Зачем физикам нужен новый коллайдер?
Если спросить физиков, какой еще коллайдер им понадобится в самом ближайшем будущем, то, скорее всего, вы получите ответ, что это электрон-позитронный коллайдер.

Зачем вообще нужен новый коллайдер и почему нельзя обойтись одним только БАК?

Ответ на этот вопрос кроется в природе ускоряемых частиц. Протоны, ускоряемые на БАК, участвуют в процессах «сильного» взаимодействия. «Сильное» взаимодействие - это одно из четырех фундаментальных взаимодействий природы наряду со «слабым», электромагнитным и гравитационным взаимодействиями. Как следует из самого названия, «сильное» взаимодействие является самым сильным из всех типов взаимодействий. Его сила намного превосходит силы «слабого» и электромагнитного взаимодействий и уж тем более гравитации, которая (как это ни покажется странным!) является самым слабым из всех существующих взаимодействий. Так почему же большинство людей никогда не слышали о существовании «сильного» взаимодействия, хотя все мы прекрасно знакомы с гравитацией и электричеством? Это объясняется тем, что «сильное» взаимодействие действует только на очень малых расстояниях, сравнимых с размерами атомных ядер. Например, благодаря «сильному» взаимодействию протоны и нейтроны удерживаются вместе внутри атомных ядер. Не будь его, протоны разлетелись бы в разные стороны под действием сил электрического отталкивания. А нейтроны, у которых вообще нет электрического заряда, просто нельзя было бы удержать в составе ядер.

сделать открытие можно, но для того, чтобы точно измерить параметры вновь открытых частиц, нужно что-то еще.

Этим «еще» как раз и являются электрон-позитронные коллайдеры. В отличие от протонов, электроны и позитроны не принимают участия в процессах «сильного» взаимодействия. Их взаимодействие обусловлено электрослабыми процессами. Благодаря специфике этих взаимодействий, сечения рождения новой физики и фонов невелики. По этой причине электрон-позитронный коллайдер сложно использовать для первоначального открытия (хотя и можно). Однако если открытие уже сделано и приблизительно известна масса новых частиц, то. настраивая соответствующим образом энергию сталкивающихся электронов и позитронов, можно многократно увеличить вероятность рождения сигнальных событий, оставляя фоны небольшими. Так что электрон-позитронный коллайдер станет неплохим дополнением к БАК.

Электрон-позитронные коллайдеры
В настоящий момент существуют два конкурирующих проекта будущего электрон-позитронного коллайдера. Название первого проекта — Международный Линейный Коллайдер (ILC), о нем подробно . Предполагается, что энергия столкновений на этом коллайдере составит 500 ГэВ при длине коллайдера 31 км. В проект заложена возможность увеличения энергии столкновений до 1 ТэВ, длина коллайдера при этом будет увеличена до 50 км. Технология, которую предполагается использовать при строительстве ILC, хорошо отработана. Во многом она опирается на технологию, созданную для строительства TESLA. Ускоритель TESLA предполагалось построить на территории научно-исследовательского центра DESY (Гамбург, Германия). По техническим характеристикам он схож с ILC. Строительство было практически одобрено и отменено в самый последний момент из-за возникших финансовых трудностей. ILC — международный проект, страны-участницы которого могут предлагать для строительства собственную территорию. Россия на правах участника ILC предложила строить его в Дубне.

Компактный Линейный Коллайдер, или сокращенно CLIC, - это второй из проектов строительства электрон-позитронного коллайдера. Предполагаемая энергия столкновений составит 3 ТэВ с возможностью последующего увеличения до 5 ТэВ. Длина ускорительного комплекса составит 48,3 км. Энергия CLIC превышает энергию ILC. Это несомненный плюс. Однако технология CLIC пока еще не отработана настолько же тщательно, как для ILC. На это потребуется еще как минимум несколько лет.

На первый взгляд, энергия электрон-позитронного коллайдера гораздо меньше, чем энергия БАК. Однако, в отличие от электронов, которые являются истинно элементарными частицами, протоны обладают внутренней структурой. Они состоят из кварков, удерживаемых вместе силами «сильного» взаимодействия, переносчиками которого являются глюоны. При столкновении протонов в коллайдере столкновения в реальности происходят между входящими в их состав кварками и глюонами, каждый из которых несет на себе лишь небольшую часть полной энергии протонов. При сравнении энергии этих столкновений с энергией электрон-позитронного коллайдера оказывается, что они сопоставимы.

В любом случае окончательное решение о необходимости строительства электрон-позитронного коллайдера и выборе технологии будет принято только после того, как на БАК будут получены результаты.

Почему линейный?

А почему будущий электрон-позитронный коллайдер должен быть линейным? Ведь в этом случае теряется основное преимущество кольцевых ускорителей, в которых частицы ускоряются многократно, проходя одни и те же ускорительные элементы при движении по кругу. Например, ускорение протонов на БАК от энергии в 450 ГэВ до энергии в 7 ТэВ предполагается осуществлять в течение 20 мин. За это время пучок протонов успевает пройти расстояние 36∙10 7 км (что примерно в два раза превышает расстояние от Земли до Солнца). Линейный коллайдер такой длины построить просто невозможно. Так что для постройки линейного коллайдера необходимо существенно увеличить темп ускорения. Даже при этом длина коллайдера составит десятки километров. Еще одним недостатком линейных коллайдеров является возможность установить только одну экспериментальную установку, так как точка столкновения пучков всего одна. На БАК, например, таких точек 4.

Казалось бы, если физикам так нужен электрон-позитронный коллайдер, почему бы не сделать его кольцевым? К сожалению, возможности создания кольцевого электрон-позитронного коллайдера ограничены самой природой. При движении заряженных частиц по кругу возникает синхротронное излучение, в результате чего частицы теряют свою энергию. Этот эффект практически не существенен для протонов (даже при энергиях БАК). Однако электроны, масса которых почти в 2000 раз меньше массы протона, будут терять существенную долю своей энергии вследствие синхротронного излучения. Выход в строительстве линейного коллайдера. Возможность сооружения такого коллайдера была продемонстрирована в Стэнфорде, где находится единственный в мире линейный электрон-позитронный коллайдер.

Мюонный коллайдер
Электрон принадлежит к классу лептонов — группе частиц, участвующих в электрослабых взаимодействиях. Другим представителем этого класса частиц является мюон. Это отрицательно заряженная элементарная частица, масса которой в 210 раз превышает массу электрона, что позволяет не заботиться о синхротронном излучении при ускорении мюонов в кольцевом ускорителе. Мюон был бы идеальной частицей для ускорения, если бы не его маленькое время жизни. Оно составляет всего 1,6 мкс. За это время мюоны необходимо разогнать до релятивистских скоростей. Это представляет серьезные технические трудности. Серьезные усилия по разработке технологии мюонного коллайдера стали прикладываться в середине 1990-х. В настоящее время существует концептуальный проект мюонного коллайдера с энергией в диапазоне 1,5-4 ТэВ. Однако реализация этого проекта, скорее всего, вопрос более отдаленного будущего, чем постройка электрон-позитронного коллайдера.

