Большой адронный коллайдер устройство и принцип работы. Большой адронный коллайдер - зачем он нужен? Что такое коллайдер в цифрах

В Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) в канун его 60-летия побывала Наталия Демина. Она уверена, что после модернизации Большой адронный коллайдер будет готов к новым открытиям .

По туннелю Большого адронного коллайдера на велосипеде я так и не покаталась. Хотя два десятка велосипедов, подвешенных на специальной стойке или прислоненных к стене, явно ждали желающих. Мы как раз были внизу, как вдруг прозвучала сирена. Нашу группу тут же поторопили к лифту, который поднял нас на поверхность, на 90 м вверх. «Если в туннеле начнется пожар, то всё заполнится специальной пеной, в которой можно дышать» , — успокаивал нас сопровождающий, веселый афрошвейцарец Абдилла Абал (Abdillah Abal) . «А вы в ней дышать пробовали?» — спросила я. «Нет!» — ответил он, и все засмеялись.

К зданию, где проходит эксперимент ALICE , через несколько минут приехала пожарная команда. Поиски причины тревоги продолжались около часа — оказалось, что в туннеле сработал датчик уровня кислорода, но вниз нам спуститься уже не дали.

Сам ЦЕРН похож на город, на въезде вас встретит шлагбаум с охранником, который проверит пропуск или бронь в местной гостинице-общежитии. «Раньше было проще , — говорят старожилы. — Всё это появилось только после того, как случилось несколько неприятных инцидентов, в том числе и с зелеными» . Что еще за инциденты? ЦЕРН открыт миру, каждый день на его территорию и в музей («Сфера науки и инноваций») приезжают на экскурсии школьники, студенты и преподаватели, которым рассказывают о прошлом, настоящем и будущем одного из лучших физических центров мира. В ЦЕРНе, кажется, есть всё: и почта, и вкусный недорогой ресторан самообслуживания, и банк, и японская сакура, и русские березы. Почти рай — что для сотрудников, что для посетителей. Но существует и какое-то небольшое количество людей, которым «инциденты» нужны как воздух, и надо уметь этому как-то разумно противостоять.

Само 27-километровое кольцо находится на глубине 50-150 м на территории как Франции, так и Швейцарии. Из центра Женевы в ЦЕРН можно приехать на обычном городском трамвае всего 20-30 минут. Граница между двумя странами почти незаметна, и пока мне не сказали: «Смотри, вот граница» , я бы ее не заметила. Машины и пешеходы едут не останавливаясь. Я и сама ходила туда-сюда, от гостиницы в ЦЕРН, смеясь про себя, что иду на ужин из Франции в Швейцарию.

До приезда в ЦЕРН я не знала о той роли, которую сыграла в строительстве коллайдера российская оборонка, оставшаяся еще со времен СССР. Так, для адронного торцевого калориметра детектора CMS надо было сделать большой объем специальных пластин из латуни. Где взять латунь? Выяснилось, что на Севере, на наших военно-морских предприятиях, скопилось много стреляных гильз, вот их и переплавили.

«В свое время, когда американцы грозили СССР “звездными войнами”, академик Велихов предложил разместить на орбите лазерное оружие. Для лазеров нужны были специальные кристаллы , — рассказал мне Владимир Гаврилов, руководитель эксперимента CMS от Института теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ) . — Для этого проекта было построено несколько заводов. Но потом всё это обвалилось, заводам стало нечего делать. Оказалось, что завод в Богородицке Тульской области может делать кристаллы, которые нужны для CMS» .

ЭКСПЕРИМЕНТЫ ATLAS И CMS

На Большом адронном коллайдере проходит четыре больших эксперимента (ATLAS , CMS , ALICE и LHCb ) и три малых (LHCf , MoEDAL и TOTEM ). Поток данных с четырех больших экспериментов составляет 15 петабайт (15 млн Гбайт) в год, что потребовало бы для записи 20-километровую стопку CD-дисков. Честь открытия бозона Хиггса принадлежит совместно ATLAS и CMS , в составе этих коллабораций много ученых из России. Всего за 60 лет в ЦЕРНе поработало больше тысячи российских специалистов. Детектор ATLAS не может не поражать воображение : 35 м в высоту, 33 м в ширину и почти 50 м в длину. Николай Зимин, сотрудник Объединенного института ядерных исследований в Дубне и этого эксперимента, много лет работающий в ЦЕРНе, сравнил детектор с гигантской матрешкой. «Каждый из верхних слоев детекторов окружает предыдущий, стараясь максимально перекрыть телесный угол. В идеале нужно сделать так, чтобы все вылетающие частицы можно было поймать и чтобы в детекторе были минимизированы “мертвые зоны”» , — подчеркивает он. Каждая из детекторных подсистем, «слои детектора», регистрирует те или иные частицы, рождающиеся при столкновении протонных пучков.

Сколько всего «матрешек» в большой «матрешке-детекторе»? Четыре большие подсистемы, включая мюонную и систему калориметров. В итоге вылетающая частица пересекает около 50 «слоев регистрации» детектора, каждый из которых собирает ту или иную информацию. Ученые определяют траекторию движения этих частиц в пространстве, их заряды, скорости, массу и энергию.

