(или БАК) - на данный момент самый большой и мощный ускоритель частиц в мире. Эта махина была запущена в 2008 году, но долго работала на пониженных мощностях. Разберемся, что это такое и зачем нужен большой адронный коллайдер.
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.
Адроны делятся на барионы и мезоны. Чтобы было проще, скажем, что из барионов состоит почти все известное нам вещество. Упростим еще больше и скажем, что барионы - это нуклоны (протоны и нейтроны, составляющие атомное ядро).
Как работает большой адронный коллайдер
Масштаб очень впечатляет. Коллайдер представляет собой кольцевой туннель, залегающий под землей на глубине ста метров. Длина большого адронного коллайдера составялет 26 659 метров. Протоны, разогнанные до скоростей близких к скорости света, пролетают в подземном круге по территории Франции и Швейцарии. Если говорить точно, то глубина залегания туннеля лежит в пределах от 50 до 175 метров. Для фокусировки и удержания пучков летящих протонов используются сверхпроводящие магниты, их общая длина составляет около 22 километров, а работают они при температуре -271 градусов по Цельсию.
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.
И это при том, что коллайдер еще не разогнали до его максимальной мощности. Сейчас максимальная энергия большого адронного коллайдера – 13 ТэВ (тера электрон-Вольт). Однако, после соответствующей подготовки протоны планируют разогнать до 14 ТэВ . Для сравнения, в ускорителях- предшественниках БАК максимально полученные энергии не превышали 1 ТэВ . Так разгонять частицы мог американский ускоритель Тэватрон из штата Иллинойс. Энергия, достигнутая в коллайдере - далеко не самая Большая в мире. Так, энергия космических лучей, зафиксированных на Земле, превышает энергию частицы, разогнанной в коллайдере в миллиард раз! Так что, опасность большого адронного коллайдера минимальна. Вполне вероятно, что после того, как все ответы будут получены с помощью БАК, человечеству придется строить еще один коллайдер по-мощнее.
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!
Специалисты Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН) после ряда экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК) объявили об открытии ранее предсказанной российскими учеными новой частицы, называемой пентакварком.
Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider, LHC) — ускоритель, предназначенный для разгона элементарных частиц (в частности, протонов).
Находится на территории Франции и Швейцарии и принадлежит Европейскому совету по ядерным исследованиям (Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire, CERN, ЦЕРН).
На тот момент ученым не было в точности ясно, насколько открытая ими частица соответствует предсказаниям Стандартной модели. К марту 2013 года физики получили достаточно данных о частице, чтобы официально объявить, что это бозон Хиггса.
8 октября 2013 года британскому физику Питеру Хиггсу и бельгийцу Франсуа Энглеру, открывшему механизм нарушения электрослабой симметрии (благодаря этому нарушению элементарные частицы могут иметь массу), была присуждена Нобелевская премия по физике за "теоретическое открытие механизма, который обеспечил понимание происхождения масс элементарных частиц".
В декабре 2013 года, благодаря анализу данных с помощью нейронных сетей, физики ЦЕРНа впервые следы распада бозона Хиггса на фермионы — тау-лептоны и пары b-кварк и b-антикварк.
В июне 2014 года ученые, работающие на детекторе ATLAS, после обработки всей накопленной статистики, уточнили результаты измерения массы хиггсовского бозона. По их данным масса бозона Хиггса равна 125,36 ± 0,41 гигаэлектронвольт. Это практически совпадает — как по значению, так и по точности — с результатом ученых, работающих на детекторе CMS.
В февральской 2015 года публикации в журнале Physical Review Letters физики заявили, что возможной причиной практически полного отсутствия антиматерии во Вселенной и преобладания обычной видимой материи могли послужить движения поля Хиггса - особой структуры, где "живут" бозоны Хиггса. Российско-американский физик Александр Кусенко из университета Калифорнии в Лос-Анджелесе (США) и его коллеги полагают, что им удалось найти ответ на эту вселенскую загадку в тех данных, которые были Большим адронным коллайдером во время первого этапа его работы, когда был обнаружен бозон Хиггса, знаменитая "частица бога".