Возможно, первым шагом на пути создания мюонного коллайдера станет строительство нейтринной фабрики.

Нейтрино - это частица с удивительно маленьким сечением взаимодействия, обладающая вследствие этого огромной проникающей способностью. Например, для того чтобы нейтрино ударилось в преграду из железа, размер этой преграды должен быть сравним с расстоянием от Солнца до Юпитера. Поль Дирак - ученый, впервые предложивший эту частицу теоретически, даже заключил пари, что ее никогда не найдут экспериментально (действительно, как же ее обнаружить, если она ни с чем не взаимодействует?). Однако пари он проиграл. Частица была обнаружена еще при жизни ученого. В настоящий момент свойства нейтрино активно исследуются. Для этого, в частности, используются нейтринные пучки. На первый взгляд кажется невероятным, как вообще можно создать пучок нейтрино? Как заставить частицы, не обладающие электрическим зарядом и крайне неохотно взаимодействующие с веществом, лететь в одном направлении? Для этого используются предварительно ускоренные заряженные частицы (например, мюоны), при распаде дающие нейтрино. Если множество мюонов летят в одном направлении, то и образовавшиеся нейтрино также полетят в одном направлении. Вот вам и нейтринный пучок! Беда только в том, что живут мюоны крайне недолго, и за время жизни их не получается накопить в большом количестве. Точнее, не получалось. Этот пробел призван заполнить проект нейтринной фабрики, в основу которой положено создание «накопительных» мюонных колец, что в свою очередь является первым шагом на пути создания мюонного коллайдера.

Следующий адронный?
А будет ли построен следующий адронный коллайдер, превосходящий по энергии БАК? Ведь рано или поздно эпоха точных измерений (для которых в первую очередь необходим линейный электрон-позитронный коллайдер) будет закончена, и снова понадобится коллайдер для исследования новых диапазонов энергий. Такой проект существует. В 2010 году CERN объявил о планах построить в туннеле БАК (после прекращения его работы) адронный коллайдер с энергией 35 ТэВ.

Предел технологии
Каждое следующее поколение ускорителей становится все больше и все дороже. Огромная стоимость и сложность конструкции во многом объясняются тем, что существующая технология ускорения достигла своего предела. Так, внутри нового поколения линейных ускорителей необходимо поддерживать огромные ускоряющие поля. Однако при увеличении напряженности поля внутри ускоряющих элементов возникают пробои, приводящие к их разрушению. Чтобы справиться с этой проблемой, применяются специальные конструкции и дорогостоящие материалы. Для ILC и CLIC с большим трудом удалось создать ускоряющие градиенты порядка 100 МэВ/м.

Сильно увеличить это значение вряд ли удастся. Это определяет предел технологии для линейных коллайдеров.

В кольцевых коллайдерах ускоряющие градиенты не являются проблемой, из-за того что частицы можно многократно ускорять при движении по кругу.

Однако чем больше энергия ускоряемых частиц, тем сложнее их удержать на кольцевой траектории внутри ускорителя. Для этого используются сильные магнитные поля. На БАК магнитное поле 8,33 Тесла. На следующем адронном коллайдере, который планируется разместить в тоннеле БАК, после того как БАК завершит свою работу (речь об этом шла чуть выше), магнитное поле составит около 20 Тесла. Это почти предел современной технологии. Другой путь - увеличивать размеры ускоряющего кольца, в результате кривизна траектории частиц уменьшается, так что удерживать их внутри коллайдера становится проще. Однако, учитывая то, что размеры современных коллайдеров и так составляют десятки километров, дальнейшее их увеличение кажется весьма проблематичным и трудоемким делом.

Из-за гигантской стоимости новых ускорителей вопросы об их строительстве обсуждаются на общегосударственном уровне. И даже становятся разменной картой в руках политиков. Стоит вспомнить, например, о проекте SSC (Supercondacting Super Collider).

Этот адронный коллайдер с энергией пучков 20x20 ТэВ предполагалось построить в США. Да-да, это не опечатка! Суммарная энергия сталкивающихся пучков должна была составить 40 ТэВ.

Это почти в три раза превышает максимальную энергию БАК, которая будет достигнута только после проектных работ по усовершенствованию коллайдера, намеченных на 2012 год. Длина ускорительного кольца SSC должна была составить 87,1 км (длина БАК 27км). Строительство должно было завершиться в 1999 году. Реализация проекта началась. Было прорыто 22,5 км тоннеля, залито 17 шахт. К сожалению, впоследствии проект был закрыт.

Не говорит ли все это о конце ускорительной физики? Строительство новых коллайдеров с использованием существующих технологий становится все более затратным. А на реализацию проектов уходят десятилетия. Так, впервые о постройке БАК заговорили в 1984 году, а официальный запуск коллайдера состоялся только в конце 2009 года. Может быть, недалек тот день, когда построить новый коллайдер будет уже не по силам? Возможный выход из этой ситуации состоит в развитии новых технологий.

Плазменные ускорители
Одной из наиболее перспективных технологий является метод плазменного ускорения. В чем его суть? Как было сказано выше, современная технология ускорения практически достигла своего предела. Дальнейшее увеличение ускоряющих полей приводит к возникновению пробоев и разрушению стенок ускоряющих элементов. Но если так, то может быть, вообще можно обойтись без стенок? Большие электрические поля можно создать, например, в плазме. Плазма является газом, состоящим из положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных электронов. Обычно плазма электрически нейтральна, так как электроны и ионы равномерно распределены в объеме плазмы. А что если каким-то образом их разделить? Тогда возникшие электрические поля можно использовать для ускорения частиц. Но как добиться такого разделения?

Это можно сделать с помощью импульсного лазера или пучка электронов.

%Сгусток электронов, пролетая через плазму, расталкивает находящиеся на пути электроны плазмы.

Ионы при этом практически не смещаются, в силу того что их масса намного превышает массу электронов. В результате в месте, через которое только что прошел пучок электронов, на какое-то очень непродолжительное время образуется область, заполненная положительным зарядом. Сразу же за ней идет область, в которой электроны плазмы уже вернулись на свои места, сомкнувшись за прошедшим пучком. На границе между этими областями (в очень небольшом объеме) возникают огромные электрические поля. Этот участок передвигается вслед за пучком электронов, а частица, попавшая в этот участок, будет испытывать постоянное ускорение.

По-английски эта технология называется wakefield acceleration, т. е. буквально «ускорение в кильватерной струе». Эта аналогия не случайна. Представьте себе серфера, скользящего на доске по гребню волны. Если это естественная волна, то удовольствие серфера длится недолго (до тех пор, пока волна не ослабеет). Но что, если эту волну постоянно подпитывать? Например, впереди может идти моторная лодка, создавая за собой «кильватерную струю». Серфер может скользить на гребне этой волны. При этом ему даже не понадобится веревка, чтобы держаться за лодку. Нужна только волна.