Протонные пучки сталкиваются только в тех местах, которые окружены детекторами, в других же местах коллайдера они летят по параллельным трубам.

Ускоренные и запущенные в Большой адронный коллайдер пучки крутятся в течение 10 часов, за это время они проходят путь в 10 млрд км, что достаточно для путешествия до Нептуна и обратно. Путешествующие с почти световой скоростью протоны делают по 27-километровому кольцу 11 245 оборотов в секунду!

Выходящие из инжектора протоны пропускаются через целый каскад ускорителей, пока не попадут в большое кольцо. «ЦЕРНу, в отличие от российских центров, удалось каждый свой рекордный для своего времени ускоритель использовать как предускоритель для следующего» , — отмечает Николай Зимин . Началось всё с Протонного синхротрона (PS, 1959) , потом был Суперпротонный синхротрон (SPS, 1976) , потом Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP, 1989) . Потом LEP «вырезали» из туннеля, чтобы сэкономить деньги, и на его месте построили Большой адронный коллайдер. «Потом LHC “вырежут”, построят суперLHC, уже есть такие идеи. А может, сразу начнут строить FCC (Future Circular Colliders), и появится уже 100-километровый коллайдер на 50 ТэВ» , — продолжает свой рассказ Зимин .

«Почему здесь всё так хорошо организовано с точки зрения безопасности? Потому что внизу много опасностей. Во-первых, само по себе подземелье на 100-метровой глубине. Во-вторых, там очень много криогенной техники, ATLAS работает с двумя магнитными полями. Одно из них образовано центральным сверхпроводящим соленоидом, который надо охлаждать. Второе — самыми крупными в мире магнитными тороидами. Это 25-метровые бублики в одном направлении и 6-метровые — в другом. В каждом из них циркулирует ток в 20 кА. И их тоже надо охлаждать жидким гелием. Запасенной энергии магнитного поля у нас 1,6 ГДж, так что если что-то случится, то последствия разрушения детектора могут быть катастрофическими. В пучковой камере детектора высокий вакуум, и если он нарушится, то может получиться взрыв» , — говорит Николай Зимин .

«Здесь одно из самых пустых (в смысле вакуума) мест в Солнечной системе и одно из самых холодных во Вселенной: 1,9 К (-271,3 °C). Одновременно — одно из самых горячих мест в Галактике» , — так любят говорить в ЦЕРНе, и всё это не преувеличение. На БАКе — крупнейшая система охлаждения в мире, она необходима для поддержания 27-километрового кольца в состоянии сверхпроводимости. В трубах, по которым летят пучки протонов, создан ультравысокий вакуум в 10-12 атмосферы, чтобы избежать столкновений с молекулами газа.

РЕСПУБЛИКИ КОЛЛАБОРАЦИЙ

Работа на Большом адронном коллайдере проходит в условиях постоянной научной конкуренции между коллаборациями. Но бозон Хиггса был открыт одновременно и группой ATLAS, и группой CMS . Владимир Гаврилов (CMS) подчеркивает важность того, что две независимые коллаборации работали над этой задачей одновременно. «Заявление о том, что нашли бозон Хиггса, прозвучало только после того, как обе коллаборации выдали результаты, полученные совершенно разными путями, но указывающие примерно на одни и те же параметры с возможной для двух детекторов точностью. Сейчас эта точность увеличивается, и согласие между результатами еще лучше» . «ЦЕРН и коллаборации — это разные вещи. ЦЕРН — это лаборатория, она дает вам ускоритель, а коллаборации — это отдельные государства ученых со своей конституцей, своими финансами, менеджментом. И люди, которые работают на детекторах, на 90% не сотрудники ЦЕРНа, а сотрудники институтов, их работу оплачивают государства-участники и институты, и ЦЕРН входит в коллаборацию на тех же основаниях, что и прочие институты» , — поясняет Олег Федин из Петербургского института ядерной физики .

БУДУЩЕЕ БОЛЬШОГО АДРОННОГО КОЛЛАЙДЕРА

Уже полтора года коллайдер не работает , инженеры и техники проверяют и заменяют оборудование. «Мы собираемся запустить первые пучки в январе 2015 года. Когда придут первые интересные результаты, я не знаю. Энергия коллайдера будет увеличена почти вдвое — от 7 до 13 ТэВ, — это, по сути, новая машина» , — сообщил нам генеральный директор ЦЕРНа Рольф-Дитер Хойер (Rolf-Dieter Heuer) .

Чего ждет Рольф Хойер от пуска БАКа после модернизации? «Я мечтаю о том, что здесь, на БАКе, нам удастся найти следы частиц темной материи. Это будет замечательно. Но это только мечта! Я не могу гарантировать, что мы это найдем. И, разумеется, мы можем открыть какие-то новые вещи. С одной стороны, есть Стандартная модель — она поразительно хорошо описывает мир. Но ничего не объясняет. Слишком много параметров введено вручную. Стандартная модель — это фантастика. Но вне Стандартной модели — еще большая фантастика» .

