Спустя десятилетия ученым надоело говорить с трибуны, и они решили построить нечто, что прояснит ситуацию раз и навсегда. С этой целью была построена крупнейшая в мире экспериментальная установка — Большой адронный коллайдер (БАК).
Большой адронный коллайдер — главный инструмент современных физиков
Как устроен Большой адронный коллайдер, зачем он был построен и почему его снова модернизируют?
Исследование законов, управляющих существованием нашей Вселенной, — задача, стоящая перед учеными с древнейших времен. Человечество всегда волновали эти вопросы: Из чего состоит окружающий нас мир? Как устроена материя на самом маленьком уровне, и есть ли предел делимости материи?
Демокрит считал, что материя состоит из мельчайших неделимых частиц — атомов, форма которых определяет свойства материи. На самом деле, древнегреческое слово «атом» переводится как «неделимый». Мы до сих пор используем этот термин, хотя 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 ньютоновская физика уже не работает, и частицы взаимодействуют по законам квантовой механики.
Как можно исследовать объекты, размеры которых настолько малы, что даже самого сильного увеличения недостаточно для их изучения? В конце концов, каждый микроскоп состоит из атомов.
Ученые разгоняют элементарные частицы до высоких скоростей, а затем сталкиваются с ними, чтобы понять, как они устроены, из чего состоят и как на них воздействуют. Столкновение разделяет частицы на короткое время, и специальные детекторы могут быть использованы для регистрации отдельных компонентов, на которые распались исходные частицы. Таким образом, ученые изучают свойства уже известных элементарных частиц и открывают новые частицы.
Знаменитый бозон Хиггса, существование которого теоретически предполагалось еще в 1964 году, был открыт в 2012 году после многолетних экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК).
БАК является крупнейшим международным проектом в науке и помогает физикам экспериментально проверить теоретические модели материи и Вселенной. Строительство БАК началось в 2001 году, а в 2008 году ускоритель был испытан и введен в эксплуатацию. В 2010-2012 годах БАК впервые был полностью введен в эксплуатацию. Затем ускоритель был модернизирован в течение двух лет. В обновленной конфигурации он работал до конца 2018 года. В настоящее время ЦЕРН (Европейская организация ядерных исследований) работает над очередной модернизацией, которая, как надеются физики, значительно повысит эффективность установки.
Что такое Большой адронный коллайдер?
C ollider можно перевести с английского как «коллайдер». БАК ускоряет протоны, нейтроны и другие тяжелые ядра, которые подвержены сильному ядерному взаимодействию. Этот класс частиц называется адронами, отсюда и название ускорителя.
БАК является крупнейшим на сегодняшний день ускорителем частиц. Он был построен в ЦЕРНе для замены предыдущего ускорительного комплекса — электрон-позитронного коллайдера. Более 10 000 человек по всему миру — инженеры и ученые, работающие непосредственно в ЦЕРН, а также большое количество исследователей из более чем 100 стран — вовлечены в работу БАК и его обслуживание.
Основная часть объекта расположена в Швейцарии и Франции, в кольцевом туннеле с окружностью почти 27 км. В туннеле глубиной около 100 метров находятся две вакуумные трубы, в которых пучки ускоренных частиц во время экспериментов вращаются в противоположных направлениях. Частицы не должны касаться стенок пробирки, диаметр которой составляет всего несколько сантиметров. Для этого сильные фокусирующие магниты управляют их траекторией. Для ускорения частиц имеется секция ускорителя, магниты которой с каждым оборотом придают дополнительную энергию пучку протонов. Специальная система выброса пучка быстро выводит частицы из основного канала ускорителя в боковой канал по мере необходимости.
Ускоренные пучки вращаются в трубках ускорителя со скоростью более 10 тысяч оборотов в секунду. Энергия столкновения приводит к тому, что частицы распадаются на более мелкие фрагменты. Для проведения экспериментов необходимо не только ускорить частицы и заставить их столкнуться, но и зарегистрировать результаты столкновений. Эту задачу выполняют специальные детекторы элементарных частиц, расположенные на пересечениях вакуумных трубок. Для простоты ускоритель часто рассматривается не только как сама установка для ускорения и стабилизации траектории пучков, но и как детекторы.
