Зачем нужен адронный коллайдер кратко
Обновлено: 02.07.2024
Как устроен Большой адронный коллайдер, зачем его построили и для чего снова модернизируют?
Исследование законов, которые лежат в основе существования нашей Вселенной, — сложнейшая задача, над которой ученые бьются с античных времен. Человечество всегда занимали вопросы: из чего состоит окружающий мир? Как устроена материя на самом мелком уровне и есть ли у вещества вообще предел делимости?
Как же изучать объекты, размеры которых настолько малы, что рассмотреть их не поможет никакое, даже самое мощное увеличение? Ведь любой микроскоп сам состоит из атомов.
Для того чтобы понять, как устроены элементарные частицы, из чего они состоят и каким воздействиям подвержены, ученые ускоряют их до огромных скоростей, а затем сталкивают. В результате столкновения на короткое время происходит расщепление частиц, и с помощью специальных детекторов можно зафиксировать отдельные составляющие, на которые распались изначальные частицы. Таким образом ученые изучают свойства уже известных элементарных частиц, а также открывают новые.
Знаменитый бозон Хиггса, существование которого было теоретически обосновано еще в 1964 году, после многолетних экспериментов удалось обнаружить с помощью Большого адронного коллайдера (БАК) в 2012 году.
БАК — самый масштабный международный проект в области науки, который помогает физикам экспериментально проверять теоретические модели устройства материи и Вселенной. Строительство БАК было начато в 2001 году. В 2008 году коллайдер был испытан и сдан в эксплуатацию. В 2010–2012 годах прошел первый полноценный сеанс работы БАК. После этого ускоритель модернизировали в течение двух лет. В обновленной комплектации он проработал до конца 2018 года. Сейчас в ЦЕРНе (Европейская организация по ядерным исследованиям) идут работы по очередному апгрейду, благодаря которому физики планируют существенно увеличить эффективность установки.
Что такое Большой адронный коллайдер?
На сегодняшний день БАК является самым большим ускорителем частиц. Он был построен в ЦЕРНе на месте предыдущего ускорительного комплекса — электрон-позитронного коллайдера. В работе БАК, а также в его обслуживании принимает участие более 10 тысяч человек по всему миру — это инженеры и ученые, работающие непосредственно в ЦЕРНе, а также огромное количество исследователей более чем из 100 стран.
Основная часть установки расположена на территории Швейцарии и Франции, в кольцевом тоннеле, длина окружности которого достигает почти 27 км. В тоннеле, проложенном на глубине около 100 метров, находятся две вакуумные трубы, в которых во время экспериментов в противоположных направлениях вращаются разогнанные пучки частиц. Частицы не должны задевать стенки труб, диаметр которых всего несколько сантиметров. Для этого их траекторию контролируют мощнейшие фокусирующие магниты. Для разгона частиц служит ускорительная секция, магниты которой с каждым оборотом протонного пучка придают ему дополнительную энергию. Специальная система сброса пучка в случае необходимости быстро уводит частицы из основного канала ускорителя в боковой.
Разогнанные пучки вращаются в трубах ускорителя со скоростью более 10 тысяч оборотов в секунду. Энергия столкновения провоцирует расщепление частиц на более мелкие составляющие. Для проведения экспериментов необходимо не только разогнать и столкнуть частицы, но и зафиксировать результаты столкновения. Эту задачу выполняют специальные детекторы элементарных частиц, расположенные в местах пересечения вакуумных труб. Часто для краткости под ускорителем подразумевают не только саму установку для разгона и стабилизации траектории пучков, но и детекторы.
Схема адронного коллайдера
Первичный разгон пучков происходит в относительно небольшом кольце SPS. Затем частицы попадают в основной канал ускорителя.
Основное кольцо поделено на восемь секторов. Вакуумные трубы пересекаются в точках 1, 2, 5, 8 (см. рисунок). В этих точках располагаются детекторы, регистрирующие результаты столкновения частиц. Основных детектора — четыре: крупные ATLAS и CMS и два средних: ALICE и LHCb. Также на БАК установлены еще два небольших специализированных детектора около ATLAS и CMS — это TOTEM и LHCf.