14 июля 2015 года стало известно, что специалисты Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН) после ряда экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК) объявили об открытии ранее предсказанной российскими учеными новой частицы, называемой пентакварком. Изучение свойств пентакварков позволит лучше понять, как устроена обычная материя. Возможность существования пентакварков сотрудники Петербургского института ядерной физики имени Константинова Дмитрий Дьяконов, Максим Поляков и Виктор Петров.
Данные, собранные БАК на первом этапе работы, позволили физикам из коллаборации LHCb, занимающейся поиском экзотических частиц на одноименном детекторе, "поймать" сразу несколько частиц из пяти кварков, получивших временные имена Pc(4450)+ и Pc(4380)+. Они обладают очень большой массой - около 4,4-4,5 тысячи мегаэлектронвольт, что примерно в четыре-пять раз больше, чем аналогичный показатель для протонов и нейтронов, а также достаточно необычным спином. По своей природе они представляют собой четыре "нормальных" кварка, склеенных с одним антикварком.
Статистическая достоверность открытия девять сигма, что эквивалентно одной случайной ошибке или сбою в работе детектора в одном случае на четыре миллиона миллиардов (10 в 18 степени) попыток.
Одной из целей второго запуска БАК станет поиск темной материи. Предполагается, что обнаружение такой материи поможет решить проблемы скрытой массы, которая, в частности, заключается в аномально высокой скорости вращения внешних областей галактик.
Материал подготовлен на основе информации РИА Новости и открытых источников
Пожалуй, всему миру известно грандиознейшее научное сооружение Европы – Большой адронный коллайдер, который выстроен неподалёку от швейцарского города Женева.
Перед его запуском было немало панических слухов о грядущем конце света и о том, что установка нанесёт непоправимый вред экологии Швейцарии. Однако годы идут, коллайдер работает, а мир остаётся прежним. Для чего же построили столь огромную и дорогостоящую конструкцию? Давайте разберёмся.
Что такое Большой адронный коллайдер?
В конструкции Большого адронного коллайдера, или БАК, нет ничего мистического. Это всего лишь ускоритель заряженных элементарных частиц, который необходим для разгона тяжёлых частиц и изучения продуктов, образующихся при их столкновении с другими частицами.
Во всём мире существует больше десятка аналогичных установок, в их числе – российские ускорители в подмосковной Дубне и в Новосибирске. БАК был впервые запущен в 2008 году, но из-за случившейся вскоре аварии долгое время работал на невысокой энергетической мощности, и лишь с 2015 года стала возможной эксплуатация установки на расчётных мощностях.
Как и практически все подобные установки, БАК представляет собой тоннель, проложенный в виде кольца. Он находится на глубине примерно 100 метров на границе между Францией и Швейцарией. Строго говоря, в систему БАК входит две установки, одна меньшего, другая большего диаметра. Длина большого тоннеля превосходит размеры всех прочих существующих сегодня ускорителей и составляет 25,5 километров, из-за чего коллайдер получил название Большого.
Для чего построен коллайдер?
Современным физикам удалось разработать теоретическую модель , объединяющую три фундаментальных взаимодействия из четырёх существующих и названную Стандартной моделью (СМ). Однако она пока не может считаться всеобъемлющей теорией строения мира, поскольку практически неисследованной остаётся область, названная учёными теорией квантовой гравитации и описывающая гравитационное взаимодействие. Ведущую роль в нём, согласно теории, должен играть механизм образования массы частиц, названный бозоном Хиггса.
Учёные всего мира надеются, что исследования, проводимые на БАК, позволят изучить свойства бозона Хиггса экспериментальным путём. Кроме того, немалый интерес представляет изучение кварков – так называются элементарные частицы, образующие адроны (из-за них коллайдер назван адронным).
Как функционирует БАК?
Как уже сказано, БАК представляет собой круглый тоннель, состоящий из основного и вспомогательного колец. Стенки тоннеля сложены из множества мощнейших электромагнитов, которые генерируют поле, ускоряющее микрочастицы. Начальный разгон происходит во вспомогательном тоннеле, но необходимую скорость частицы набирают в основном кольце, после чего несущиеся навстречу частицы сталкиваются, а результат их столкновения фиксируют высокочувствительные приборы.
