Большой адронный коллайдер — главный инструмент современных физиков

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?

Демокрит считал, что материя состоит из мельчайших неделимых частиц — атомов, форма которых определяет свойства вещества. Собственно говоря, с древнегреческого слово «атом» и переводится как «неделимый». Мы до сих пор используем этот термин, хотя уже давно знаем, что атомы состоят из ядра и вращающихся вокруг него электронов, а ядро состоит из протонов и нейтронов, которые, в свою очередь, распадаются на кварки... На этом уровне привычная нам ньютоновская физика уже не работает, и частицы взаимодействуют по законам квантовой механики.

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?

С английского collider можно перевести как «сталкиватель». В БАК разгоняют протоны, нейтроны и другие тяжелые ядра, подверженные сильному ядерному взаимодействию. Этот класс частиц называется адронами — отсюда и название ускорителя.

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.

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.

Дело в том, что, чтобы зафиксировать элементарные частицы, необходимо увеличить их энергию, чтобы они были «более заметны» для детекторов. Для того чтобы этого добиться, и необходим огромный комплекс БАК. Кроме того, надо помнить, что в этот комплекс также входит огромное количество оборудования, стабилизирующего траекторию частиц, и других вспомогательных установок.

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.

Опровергнуть подобные суждения довольно просто. Ведь во Вселенной постоянно происходят естественные процессы, которые ускоряют и сталкивают бесчисленное количество частиц с энергиями, которые на БАК просто недостижимы. И если бы существовала малейшая вероятность, что подобные столкновения приведут к «вселенской катастрофе», то это уже давно бы случилось.

Перезагрузка

В конце 2018 года все эксперименты на БАК были остановлены, и команда инженеров начала масштабный апгрейд системы. Целью усовершенствований является создание Большого адронного коллайдера высокой светимости. Проще говоря, будут усовершенствованы системы разгона, столкновения и детекции частиц для большей эффективности запусков ускорителя. Адронный пучок в новой версии коллайдера будет гораздо плотнее, а значит, увеличится и вероятность столкновения отдельных частиц. После столкновений будет получаться большее количество «обломков» элементарных частиц, детекторы станут регистрировать еще больше событий, и вероятность обнаружить новые частицы существенно увеличится.

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.