Зачем нужен адронный коллайдер
БАК способен удивить любого масштабом проекта, однако человеку, далекому от науки и технологий, может показаться непонятным, для чего нужна вся эта громадная установка, стоящая миллиарды долларов, если она не приносит непосредственных практических результатов.
Неужели один эксперимент настолько важен?
При том, что коллайдер объединяет усилия и опыт множества людей, результатами испытаний пользуются различные научные группы по всему миру. Так что одни и те же данные могут помочь в исследованиях ученым, работающим в разных направлениях современной физики.
The eight toroid magnets can be seen surrounding the calorimeter that is later moved into the middle of the detector. This calorimeter will measure the energies of particles produced when protons collide in the centre of the detector.
Кроме того, БАК — это сложнейший комплекс, включающий в себя ускоритель, детекторы, вспомогательные помещения. Строго говоря, отдельный эксперимент происходит на каждом детекторе, каждый из которых предназначен для своих задач, и все они собирают различные данные. Так что на ускорителе проходит не один эксперимент, а сразу несколько, а полученные данные используют тысячи ученых по всему миру.
Польза фундаментальных исследований
Фундаментальные исследования обычно не подразумевают сиюминутной выгоды и готовых прикладных решений. Новые разработки на базе научных открытий могут появиться спустя годы, а роль огромного количества научных результатов вовсе не в практической пользе. Вообще говоря, первостепенной задачей науки является построение цельной, доказанной модели. Если эксперименты опровергают теорию, которая главенствовала до этого, ученым приходится искать новое обоснование, объясняющее научные факты, и строить новую теорию.
Эксперименты на БАК позволяют проверить справедливость теории, носящей название Стандартной модели, которая описывает электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц, однако не объясняет существование гравитации, темной материи и темной энергии. Логика экспериментов на коллайдере такая: наблюдая эффекты столкновения протонных пучков, ученые стараются зафиксировать любые, даже самые незначительные отклонения от Стандартной модели. Эти результаты должны помочь построить так называемую Новую физику, в которой будет обобщенная теория, объясняющая все виды фундаментальных взаимодействий. Говоря простым языком, если нам удастся построить такую теорию всего, то, располагая достаточными вычислительными ресурсами, мы сможем точно просчитать и предсказать любой физический процесс.
За годы работы БАК ученые обнаружили бозон Хиггса и другие частицы, подробно описали некоторые процессы, происходящие при распаде частиц, и получили ряд других значительных результатов. Все эти научные открытия вносят вклад в общее знание физиков о Вселенной. Часть этих знаний поможет создать новые технологии, использующие законы природы на благо человека.
Кстати, большинство ученых занимается наукой не потому, что хотят придумать нечто полезное и практичное для общества. Эти люди влюблены в свое дело и обожают решать сложные задачи. Так что наука ради науки — это очень мощная мотивация.
Зачем изучать элементарные частицы?
Пытаясь проникнуть на все более мелкие уровни организации материи, исследователи постоянно натыкаются на все новые и новые преграды. К началу XX века сложилось представление о том, что атомы состоят из положительно и отрицательно заряженных частиц. Потом стало понятно, что плотное ядро занимает совсем небольшой объем атома где-то в центре, а вокруг ядра как-то распределены электроны. Постепенно ученые пришли к современной квантово-механической модели атома. Каждый новый шаг требовал новых экспериментов.
Следующий этап развития физики — полноценное изучение законов, по которым существуют элементарные частицы вроде кварков и нейтрино.
Кстати, уже сегодня есть и прикладные результаты этих исследований. Например, изучение элементарных частиц помогает разрабатывать такие способы борьбы с онкологическими заболеваниями, как адронная терапия раковых опухолей, позитронно-эмиссионная томография и другие технологии.
БАК — это микроскоп для элементарных частиц
Если физики изучают настолько маленькие объекты, зачем им такая огромная установка для экспериментов? Такой вопрос вполне может возникнуть у некоторых обывателей.