В результате многочисленных экспериментов в июле 2012 года руководство ЦЕРН (Европейского совета ядерных исследований) объявило о том, что эксперименты позволили обнаружить бозон Хиггса. В настоящее время продолжается изучение этого явления, так как многие его свойства отличаются от предсказанных в теории.
Для чего людям нужен БАК?
Затраты на строительство БАК составили, по разным сведениям, свыше 6 млрд долларов США. Сумма становится намного более внушительной, если вспомнить ежегодные расходы на эксплуатацию установки. Для чего нужно нести столь существенные расходы, какую пользу принесёт коллайдер обычным людям?
Исследования, запланированные и уже происходящие на БАК, в перспективе могут открыть людям доступ к дешёвой энергии, которую можно будет получать буквально из воздуха. Это будет, возможно, наиболее грандиозная научно-техническая революция в истории человечества. Кроме того, разобравшись в механизме бозона Хиггса, люди, возможно, получат власть над силой, которая пока остаётся полностью неподконтрольной людям – над гравитацией.
Безусловно, открытия, которые будут сделаны при помощи Большого адронного коллайдера, не позволят нам прямо завтра овладеть технологией преобразования вещества в энергию или создать антигравитационный летательный аппарат – практические результаты ожидаются лишь в отдалённом будущем. Однако эксперименты позволят сделать ещё несколько небольших шагов к пониманию сути строения Вселенной.
На этой неделе, спустя два года ожиданий, Большой адронный коллайдер - ускоритель заряженных частиц, благодаря которому в 2012 году открыли бозон Хиггса - могут снова запустить.
Гигантский коллайдер (частью которого является подземный туннель на границе Франции и Швейцарии длиною в 27 километров) был отключен в феврале 2013 года, чтобы учёные могли внести изменения в его конструкцию. Теперь же учёные вновь включают его, чтобы при помощи серии экспериментов совершить скачок в изучении физики.
1. Постойте-постойте, а что такое Большой адронный коллайдер?
Туннель Большого адронного коллайдера
БАК был построен в 2008 году организацией CERN (Европейский совет ядерных исследований). Создание самого большого в мире адронного коллайдера обошлось в девять миллиардов долларов. Невероятная длина его подземных туннелей позволяет физикам проводить невероятные эксперименты.
Грубо говоря, чаще всего эксперименты включают в себя разгон заряженных частиц до 99.9999% от скорости света (заставляя их перемещаться по кругу 11000 раз в секунду) и последующее их столкновение при помощи гигантских магнитов. Сложные сенсоры считывают всевозможную информацию, полученную после столкновения этих частиц.
2. Зачем учёным сталкивать частицы?
Информация, полученная одним из сенсоров, в БАК
Огромное количество энергии, которое выделяется после столкновения, заставляет частицы распадаться и в последствии собираться в довольно-таки необычные конструкции. Подобные эксперименты помогают найти недостатки в стандартной модели физики - на данный момент это лучший способ предсказать поведение частиц.
Физикам интересны такие эксперименты потому, что, хоть стандартная модель и считается довольно-таки точной, она всё же неполная. «Она эффективна для предположений, но физики не так уж их любят», - прокомментировал Патрик Коппенбург, ученый, работающий с БАК.
Сильнейший недостаток модели - это то, что она не учитывает силу гравитации (она описывает только три других фундаментальных взаимодействия) и такие понятия, как тёмная материя и тёмная энергия. Она также не очень-то хорошо работает с нынешними теориями о происхождении Вселенной.
Другими словами, стандартная модель физики - это лучшее описание того, как работают вещи вокруг нас. Однако, по словам Коппенбурга, эта теория «точно в каком-то месте ошибочна». Сталкивая частицы в БАК, он и другие учёные пытается найти отклонения от этой модели.
