Андроидный коллайдер для чего
Большой адронный коллайдер: назначение, открытия и мифы
Большой адронный коллайдер (БАК) — самый большой и мощный ускоритель частиц в мире. Он был построен Европейской организацией ядерных исследований (ЦЕРН).
10 000 ученых и инженеров из более чем 100 разных стран работали вместе над созданием этого проекта. Его строительство стоило 10 миллиардов долларов. В настоящее время это самая большая и сложная экспериментальная исследовательская установка в мире.
Как выглядит Большой адронный коллайдер
Это гигантский замкнутый туннель, построенный под землей. Он имеет длину 27 километров и уходит на глубину от 50 до 175 метров.
Находится коллайдер на границе Франции и Швейцарии, недалеко от города Женева.
Как работает Большой адронный коллайдер
Слово «коллайдер» в этом случае можно перевести как «сталкиватель». А сталкивает он адроны — класс частиц, состоящих из нескольких кварков, которые удерживаются сильной субатомной связью. Протоны и нейтроны являются примерами адрона.
БАК в основном использует столкновение протонов в своих экспериментах. Протоны — это части атомов с положительным зарядом. Коллайдер ускоряет эти протоны в тоннеле, пока они не достигнут почти скорости света. Различные протоны направлены через туннель в противоположных направлениях. Когда они сталкиваются, то можно зафиксировать условия, подобные ранней Вселенной.
Откуда берутся протоны в для столкновения?
Для этого ионизируются атомы водорода. Атом водорода состоит из одного протона и одного электрона. Во время ионизации удаляется электрон и остаётся нужный для эксперимента протон.
БАК состоит из трёх основных частей:
Зачем нужен Большой адронный коллайдер
С помощью БАК можно изучить элементарные частицы и способы их взаимодействия. Он уже многому научил нас в области квантовой физики, и исследователи надеются узнать больше о структуре пространства и времени. Наблюдения, которые делают учёные, помогают понять, какой могла быть Вселенная в течение миллисекунд после Большого взрыва.
Какие открытия совершили на БАК
На данный момент самое большое открытие — это бозон Хиггса. Это одно из важнейших открытий 21 века, объясняющее существование массы частиц во Вселенной. Это подтверждает Стандартную модель, с помощью которой сегодня физики описывают взаимодействие элементарных частиц. Именно на этом взаимодействии основано устройство всей Вселенной.
Суть работы бозона Хиггса в том, что благодаря ему другие элементарные частицы могут иметь и передавать свою массу. Но это очень и очень упрощённое понимание, и если Вам интересно, почитайте научную литературу.
С полным списком всех открытий на Большом адронном коллайдере можно ознакомиться на Википедии.
Может ли коллайер уничтожить Землю
С момента запуска БАК стал объектом разнообразных домыслов. Самый известный — в ходе экспериментов может образоваться чёрная дыра и поглотить планету.
Есть две причины, чтобы не волноваться.
Надеемся, Вам было интересно, как и нам во время работы над этим материалом!
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.
Впрочем, кто-то и сейчас, вполне возможно, ждет апокалипсиса, связанного с работой БАК и тресется от одной мысли о том, что будет, если ч взорвется большой адронный коллайдер. Хотя, в первую очередь все боялись черной дыры, которая, сначала будучи микроскопической, разрастется и благополучно поглотит сначала сам коллайдер, а за ним Швейцарию и весь остальной мир. Также большую панику вызывала аннигиляционная катастрофа. Группа ученых даже подала в суд, пытаясь остановить строительство. В заявлении говорилось, что сгустки антиматерии, которые могут быть получены в коллайдере, начнут аннигилировать с материей, начнется цепная реакция и вся Вселенная будет уничтожена. Как говорил известный персонаж из «Назад в Будущее»:
Вся Вселенная, конечно, в самом худшем случае. В лучшем – только наша галактика. Доктор Эмет Браун.
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.
Как работает большой адронный коллайдер
В составе коллайдера 4 гигантских детектора: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb. Помимо основных больших детекторов, есть еще и вспомогательные. Детекторы предназначены для фиксации результатов столкновений частиц. То есть после того, как на околосветовых скоростях сталкиваются два протона, никто не знает чего ожидать. Чтобы «увидеть», что получилось, куда отскочило и как далеко улетело, и существуют детекторы, напичканные всевозможными датчиками.
Результаты работы большого адронного коллайдера.
Зачем нужен коллайдер? Ну уж точно не для того, чтобы уничтожить Землю. Казалось бы, какой смысл сталкивать частицы? Дело в том, что вопросов без ответов в современной физике очень много, и изучение мира с помощью разогнанных частиц может в буквальном смысле открыть новый пласт реальности, понять устройство мира, а может быть даже ответить на главный вопрос «смысла жизни, Вселенной и вообще».