В канун 60-летия ЦЕРНа Рольф Хойер отмечает, что все эти годы научный центр жил под девизом: «60 лет науки для мира». По его словам, «ЦЕРН не то чтобы игнорировал, но старался держаться как можно дальше от любых политических вопросов. С самого основания ЦЕРНа, когда между Западом и Востоком было разделение, представители с обеих сторон могли работать здесь вместе. Сегодня у нас работают ученые из Израиля и Палестины, Индии и Пакистана… Мы стараемся держаться вне политики, мы стараемся работать как представители человечества, как нормальные люди» .

В статье использована брошюра LHC The guide. Электронная версия — на сайте

Сокращённо БАК (англ. Large Hadron Collider, сокращённо LHC) - ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в ЦЕРНе (Европейский совет ядерных исследований), находящемся около Женевы, на границе Швейцарии и Франции. БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 тыс. учёных и инженеров из более чем 100 стран.

Большим назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м; адронным - из-за того, что он ускоряет адроны, то есть тяжёлые частицы, состоящие из кварков; коллайдером (англ. collider - сталкиватель) - из-за того, что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках столкновения.

Технические характеристики BAK

В ускорителе предполагается сталкивать протоны с суммарной энергией 14 ТэВ (то есть 14 тераэлектронвольт или 14·1012 электронвольт) в системе центра масс налетающих частиц, а также ядра свинца с энергией 5 ГэВ (5·109 электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов. На начало 2010 года БАК уже несколько превзошел по энергии протонов предыдущего рекордсмена - протон-антипротонный коллайдер Тэватрон, который до конца 2011 года работал в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (США). Несмотря на то, что наладка оборудования растягивается на годы и ещё не завершена, БАК уже стал самым высокоэнергичным ускорителем элементарных частиц в мире, на порядок превосходя по энергии остальные коллайдеры, в том числе и релятивистский коллайдер тяжёлых ионов RHIC, работающий в Брукхейвенской лаборатории (США).

Светимость БАК во время первых недель работы пробега была не более 1029 частиц/см 2 ·с, тем не менее она продолжает постоянно повышаться. Целью является достижение номинальной светимости в 1,7·1034 частиц/см 2 ·с, что по порядку величины соответствует светимостям BaBar (SLAC, США) и Belle (англ.) (KEK, Япония).

Ускоритель расположен в том же туннеле, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер . Туннель с длиной окружности 26,7 км проложен под землёй на территории Франции и Швейцарии. Глубина залегания туннеля - от 50 до 175 метров, причём кольцо туннеля наклонено примерно на 1,4 % относительно поверхности земли. Для удержания, коррекции и фокусировки протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км. Магниты работают при температуре 1,9 K (-271 °C), что немного ниже температуры перехода гелия в сверхтекучее состояние.

Детекторы БАК

На БАК работают 4 основных и 3 вспомогательных детектора:

• ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
• ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)
• CMS (Compact Muon Solenoid)
• LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment)
• TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement)
• LHCf (The Large Hadron Collider forward)
• MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC).

ATLAS, CMS, ALICE, LHCb - большие детекторы, расположенные вокруг точек столкновения пучков. Детекторы TOTEM и LHCf - вспомогательные, находятся на удалении в несколько десятков метров от точек пересечения пучков, занимаемых детекторами CMS и ATLAS соответственно, и будут использоваться попутно с основными.

Детекторы ATLAS и CMS - детекторы общего назначения, предназначены для поиска бозона Хиггса и «нестандартной физики», в частности тёмной материи, ALICE - для изучения кварк-глюонной плазмы в столкновениях тяжёлых ионов свинца, LHCb - для исследования физики b-кварков, что позволит лучше понять различия между материей и антиматерией, TOTEM - предназначен для изучения рассеяния частиц на малые углы, таких что происходит при близких пролётах без столкновений (так называемые несталкивающиеся частицы, forward particles), что позволяет точнее измерить размер протонов, а также контролировать светимость коллайдера, и, наконец, LHCf - для исследования космических лучей, моделируемых с помощью тех же несталкивающихся частиц.

С работой БАК связан также седьмой, совсем незначительный в плане бюджета и сложности, детектор (эксперимент) MoEDAL, предназначенный для поиска медленно движущихся тяжёлых частиц.

Во время работы коллайдера столкновения проводятся одновременно во всех четырёх точках пересечения пучков, независимо от типа ускоряемых частиц (протоны или ядра). При этом все детекторы одновременно набирают статистику.