Описанная идея не нова. Она была впервые сформулирована еще в работах Будкера и Векслера в середине 50-х годов XX века. Однако долгое время оставалась невостребованной из-за большого количества технических проблем и большого резерва обычной технологии ускорения. В настоящий момент технология плазменного ускорения активно развивается. Потенциал огромен! Было показано, что ускоряющие градиенты могут превышать 100 ГэВ/м. Это в 1000 раз больше, чем у CLIC (самого мощного из разрабатываемых электрон-позитронных коллайдеров). С таким темпом ускорения для того чтобы разогнать протоны до энергии БАК, понадобится ускоритель длиной всего в 70 метров (вместо 27 км). К сожалению, не все так просто. И на пути создания такого рода коллайдеров предстоит еще решить огромное количество технических проблем. Для того чтобы использовать создаваемые пучки в экспериментах, необходимо, чтобы энергия частиц в пучке имела примерно одинаковое значение. Долгое время этого не удавалось добиться. Энергия ускоряемых частиц оказывалась разбросанной в чрезвычайно широком диапазоне. Однако в последние годы в решении этого вопроса наметился серьезный прогресс. Другая проблема состоит в масштабировании технологии.

Как поддерживать большой ускоряющий градиент на больших расстояниях?

Ведь изначально такие огромные темпы ускорения удавалось создавать на расстояниях, не превышающих нескольких миллиметров. В решении этого вопроса также есть определенные успехи. Чтобы продемонстрировать принципиальную возможность поддерживать большие градиенты на сравнительно больших расстояниях, был проведен эксперимент. В конце Стэнфордского Линейного Коллайдера (SLC), ускоряющего электроны до энергии 42 ГэВ, была поставлена дополнительная ускорительная секция, основанная на технологии плазменного ускорения. Длина секции составляла около 85 см. При этом энергию электронов там удалось удвоить (максимальная энергия электронов составила 857 ГэВ). Это тем более фантастично, что для того, чтобы разогнать электроны до 42 ГэВ, на самом коллайдере требуется 3 км.

Несмотря на такие успехи, для создания многотэвных коллайдеров, основанных на данной технологии, наверное, понадобятся несколько десятков лет. А вот маленькие ускорители с энергией около 1 ГэВ, умещающиеся на столе, могут появиться в ближайшие несколько лет. Такие ускорители могут быть, например, использованы для создания компактных источников синхротронного излучения.

А что еще?

Рассказывая об ускорителях будущего, я, к сожалению, не смог упомянуть про множество других проектов, целью которых является не покорение новых рубежей энергии, а создание высокоинтенсивных пучков для исследования редких процессов (например, проекты SuperKEKB или SuperB). Не упомянул я и о проектах ионных пучков, таких как создание большого ускорительного комплекса FAIR, модернизации ускорителя RHIC или проекте нового ионного коллайдера NICA в Дубне. Пожалуй, сложно перечислить все в короткой лекции. Хочется надеяться, что большинство этих проектов будет реализовано.

Большой адронный коллайдер называют либо «машиной Судного дня», либо ключом к тайне Вселенной, но его значимость не подвергается сомнению.

Как сказал когда-то знаменитый британский мыслитель Бертран Рассел: « – это то, что вы знаете, философия – то, чего не знаете». Казалось бы, что истинно научное знание давно отделилось от своих истоков, которые можно найти в философских изысканиях Древней Греции, но это не совсем так.

На протяжении двадцатого века ученые пытались найти в науке ответ на вопрос об устройстве мира. Этот процесс был похож на поиск смысла жизни: огромное множество теорий, предположений и даже безумный идей. К каким же выводам пришли ученые к началу XXI века?

Весь мир состоит из элементарных частиц , которые представляют собой конечные формы всего сущего, то есть то, что нельзя расщепить на более мелкие элементы. К ним относятся протоны, электроны, нейтроны и так далее. Эти частицы находятся между собой в постоянном взаимодействии. На момент начала нашего столетия оно выражалось в 4 фундаментальных типах: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Первое описывается Общей теорией относительности, другие три объединяются в рамках Стандартной модели (квантовая теория). Было также сделано предположение о существовании еще одного взаимодействия, впоследствии названного «поле Хиггса».

Постепенно стала формироваться идея объединения всех фундаментальных взаимодействий в рамках «теории всего» , которая изначально воспринималась как шутка, но быстро переросла в мощное научное направление. Зачем это нужно? Всё просто! Без понимания того, как функционирует мир, мы словно муравьи в искусственном гнезде – не выберемся за пределы своих возможностей. Человеческое знание не может (ну, или пока не может, если вы оптимист) охватить устройство мира целиком.

Одной из самых знаменитых теорий, претендующих на «объятие всего», считается теория струн . Она подразумевает, что вся Вселенная и наша с вами жизнь многомерна. Несмотря на разработанную теоретическую часть и поддержку знаменитых физиков, таких, как Брайан Грин и Стивен Хокинг, она не имеет экспериментального подтверждения.

Ученые, спустя десятилетия, устали вещать с трибун и решили построить то, что раз и навсегда должно расставить все точки над «i». Для этого и была создана крупнейшая в мире экспериментальная установка – Большой адронный коллайдер (БАК).

«К коллайдеру!»

Что такое коллайдер? Если говорить научным языком, то это – ускоритель заряженных частиц, предназначенный для разгона элементарных частиц для дальнейшего понимания их взаимодействия. Если говорить ненаучным языком – это большая арена (или песочница, если вам угодно), на которой ученые сражаются за подтверждение своих теорий.

Впервые идея столкнуть элементарные частицы и посмотреть, что будет, появилась у американского физика Дональда Вильяма Керста (Donald William Kerst) в 1956 году. Он предположил, что благодаря этому ученым удастся проникнуть в тайны Вселенной. Казалось бы, что плохого в том, чтобы столкнуть между собой два пучка протонов с суммарной энергией в миллион раз больше, чем от термоядерного синтеза? Времена были соответствующие: холодная война, гонка вооружений и все такое.

История создания БАК

Brücke-Osteuropa / wikimedia.org
(CC0 1.0)

Идея создания ускорителя для получения и исследования заряженных частиц появилась еще в начале 1920-х годов, но первые прототипы были созданы только к началу 1930-х. Изначально они представляли собой высоковольтные линейные ускорители, то есть заряженные частицы двигались прямолинейно. Кольцевой вариант был представлен в 1931 году в США, после чего похожие устройства стали появляться в ряде развитых стран – Великобритании, Швейцарии, СССР. Они получили название циклотроны , и стали в дальнейшем активно использоваться для создания ядерного оружия.

Нужно отметить, что стоимость строительства ускорителя частиц неимоверно высокая. Европа, игравшая во время холодной войны не первостепенную роль, поручила его создание Европейской организации по ядерным исследованиям (на русском часто читается как ЦЕРН) , которая в дальнейшем занялась и строительством БАК.

ЦЕРН была создана на волне беспокойства мирового сообщества в отношении ядерных исследований в США и СССР, которые могли привести к всеобщему истреблению. Поэтому ученые решили объединить усилия и направить их в мирное русло. В 1954 году ЦЕРН получила своё официальное рождение.