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.
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!
Частица бога, багет и Шива-разрушитель: 10 фактов о Большом адронном коллайдере
Горячий, как ранняя Вселенная, и холодный, как абсолютный ноль; намного точнее, чем швейцарские часы, но настолько хрупкий, что его можно сломать куском багета; поражающий обывателей и даже ученых своей мощью и известный юмором своих сотрудников. Все это про LHC, юбилею которого посвящает этот материал Indicator.Ru.
Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider, LHC) — гигантский и мощнейшый аппарат, в котором можно ускорять и сталкивать частицы-адроны (протоны и тяжелые ионы), чтобы изучать то, на что они распадутся. На строительство этого сооружения — самого сложного экспериментального устройства из существующих и самого огромного цельного механизма из когда-либо созданных человеком — было потрачено около шести миллиардов долларов. И это не считая уже имеющейся инфраструктуры Европейского центра ядерных исследований!
Главная цель работы LHC — поиск отклонений от Стандартной модели. Это одна из важнейших физических концепций, которая описывает современный мир, но не может пока объяснить гравитацию, темную материю и темную энергию. На коллайдере удалось открыть бозон Хиггса (неуловимую прежде «частицу бога»), а также обнаружить и подтвердить существование тетракварков и пентакварков. Официальный запуск LHC состоялся 10 сентября 2008 года, то есть сегодня у него день рождения! В честь этого мы расскажем о его необычных и неожиданных сторонах.
Факт 1: Откуда взялась аббревиатура CERN
Давайте перестанем путаться раз и навсегда. Все мы постоянно употребляем слово «CERN» или «ЦЕРН», но о расшифровке мало кто задумывается. Многие считают его калькой с английской аббревиатуры. Но как из названия организации, создавшей коллайдер, получить такую аббревиатуру? По-русски это Европейский центр ядерных исследований, по-английски — European Organization for Nuclear Research. Дело в том, что построен коллайдер вблизи Женевы, на границе Франции и Швейцарии, поэтому организация носит французское название, Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, от которого и пошла аббревиатура. Да и звучит CERN благозвучнее, чем какой-нибудь EONR или ЕЦЯИ.
Факт 2: Жарче 100 000 Солнц
Коллайдер очень горяч. Чтобы смоделировать условия, близкие к последствиям Большого взрыва, ученые ускоряют и сталкивают на нем два пучка тяжелых ионов, получая температуры в сотни тысяч раз больше, чем в центре Солнца. Благодаря тому, что в 2012 году в LHC смогли достичь температуры в 5,5 триллиона градусов, физикам удалось получить кварк-глюонную плазму — раскаленный «суп» из свободных строительных элементов материи, словно прямиком из недр новорожденной Вселенной. Плотность такого вещества была больше, чем плотность нейтронных звезд.
Факт 3: Ледяное притяжение
В коллайдере около 9600 супермагнитов, которые по силе в 100 000 раз превосходят притяжение Земли и помогают гонять протоны на околосветовых скоростях. Обмотки этих магнитов сплетены из 36 «струн» толщиной по 15 мм. Каждая «струна» состоит из 6-9 тысяч отдельных нитей из ниобий-титанового сплава, диаметр которых составляет 7 мкм.
Зачем вообще нужен LHC?
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?
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?
Кстати, стоит подчеркнуть, что большинство ученых занимается наукой вовсе не потому, что это может оказаться полезно для общества. Люди занимаются наукой, потому что это жутко интересно. Даже когда просто изучаешь открытые кем-то законы или построенные кем-то теории, это уже «щекочет мозги» и приносит огромное удовольствие. А те редкие моменты, когда удается самому открыть какую-то новую грань нашего мира, доставляют очень сильные переживания.
Эти ощущения отдаленно напоминают чувства, возникающие при чтении детектива: автор построил перед тобой загадку, а ты пытаешься разгадать ее, стараясь увидеть в описываемых фактах скрытый, взаимосвязанный смысл. Но если в детективе глубина и стройность загадки ограничены фантазией автора, то фантазия природы выглядит пока неограниченной, а ее загадки — многоуровневыми. И эти загадки не придуманы кем-то искусственно, они настоящие, они вокруг нас. Вот ученым и хочется справиться хотя бы с кусочком этой вселенской головоломки, подняться еще на один уровень понимания.
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.
Физические явления эффективнее всего описываются на языке математики. Эту ситуацию обычно называют удивительной (знаменитое эссе Ю. Вигнера о «непостижимой эффективности математики»), но тут есть и другой, не менее сильный повод для удивления. Всё головокружительное разнообразие явлений, происходящих в нашем мире, описывается лишь очень небольшим числом математических моделей. Осознание этого поразительного, совсем не очевидного свойства нашего мира — одно из самых важных открытий в физике.