Ускорение частиц в коллайдере

Скорость частиц в БАК на встречных пучках близка к скорости света в вакууме. Разгон частиц до таких больших энергий достигается в несколько этапов. На первом этапе низкоэнергетичные линейные ускорители Linac 2 и Linac 3 производят инжекцию протонов и ионов свинца для дальнейшего ускорения. Затем частицы попадают в PS-бустер и далее в сам PS (протонный синхротрон), приобретая энергию в 28 ГэВ. При этой энергии они уже движутся со скоростью близкой к световой. После этого ускорение частиц продолжается в SPS (протонный суперсинхротрон), где энергия частиц достигает 450 ГэВ. Затем сгусток протонов направляют в главное 26,7-километровое кольцо, доводя энергию протонов до максимальных 7 ТэВ, и в точках столкновения детекторы фиксируют происходящие события. Два встречных пучка протонов при полном заполнении могут содержать 2808 сгустков каждый. На начальных этапах отладки процесса ускорения циркулируют лишь по одному сгустку в пучке длиной несколько сантиметров и небольшого поперечного размера. Затем начинают увеличивать количество сгустков. Сгустки располагаются в фиксированных позициях относительно друг друга, которые синхронно движутся вдоль кольца. Сгустки в определённой последовательности могут сталкиваться в четырёх точках кольца, где расположены детекторы частиц.

Кинетическая энергия всех сгустков адронов в БАКе при полном его заполнении сравнима с кинетической энергией реактивного самолета, хотя масса всех частиц не превышает нанограмма и их даже нельзя увидеть невооружённым глазом. Такая энергия достигается за счёт скорости частиц, близкой к скорости света.

Сгустки проходят полный круг ускорителя быстрее, чем за 0,0001 сек, совершая, таким образом, свыше 10 тыс. оборотов в секунду

Цели и задачи БАК

Главная задача Большого адронного коллайдера - выяснить устройство нашего мира на расстояниях меньше 10 –19 м, "прощупав" его частицами с энергией несколько ТэВ. К настоящему времени уже накопилось много косвенных свидетельств того, что на этом масштабе физикам должен открыться некий «новый пласт реальности», изучение которого даст ответы на многие вопросы фундаментальной физики. Каким именно окажется этот пласт реальности - заранее не известно. Теоретики, конечно, предложили уже сотни разнообразных явлений, которые могли бы наблюдаться на энергиях столкновений в несколько ТэВ, но именно эксперимент покажет, что на самом деле реализуется в природе.