Энергия частиц на БАК аналогична разрешающей способности микроскопов, которая ограничена длиной световой волны.
Оправданны ли такие дорогие эксперименты?
Цена экспериментов на БАК тоже может показаться огромной. Разумно ли тратить такие деньги (миллиарды долларов) на фундаментальную науку, если можно на них сделать нечто полезное и необходимое для обычной жизни? Ведь страны — участницы проекта вкладывают в исследования деньги налогоплательщиков.
На самом деле такие траты, конечно же, оправданны. Дело в том, что если бы эти деньги пошли не на коллайдер, то их направили бы в другие научные исследования, ведь каждая из стран выделяет средства из той части бюджета, которая и предназначена для науки. Однако БАК, безусловно, наиболее эффективная система, которая позволяет получить уникальные данные. Так что лучше вложиться в большой международный проект и потом пользоваться результатами экспериментов, чем создавать десять менее дорогих, но и менее эффективных проектов.
Уничтожит ли коллайдер Вселенную?
Вокруг БАК существует огромное количество мифов, среди которых есть и утверждение, что ускоритель способен уничтожить нашу планету или даже всю Вселенную.
Обоснование этого мифа строится на теории о том, что Вселенная, в которой мы живем, нестабильна, а столкновения на коллайдере могут породить более стабильную версию Вселенной, которая начнет разрастаться и разрушать нашу версию.
Перезагрузка
Коллайдер высокой светимости проработает с начала 2021-го до конца 2023 года. Затем последует следующий этап модернизации для повышения светимости еще в 5–7 раз. Следующий сеанс эксплуатации будет начат в 2026 году.
Пока что точно просчитан план эксплуатации и усовершенствования ускорителя до 2034 года. Однако сейчас ЦЕРН работает над разработкой проекта FCC (Future Circular Collider), то есть коллайдера будущего, который разместится в том же тоннеле.
Большой адронный коллайдер (или БАК) - на данный момент самый большой и мощный ускоритель частиц в мире. Эта махина была запущена в 2008 году, но долго работала на пониженных мощностях. Разберемся, что это такое и зачем нужен большой адронный коллайдер.
История, мифы и факты
Идея создания коллайдера была озвучена в 1984 году. А сам проект на строительство коллайдера был одобрен и принят аж в 1995 году. Разработка принадлежит Европейскому центру ядерных исследований (CERN). Вообще запуск коллайдера привлек к себе большое внимание не только ученых, но и простых людей со всего мира. Говорили о всевозможных страхах и ужасах, связанных с запуском коллайдера.
Вся Вселенная, конечно, в самом худшем случае. В лучшем – только наша галактика. Доктор Эмет Браун.
Коллайдер уничтожает землю
А теперь попытаемся понять, почему он адронный? Дело в том, что он работает с адронами, точнее разгоняет, ускоряет и сталкивает адроны.
Адроны – класс элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию. Адроны состоят из кварков.
Адроны делятся на барионы и мезоны. Чтобы было проще, скажем, что из барионов состоит почти все известное нам вещество. Упростим еще больше и скажем, что барионы - это нуклоны (протоны и нейтроны, составляющие атомное ядро).
Как работает большой адронный коллайдер
Масштаб очень впечатляет. Коллайдер представляет собой кольцевой туннель, залегающий под землей на глубине ста метров. Длина большого адронного коллайдера составялет 26 659 метров. Протоны, разогнанные до скоростей близких к скорости света, пролетают в подземном круге по территории Франции и Швейцарии. Если говорить точно, то глубина залегания туннеля лежит в пределах от 50 до 175 метров. Для фокусировки и удержания пучков летящих протонов используются сверхпроводящие магниты, их общая длина составляет около 22 километров, а работают они при температуре -271 градусов по Цельсию.
Детектор на БАК
Большой адронный коллайдер. Фото расположения
Результаты работы большого адронного коллайдера.