В 1983 году под эгидой ЦЕРН были открыты бозоны W и Z, после чего вопрос об открытии бозонов Хиггса стал лишь делом времени. В том же году началась работа над строительством Большого электрон-позитронного коллайдера (БЭПК), который сыграл первостепенную роль в изучении обнаруженных бозонов. Однако уже тогда стало ясно, что мощности созданного устройства в скором времени окажутся недостаточными. И в 1984 году было принято решение о строительстве БАК, сразу после того, как БЭПК будет демонтирован. Это и произошло в 2000 году.

Строительство БАК, начавшееся в 2001 году, облегчалось тем, что оно происходило на месте бывшего БЭПК, в долине Женевского озера. В связи с вопросами финансирования (в 1995 году стоимость оценивалась в 2,6 млрд швейцарских франков, к 2001 превысила 4,6 млрд, в 2009 составила 6 млрд долларов).

На данный момент БАК располагается в туннеле с длиной окружности 26,7 км и проходит через территории сразу двух европейских стран – Франции и Швейцарии. Глубина туннеля варьируется от 50 до 175 метров. Нужно также отметить, что энергия столкновения протонов в ускорителе достигает 14 тераэлектронвольт, что в 20 раз больше достигнутых результатов при использовании БЭПК.

«Любопытство – не порок, но большое свинство»

27-километровый туннель коллайдера ЦЕРН, расположен в 100 метрах под землей недалеко от Женевы. Здесь будут находиться огромные сверхпроводящие электромагниты. Справа транспортные вагоны. Juhanson / wikipedia.org (CC BY-SA 3.0)

Зачем нужна эта рукотворная «машина Судного дня»? Ученые рассчитывают увидеть мир таким, каким он был сразу после Большого взрыва, то есть в момент образования материи.

Цели , которые поставили перед собой ученые при строительстве БАК:

1. Подтверждение или опровержение Стандартной модели с целью дальнейшего создания «теории всего».
2. Доказательство существования бозона Хиггса как частицы пятого фундаментального взаимодействия. Она, согласно теоретическим изысканиям, должна влиять на электрическое и слабое взаимодействие, нарушая их симметрию.
3. Изучение кварков, представляющих собой фундаментальную частицу, которая в 20 тысяч раз меньше состоящих из них протонов.
4. Получение и исследование темной материи, составляющей большую часть Вселенной.

Это далеко не единственные цели, возложенные учеными на БАК, но остальные больше относятся к смежным или сугубо теоретическим.

Чего удалось достичь?

Несомненно, наиболее крупным и значимым достижением стало официальное подтверждение существования бозона Хиггса . Открытие пятого взаимодействия (поля Хиггса), которое, по утверждениям ученых, влияет на приобретение массы всеми элементарными частицами. Считается, что при нарушении симметрии в процессе воздействия поля Хиггса на другие поля, бозоны W и Z становятся массивными. Открытие бозона Хиггса настолько велико по своей значимости, что ряд ученых дал им название «божественные частицы».

Кварки объединяются в частицы (протоны, нейтроны и другие), которые получили название адроны . Именно они ускоряются и сталкиваются в БАК, откуда и пошло его название. В процессе работы коллайдера было доказано, что выделить кварк из адрона попросту невозможно. Если вы попытаетесь это сделать, то просто вырвете из, например, протона другой вид элементарной частницы – мезон . Несмотря на то что это лишь один из адронов и ничего нового в себе не несет, дальнейшее изучение взаимодействия кварков должно осуществляться именно небольшими шагами. В исследованиях фундаментальных законов функционирования Вселенной спешка опасна.

Хоть сами кварки и не были открыты в процессе использования БАК, но их существование до определенного момента воспринималось как математическая абстракция. Первые такие частицы были найдены в 1968 году, но лишь в 1995-ом официально доказано существование «истинного кварка». Результаты экспериментов подтверждаются возможностью их воспроизвести. Поэтому достижение БАК аналогичного результата воспринимается не как повтор, а как закрепляющее доказательство их существования! Хотя проблема с реальностью кварков никуда и не исчезла, ведь их просто нельзя выделить из адронов.

Какие планы?

Hans G / flickr.com (CC BY-SA 2.0)

Основная задача по созданию «теории всего» решена не была, но теоретическая проработка возможных вариантов её проявления ведется. До сих пор одной из проблем объединения Общей теории относительности и Стандартной модели остается разная область их действия, в связи с чем вторая не учитывает особенности первой. Поэтому важен выход за пределы Стандартной модели и достижения грани Новой физики .

Суперсимметрия – ученые считают, что она связывает бозонное и фермионное квантовые поля, да так, что они могут превращаться друг в друга. Именно подобная конверсия выходит за рамки Стандартной модели, так как существует теория, что в основе симметричного отображения квантовых полей лежат гравитоны . Они, соответственно, могут являться элементарной частицей гравитации.

Бозон Мадала – гипотеза о существовании бозона Мадала предполагает, что имеется еще одно поле. Только если бозон Хиггса взаимодействует с известными частицами и материей, то бозон Мадала – с темной материей . Несмотря на то что она занимает большую часть Вселенной, её существование не входит в рамки Стандартной модели.

Микроскопическая черная дыра – одно из исследований БАК заключается в создании черной дыры. Да-да, именно той черной, всепоглощающей области в космическом пространстве. Благо, что значительных достижений в этом направлении сделано не было.

На сегодняшний день Большой адронный коллайдер представляет собой многоцелевой исследовательский центр, на основе работы которого создаются и экспериментально подтверждаются теории, которые помогут нам лучше понять устройство мира. Вокруг ряда проводимых исследований, которые клеймятся опасными, нередко поднимаются волны критики, в том числе со стороны Стивена Хокинга, но игра определенно стоит свеч. Мы не сможем плыть в черном океане под названием Вселенная с капитаном, у которого ни карты, ни компаса, ни элементарных знаний об окружающем мире.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .

В отличие от своих коллег из области биологии (которые могут заказать себе грызунов, кольчатых червей или пиявок в Интернете), физикам нужно самостоятельно создавать себе подопытных

Когда физикам нужны частицы для ускорителей, они приходят на наш сайт и оставляют объявления в комментариях, предлагая работу вакантным частицам. Иногда им нужны частицы с позитивным настроем, иногда более нейтральные. Затем физики приглашают частицу на свидание, и если все идет хорошо, предлагают поучаствовать в процессе ускорения. Так и был сделан бозон Хиггса.

Если бы. В отличие от своих коллег из области биологии (которые могут заказать себе грызунов, кольчатых червей или пиявок в Интернете), физикам нужно самостоятельно создавать себе подопытных. Не так-то просто набрать нужное количество частиц для высокоскоростного столкновения на Большом адронном коллайдере.

Прежде чем мы засунем их в ускоритель частиц, давайте разберемся, зачем нам это делать. Что такое ускорители, и почему мы не можем ускорить что-нибудь более существенное, чем частицы?

Самый известный ускоритель частиц - это Большой адронный коллайдер, 27-километровый круговой монстр, зарытый под землю. Расположенный в Швейцарии, БАК работает под Европейской организацией ядерных исследований, она же ЦЕРН (акроним имеет смысл, если знать его французскую расшифровку). БАК стал весьма популярным в 2012 году, когда столкновения частиц пролили свет на следы бозона Хиггса, ради которого этот ускоритель, собственно, и строился. Открытие бозона Хиггса позволило физикам более уверенно говорить о поле Хиггса, а также о том, как материя во Вселенной приобретает массу.