Поиск Новой физики Стандартную модель не может считаться окончательной теорией элементарных частиц. Она должна быть частью некоторой более глубокой теории строения микромира, той частью, которая видна в экспериментах на коллайдерах при энергиях ниже примерно 1 ТэВ. Такие теории коллективно называют «Новая физика» или «За пределами Стандартной модели». Главная задача Большого адронного коллайдера - получить хотя бы первые намеки на то, что это за более глубокая теория. Для дальнейшего объединения фундаментальных взаимодействий в одной теории используются различные подходы: теория струн, получившая своё развитие в М-теории (теории бран), теория супергравитации, петлевая квантовая гравитация и др. Некоторые из них имеют внутренние проблемы, и ни у одной из них нет экспериментального подтверждения. Проблема в том, что для проведения соответствующих экспериментов нужны энергии, недостижимые на современных ускорителях заряженных частиц. БАК позволит провести эксперименты, которые ранее были невозможны и, вероятно, подтвердит или опровергнет часть этих теорий. Так, существует целый спектр физических теорий с размерностями больше четырёх, которые предполагают существование «суперсимметрии» - например, теория струн, которую иногда называют теорией суперструн именно из-за того, что без суперсимметрии она утрачивает физический смысл. Подтверждение существования суперсимметрии, таким образом, будет косвенным подтверждением истинности этих теорий. Изучение топ-кварков Топ-кварк - самый тяжёлый кварк и, более того, это самая тяжёлая из открытых пока элементарных частиц. Согласно последним результатам Тэватрона, его масса составляет 173,1 ± 1,3 ГэВ/c 2 . Из-за своей большой массы топ-кварк до сих пор наблюдался пока лишь на одном ускорителе - Тэватроне, на других ускорителях просто не хватало энергии для его рождения. Кроме того, топ-кварки интересуют физиков не только сами по себе, но и как «рабочий инструмент» для изучения бозона Хиггса. Один из наиболее важных каналов рождения бозона Хиггса в БАК - ассоциативное рождение вместе с топ-кварк-антикварковой парой. Для того, чтобы надёжно отделять такие события от фона, предварительно необходимо изучение свойств самих топ-кварков. Изучение механизма электрослабой симметрии Одной из основных целей проекта является экспериментальное доказательство существования бозона Хиггса - частицы, предсказанной шотландским физиком Питером Хиггсом в 1964 году в рамках Стандартной модели. Бозон Хиггса является квантом так называемого поля Хиггса, при прохождении через которое частицы испытывают сопротивление, представляемое нами как поправки к массе. Сам бозон нестабилен и имеет большую массу (более 120 ГэВ/c 2). На самом деле, физиков интересует не столько сам бозон Хиггса, сколько хиггсовский механизм нарушения симметрии электрослабого взаимодействия. Изучение кварк-глюонной плазмы Ожидается, что примерно один месяц в год будет проходить в ускорителе в режиме ядерных столкновений. В течение этого месяца коллайдер будет разгонять и сталкивать в детекторах не протоны, а ядра свинца. При неупругом столкновении двух ядер на ультрарелятивистских скоростях на короткое время образуется и затем распадается плотный и очень горячий комок ядерного вещества. Понимание происходящих при этом явлений (переход вещества в состояние кварк-глюонной плазмы и её остывание) нужно для построения более совершенной теории сильных взаимодействий, которая окажется полезной как для ядерной физики, так и для астрофизики. Поиск суперсимметрии Первым значительным научным достижением экспериментов на БАК может стать доказательство или опровержение «суперсимметрии» - теории, гласящей, что любая элементарная частица имеет гораздо более тяжёлого партнера, или «суперчастицу». Изучение фотон-адронных и фотон-фотонных столкновений Электромагнитное взаимодействие частиц описывается как обмен (в ряде случаев виртуальными) фотонами. Другими словами, фотоны являются переносчиками электромагнитного поля. Протоны электрически заряжены и окружены электростатическим полем, соответственно это поле можно рассматривать как облако виртуальных фотонов. Всякий протон, особенно релятивистский протон, включает в себя облако виртуальных частиц как составную часть. При столкновении протонов между собой взаимодействуют и виртуальные частицы, окружающие каждый из протонов. Математически процесс взаимодействия частиц описывается длинным рядом поправок, каждая из которых описывает взаимодействие посредством виртуальных частиц определённого типа (см.: диаграммы Фейнмана). Таким образом, при исследовании столкновения протонов косвенно изучается и взаимодействие вещества с фотонами высоких энергий, представляющее большой интерес для теоретической физики. Также рассматривается особый класс реакций - непосредственное взаимодействие двух фотонов, которые могут столкнуться как со встречным протоном, порождая типичные фотон-адронные столкновения, так и друг с другом. В режиме ядерных столкновений, из-за большого электрического заряда ядра, влияние электромагнитных процессов имеет ещё большее значение. Проверка экзотических теорий Теоретики в конце XX века выдвинули огромное число необычных идей относительно устройства мира, которые все вместе называются «экзотическими моделями». Сюда относятся теории с сильной гравитацией на масштабе энергий порядка 1 ТэВ, модели с большим количеством пространственных измерений, преонные модели, в которых кварки и лептоны сами состоят из частиц, модели с новыми типами взаимодействия. Дело в том, что накопленных экспериментальных данных оказывается всё ещё недостаточно для создания одной-единственной теории. А сами все эти теории совместимы с имеющимися экспериментальными данными. Поскольку в этих теориях можно сделать конкретные предсказания для БАК, экспериментаторы планируют проверять предсказания и искать следы тех или иных теорий в своих данных. Ожидается, что результаты, полученные на ускорителе, смогут ограничить фантазию теоретиков, закрыв некоторые из предложенных построений. Другое Также ожидается обнаружение физических явлений вне рамок Стандартной Модели. Планируется исследование свойств W и Z-бозонов, ядерных взаимодействий при сверхвысоких энергиях, процессов рождения и распадов тяжёлых кварков (b и t).

Новость о проводимом в Европе эксперименте сколыхнула общественное спокойствие, поднявшись на первые позиции списка обсуждаемых тем. Адронный коллайдер засветился всюду – на ТВ, в прессе и интернете. Что уж говорить, если жж-юзеры создают отдельные сообщества, где уже сотни неранодушных активно высказали свое мнения по поводу нового детища науки. «Дело» предлагает вам 10 фактов, которые нельзя не знать об адронном коллайдере .

Таинственное научное словосочетание перестает быть таковым, как только мы разберемся со значенем каждого из слов. Адрон – название класса элементарных частиц. Коллайдер – специальный ускоритель, с помощью которого возможно передать элементарным частицам вещества высокую энергию и, разогнав до высочайшей скорости, воспроизвести их столкновение друг с другом.

2. Почему о нем все говорят?

По мнению ученых Европейского центра ядерных исследований CERN, эксперимент позволит воспроизвести в миниатюре взрыв, в результате которого миллиарды лет назад образовалась Вселенная. Однако больше всего общественность волнует то, какими будут последствия мини-взрыва для планеты в случае неудачного исхода эксперимента. По мнению некоторых ученых, в результате сталкивания элементарных частиц, летящих с ультрарелятивистскими скоростями в противоположных направлениях, образуются микроскопические черные дыры, а также вылетят другие опасные частицы. Полагаться же на специальное излучение, приводящее к испарению черных дыр особо не стоит – экспериментальных подтверждений тому, что оно работает, нет. Потому-то к такой научной инновации и возникает недоверие, активно подогреваемое скептически настроенными учеными.

3. Как работает эта штуковина?

Элементарные частицы разгоняются на разных орбитах в противоположных направлениях, после чего помещаются на одну орбиту. Ценность замысловатого устройства в том, что благодаря ему ученые получают возможность исследовать продукты столкновения элементарных частиц, фиксируемые специальными детекторами в виде цифровых фотокамеры с разрешением в 150 мегапикселей, способных делать 600 миллионов кадров в секунду.