Схема адронного коллайдера
Первичное ускорение пучков происходит в относительно небольшом кольце SPS. Затем частицы попадают в главный канал ускорителя.
Главное кольцо разделено на восемь секторов. Вакуумные трубки пересекаются в точках 1, 2, 5, 8 (см. рисунок). В этих точках находятся детекторы, которые регистрируют результаты столкновений частиц. Имеется четыре основных детектора: большие детекторы ATLAS и CMS и два средних детектора ALICE и LHCb. Помимо ATLAS и CMS, на БАК есть еще два небольших специализированных детектора: TOTEM и LHCf.
Зачем нужен адронный коллайдер
БАК может удивить всех масштабами проекта, но человеку, не знакомому с наукой и технологиями, может показаться непонятным, зачем нужен такой огромный объект стоимостью в миллиарды долларов, если он не дает немедленных практических результатов.
Неужели один эксперимент настолько важен?
Хотя ускоритель объединяет усилия и опыт многих людей, результаты испытаний используются различными научными группами по всему миру. Таким образом, одни и те же данные могут помочь исследователям, работающим в разных областях современной физики.
На фотографии изображены восемь кольцевых магнитов, окружающих калориметр, который позже будет перемещен в центр детектора. Этот калориметр используется для измерения энергии частиц, образующихся при столкновении протонов в центре детектора.
Кроме того, БАК представляет собой чрезвычайно сложную и совершенную установку, состоящую из ускорителя, детекторов и вспомогательного оборудования. Строго говоря, каждый детектор выполняет отдельный эксперимент, каждый из которых предназначен для своей цели, и все они собирают разные данные. Таким образом, в ускорителе проводится не один эксперимент, а множество, и полученными данными пользуются тысячи ученых по всему миру.
Польза фундаментальных исследований
Фундаментальные исследования обычно не приводят к немедленной выгоде и готовым прикладным решениям. Новые разработки, основанные на научных открытиях, могут длиться годами, а роль большого количества научных результатов не имеет практического значения. В целом, главная цель науки — создать стройную, доказанную модель. Когда эксперименты опровергают преобладающую теорию, ученые должны найти новую логику для объяснения научных фактов и разработать новую теорию.
Эксперименты на БАК проверяют Стандартную модель, которая описывает электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц, но не дает объяснения гравитации, темной материи или темной энергии. Логика экспериментов на ускорителях заключается в том, что, наблюдая за результатами столкновений протонных пучков, ученые попытаются зафиксировать любое отклонение от Стандартной модели, каким бы малым оно ни было. Эти результаты помогут разработать так называемую «Новую физику» — обобщенную теорию, объясняющую все виды фундаментальных взаимодействий. Проще говоря, если мы сможем создать такую теорию целого, то при наличии достаточных вычислительных ресурсов мы сможем точно рассчитать и предсказать каждый физический процесс.
За годы работы БАК ученые открыли бозон Хиггса и другие частицы, подробно описали некоторые процессы, связанные с распадом частиц, и получили ряд других важных результатов. Все эти научные открытия вносят вклад в общие знания физиков о Вселенной. Некоторые из этих знаний помогут разработать новые технологии, использующие законы природы на благо человека.
Кстати, большинство ученых занимаются наукой не потому, что хотят найти что-то полезное и практичное для общества. Эти люди любят свою работу и получают удовольствие от решения сложных проблем. Так что наука ради науки — это очень сильная мотивация.
Зачем изучать элементарные частицы?
В своих попытках проникнуть на все более мелкие уровни организации материи исследователи сталкиваются со все новыми и новыми препятствиями. В начале двадцатого века было понятно, что атомы состоят из положительно и отрицательно заряженных частиц. Затем стало ясно, что плотное ядро занимает очень маленький объем атома где-то посередине и что электроны каким-то образом распределены вокруг ядра. Постепенно ученые разработали современную квантово-механическую модель атома. Каждый новый шаг требовал новых экспериментов.