3. Что эти учёные уже обнаружили
Диаграмма 17-ти фундаментальных частиц стандартной модели, включая бозон Хиггса
Наиболее важным событием за всю историю Большого адронного коллайдера стало открытие бозона Хиггса.
Еще с 1960-х годов считалось, что бозон Хиггса - часть поля Хиггса, невидимого поля, проходящего сквозь пространство и влияющего на все частицы. Согласно предположениям физиков, именно благодаря этому полю у частиц есть масса (или же сопротивление при передвижении).
Физик Брайн Грин писал в своей статье:
«Представьте, что шарик для пинг-понга погрузили под воду. Когда вы пытаетесь погрузить его глубже, то он кажется в разы более тяжелым, чем он был вне воды. Его взаимодействие с водой приводит к увеличению его массы. То же случается с частицами, погруженными в поле Хиггса»
В принципе, никого не удивило открытие бозона и поля Хиггса, ведь все законы стандартной модели указывали на их существование. Загвоздка заключалась в том, что не было прямых доказательств. «Когда мы строили БАК, то надеялись либо обнаружить бозон Хиггса, либо доказать, что его не существует», - комментирует Коппенбург.
В 2012 году, спустя три года экспериментов, физики доказали существование бозона Хиггса. Было высчитано, что сразу после столкновения бозон Хиггса разлагался на другие частицы, следуя определенным закономерностям. Данные, собранные после столкновения протонов, помогли понять и предсказать эти закономерности.
Это открытие невероятно важно: поле Хиггса - краеугольный камень стандартной модели. Благодаря ему, все другие уравнения становятся в разы понятней. Мы смогли обнаружить его спустя 50 лет после того, как его существование было предсказано на бумаге, а это значит, что мы на верном пути в изучении устройства нашей вселенной.
4. Почему БАК снова включают?
Туннели Большого адронного коллайдера
Все эксперименты, что проводились в прошлом, были лишь началом. Спустя несколько лет работы над улучшением магнитов (они ускоряют и контролируют движение частиц) и сенсоров, начнется новая эра: теперь серия экспериментов включает в себя разгон и столкновение частиц, заряд которых будет в два раза больше предыдущего.
Новые столкновения частиц позволят учёным открыть новые (и, возможно, даже большие) частицы, а также изучить бозон Хиггса и его поведение в разных условиях.
«Мы надеемся открыть элементы, не предсказанные стандартной моделью. К примеру, частицы настолько тяжелые, что они не были еще открыты, или же другие типы отклонений», - делится надеждами Коппенбург.
Возможно, к примеру, что бозон Хиггса - это лишь одна из нескольких частиц из механизма Хиггса.
Достаточное количество новой информации, по словам Коппенбурга и других учёных, поможет нам открыть новые частицы и улучшить нынешнюю стандартную модель, позволив ей точно взаимодействовать с тёмной материей, рождением вселенной и другими плохо изученными темами.
5. Собираются ли в будущем создавать ускорители частиц еще больших размеров?
Схема международного линейного коллайдера
Да. Физики надеются со временем построить ускорители гораздо больших размеров, которые позволят разгонять частицы с большой энергией, чем БАК. Это, в свою очередь, позволит открыть новые частицы и даст более чёткое понимание тёмной материи. Длина международного линейного коллайдера, к примеру, будет составлять 32 километра. В отличие от БАК, где частицы разгоняются по кругу, в этом проекте они будут сталкиваться друг с другом напрямую. Проект всё еще рассматривается, но учёные надеются, что такой ускоритель получится построить в Японии, и он начнёт свою работу к 2026 году.
Когда-то всем казалось, что гигантский ускоритель частиц построят и в США. В 1989 году Конгресс даже согласился потратить шесть миллиардов долларов на постройку сверхпроводящего супер-коллайдера. Строить его собирались в Ваксахэчи, штат Техас, длина его туннелей должна была достигать 86 километров. Сила, с которой в нём сталкивались бы частицы, была бы в четыре раза сильней, чем у Большого адронного коллайдера. Но к сожалению, в 1993 году стоимость проекта выросла до одиннадцати миллиардов долларов, и Конгресс решил прикрыть его, несмотря на то, что два миллиарда уже были потрачены на строительство 25 километров туннеля.