4. Когда появилась идея создать коллайдер?

Идея строительства машины родилась еще в 1984 году, однако строительство туннеля началось только в 2001 году. Ускоритель расположен в том же туннеле, где прежде находился предыдущий ускоритель – Большой электрон-позитронный коллайдер. 26,7 – километровое кольцо проложено на глубине около ста метров под землёй на территории Франции и Швейцарии. 10 сентября в ускорителе был запущен первый пучок протонов. В ближайшие несколько дней будет запущен второй пучок.

5. Во сколько обошлось строительство?

В разработке проекта участвовали сотни ученых всего мира, в том числе и российские. Его стоимость оценивается в 10 миллиардов долларов, из них 531 миллион в строительство адронного коллайдера вложили США.

6. Какой вклад внесла Украина в создание ускорителя?

Ученые украинского Института теоретической физики приняли непосредственное участие в построении андронного коллайдера. Специально для исследований ими была разработана внутренняя трековая система (ITS). Она является сердцем «Алисы» — части коллайдера , где должен произойти миниатюрный «большой взрыв». Очевидно, весьма не последняя по значимости деталь машины. Украина должна ежегодно выплачивать 200 тысяч гривен за право участия в проекте. Это в 500-1000 раз меньше взносов в проект других стран.

7. Когда ждать конца света?

Первый эксперимент по столкновению пучков элементарных частиц намечен на 21 октября. До этого времени ученые планируют разогнать частицы до скорости, приблеженной к скорости света. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, черные дыры нам не грозят. Однако в случае, если теории с дополнительными пространственными измерениями окажутся верны, у нас осталось не очень много времени, чтоб успеть решить все свои вопросы на планете Земля.

8. Чем страшны черные дыры?

Чёрная дыра - область в пространстве-времени, сила гравитационного притяжения которой настолько сильна, что даже объекты, движущиеся со скоростью света, не могут ее покинуть. Существования черных дыр подтверждается решениями уравнений Эйнштейна. Не смотря на то, многие уже представляют себе, как образовавшаяся в Европе черная дыра, разрастаясь, поглотит всю планету, бить тревогу не стоит. Черные дыры , которые, согласно некоторым теориям, могут появиться при работе коллайдера , согласно все тем же теориям, будут существовать на протяжении настолько короткого отрезка времени, что просто не успеют начать процесс поглощения материи. По утверждениям некоторых ученых, они даже не успеют долететь до стенок коллайдера.

9. Чем могут быть полезны исследования?

Помимо того, что данные исследования – очередное невероятное достижения науки, которое позволит человечеству узнать состав элементарных частиц, это еще не весь выигрыш, ради которого человечество пошло на такой риск. Возможно, в скором будущем мы с вами сможем воочию увидеть динозавров и обсудить наиболее эффективные военные стратегии с Наполеоном. Российские ученые полагают, что в результате эксперимента человечеству станет посильным создание машины времени.

10. Как произвести впечатление научно подкованного человека с помощью адронного коллайдера?

Ну и наконец, если кто-либо, заранее вооружившись ответом, спросит у вас, что же это такое адронный коллайдер, предлагаем вам достойный вариант ответа, способного приятно удивить любого. Итак, пристегнули ремни! Адронный коллайдер - ускоритель заряженных частиц, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов на встречных пучках. Построен в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований и представляет собой 27-километровый туннель, проложенный на глубине 100 метров. В связи с тем, что протоны электрически заряжены, ультрарелятивистский протон порождает облако почти реальных фотонов, летящих рядом с протоном. Этот поток фотонов становится ещё сильнее в режиме ядерных столкновений, из-за большого электрического заряда ядра. Они могут столкнуться как со встречным протоном, порождая типичные фотон-адронные столкновения, так и друг с другом. Ученые побаиваются, что в результате эксперимента могут образоваться пространственно-временны́е «туннели» в пространстве, которые являются типологической особенностью пространства-времени. В результате эксперимента также может быть доказано существование суперсимметрии, которая, таким образом, станет косвенным подтверждением истинности теории суперструн.

Рассказывает заведующий сектором физики высоких энергий Физического института РАН им. П. Н. Лебедева, доктор физико-математических наук, профессор Игорь Дремин:

Во-первых, сразу хочу заверить читателей: опасаться будущего эксперимента не стоит.

Я каждый год дважды езжу на место будущих испытаний, но как теоретик, а не разработчик исследования. Постройка коллайдера - это и инженерная, и научная проблема. К работе готовятся экспериментаторы, которые будут обрабатывать поступающую информацию, накапливать её и выводить в виде таблиц, графиков и так далее. Моя роль - роль теоретика - с помощью теории понимать эти экспериментальные данные, интерпретировать их, а также предлагать новые физические методы исследования.

- Словосочетание «Большой адронный коллайдер» в связи с шумихой вокруг эксперимента не заучил только ленивый. Однако мало кто понимает, что же это на самом деле.