Какие открытия уже совершили на БАК? Самое знаменитое – это открытие бозона Хиггса (ему мы посвятим отдельную статью). Помимо того были открыты 5 новых частиц, получены первые данные столкновений на рекордных энергиях, показано отсутствие асимметрии протонов и антипротонов, обнаружены необычные корреляции протонов. Список можно продолжать долго. А вот микроскопических черных дыр, которые наводили страх на домохозяек, обнаружить не удалось.
Большой адронный коллайдер
И это при том, что коллайдер еще не разогнали до его максимальной мощности. Сейчас максимальная энергия большого адронного коллайдера – 13 ТэВ (тера электрон-Вольт). Однако, после соответствующей подготовки протоны планируют разогнать до 14 ТэВ. Для сравнения, в ускорителях- предшественниках БАК максимально полученные энергии не превышали 1 ТэВ. Так разгонять частицы мог американский ускоритель Тэватрон из штата Иллинойс. Энергия, достигнутая в коллайдере - далеко не самая Большая в мире. Так, энергия космических лучей, зафиксированных на Земле, превышает энергию частицы, разогнанной в коллайдере в миллиард раз! Так что, опасность большого адронного коллайдера минимальна. Вполне вероятно, что после того, как все ответы будут получены с помощью БАК, человечеству придется строить еще один коллайдер по-мощнее.
Друзья, любите науку, и она обязательно полюбит Вас! А помочь Вам полюбить науку легко смогут наши авторы. Обращайтесь за помощью, и пусть учеба приносит радость!
Узнав впервые о существовании LHC, повосхищавшись его размерами, поудивлявшись непонятности и практической бесполезности его задач, читатель, как правило, задает вопрос: а зачем вообще нужен этот LHC?
В этом вопросе есть сразу несколько аспектов. Зачем людям вообще нужны эти элементарные частицы, зачем тратить столько денег на один эксперимент, какая будет польза для науки от экспериментов на LHC? Здесь я попробую дать ответы, пусть краткие и субъективные, на эти вопросы.
Зачем обществу нужна фундаментальная наука?
Начну с аналогии. Для первобытного человека связка бананов имеет очевидную пользу — их можно съесть. Острый нож тоже полезен на практике. А вот электродрель с его точки зрения — бессмысленная вещь: ее нельзя съесть, из нее нельзя извлечь какую-либо иную непосредственную пользу. Думая исключительно об удовлетворении сиюминутных потребностей, он не сможет понять ценность этого агрегата; он просто не знает, что бывают ситуации, в которых электродрель оказывается чрезвычайно полезной.
Отношение большей части общества к фундаментальной науке — примерно такое же. Только вдобавок человек в современном обществе уже пользуется огромным количеством достижений фундаментальной науки, не задумываясь об этом.
Да, люди, конечно, признают, что высокие технологии делают жизнь комфортнее. Но при этом они неявно полагают, что технологии эти — результат чисто прикладных разработок. А вот это — большое заблуждение. Надо четко понимать, что перед практической наукой регулярно встают задачи, которые она сама решить просто не в состоянии — ни с помощью накопленного практического опыта, ни через прозрение изобретателей-рационализаторов, ни методом проб и ошибок. Зато они решаются с помощью фундаментальной науки. Скажем, те свойства вещества, которые недавно казались совершенно бесполезными, вдруг открывают возможность для создания принципиально новых устройств или материалов с неожиданными возможностями. Или же вдруг обнаруживается глубокая параллель между какими-то сложными объектами из сугубо прикладной и из фундаментальной науки, и тогда абстрактные научные результаты удается использовать на практике.
В общем, фундаментальная наука — это основа технологий в долгосрочной перспективе, технологий, понимаемых в самом широком значении. И если какие-то небольшие усовершенствования существующих технологий можно сделать, ограничиваясь сугубо прикладными исследованиями, то создать новые технологии — и с их помощью преодолевать новые проблемы, регулярно встающие перед обществом! — можно, лишь опираясь на фундаментальную науку.