Оригинал: Vox
Перевел.
Европейский центр ядерных исследований, или просто ЦЕРН, – место, где рядом с вами в столовой запросто может обедать нобелевский лауреат по физике. Он известен во всем мире благодаря самому мощному ускорителю частиц – Большому адронному коллайдеру. Спустя почти десять лет работы пришло время подвести итог – оправдал ли надежды ученых один из самых амбициозных научных проектов современности?
В 2008 году я училась в десятом классе. Несмотря на то, что в те годы я еще совершенно не интересовалась физикой, волна ажиотажа не смогла обойти меня стороной: из каждого утюга трубили, что вот-вот запустят «машину судного дня». Что как только Очень Важный Директор поднимет рубильник, образуется черная дыра и нам всем конец. В день официального старта Большого адронного коллайдера некоторые учителя даже позволили на своих уроках посмотреть репортаж с места событий.
Самого страшного не произошло. По большому счету, не произошло ничего – рубильник был поднят, на экране компьютера заскакали непонятные простому обывателю цифры, а ученые начали праздновать. В общем, зачем запускали, было непонятно.
Несомненно, без Большого адронного коллайдера ученые не смогли бы совершить некоторые знаменательные открытия – в том числе речь идет об обнаружении бозоне Хиггса. Но все ли из запланированного удастся реализовать, и есть ли еще перспективы у БАК – об этом и расскажем.
Эксперимент DELPHI Большого электрон-позитронного коллайдера
Старший брат: Большой электрон-позитронный коллайдер
В конце семидесятых годов XX века физика элементарных частиц развивалась семимильными шагами. Для проверки предсказаний Стандартной модели в 1976 году был предложен проект Большого электрон-позитронного коллайдера (БЭП или LEP – от англ. Large Electron-Positron Collider) в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН, от фр. CERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire). Среди множества различных конфигураций был выбран вариант расположения будущего эксперимента в подземном тоннеле длиной 27 километров. Ему предполагалось ускорять электроны и позитроны до энергий порядка десятков и сотен гигаэлектронвольт: встречные пучки пересекались в четырех точках, в которых впоследствии расположились эксперименты ALEPH, DELPHI, OPAL и L3.
С точки зрения физиков энергии никогда не бывает мало: выбранный в итоге для реализации вариант БЭП был компромиссом между стоимостью и мощностью; рассматривались и туннели большей длины, способные сильнее ускорять частицы. Итоговая энергия могла использоваться для проверки Стандартной модели, но была слишком мала для поиска так называемой «новой физики» – явлений, которые не предсказываются ее законами. Гораздо лучше для таких целей подходят адронные коллайдеры – ускорители составных частиц вроде протонов, нейтронов и атомных ядер. Еще в 1977 году, в момент обсуждения БЭП, Джон Адамс, директор ЦЕРН в то время, предлагал сделать туннель шире, и разместить там сразу оба ускорителя – и электрон-позитронный, и адронный. Однако, совет, принимающий итоговые решения, эту идею отклонил, и в 1981 году был утвержден проект Большого электрон-позитронного коллайдера.
Туннель Большого адронного коллайдера
На смену приходит LHC
БЭП проработал больше десяти лет: с 1989 по 2000 год. Этому времени принадлежит ряд знаменательных экспериментов, таких как подтверждение предсказанных масс переносчиков слабого взаимодействия – W- и Z-бозонов, а также измерение различных параметров Стандартной модели с беспрецедентной точностью. И уже в 1984 году была проведена конференция «Большой адронный коллайдер в туннеле LEP», посвященная вопросу строительства нового коллайдера после прекращения работы предшественника.
В 1991 году был окончательно утвержден проект Большого адронного коллайдера (БАК или LHC – от англ. Large Hadron Collider), при помощи которого планировалось достигнуть суммарной энергии сталкивающихся частиц в 14 тераэлектронвольт, то есть в сто раз большей, чем развивал Большой электрон-позитронный коллайдер.