Это ускоритель, который стоит в тоннеле. Длина тоннеля - 27 км, то есть он больше, чем кольцевая линия московского метро (19,4 км). Это уникальное инженерное сооружение: длина кабелей, которые использованы в тоннеле, достаточны для того, чтобы протянуть их от Земли до Солнца несколько десятков раз. Конструкция располагается на глубине от 15 до 120 метров. В ней очень сильные магнитные поля: огромное количество сверхпроводящих магнитов, которые ускоряют частицы. Они работают при экстремальных условиях - температура в тоннеле близка к абсолютному нулю: 1,8 градуса Кельвина (- 271,2 градуса по Цельсию).

- Где находится тоннель?

Коллайдер находится в ЦЕРНе, это Европейский центр ядерных исследований в Женеве. Ускоритель этот стоит так, что часть его находится во Франции, часть его кольца проходит по территории Швейцарии. Можно сказать, что пучок будет всё время без виз пересекать границы. Много-много раз. (Смеётся)

- Каков принцип действия коллайдера?

- Большой адронный коллайдер - это укоритель заряженных частиц, самый мощный из всех созданных в мире. Принцип его действия следующий: встречные пучки протонов или ядер сталкиваются друг с другом, и энергия соударения является наивысшей из всех, которые сейчас достигнуты на ускорителях. Эта энергия исчисляется в электронвольтах и составляет 14 триллионов электронвольт.

На самом деле эта энергия не такая уж большая. Если переводить её в более известные калории, то это всего половина от миллионной доли калории. Если привести бытовой пример, то фактически эта энергия равна той, которая выделяется при столкновении двух комариков, то есть это мизерная энергия, но поскольку она выделяется в очень маленьком объёме - внутри объёма протона или внутри объёма элементарной частицы - то плотность этой энергии велика.

Когда сталкиваются два протона или два ядра, например, два ядра атомов свинца, то энергия выделяется в виде вновь рождающихся частиц. Это может быть несколько тысяч и даже десятков тысяч новых рождённых частиц.

- Расскажите о главных задачах эксперимента.

Основная задача эксперимента - понять структуру пространства на малых расстояниях и при малых временах. На этом кольце - тоннеле стоит четыре огромных детектора, которые и будут изучать эти пучки частиц.

Размер этих детекторов можно представить себе, если сказать, что высота детектора - примерно восьмиэтажный дом. Длина его тоже огромна. Учёные будут заниматься разными вопросами взаимодействия адронов, нуклонов, протонов и ядер.

Весь эксперимент нацелен на то, чтобы понять, какова же структура вещества, или структура протонов, структура ядер, но в очень маленьких масштабах - на расстояниях порядка 10 -12 сантиметра, когда уже играют роль составляющие протона, кварки и глюоны. Таким образом, мы планируем получить сведения о строении нашего пространства.

Новые измерения

Предполагается, что у нашего пространства может быть, например, дополнительная размерность. Сейчас известны четыре измерения - трёхмерное пространство плюс время. Но может быть и пятая, и шестая размерность, которые настолько малы, что мы их в обычной жизни не замечаем. В ходе эксперимента мы надеемся получить доказательство существования дополнительных измерений.

Бозон Хикса

Наиболее интересный вопрос с физической точки зрения - это вопрос выявления бозона Хикса. Бозон Хикса - это гипотетическая частица, которая пока ещё не наблюдалась. В теории она ответственна за появление масс у всех других частиц. Если такой бозон будет найден, то мы поймём природу возникновения массы у частиц, поймём, почему электрон такой лёгкий, а протон в 2000 раз тяжелее, и как в связи с этим образованы атомы. Это фундаментальный вопрос о природе силы, о природе взаимодействий.

Чёрные дыры

Наиболее ажиотажная тема обсуждения - это вопрос о возможности рождения чёрных дыр. Чёрная дыра - это такое образование, когда сильное гравитационное поле притягивает всё и ничего не выпускает наружу. Почему сейчас утверждают, что чёрные дыры, которые могут родиться на Большом адронном коллайдере, безопасны? Давайте проведём аналогию с воздействием космических лучей, энергия которых даже превосходит ту, которую мы сейчас получим на адронном коллайдере. Эти космические лучи падают на Землю уже 5 млрд. лет. А на другие объекты, как, например, белые карлики или нейтронные звёзды, которые значительно более массивны и образовались раньше, чем Земля, они падают гораздо дольше - и никаких особых процессов не происходит. Кроме того, если всё же чёрные дыры и будут образовываться на коллайдере (подчёркиваю, что это маловероятно), они будут распадаться за ничтожно короткое время: 10 -100 секунды. Напомню, что когда-то Колмогоров говорил, что такого числа - «10 -100 » - нет, а есть только нуль.

Кроме того, у чёрных дыр может и должно возникнуть квантово-механическое излучение, которое называется излучение Хокинга. От этого они тоже будут распадаться. В общем, образование сколь-либо стабильных чёрных дыр практически будет невозможно, и никакой опасности они не представляют.

