронний колайдер .

У 1992 році було проведено зустріч, присвячену науковій програмі Великого адронного колайдера: всього було отримано дванадцять заявок на різні експерименти, які могли б бути побудовані на місці чотирьох точок зіткнення пучків. Протягом наступних років було схвалено два експерименти загальної спрямованості – ATLAS та CMS, експеримент ALICE з вивчення важких іонів та LHCb, присвячений фізиці частинок, що містять b-кварки. Спорудження Великого адронного колайдера почалося в 2000 році, а перші пучки були отримані вже в 2008 році: з того часу і до цього дня, окрім планового відключення, LHC у робочому режимі прискорює частки та набирає дані.

Росія в ЦЕРН

Російська Федерація з 1993 року є країною-спостерігачем у ЦЕРН, що дає право її представниками бути присутніми на засіданнях, але не дає права голосувати при прийнятті важливих рішень. У 2012 році від імені Уряду РФ була внесена заява про намір вступу Російської Федерації до асоційованих членів ЦЕРН, яка на даний момент не була підтримана.

Загалом у проектах ЦЕРН бере участь близько 700 російських вчених із дванадцяти наукових організацій, таких як Об'єднаний інститут ядерних досліджень, Російський науковий центр «Курчатівський інститут», Інститут ядерних досліджень Російської академії наук та Московський державний університет імені М.В. Ломоносова.

Інжекційний ланцюг Великого адронного колайдера

Як вигідно прискорювати частки?

Схема роботи Великого адронного колайдера складається з багатьох етапів. Перед тим, як потрапити безпосередньо в ВАК, частинки проходять ряд стадій перед-прискорення: таким чином набір швидкості відбувається швидше і при цьому з меншими витратами енергії. Спочатку в лінійному прискорювачі LINAC2 протони або ядра досягають енергії 50 мегаелектронвольт; потім вони по черзі потрапляють у бустерний синхротрон (PSB), протонний синхротрон (PS) і протонний суперсинхротрон (SPS), і на момент інжекції в колайдері підсумкова енергія частинок становить 450 гігаелектронвольт.

Крім основних чотирьох експериментів у тунелі Великого адронного колайдера, прискорювальна система є майданчиком для більш ніж десяти експериментів, яким не потрібна така велика енергія частинок. До них входять, зокрема, експеримент NA61/SHINE, що досліджує параметри взаємодії важких іонів з фіксованою мішенню; експеримент ISOLDE, що досліджує властивості атомних ядер, а також AEGIS, що досліджує гравітаційне прискорення Землі за допомогою антиводню.

Пошуки частки Бога та нової фізики

Ще на самому початку, на етапі розробки, було заявлено претензійну наукову програму Великого адронного колайдера. Насамперед, внаслідок вказівок, отриманих на БЕЗ, планувався пошук бозона Хіггса – ще гіпотетичної на той час складової Стандартної моделі, що відповідає за масу всіх частинок. У тому числі в плани вчених входив і пошук суперсиметричного бозона Хіггса та його суперпартнерів, що входять до мінімального суперсиметричного розширення Стандартної моделі.

Загалом як окремий напрямок планувався пошук та перевірка моделей «нової фізики». Для перевірки суперсиметрії, в якій кожному бозону зіставляється ферміон, і, навпаки, передбачалося вести пошуки відповідних партнерів для частинок Стандартної моделі. Для перевірки теорій з додатковими просторовими вимірюваннями, як-от теорія струн або М-теорія, були заявлені можливості постановки обмежень на кількість вимірювань у нашому світі. Саме пошук відхилень від Стандартної моделі вважали, і досі вважають одним із основних завдань ВАК.

Менш гучні завдання: дослідження кварк-глюонної плазми та порушення CP-інваріантності

Топ-кварк, найважчий із шести кварків Стандартної моделі, до Великого адронного колайдера спостерігався лише на прискорювачі Теватрон у Національній прискорювальній лабораторії імені Енріко Фермі в США через свою вкрай велику масу 173 гігаелектронвольти. При зіткненнях у ВАК, завдяки його потужності, очікувалося народження великої кількості топ-кварків, які цікавили вчених у двох аспектах. Перший був пов'язаний з вивченням ієрархії частинок: на даний момент спостерігається три покоління кварків (топ-кварк завершив третє), але не виключено, що їх все ж таки більше. З іншого боку, народження бозона Хіггса під час розпаду топ-кварка вважалося основним способом його експериментального детектування.