Опять же, прибегая к аналогиям, можно сказать, что пытаться развивать науку, ориентируясь только на немедленную практическую пользу — это словно играть в футбол, прыгая исключительно на одной ноге. И то, и другое, в принципе, можно себе представить, но в долгосрочной перспективе эффективность от обоих занятий почти нулевая.
Почему фундаментальной наукой занимаются сами ученые?
Кому нужны элементарные частицы?
Хорошо, положим, фундаментальной наукой действительно стоит заниматься, раз она спустя несколько десятков лет сможет привести к конкретным практическим достижениям. Тогда давайте будем изучать фундаментальное материаловедение, будем манипулировать отдельными атомами, будем развивать новые методики диагностики веществ, поучимся рассчитывать сложные химические реакции на молекулярном уровне. Можно легко поверить в то, что спустя десятки лет всё это приведет к новым практическим приложениям.
Но трудно себе представить, какая в принципе может быть конкретная практическая польза от топ-кварков или от хиггсовского бозона. Скорее всего, вообще никакой. Тогда какой толк в развитии физики элементарных частиц?
Толк огромный, и заключается он вот в чём.
Поэтому, кто знает, может быть, изучая теорию гравитации, мы в конце концов придем к пониманию турбулентности, развитие методов квантовой теории поля позволит по-иному взглянуть на генетическую эволюцию, а эксперименты по изучению устройства протона откроют нам новые возможности для создания материалов с экзотическими свойствами.
Кстати, иногда в ответ на вопрос о пользе физики элементарных частиц начинают перечислять те конкретные методики и приборы, которые явились побочным результатом изучения элементарных частиц. Их уже немало: адронная терапия раковых опухолей, позитронно-эмиссионная томография, мюонная химия, цифровые малодозные рентгеновские установки, самые разнообразные применения синхротронного излучения, плюс еще несколько методик в процессе разработки. Это всё верно, но надо понимать, что это именно побочная, а не главная польза от физики элементарных частиц.
Зачем надо изучать нестабильные частицы?
Окружающий нас мир состоит из частиц трех типов: протонов, нейтронов, электронов. Казалось бы, если мы хотим знать устройство нашего мира, давайте изучать только эти частицы. Кому интересны частицы, которые живут мгновения, а потом снова распадаются? Какое отношение эти частицы имеют к нашему микромиру?
Эти нестабильные частицы — невидимая, но совершенно неотъемлемая часть нашего мира, заставляющая его крутиться, работать, жить.
Вторая причина тоже вполне понятная. Если вам надо разобраться с устройством или с принципом работы какой-то очень сложной вещи, ваша задача станет намного проще, если вам разрешат как-то изменять, перестраивать эту вещь. Собственно, этим и занимаются отладчики (не важно чего: техники, программного кода и т. п.) — они смотрят, что изменится, если сделать так, повернуть эдак.
Зачем нужны такие огромные ускорители?
В кольцевых ускорителях частицы летают по кругу и удерживаются на этой траектории магнитным полем мощных сверхпроводящих магнитов. Чем больше энергия частиц — тем большее требуется магнитное поле при постоянном радиусе или тем большим должен быть радиус при постоянном магнитном поле. Увеличивать силу магнитного поля очень трудно с физической и инженерной точки зрения, поэтому приходится увеличивать размеры ускорителя.
Впрочем, физики сейчас работают над новыми, намного более эффективными методиками ускорения элементарных частиц (см., например, новость Первое применение лазерных ускорителей будет медицинским). Если эти методы оправдают свои ожидания, то в будущем максимально достижимая энергия частиц сможет увеличиться при тех же размерах ускорителей. Однако ориентироваться тут можно лишь на срок в несколько десятков лет.
Зачем нужны такие дорогие эксперименты?
Часто можно услышать возмущенные голоса: а по какому праву физики тратят такие огромные деньги налогоплательщиков на удовлетворение собственного любопытства? Ведь их можно потратить и с гораздо большей конкретной практической пользой!