Но если БАК - это суперзвезда в мире ускорителей, есть много и других менее известных студий, записывающих свои пластинки. В целом в мире насчитывается около 30 000 ускорителей, и, возможно, именно им стоит сказать спасибо за самые практичные изобретения. И это не просто слова. Ученые, которые хотели изучать сверхабсорбирующие полимеры, используемые в одноразовых подгузниках, столкнулись с проблемами при изучении их во влажном состоянии, поэтому - та-дам - обратились к рентгеновской микроскопии (которая использует ускорение частиц). Будучи в состоянии идентифицировать и изучить структуру молекулярных цепей, ученые смогли правильно составить нужную формулу, благодаря чему современные подгузники остаются сухими и говорят спасибо ускорителям частиц.

Кроме того, ускорители отлично применяются в медицинской среде, в частности - в исследовании способов лечения рака. Линейные ускорители (когда частицы сталкиваются с мишенью, пролетая по прямой линии), направляют электроны в металлическую цель, в результате чего получатся высокоточные и высокоэнергетические рентгеновские лучи, которые могут лечить опухоли. Ну и, конечно, без ускорителей в теоретической физике элементарных частиц никуда - любой теории нужна практика. Теперь, когда мы немного знаем о том, для чего используются ускорители, давайте поговорим о том, чем их кормить.

Как мы говорили выше, ученые ЦЕРН производят частицы сами для себя. Это можно сравнить с тем, что бухгалтер собирает сам себе калькулятор. Но для физики частиц это не проблема. Все, что нужно ученым, - это начать с водорода, выбить электроны с помощью дуоплазматрона и остаться наедине с протонами. Звучит просто, но на деле сложнее. Во всяком случае, не так просто для тех, кто не получает открытки на день рождения от Стивена Хокинга.

Водород - это газ, который поступает в первую ступень ускорителя частиц - дуоплазматрон. Дуоплазматрон - это весьма простое устройство. У атомов водорода есть один электрон и один протон. В дуоплазматроне атом водорода избавляют от электрона при помощи электрического поля. Остается плазма из протонов, электронов и молекулярных ионов, которые проходят через несколько фильтрующих сетей, в результате чего остаются одни протоны.

На БАК используют не только протоны для рутинных задач. Физики ЦЕРН также сталкивают ионы свинца для изучения кварк-глюонной плазмы, которая отдаленно напоминает нам о том, какой была Вселенная давным-давно. Сталкивая вместе ионы тяжелых металлов (работает и с золотом), ученые могут создать кварк-глюонную плазму на мгновение.

Вы уже достаточно просвещены, чтобы понимать, что ионы свинца не появляются волшебным образом в ускорителе частиц. Вот как это происходит: физик ЦЕРН начинает собирать ионы свинца с твердого свинца-208, особого изотопа элемента. Твердый свинец нагревается до пара - до 800 градусов по Цельсию. Затем его бьют электрическим током, который ионизирует образец для создания плазмы. Новосозданные ионы (атомы с электрическим зарядом, которые приобрели или потеряли электроны) сбиваются в линейном ускорителе, который придает им ускорения, что приводит к еще большей потере электронов. Затем они еще больше сбиваются и ускоряются - и ионы свинца готовы пройти путь протонов и разбиться в недрах Большого адронного коллайдера.

Ею является поиск путей объединения двух фундаментальных теорий – ОТО (о гравитационном ) и СМ (стандартной модели, объединяющей три фундаментальных физических взаимодействия – электромагнитного, сильного и слабого). Нахождению решения до создания БАКа препятствовали трудности при создании теории квантовой гравитации.

Построение этой гипотезы включает в себя соединение двух физических теорий – квантовой механики и общей теории относительности.

Для этого были использованы сразу несколько популярных и нужных в современной подходов – струнная теория, теория бран, теория супергравитации, а также теория квантовой гравитации. До построения колайдера главной проблемой проведения необходимых экспериментов являлось отсутствие энергии, которую нельзя достичь на других современных ускорителях заряженных частиц.

Женевский БАК дал ученым возможность проведения ранее неосуществимых экспериментов. Считается, что уже в скором будущем при помощи аппарата будут подтверждены или опровергнуты многие физические теории. Одной из самых проблемных является суперсимметрия или теория струн, которая долгое время разделяла физическое на два лагеря – «струнщиков» и их соперников.

Другие фундаментальные эксперименты, проводимые в рамках работы БАК

Интересны и изыскания ученых в области изучения топ- , являющихся самыми кварками и наиболее тяжелыми (173,1 ± 1,3 ГэВ/c²) из всех известных в настоящее время элементарных частиц.

Из-за этого свойства и до создания БАКа, ученые могли наблюдать кварки только на ускорителе «Тэватрон», так как прочие устройства просто не обладали достаточной мощностью и энергией. В свою очередь, теория кварков представляет собой важный элемент нашумевшей гипотезы о бозоне Хиггса.

Все научные изыскания по созданию и изучению свойств кварков ученые производят в топ-кварк-антикварковой паровой в БАКе.

Важной целью женевского проекта также является процесс изучения механизма электрослабой симметрии, которая также связана с экспериментальным доказательством существования бозона Хиггса. Если обозначить проблематику еще точнее, то предметом изучения является не столько сам бозон, сколько предсказанный Питером Хиггсом механизм нарушения симметрии электрослабого взаимодействия.

В рамках БАКа также проводятся эксперименты по поиску суперсимметрии – причем желаемым результатом станет и доказательство теории о том, что любая элементарная частица всегда сопровождается более тяжелым партнером, и ее опровержение.

Словосочетание «Большой адронный коллайдер» настолько глубоко осело в массмедиа, что о данной установке знает подавляющее количество людей, в числе которых и те, чья деятельность никоим образом не связано с физикой элементарных частиц, и с наукой вообще.

Действительно, столь масштабный и дорогой проект не мог обойти стороной СМИ – кольцевая установка длиной почти в 27 километров, ценою в десяток миллиардов долларов, с которой работает несколько тысяч научных сотрудников со всего мира. Немалую лепту в популярность коллайдера внесла так называемая «частица Бога» или бозон Хиггса, который был успешно разрекламирован, и за который Питер Хиггс получил нобелевскую премию по физике в 2013-м году.

Прежде всего следует отметить, что Большой адронный коллаейдер не строился с нуля, а возник на месте своего предшественника — Большого электрон-позитронного коллайдера (Large Electron-Positron collider или LEP). Работа над 27-микилометровом тоннелем началась в 1983-м году, где в дальнейшем планировалось расположить ускоритель, который будет осуществлять столкновение электроном и позитронов. В 1988-м году кольцевой тоннель сомкнулся, при этом рабочие подошли к проведению тоннеля столь тщательно, что расхождение между двумя концами тоннеля составило всего 1 сантиметр.