В 1992 году была проведена встреча, посвященная научной программе Большого адронного коллайдера: всего было получено двенадцать заявок на различные эксперименты, которые могли бы быть построены на месте четырех точек столкновения пучков. В течении последующих лет были одобрены два эксперимента общей направленности – ATLAS и CMS, эксперимент ALICE по изучению тяжелых ионов и LHCb, посвященный физике частиц, содержащих b-кварки. Сооружение Большого адронного коллайдера началось в 2000 году, а первые пучки были получены уже в 2008 году: с тех пор и по сей день, помимо планового отключения, LHC в рабочем режиме ускоряет частицы и набирает данные.
Россия в ЦЕРН
Российская Федерация с 1993 года является страной-наблюдателем в ЦЕРН, что дает право ее представителями присутствовать на заседаниях, но не дает права голосовать при принятии важных решений. В 2012 году от имени Правительства РФ было внесено заявление о намерении вступления Российской Федерации в ассоциированные члены ЦЕРН, которое на настоящий момент не было поддержано.
Всего в проектах ЦЕРН участвует около 700 российских ученых из двенадцати научных организаций, таких как Объединенный институт ядерных исследований, Российский научный центр «Курчатовский институт», Институт ядерных исследований Российской академии наук и Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова.
Инжекционная цепь Большого адронного коллайдера
Как выгодно ускорять частицы?
Схема работы Большого адронного коллайдера состоит из множества этапов. Перед тем как попасть непосредственно в БАК, частицы проходят ряд стадий пред-ускорения: таким образом набор скорости происходит быстрее и при этом с меньшими затратами энергии. Сначала в линейном ускорителе LINAC2 протоны или ядра достигают энергии в 50 мегаэлектронвольт; затем они поочередно попадают в бустерный синхротрон (PSB), протонный синхротрон (PS) и протонный суперсинхротрон (SPS), и на момент инжекции в коллайдер итоговая энергия частиц составляет 450 гигаэлектронвольт.
Помимо основных четырех экспериментов в тоннеле Большого адронного коллайдера, предускорительная система является площадкой для более чем десяти экспериментов, которым не требуется столь большая энергия частиц. В их число входят, в частности, эксперимент NA61/SHINE, исследующий параметры взаимодействия тяжелых ионов с фиксированной мишенью; эксперимент ISOLDE, исследующий свойства атомных ядер, а также AEGIS, исследующий гравитационное ускорение Земли при помощи антиводорода.
Поиски частицы Бога и новой физики
Еще в самом начале, на этапе разработки, была заявлена претенциозная научная программа Большого адронного коллайдера. В первую очередь, вследствие указаний, полученных на БЭП, планировался поиск бозона Хиггса – еще гипотетической в то время составляющей Стандартной модели, отвечающей за массу всех частиц. В том числе в планы ученых входил и поиск суперсимметричного бозона Хиггса и его суперпартнеров, входящих в минимальное суперсимметричное расширение Стандартной модели.
В целом как отдельное направление планировался поиск и проверка моделей «новой физики». Для проверки суперсимметрии, в которой каждому бозону сопоставляется фермион, и наоборот, предполагалось вести поиски соответствующих партнеров для частиц Стандартной модели. Для проверки теорий с дополнительными пространственными измерениями, таких как теория струн или М-теория, были заявлены возможности постановки ограничений на число измерений в нашем мире. Именно поиск отклонений от Стандартной модели считали, и до сих пор считают одной из основных задач БАК.
Менее громкие задачи: исследование кварк-глюонной плазмы и нарушения CP-инвариантности
Топ-кварк, самый тяжелый из шести кварков Стандартной модели, до Большого адронного коллайдера наблюдался лишь на ускорителе Тэватрон в Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми в США из-за своей крайне большой массы в 173 гигаэлектронвольта. При столкновениях в БАК, благодаря его мощности, ожидалось рождение большого числа топ-кварков, которые интересовали ученых в двух аспектах. Первый был связан с изучением иерархии частиц: на данный момент наблюдается три поколения кварков (топ-кварк завершил третье), но не исключено, что их все же больше. С другой стороны, рождение бозона Хиггса при распаде топ-кварка считалось основным способом его экспериментального детектирования.