У 1964 році було відкрито порушення комбінованої CP-інваріантності (від англ. Charge - заряд і parity - парність), яке відповідає дзеркальному відображенню нашого світу з повною заміною всіх частинок на відповідні античастинки. Даний факт відіграє важливу роль у теоріях освіти Всесвіту, які намагаються пояснити, чому вся наша речовина складається саме з матерії, а не антиматерії. У тому числі порушення CP-парності проявляється у поведінці B-мезонів – частинок, активне народження яких передбачалося у процесі зіткнень у ВАК, та з їх допомогою вчені сподівалися пролити світло на причини цього явища.

Робота Великого адронного колайдера в режимі зіткнення важких ядер повинна була призводити до відтворення стану кварк-глюонної плазми, яке, за сучасними уявленнями, спостерігається через 10-5 секунд після Великого вибуху - стан настільки "гарячого", що кварки і глюони не взаємодіють один з одним. іншому, і не утворюють частинки та ядра, як це відбувається в нормальному стані. Розуміння процесів виникнення та охолодження кварк-глюонної плазми необхідне вивчення процесів квантової хромодинаміки – розділу фізики, відповідального за опис сильних взаємодій.

Схема відкриття бозона Хіггса в експерименті ATLAS

Відкриття нових частинок на LHC

Отже, чим може похвалитися за ціле десятиліття своєї роботи Великий адронний колайдер?

По-перше, звичайно ж, найвідоміше з відкриттів – виявлення у липні 2012 року бозона Хіггса масою 126 гігаелектронвольт. Усього роком пізніше Пітер Хіггс і Франсуа Енглер були удостоєні Нобелівської премії з фізики за теоретичне передбачення існування «частки Бога», відповідальної за масу всієї речовини у Всесвіті. Тепер, проте, перед фізиками стоїть нове завдання – зрозуміти, чому шуканий бозон має саме таку масу; також продовжуються і пошуки суперсиметричних партнерів бозона Хіггса.

У 2015 році в експерименті LHCb були виявлені стабільні пентакварки – частинки, що складаються з п'яти кварків, а роком пізніше – кандидати на роль тетракварків – частинок, що складаються з двох кварків та двох антикварків. До цих пір вважалося, що частки, що спостерігаються, складаються не більше ніж з трьох кварків, і фізикам ще належить уточнити теоретичну модель, яка б описала подібні стани.

Досі в межах Стандартної моделі

Фізики сподівалися, що ВАК зможе вирішити проблему суперсиметрії – або її повністю спростувати, або уточнити, в якому напрямку варто рухатися, оскільки варіантів подібного розширення Стандартної моделі величезна кількість. Поки що не вдалося зробити ні того, ні іншого: вчені ставлять різні обмеження на параметри суперсиметричних моделей, які можуть відсіяти найпростіші варіанти, але не вирішують глобальних питань.

Не було отримано так само і явних вказівок на фізичні процеси поза стандартною моделлю, на які, мабуть, розраховувала більшість учених. Однак, варто зазначити, що в експерименті LHCb також було отримано вказівку на те, що B-мезон, важка частка, що містить b-кварк, розпадається не таким чином, як передбачає Стандартна модель. Подібна поведінка сама по собі може служити, наприклад, вказівкою на існування ще одного нейтрального переносника слабкої взаємодії – бозону Z'. Наразі вчені працюють над набором експериментальних даних, які дозволять обмежити різні екзотичні сценарії.

Можлива схема майбутнього 100-кілометрового колайдера

Пора починати рити новий тунель?

Чи зміг Великий адронний колайдер виправдати вкладені в нього сили та кошти? Безперечно, хоч і не всі поставлені цілі за підсумками десятиліття поки що досягнуто. Зараз триває другий етап роботи прискорювача, після чого буде проведено планову установку і розпочнеться третя стадія набору даних.

Вчені не втрачають надії зробити наступні великі відкриття і вже планують нові колайдери, наприклад, з довжиною тунелю цілих 100 кілометрів.