Ускоритель проработал до конца 2000-го года, когда достиг своего пика – энергии в 209 ГэВ. После этого начался его демонтаж. За одиннадцать лет своей работы LEP принес физике ряд открытий, в числе которых – открытие W и Z бозонов и их дальнейшие исследования. На основе результатов этих исследований был сделан вывод о сходстве механизмов электромагнитного и слабого взаимодействий, вследствие чего начались теоретические работы по объединению этих взаимодействий в электрослабое.

В 2001-м году на месте электрон-позитронного ускорителя началась постройка Большого адронного коллайдера. Строительство нового ускорителя завершилось в конце 2007-го года. Он располагался на месте LEP – на границе между Францией и Швейцарией, в долине Женевского озера (в 15 км от Женевы), на глубине ста метров. В августе 2008-го года начались испытания коллайдера, а 10-го сентября произошел официальный запуск БАКа. Как и в случае с предыдущим ускорителем, строительство и работа с установкой возглавляется Европейской организацией по ядерным исследованиям – ЦЕРН.

ЦЕРН

Вкратце стоит сказать об организации CERN (Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire). Данная организация выступает в роли крупнейшей мировой лаборатории в области физики высоких энергий. Включает три тысячи постоянных сотрудников, и еще несколько тысяч исследователей и ученых из 80 стран принимают участие в проектах ЦЕРНа.

На данный момент участниками проекта является 22 страны: Бельгия, Дания, Франция, Германия, Греция, Италия, Нидерланды, Норвегия, Швеция, Швейцария, Великобритания – учредители, Австрия, Испания, Португалия, Финляндия, Польша, Венгрия, Чехия, Словакия, Болгария и Румыния – присоединившиеся. Однако, как уже было сказано выше – еще несколько десятков стран так или иначе принимают участие в работе организации, и в частности – на Большом адронном коллайдере.

Как работает Большой адронный коллайдер?

Что такое Большой адронный коллайдер и как он работает – основные вопросы, интересующие общественность. Рассмотрим эти вопросы далее.

Коллайдер (collider) – в переводе с английского означает «тот, кто сталкивает». Задача такой установки состоит в столкновении частиц. В случае с адроннмы коллайдером, в роли частиц выступают адроны – частицы, участвующие в сильном взаимодействии. Таковыми являются протоны.

Получение протонов

Долгий путь протонов берет свое начало в дуоплазматроне – первой ступени ускорителя, куда поступает водород в виде газа. Дуоплазматрон представляет собой разрядную камеру, где через газ проводится электрический разряд. Так водород, состоящий всего из одного электрона и одного протона, теряет свой электрон. Таким образом образуется плазма – вещество, состоящее из заряженных частиц – протонов. Конечно, получить чистую протонную плазму сложно, поэтому далее образованная плазма, включающая также облако молекулярных ионов и электронов, проходит фильтрацию для выделения облака протонов. Под действием магнитов протонная плазма сбивается в пучок.

Предварительный разгон частиц

Новообразованный пучок протонов начинает свой путь в линейном ускорителе LINAC 2, который представляет собой 30-тиметровое кольцо, последовательно увешенное несколькими полыми цилиндрическими электродами (проводниками). Создаваемое внутри ускорителя электростатическое поле градуировано таким образом, что частицы между полыми цилиндрами всегда испытывают ускоряющую силу в направлении следующего электрода. Не углубляясь целиком в механизм разгона протонов на данном этапе, отметим лишь, что на выходе с LINAC 2 физики получают пучок протонов с энергией 50 МэВ, которые уже достигают 31% скорости света. Примечательно, что при этом масса частиц возрастает на 5%.

К 2019-2020-му году планируется замена LINAC 2 на LINAC 4, который будет разгонять протоны до 160 МэВ.

Стоит отметить, что на коллайдере также разгоняют ионы свинца, которые позволят изучить кварк-глюонную плазму. Их разгоняют в кольце LINAC 3, аналогичном LINAC 2. В дальнейшем также планируются эксперименты с аргоном и ксеноном.

Далее пакеты протонов поступают в протон-синхронный бустер (PSB). Он состоит из четырех наложенных колец диаметром 50 метров, в которых располагаются электромагнитные резонаторы. Создаваемое ими электромагнитное поле имеет высокую напряженность, и проходящая через него частица получает ускорение в результате разности потенциалов поля. Так спустя всего 1,2 секунды частицы разгоняются в PSB до 91% скорости света и достигают энергии в 1,4 ГэВ, после чего поступают в протонный-синхротрон (PS). Диаметр PS составляет 628 метров и оснащен 27 магнитами, направляющими пучок частиц по круговой орбите. Здесь частиц протоны достигают 26 ГэВ.

Предпоследним кольцом для разгона протонов служит Суперпротонный-синхротрон (SPS), длина окружности которого достигает 7 километров. Будучи оснащенным 1317-ю магнитами SPS разгоняет частицы до энергии в 450 ГэВ. Спустя примерно 20 минут пучок протонов попадает в основное кольцо – Большой адронный коллайдер (LHC).

Разгон и столкновение частиц в LHC

Переходы между кольцами ускорителей происходят посредством электромагнитных полей, создаваемых мощными магнитами. Основное кольцо коллайдеро состоит из двух параллельных линий, в которых частицы движутся по кольцевой орбите в противоположном направлении. За сохранение круговой траектории частиц и направление их в точки столкновения отвечают около 10 000 магнитов, масса некоторых из них достигает 27 тонн. Во избежание перегрева магнитов используется контур гелия-4, по которому протекает примерно 96 тонн вещества при температуре -271,25 ° С (1,9 К). Протоны достигают энергии в 6,5 ТэВ (то есть энергия столкновения – 13 ТэВ), при этом их скорость на 11 км/ч меньше скорости света. Таким образом за секунду пучок протонов проходит большое кольцо коллайдера 11 000 раз. Прежде, чем произойдет столкновение частиц, они будут циркулировать по кольцу от 5 до 24 часов.

Столкновение частиц происходит в четырех точках основного кольца LHC, в которых располагаются четыре детектора: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb.

Детекторы Большого адронного коллайдера

ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)

— является одним из двух детекторов общего назначения на Большом адронном коллайдере (LHC). Он исследует широкий спектр физики: от поиска бозона Хиггса до частиц, которые могут составлять темную материю. Хотя он имеет те же научные цели, что и эксперимент CMS, ATLAS использует иные технические решения и другую конструкцию магнитной системы.

Пучки частиц из LHC сталкиваются в центре детектора ATLAS, образуя встречные обломки в виде новых частиц, которые вылетают из точки столкновения во всех направлениях. Шесть различных детектирующих подсистем, расположенных в слоях вокруг точки столкновения, записывают пути, импульс и энергию частиц, позволяя их индивидуально идентифицировать. Огромная система магнитов искривляет пути заряженных частиц, так что их импульсы можно измерить.

Взаимодействия в детекторе ATLAS создают огромный поток данных. Чтобы обработать эти данные, ATLAS использует расширенную «триггерную» систему, позволяющую сообщать детектору, какие события записывать, а какие игнорировать. Затем для анализа зарегистрированных событий столкновения используются сложные системы сбора данных и вычисления.