Неизведанное

Кроме этих чёрных дыр, обсуждается ещё и возможность зарождения других объектов, которые пока не были открыты. Естественно, что исследования на адронном коллайдере будут проводиться не только в связи с тем, чтобы найти нечто только что предсказанное или то, что теоретически уже понятно: учёные надеются на то, что будут какие-то совершенно неожиданные открытия в этой новой области энергии.

- На какой день назначен запуск коллайдера?

Коллайдер собирались опробовать ещё в мае-июле, но пока его запуск отложили, видимо, до сентября. Это связано с тем, что сооружение фундаментальное, в нём применены новые технические решения, и, конечно, сложностей в создании такого ускорителя очень много, поскольку ничего подобного пока в мире не делалось.

- Участвуют ли в эксперименте наши учёные?

В строительстве, которое продолжалось более десяти лет, были объединены усилия всех стран. В проекте приняли непосредственное участие в том числе и наши, российские учёные, которые вложили немало сил в создание детекторов и в формулировку тех физических проблем, которыми нужно заниматься при изучении соударения адронов. Сейчас детекторы спущены под землю, собраны и будут опробованы в ближайшее время. Конечно, те, кто их собирал, будут следить за их работой.

Кроме того, сейчас встаёт на повестку дня более важный вопрос: это уже физические исследования и обработка результатов экспериментов. Происходит сдвиг акцентов от чисто технических проблем в сторону физических результатов этих экспериментов.

По поводу безопасности ускорителей Большого адронного коллайдера было много дискуссий. Многие обыватели запаниковали, говорят, что с запуском ускорителя наступит конец света. Как вы можете это прокомментировать?

Созданная в 2003 году специальная комиссия в Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN) написала доклад о том, что установка полностью безопасна. Но в связи с вновь появившимися слухами и ажиотажем, связанным с возможным зарождением чёрных дыр на этом коллайдере, вопрос безопасности вновь был пересмотрен. Выводы комиссии были подтверждены и усилены.

Постскриптум

В Московской области блогеры обнаружили загадочное сооружение. Независимые эксперты утверждают, что это наш ответ ЦЕРНу на создание Большого адронного коллайдера. Его фотография обошла весь мир...

Большой адронный коллайдер, работающий в Швейцарии – самый известный ускоритель в мире. Этому немало способствовала шумиха, поднятая мировой общественностью и журналистами вокруг опасности этого научного проекта. Многие полагают, что это единственный коллайдер в мире, но это далеко не так. Кроме закрытого в США теватрона, на данный момент в мире существует пять работающих коллайдеров.

В Америке, в Брукхейвенской лаборатории работает ускоритель РКТИ (релятивистский коллайдер тяжелых ионов), начавший работу в 2000 году. Для его ввода в строй потребовалось вложение 2 миллиардов $. Кроме чисто теоретических экспериментов, физики, работающие на РКТИ (RHIC), разрабатываю вполне практические проекты. Среди них:

• устройство для диагностирования и лечения рака (используются направленные ускоренные протоны);
• использование лучей тяжелых ионов для создания фильтров на молекулярном уровне;
• разработка все более эффективных устройств для аккумулирования энергии, что открывает новые перспективы в использовании солнечной энергии.

Подобный этому, ускоритель тяжелых ионов, строится в России в Дубне. На этом коллайдере NICA российские физики намерены исследовать кварк-глюонную плазму.

Сейчас российские ученые проводят исследования в ИЯФ, где расположены сразу два коллайдера – ВЭПП-4М и ВЭПП-2000. Их бюджет составляет 0,19 млрд. $ - для первого и 0,1 – для второго. Первые испытания на ВЭПП-4М начались еще в 1994 году. Здесь разработана методика измерения массы наблюдаемых элементарных частиц с самой высокой точностью во всем мире. Кроме того, ИЯФ единственный в мире институт, зарабатывающий на фундаментальные исследования в области физики собственными силами. Ученые этого института разрабатывают и продают оборудование для ускорителей другим государствам, желающим иметь свои экспериментальные установки, но не имеющих таких наработок.

В 1999 году был запущен коллайдер Дафне в лаборатории Фраскатти (Италия), стоимость его была примерно 1/5 млрд. дол., а максимальная мощность – 0, 51 ТэВ. Это был один из первых ускорителей высоких энергий, с помощью только одного эксперимента на нем было получено более ста тысяч гиперионов (частиц атома). За это Дафне окрестили фабрикой частиц или ф-фабрикой.

За два года до запуска БАК, в 2006 году Китай запустил собственный коллайдер ВЕРС II, с мощностью 2,5 ТэВ. Стоимость этого строительства была рекордно низкой и составила 0,08 млрд. дол. Но для бюджета этой развивающейся страны такая сума была немалой; правительство Китая выделило эти средства, понимая, что без развития фундаментальных отраслей науки невозможно развитие современной промышленности. Тем более актуально вложение средств в эту область экспериментальной физики в свете истощения природных ресурсов и увеличивающейся потребности в энергоносителях.

Ваш комментарий