Как устроен Большой адронный коллайдер и зачем он нужен
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.
В первую очередь от Большого адронного коллайдера ожидали обнаружение бозона Хиггса (элементарная частица с нулевым моментом импульса и нулевым зарядом, которая играет важную роль в Стандартной модели, и чье существование было предсказано задолго до обнаружения. — РБК Тренды). Но, конечно, ради одной частицы его строить не стоило. Основные серьезные надежды физики связывали с тем, что БАК откроет что-то неожиданное. Так, помимо изучения хиггсовского механизма, одной из задач был поиск микроскопических черных дыр. К сожалению, пока их не нашли».
Помимо поиска черных дыр и обнаружения бозона Хиггса, перед адронным коллайдером стоит еще несколько задач:
- Поиск суперсимметрии, 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.
- Изучение топ-кварков — самых тяжелых элементарных частиц. Их свойства недостаточно изучены и потому интересны физикам.
- Изучение кварк-глюонной плазмы, 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.
Дальше вся информация записывается на диск. Полный объем данных, поступающий с Большого адронного коллайдера, хранится в вычислительном центре ЦЕРН. Есть еще 12 центров более низкого уровня, на которых размещены резервные фрагменты этих данных, например у нас, в Дубне. То есть данные распределяются по всему миру».
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:
«Если микроскопические черные дыры найдут на Большом адронном коллайдере, это будет революция в науке. Какова их судьба? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно вспомнить механизм Хокинга, описывающий принцип испарения черной дыры: чем меньше масса черной дыры, тем быстрее она исчезает. Микроскопическая черная дыра будет жить микроскопическое время — после появления она тут же испарится».
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.
Поэтому все мифы о том, что во время работы коллайдера может возникнуть что-то, что уничтожит землю, — это просто переоценка возможностей человечества, оно не обладает такими способностями».
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.
После того как БАК соберет все данные, он будет приостановлен, а ЦЕРН начнет строить новый циклический коллайдер — Future Circular Collider. Предполагается, что эта экспериментальная установка будет длиной примерно 100 км, а по энергии столкновений частиц будет превосходить БАК минимум в 7 раз. А Большой адронный коллайдер, в свою очередь, начнет выполнять функцию инжектора и «впрыскивать» пучки частиц в новую экспериментальную установку.