Как это финансирование распределяется между разными научными дисциплинами, зависит от конкретной страны. Значительная часть уходит в биомедицинские исследования, часть — в исследования климата, в физику конденсированных сред, астрофизику и т. д. Своя доля уходит и в физику элементарных частиц.
Типичный годовой бюджет экспериментальной физики элементарных частиц, просуммированный по всем странам, — порядка нескольких миллиардов долларов (см., например, данные по США). Большинство этих денег тратится на многочисленные эксперименты небольшого масштаба, которых поставлено в последние годы порядка сотни, причем они финансируются на уровне отдельных институтов или в редких случаях — стран. Однако опыт последних десятилетий показал, что если объединить хотя бы часть денег, выделяемых на ФЭЧ во многих странах, в результате может получиться эксперимент, научная ценность которого намного превзойдет суммарную ценность множества мелких разрозненных экспериментов.
Именно с целью резкого увеличения научной эффективности при тех же деньгах и был создан LHC. Подробности про ожидаемую научную ценность экспериментов можно узнать из списка задач, стоящих перед LHC.
Большой адронный коллайдер — самый мощный ускоритель частиц в мире. Многие думают, что он способен уничтожить планету, создав черные дыры или опасную материю. Разбираемся, возможно ли это и зачем на самом деле нужен БАК
Что такое адронный коллайдер
Адронный коллайдер — это ускоритель, разгоняющий частицы высокой энергии почти до скорости света с помощью воздействия электромагнитных полей. Такое название устройство получило потому, что работает с определенным классом частиц — адронами (составными частицами, подверженными сильному ядерному взаимодействию) — и в процессе сталкивает их (англ. collider — сталкиватель).
Первый в мире адронный коллайдер ISR был запущен в 1971 году Европейской организацией по ядерным исследованиям (ЦЕРН). Устройство было небольшим — 943 м в длину, а максимальная энергия частиц, до которой оно могло их разогнать, — 28 ГэВ. В 1980-х годах работу ISR остановили и направили финансовые средства, которые уходили на его содержание, на строительство более мощного электрон-позитронного коллайдера. Последний проработал до 2001 года, пока его не сменил Большой адронный коллайдер — на сегодняшний день самый мощный ускоритель адронов в мире.
БАК находится на границе между Францией и Швейцарией, возле города Женевы, в тоннеле глубиной 100 м. Длина ускорителя — почти 27 км, а максимальная энергия частиц, до которой он может их разогнать, — 7 ТэВ, что почти в 230 раз больше, чем у первого адронного коллайдера.
Большой адронный коллайдер является самой крупной экспериментальной установкой в мире — в строительстве, которое длилось почти 10 лет, принимало участие более 10 000 ученых и инженеров из 100 стран. Затраты на создание БАК оцениваются в €4,6 млрд.
Сотрудники ЦЕРН создали онлайн-карту Большого адронного коллайдера, с помощью которой можно увидеть туннель, в котором он находится, и часть ускорительного кольца.
Для чего нужен Большой адронный коллайдер
В физике элементарных частиц есть важный постулат — Стандартная модель. Это теория, описывающая, как взаимодействуют элементарные частицы нашего мира: кварки, бозоны, лептоны, барионы. Ученым интересны эти отношения, потому что в результате них могут появиться новые или очень редкие элементы, которые плохо или вообще не изучены. Это, в свою очередь, позволит узнать больше о мире и его материи.
Чтобы открывать новые частицы, нужно проводить эксперименты. В этом ученым и помогают коллайдеры. Установки воспроизводят процессы, которые в действительности происходят в природе, то есть сталкивают друг с другом заряженные частицы материи — протоны с протонами или электроны с позитронами. После этого собранные данные фиксируются и передаются на компьютер. У ученых есть возможность детально изучить результаты взаимодействия заряженных частиц: обнаружить следы распада мюонов, пи- и К-мезонов и другие события, возникшие в коллайдере.