Детектор имеет высоту 46 метров и ширину – 25 метров, при этом его масса составляет 7 000 тонн. Эти параметры делает ATLAS самым большим детектором частиц, когда-либо созданным. Он находится в тоннеле на глубине в 100 м вблизи главного объекта ЦЕРН, недалеко от деревни Мейрин в Швейцарии. Установка состоит из 4 основных компонентов:

• Внутренний детектор имеет цилиндрическую форму, внутреннее кольцо находится всего в нескольких сантиметрах от оси проходящего пучка частиц, а внешнее кольцо имеет диаметр в 2,1 метра и длину 6,2 метра. Он состоит из трех различных систем датчиков, погруженных в магнитное поле. Внутренний детектор измеряет направление, импульс и заряд электрически заряженных частиц, образующихся при каждом протон-протонном столкновении. Основные элементы внутреннего детектора: пиксельный детектор (Pixel Detector), полупроводниковая система слежения (Semi-Conductor Tracker, SCT) и трековый детектор переходного излучения (Transition radiation tracker, TRT).

• Калориметры измеряют энергию, которую частица теряет, когда проходит через детектор. Он поглощает частицы, возникающие при столкновении, тем самым фиксирую их энергию. Калориметры состоят из слоев «поглощающего» материала с высокой плотностью — свинца, чередующегося со слоями «активной среды» — жидкого аргона. Электромагнитные калориметры измеряют энергию электронов и фотонов при взаимодействии с веществом. Адронные калориметры измеряют энергию адронов при взаимодействии с атомными ядрами. Калориметры могут останавливать большинство известных частиц, кроме мюонов и нейтрино.

LAr (Liquid Argon Calorimeter) — калориметр ATLAS

• Мюонный спектрометр – состоит из 4000 индивидуальных мюонных камер, использующих четыре различные технологи, позволяющие, идентифицировать мюоны и измерить их импульсы. Мюоны обычно проходят через внутренний детектор и калориметр, а потому требуется наличие мюонного спектрометра.

• Магнитная система ATLAS изгибает частицы вокруг различных слоев детекторных систем, что упрощает отслеживание треков частиц.

В эксперименте ATLAS (февраль 2012 г.) работают более 3 000 ученых из 174 институтов из 38 стран.

CMS (Compact Muon Solenoid)

— является детектором общего назначения на Большом адронном коллайдере (LHC). Как и ATLAS, имеет широкую физическую программу, начиная от изучения стандартной модели (включая бозон Хиггса) до поиска частиц, которые могут составлять темную материю. Хотя он имеет те же научные цели, что и эксперимент ATLAS, CMS использует иные технические решения и другую конструкцию магнитной системы.

Детектор CMS построен вокруг огромного магнита соленоида. Представляет собой цилиндрическую катушку сверхпроводящего кабеля, которая генерирует поле в 4 тесла, примерно в 100 000 раз превышающее магнитное поле Земли. Поле ограничено стальным «хамутом», который является массивнейшим компонентом детектора, масса которого — 14 000 тонн. Полный детектор имеет длину — 21 м, ширину — 15 м и высоту — 15 м. Установка состоит из 4 основных компонентов:

• Магнит соленоида – крупнейший магнит в мире, который служит для изгиба траектории заряженных частиц, вылетающих из точки столкновения. Искажение траектории позволяет различить положительно и отрицательно заряженные частицы (т.к. они изгибаются в противоположных направлениях), а также измерить импульс, величина которого зависит от кривизны траектории. Огромные размеры соленоида позволяют расположить трекер и калориметры внутри катушки.
• Кремниевый трекер — состоит из 75 миллионов отдельных электронных датчиков, расположенных в концентрических слоях. Когда заряженная частица пролетает через слои трекера, она передает часть энергии каждому слою, объединение этих точек столкновения частицы с различными слоями позволяет в дальнейшем определить ее траекторию.
• Калориметры – электронный и адронный см. калориметры ATLAS.
• Саб-детекторы – позволяют детектировать мюоны. Представлены 1 400 мюонными камерами, которые слоями располагаются вне катушки, чередуясь с металлическими пластинами «хамута».

Эксперимент CMS является одним из крупнейших международных научных исследований в истории, в котором принимают участие 4300 человек: физики в области элементарных частиц, инженеры и техники, студенты и вспомогательный персонал из 182 институтов, 42 стран (февраль 2014 года).

ALICE (A Large Ion Collider Experiment)

— представляет собой детектор тяжелых ионов на кольцах большого адронного коллайдера (LHC). Он предназначен для изучения физики сильно взаимодействующего вещества при экстремальных плотностях энергии, где образуется фаза вещества, называемая кварк-глюонной плазмой.

Вся обычная материя в сегодняшней вселенной состоит из атомов. Каждый атом содержит ядро, состоящее из протонов и нейтронов (кроме водорода, не имеющего нейтронов), окруженного облаком электронов. Протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из кварков, связанных вместе с другими частицами, называемыми глюонами. Никакой кварк никогда не наблюдался изолированно: кварки, а также глюоны, по-видимому, постоянно связаны вместе и ограничены внутри составных частиц, таких как протоны и нейтроны. Это называется конфайнментом.

Столкновения в LHC создают температуры более чем в 100 000 раз более горячее, чем в центре Солнца. Колллайдер обеспечивает столкновения между свинцовыми ионами, воссоздавая условия, аналогичные тем, которые имели место сразу после Большого Взрыва. В этих экстремальных условиях протоны и нейтроны «расплавляются», освобождая кварки от их связей с глюонами. Это и есть кварк-глюонная плазма.

В эксперименте ALICE используется детектор ALICE массой 10 000 тонн, 26 м в длину, 16 м в высоту и 16 м в ширину. Устройство состоит из трех основных комплектов компонентов: трэкинговых устройств, калориметров и детекторов-идентификаторов частиц. Также его разделяют на 18 модулей. Детектор находится в тоннеле на глубине 56 м под, недалеко от деревни Сент-Денис-Пуйи во Франции.

Эксперимент насчитывает более 1 000 ученых из более чем 100 институтов физики в 30 странах.

LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment)

– в рамках эксперимента проводится исследование небольших различий между веществом и антиматерией, изучая тип частицы, называемый «бьюти-кварк» или «b-кварк».

Вместо того, чтобы окружать всю точку столкновения с помощью закрытого детектора, как ATLAS и CMS, эксперимент LHCb использует серию сабдетекторов для обнаружения преимущественно передних частиц — тех, которые были направлены вперед в результате столкновения в одном направлении. Первый сабдетектор установлен близко к точке столкновения, а остальные — один за другим на расстоянии 20 метров.

На LHC создается большое изобилие различных типов кварков, прежде чем они быстро распадаются на другие формы. Чтобы поймать b-кварки, для LHCb были разработаны сложные движущиеся следящие детекторы, расположенные вблизи движения пучка частиц по коллайдеру.