Пока знания ограничиваются лишь «повседневной» физикой, эта тенденция может оставаться незаметной, но чем глубже знакомишься с современной физикой, тем более яркой и завораживающей выглядит эта «математическая экономность» природы. Явление сверхпроводимости и хиггсовский механизм возникновения масс элементарных частиц, электроны в графене и безмассовые элементарные частицы, жидкий гелий и внутренности нейтронных звезд, теория гравитации в многомерном пространстве и сверххолодное облачко атомов — вот лишь некоторые пары разных природных явлений с удивительно схожим математическим описанием. Хотим мы или нет, но эта связь между разными физическими явлениями через математику — это тоже закон природы, и им нельзя пренебрегать! Это полезный урок для тех, кто пытается рассуждать о физических явлениях, опираясь только на их «природную сущность».
Аналогии между объектами из разных областей физики могут быть глубокими или поверхностными, точными или приблизительными. Но благодаря всей этой сети математических аналогий наука физика предстает как многогранная, но цельная дисциплина. Физика элементарных частиц — это одна из ее граней, которая через развитие математического формализма крепко связана со многими более «практическими» областями физики, да и естественных наук в целом.
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?
Во-первых, многие из этих нестабильных частиц напрямую влияют на свойства и поведение наших обычных частиц — и это, кстати, одно из важных открытий в физике частиц. Оказывается, эти нестабильные частицы на самом деле присутствуют в нашем мире, но не в виде самостоятельных объектов, а в виде «некоторого» облачка, окутывающего каждую обычную частицу. И то, как обычные частицы взаимодействуют друг с другом, зависит не только от них самих, но и от окружающих их «облачков». Эти облачка порождают ядерные силы, связывающие протоны и нейтроны в ядра, они заставляют распадаться свободный нейтрон, они наделяют обычные частицы массой и другими свойствами.
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.
Экзотические для нашего мира элементарные частицы — это тоже как бы обычные частицы, у которых «что-то повернуто не так». Изучая все эти частицы, сравнивая их друг с другом, можно узнать о «наших» частицах гораздо больше, чем в экспериментах только с протонами да электронами. Уж так устроена природа — свойства самых разных частиц оказываются глубоко связаны друг с другом!
Зачем нужны такие огромные ускорители?
Ускоритель — это по своей сути микроскоп, и для того, чтобы разглядеть устройство частиц на очень малых масштабах, требуется увеличивать «зоркость» микроскопа. Предельная разрешающая способность микроскопов определяется длиной волны частиц, используемых для «освещения» мишени — будь то фотоны, электроны или протоны. Согласно квантовым законам, уменьшить длину волны квантовой частицы можно путем увеличения ее энергии. Поэтому-то и строятся ускорители на максимально достижимую энергию.
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.
Но не стоит думать, что гигантские ускорители — это единственное орудие экспериментальной физики элементарных частиц. Есть и «второй фронт» — эксперименты с меньшей энергией, но с очень высокой чувствительностью. Тут примером могут служить так называемые b-фабрики BaBar в Стэнфорде и Belle в Японии. Это электрон-позитронные коллайдеры со скромной энергией (около 10 ГэВ), но с очень высокой светимостью. На этих коллайдерах рождаются B-мезоны, причем в таких больших количествах, что удается изучить чрезвычайно редкие их распады и заметить проявление разнообразных тонких эффектов. Эти эффекты могут быть вызваны новыми явлениями, которые изучаются (правда, с другой точки зрения) и на LHC. Поэтому такие эксперименты столь же важны, как и эксперименты на коллайдерах высоких энергий.
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!
На самом деле, если взглянуть на ситуацию реалистично, то альтернатива LHC состояла не в том, чтобы пустить эти же деньги на какую-то «практически полезную» деятельность, а в том, чтобы провести на них еще несколько десятков экспериментов по физике элементарных частиц, но среднего масштаба.
Логика тут совершенно прозрачна. Правительства большинства стран понимают, что некоторую долю бюджета необходимо тратить на фундаментальные научные исследования — от этого зависит будущее страны. Эта доля, кстати, не такая уж и большая, порядка 2-3% (для сравнения, военные расходы составляют, как правило, десятки процентов). Расходы на фундаментальную науку выделяются, разумеется, не в ущерб другим статьям бюджета. Государства тратят деньги и на здравоохранение, и на социальные проекты, и на развитие технологий с конкретными практическими применениями, и на благотворительность, и на помощь голодающим Африки и т. д. «Научные» деньги — это отдельная строка бюджета, и эти деньги сознательно направлены на развитие науки.
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 — главный инструмент современных физиков
статьи | Jul 02, 2019 | Наука и Образование | 
1740
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.
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.
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.