Анатолий Сидорин, заместитель начальника ускорительного отделения Лаборатории физики высоких энергий имени В. И. Векслера и А. М. Балдина в Дубне, один из ведущих экспертов по кольцевым ускорителям и коллайдерам:
«Строительство Большого адронного коллайдера в ЦЕРН вызвало закрытие нескольких небольших ускорительных лабораторий почти по всей Европе: в Голландии, в Швеции, во Франции. Но Национальное научное сообщество на это пошло, потому что это был общеевропейский проект — с ним Европа становилась лидером в области физики высоких энергий.
Помимо поиска черных дыр и обнаружения бозона Хиггса, перед адронным коллайдером стоит еще несколько задач:
-
, 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. — самых тяжелых элементарных частиц. Их свойства недостаточно изучены и потому интересны физикам. , которая возникает при столкновении ядер свинца. Исследование этого явления поможет ученым построить более совершенные теории сильных взаимодействий частиц.
Как работает Большой адронный коллайдер
Большой адронный коллайдер — это ускорительное кольцо окружностью 27 км, оборудованное огромным количеством установок, каждая из которых выполняет свою функцию. Ускорительное кольцо можно условно разделить на восемь секторов, через которые проходят пучки частиц.
Пучки частиц поступают в Большой адронный коллайдер из предварительного ускорителя SPS — протонного суперсинхротрона, который их формирует, а затем впрыскивает в специальный отсек БАК. Внутри коллайдера протоны начинают циркулировать в противоположных направлениях по двум вакуумным трубам. По мере своего движения они пролетают через следующие 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.
Анатолий Сидорин:
«Детектор — это огромное количество электроники, по сигналам которой можно отследить сорта частиц, образованные при столкновении пучков протонов, а также их параметры: энергию, направление движения и так далее.
Все данные получаются в виде потока информации — около 20 Гб в секунду. Такой объем информации просто так сохранить невозможно, поэтому есть дополнительная сортировка. Из всего объема информации, которая идет от электроники детектора, отбираются только те сигналы, по которым можно реконструировать события — возникновение частиц.
Для того чтобы удерживать протонные пучки внутри ускорителя, на них необходимо воздействовать магнитным полем. Для этого на Большом адронном коллайдере установлено несколько тысяч мощных магнитов.
Кто обслуживает Большой адронный коллайдер
Все органы управления БАК находятся в центре управления ЦЕРН. В постоянном штате примерно 1,5 тыс. человек: инженерный научный персонал, который обеспечивает работу ускорительного комплекса, сотрудники, занимающиеся развитием, ремонтом и модернизацией установки и так далее.
Другая категория сотрудников на БАК — приглашенные группы ученых, которые проводят эксперименты. Они приезжают на определенное время и изучают данные, полученные с детектора. Помимо этого, физики из других стран помогают контролировать работу БАК: выходят на смены и следят за его приборами и системами.
Большой адронный коллайдер работает круглосуточно — выключать его нельзя. Это связано с тем, что он постоянно потребляет большое количество энергии, в основном на поддержание низкой температуры. Наблюдать за коллайдером тоже нужно постоянно, поэтому сутки разделены минимум на три рабочие смены.
Что открыли на Большом адронном коллайдере
На сегодняшний день бозон Хиггса — единственное открытие, сделанное на Большом адронном коллайдере. Эта элементарная частица была необходима ученым, чтобы объяснить нарушение электрослабой симметрии, в результате которой другие частицы, которые изначально ничего не весили, приобрели массу.
Чтобы объяснить нарушение симметрии, в 1970-х годах Питер Хиггс и еще несколько ученых выдвинули теорию, согласно которой Вселенную пронизывает некое поле, при взаимодействии с которым частицы приобретают массу. Позже его назвали полем Хиггса. Для подтверждения теории ученым нужно было найти и доказать существование бозона Хиггса — основы материи поля Хиггса.
Несколько десятков лет Франсуа Энглерт и Питер Хиггс путем экспериментов пытались обнаружить бозон Хиггса, но все было безрезультатно. Эту частицу сложно увидеть, потому что она нестабильна, а появившись, сразу распадается — нужно было мощное оборудование, которое сможет запечатлеть следы ее распада. Однако с помощью экспериментов на электрон-позитронном коллайдере ученые смогли определить примерную массу бозона Хиггса, что значительно облегчило поиски.