В 1964 году было открыто нарушение комбинированной CP-инвариантности (от англ. «charge» – заряд и «parity» – четность), которое соответствует зеркальному отображению нашего мира с полной заменой всех частиц на соответствующие античастицы. Данный факт играет важную роль в теориях образования Вселенной, которые пытаются объяснить, почему все наше вещество состоит именно из материи, а не из антиматерии. В том числе нарушение CP-четности проявляется в поведении B-мезонов – частиц, активное рождение которых предполагалось в процессе столкновений в БАК, и с их помощью ученые надеялись пролить свет на причины данного явления.
Работа Большого адронного коллайдера в режиме столкновения тяжелых ядер должна была приводить к воссозданию состояния кварк-глюонной плазмы, которое, по современным представлениям, наблюдается через 10-5 секунд после Большого взрыва – состоянию настолько «горячему», что кварки и глюоны не взаимодействуют друг с другом, и не образуют частицы и ядра, как это происходит в нормальном состоянии. Понимание процессов возникновения и охлаждения кварк-глюонной плазмы необходимо для изучения процессов квантовой хромодинамики – раздела физики, ответственного за описание сильных взаимодействий.
Схема открытия бозона Хиггса в эксперименте ATLAS
Открытие новых частиц на LHC
Итак, чем же может похвастаться за целое десятилетие своей работы Большой адронный коллайдер?
Во-первых, конечно же, самое известное из открытий – обнаружение в июле 2012 года бозона Хиггса массой 126 гигаэлектронвольт. Всего годом позднее Питер Хиггс и Франсуа Энглер были удостоены Нобелевской премии по физике за теоретическое предсказание существования «частицы Бога», ответственной за массу всего вещества во Вселенной. Теперь, однако, перед физиками стоит новая задача – понять, почему искомый бозон имеет именно такую массу; также продолжаются и поиски суперсимметричных партнеров бозона Хиггса.
В 2015 году в эксперименте LHCb были обнаружены стабильные пентакварки – частицы, состоящие из пяти кварков, а годом позднее – кандидаты на роль тетракварков – частиц, состоящих из двух кварков и двух антикварков. До этих пор считалось, что наблюдаемые частицы состоят не более чем из трех кварков, и физикам еще предстоит уточнить теоретическую модель, которая бы описала подобные состояния.
Все еще в пределах Стандартной модели
Физики надеялись, что БАК сможет решить проблему суперсимметрии – либо полностью ее опровергнуть, либо уточнить, в каком направлении стоит двигаться, поскольку вариантов подобного расширения Стандартной модели огромное количество. Пока что не удалось сделать ни того, ни другого: ученые ставят различные ограничения на параметры суперсимметричных моделей, которые могут отсеять самые простые варианты, но точно не решают глобальных вопросов.
Не было получено так же и явных указаний на физические процессы вне Стандартной модели, на которые, пожалуй, рассчитывало большинство ученых. Однако, стоит отметить, что в эксперименте LHCb также было получено указание на то, что B-мезон, тяжелая частица, содержащая в себе b-кварк, распадается не таким образом, как предсказывает Стандартная модель. Подобное поведение само по себе может служить, например, указанием на существование еще одного нейтрального переносчика слабого взаимодействия – Z’ бозона. Пока что ученые работают над набором экспериментальных данных, которые позволят ограничить различные экзотические сценарии.
Возможная схема будущего 100-километрового коллайдера
Пора начинать рыть новый туннель?
Смог ли Большой адронный коллайдер оправдать вложенные в него силы и средства? Несомненно, хоть и не все поставленные цели по итогам десятилетия пока что достигнуты. В настоящий момент идет второй этап работы ускорителя, после чего будет произведена плановая установка и начнется третья стадия набора данных.
Ученые не теряют надежды произвести следующие великие открытия и уже планируют новые коллайдеры, например, с длиной туннеля в целых 100 километров.