5600-тонный детектор LHCb состоит из прямого спектрометра и плоских детекторов. Это 21 метр в длину, 10 метров в высоту и 13 метров в ширину, он находится на глубине 100 метров под землей. Около 700 ученых из 66 различных институтов и университетов вовлечены в эксперимент LHCb (октябрь 2013 г.).

Другие эксперименты на коллайдере

Помимо вышеперечисленных экспериментов на Большом адронном коллайдере есть другие два эксперимента с установками:

• LHCf (Large Hadron Collider forward) — изучает частицы, выброшенные вперед после столкновения пучков частиц. Они имитируют космические лучи, исследованием которых и занимаются ученые в рамках эксперимента. Космические лучи — это естественные заряженные частицы из космического пространства, которые постоянно бомбардируют земную атмосферу. Они сталкиваются с ядрами в верхней атмосфере, вызывая каскад частиц, которые достигают уровня земли. Изучение того, как столкновения внутри LHC вызывают подобные каскады частиц, поможет физикам интерпретировать и откалибровать крупномасштабные эксперименты с космическими лучами, которые могут охватывать тысячи километров.

LHCf состоит из двух детекторов, которые расположены вдоль LHC, на расстоянии 140 метров с обеих сторон он точки столкновения ATLAS. Каждый из двух детекторов весит всего 40 килограммов и имеет размеры 30 см в длину, 80 см в высоту и 10 см в ширину. В эксперименте LHCf участвуют 30 ученых из 9 институтов в 5 странах (ноябрь 2012 г.).

• TOTEM (Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation) – эксперимент с самой длинной установкой на коллайдере. Его задачей является исследование самих протонов, путем точного измерения протонов, возникающих при столкновениях под малыми углами. Эта область известна как «прямое» направление и недоступна другим экспериментам LHC. Детекторы TOTEM распространяются почти на полкилометра вокруг точки взаимодействия CMS. TOTEM имеет почти 3 000 кг оборудования, в том числе четыре ядерных телескопа, а также 26 детекторов типа «римский горшок». Последний тип позволяет расположить детекторы максимально близко к пучку частиц. Эксперимент TOTEM включает около 100 ученых из 16 институтов в 8 странах (август 2014 года).

Зачем нужен Большой адронный коллайдер?

Крупнейшая международная научная установка исследует широкий спектр физических задач:

• Изучение топ-кварков. Данная частица является не только самым тяжелым кварком, но и самой тяжелой элементарной частицей. Исследование свойств топ-кварка также имеет смысл, потому что он является инструментом для исследования .
• Поиск и изучение бозона Хиггса. Хотя ЦЕРН утверждает, что бозон Хиггса был уже обнаружен (в 2012-м году), пока о его природе известно совсем немного и дальнейшие исследования могли бы внести большую ясность в механизм его работы.

• Изучение кварк-глюонной плазмы. При столкновениях ядер свинца на больших скоростях – в коллайдере образуется . Ее исследование может принести результаты, полезные как для ядерной физики (улучшение теории сильных взаимодействий), так и для астрофизики (изучение Вселенной в ее первые моменты существования).
• Поиск суперсимметрии. Это исследование направлено на опровержение или доказательство «суперсимметрии» — теории, согласно которой любая элементарная частица имеет более тяжелого партнера, называемого «суперчастицей».
• Исследование фотон-фотонных и фотон-адронных столкновений. Позволит улучшить понимание механизмов процессов подобных столкновений.
• Проверка экзотических теорий. К этой категории задач относятся самые нетрадиционные – «экзотические», например, поиск параллельных вселенных посредством создания мини-черных дыр.

Кроме этих задач, существует еще множество других, решение которых также позволит человечеству понимать природу и окружающий нас мир на более качественном уровне, что в свою очередь откроет возможности для создания новых технологий.

Практическая польза Большого адронного коллайдера и фундаментальной науки

Прежде всего, следует отметить, что фундаментальные исследования привносят вклад в фундаментальную науку. Применением же этих знаний занимается прикладная наука. Сегмент общества, не осведомленный в пользе фундаментальной науки зачастую не воспринимает открытие бозона Хиггса или создание кварк-глюонной плазмы, как нечто значимое. Связь подобных исследований с жизнью рядового человека – неочевидно. Рассмотрим краткий пример с атомной энергетикой:

В 1896-м году французский физик Антуан Анри Беккерель открыл явление радиоактивности. Долгое время считалось, что к ее промышленному использованию человечество перейдет нескоро. Всего за пять лет до запуска первого в истории ядерного реактора великий физик Эрнест Резерфорд, собственно открывший атомное ядро в 1911-м году, говорил, что атомная энергия никогда не найдет своего применения. Переосмыслить свое отношение к энергии, заключенной в ядре атома, специалистам удалось в 1939 году, когда немецкие ученые Лиза Мейтнер и Отто Ган обнаружили, что ядра урана при облучении их нейтронами делятся на две части с выделением огромного количества энергии - ядерной энергии.

И лишь после этого последнего звенья ряда фундаментальных исследований в игру вступила прикладная наука, которая на основе этих открытий изобрела устройство для получения ядерной энергии – атомный реактор. Масштаб открытия можно оценить, ознакомившись с долей выработки электроэнергии атомными реакторами. Так в Украине, например, на АЭС выпадает 56% выработки электроэнергии, а во Франции и вовсе – 76%.

Все новые технологии основываются на тех или иных фундаментальных знаниях. Приведем еще пару кратких примеров:

• В 1895-м году Вильгельм Конрад Рентген заметил, что под действием рентгеновского излучения фотопластинка затемняется. Сегодня рентгенография – одно из наиболее применяемых исследований в медицине, позволяющая изучить состояние внутренних органов и обнаружить инфекции и опухали.
• В 1915-м году Альберт Эйнштейн предложил свою . Сегодня эта теория учитывается при работе GPS спутников, которые определяют местоположение объекта с точностью до пары метров. GPS применяется в сотовой связи, картографии, мониторинге транспорта, но в первую очередь – в навигации. Погрешность спутника, не учитывающего ОТО, с момента запуска росла бы на 10 километров в день! И если пешеход может воспользоваться разумом и бумажной картой, то пилоты авиалайнера попадут в затруднительную ситуацию, так как ориентироваться по облакам – невозможно.

Если сегодня практическое применение открытиям, произошедшим на LHC еще не найдено – это не значит, что ученые «возятся на коллайдере зря». Как известно, человек разумный всегда намеревается получить максимум практического применения из имеющихся знаний, а потому знания о природе, накопленные в процессе исследования на БАК, определенно найдут свое применение, рано или поздно. Как уже было продемонстрировано выше – связь фундаментальных открытий и использующих их технологий иногда может быть совсем не очевидна.

Напоследок, отметим так называемые косвенные открытия, которые не ставятся как изначальные цели исследования. Они встречаются довольно часто, так как для совершения фундаментального открытия, обычно, требуется внедрение и использование новых технологий. Так развитие оптики получило толчок от фундаментальных исследований космоса, строящихся на наблюдениях астрономов через телескоп. В случае с ЦЕРН – так возникла повсеместно применяемая технология – Интернет, проект, предложенный Тимом Бернерсом-Ли в 1989-м году для облегчения поиска данных организации ЦЕРН.