Работы были продолжены на Большом адронном коллайдере, и в 2012 году экспериментаторы объявили, что каждый из них наблюдал новую частицу, которая своей массой и другими признаками похожа на бозон Хиггса. В 2013 году находку ученых официально признали, а Франсуа Энглерт и Питер Хиггс получили Нобелевскую премию за свои открытия.
Почему люди боятся Большого адронного коллайдера
БАК и микроскопические черные дыры
Согласно одной из теорий, во время столкновения протонов на Большом адронном коллайдере могут появиться черные дыры. Если они окажутся стабильными и не распадутся, то попадут в центр Земли, поглотят ее материю и разрушат планету. Начало этим предположениям положил гаваец Уолтер Вагнер — он подал иск с требованием остановить строительство БАК и провести дополнительные тесты, чтобы доказать безопасность установки. После суда стали переживать и остальные. Так, группа неизвестных угрожала расправой ученым, которые работали над БАК.
Но устрашающий сценарий невозможен. То, что происходит в БАК, также происходит в природе, только в гораздо больших масштабах и на огромных мощностях. А значит, микроскопические черные дыры уже давно бы возникли. Кроме того, согласно теории относительности Эйнштейна, микроскопические черные дыры не могут возникнуть на БАК, потому что частицы, которые могли бы их образовывать, моментально распадаются.
Анатолий Сидорин:
БАК и страпельки
Последователи другой теории предполагают, что во время работы БАК могут появиться страпельки — часть странной материи, которая состоит из странных кварков. Если эти частицы попадут в обычную материю, то начнется цепная реакция и вся планета превратится в комок странной материи, непригодный для жизни.
Осложняется все тем, что странная материя до сих пор плохо изучена и никто из ученых не может сказать, как она себя поведет (отсюда и ее название).
Однако многолетние эксперименты показали, что за все время работы БАК в нем не возникло ни одной страпельки. Найти эти части пытались и физики из Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке на другом коллайдере, но поиски, которые начались еще в 2000 году, на сегодняшний день не дали результатов.
БАК и магнитные монополи
Магнитные монополи — гипотетически существующие частицы с одним магнитным зарядом: либо северным, либо южным. Согласно некоторым теориям, если эти элементы действительно существуют, они могут вызвать распад протонов — одних из основных частиц материи — и, как следствие, разрушение материи и мира.
Люди опасаются, что в БАК могут производиться магнитные монополи. Но это не так: специалисты ЦЕРН доказали, что если монополи и существуют, они имеют слишком большую массу — даже для БАК. Но даже имея подходящий для ускорителя вес, они уже давно бы появились: космические лучи, попадающие в атмосферу Земли, произвели бы их намного раньше.
Анатолий Сидорин:
«Мифы о Большом адронном коллайдере возникают из-за гипертрофированного антропоцентризма. Многие думают, что человек — самая мощная сила на планете, и он может уничтожить планету. На самом деле это не так.
Все ускорители, которые работают на текущий момент, производят в тысячи, если не в миллионы раз меньше событий, чем космическое излучение, падающее на Землю. Все, что делают коллайдеры, происходит со значительно большей частотой в течение всего времени существования планеты в атмосфере и на поверхности земли.
Будущее Большого адронного коллайдера
Большой адронный коллайдер отработал на первоначальных настройках и в 2018 году был приостановлен. Сделано это для того, чтобы повысить его светимость, то есть увеличить производительность в 10 раз. Это поможет БАК обнаруживать больше эпизодов возникновения новых частиц.
В режиме повышенной светимости Большой адронный коллайдер отработает примерно до 2040 года — дата сдвигается из-за пандемии коронавируса и задержки реализации проекта. К этому времени ускоритель наберет достаточный объем данных по бозону Хиггса, а после еще минимум 50 лет ученые будут их обрабатывать.
Читайте также: