Що розганяють у колайдері. Навіщо потрібний великий адронний колайдер. Вартість та історія будівництва

У цьому питанні (і йому подібних) цікава поява слів «насправді» – начебто є якась прихована від непосвячених суть, що охороняється «жерцями науки» від обивателів, таємниця, яку треба розкрити. Однак при погляді зсередини науки таємниця зникає і місця цим словам немає – питання «навіщо потрібен адронний колайдер» нічим принципово не відрізняється від питання «навіщо потрібна лінійка (або ваги, годинник і т.д.)». Те, що колайдер – штука велика, дорога і за будь-якими мірками складна – справи не змінює.

Найбільш близькою аналогією, що дозволяє зрозуміти, «навіщо це потрібно», є, як на мене, лінза. Людство знайоме з властивостями лінз з незапам'ятних часів, проте лише в середині минулого тисячоліття було зрозуміло, що певні комбінації лінз можуть бути використані як прилади, що дозволяють розглядати дуже маленькі або дуже далекі об'єкти - йдеться, звичайно, про мікроскоп і телескоп. Немає жодних сумнівів, що питання, навіщо все це потрібно, неодноразово ставилося з появою цих нових для сучасників конструкцій. Однак він знявся з порядку денного сам собою, у міру того, як ширилися області наукового та прикладного застосування і того, й іншого устрою. Зауважимо, що взагалі кажучи, це різні прилади – розглядати зірки в перевернутий мікроскоп не вийде. Великий адронний колайдер ж, парадоксальним чином, об'єднує їх у собі, і може повною мірою розглядатися як найвища досягнута людством точка еволюції як мікроскопів, і телескопів за минулі століття. Це твердження може здатися дивним, і, зрозуміло, його не слід розуміти буквально – у прискорювачі немає лінз (принаймні оптичних). Але, по суті, це саме так. У своїй «мікроскопній» іпостасі колайдер дозволяє вивчати структуру та властивості об'єктів на рівні 10-19 метрів (нагадаю, що розмір атома водню – приблизно 10-10 метрів). Ще цікавіше справа в «телескопній» частині. Кожен телескоп - справжнісінька машина часу, тому що спостерігається в ньому картина відповідає тому, яким був об'єкт спостереження в минулому, а саме той час, який необхідно електромагнітного випромінювання, щоб дійти від цього об'єкта до спостерігача. Цей час може становити вісім із невеликим хвилин у разі спостереження Сонця із Землі та до мільярдів років при спостереженні далеких квазарів. Усередині Великого адронного колайдера створюються умови, які існували у Всесвіті через мізерну частку секунди після Великого вибуху. Таким чином, ми отримуємо можливість зазирнути у минуле майже на 14 мільярдів років, до початку нашого світу. Звичайні земні та орбітальні телескопи (принаймні ті, які реєструють електромагнітне випромінювання), набувають «зір» лише після ери рекомбінації, коли Всесвіт став оптично прозорим – це сталося за сучасними уявленнями через 380 тисяч років після Великого вибуху.

Далі нам належить вирішувати - що робити з цим знанням: як про влаштування матерії на малих масштабах, так і про її властивості при народженні Всесвіту, і саме це зрештою поверне таємницю, про яку йшлося на початку, і визначить, навіщо колайдер був потрібний «насправді». Але це рішення людини, колайдер же, за допомогою якого було отримано це знання, залишиться лише приладом – можливо, найвитонченішою системою «лінз», яку коли-небудь бачив світ.

Де знаходиться великий адронний колайдер?

У 2008 році CERN (Європейська рада ядерних досліджень) завершила будівництво надпотужного прискорювача частинок, названого Великий адронний колайдер. Англійською: LHC – Large Hadron Collider. CERN – міжнародна міжурядова наукова організація, утворена у 1955 році. По суті, це головна лабораторія світу в галузях високих енергій, фізики частинок та сонячної енергетики. Членами організації є близько 20 країн.

Навіщо потрібний великий адронний колайдер?

На околицях Женеви в 27-кілометровому (26 659 м) круговому бетонному тунелі створено кільце надпровідних магнітів для розгону протонів. Передбачається, що прискорювач допоможе не тільки проникнути в таємниці мікроструктури матерії, а й дозволить просунутися у пошуках відповіді на питання про нові джерела енергії в глибині матерії.

З цією метою одночасно з будівництвом самого прискорювача (вартістю понад 2 млрд доларів) створено чотири детектори частинок. З них два великі універсальні (CMS і ATLAS) і два – більш спеціалізовані. Загальна вартість детекторів наближається також до 2 млрд. доларів. У кожному з великих проектів CMS та ATLAS взяли участь понад 150 інститутів із 50 країн, у тому числі російських та білоруських.

Полювання за невловимим бозоном Хіггса

Як працює прискорювач адронний колайдер? Колайдер - це найбільший прискорювач протонів, що працює на зустрічних пучках. В результаті прискорення кожен з пучків матиме енергію в лабораторній системі 7 тераелектрон-вольт (ТеВ), тобто 7x1012 електрон-вольт. При зіткненні протонів утворюється безліч нових частинок, які реєструватимуться детекторами. Після аналізу вторинних частинок отримані дані допоможуть відповісти на фундаментальні питання, що хвилюють вчених, які займаються фізикою мікросвіту та астрофізикою. Серед головних питань – експериментальне виявлення бозона Хіггса.

Бозон Хіггса, що став «знаменитим», - гіпотетична частка, що є одним з головних компонентів так званої стандартної, класичної моделі елементарних частинок. Названий на ім'я британського теоретика Пітера Хіггса, який передбачив його існування в 1964 році. Вважається, що хіггсівські бозони, будучи квантами поля Хіггса, мають відношення до фундаментальних питань фізики. Зокрема до концепції походження мас елементарних частинок.

2-4 липня 2012 року ряд експериментів на колайдері виявили якусь частинку, яку можна співвіднести з бозоном Хіггса. Причому дані підтвердилися при вимірюванні і системою ATLAS, і системою CMS. Досі точаться суперечки, чи справді відкритий горезвісний бозон Хіггса, чи це інша частка. Факт у тому, що виявлений бозон – найважчий із тих, що раніше фіксувалися. Для вирішення фундаментального питання були запрошені провідні фізики світу: Джеральд Гуральник, Карл Хаген, Франсуа Енглер і сам Пітер Хіггс, який теоретично обгрунтував у далекому 1964 існування бозона, названого на його честь. Після аналізу масиву даних, учасники дослідження схильні вважати, що бозон Хігса дійсно виявлений.

Багато фізиків сподівалися, що при дослідженні бозона Хіггса виявляться «аномалії», які змусили б говорити про так звану «Нову фізику». Однак до кінця 2014 року опрацьовано майже весь масив даних, накопичений за три попередні роки в результаті експериментів на ВАК, та інтригуючих відхилень (за винятком окремих випадків) не виявлено. Насправді виявилося, що двофотонний розпад горезвісного бозона Хіггса виявився, за словами дослідників, «занадто стандартним». Втім, намічені на весну 2015 експерименти можуть здивувати науковий світ новими відкриттями.

Не бозоном єдиним

Пошук бозона Хіггса – не самоціль гігантського проекту. Для вчених також важливим є пошук нових видів частинок, що дозволяють судити про єдину взаємодію природи на ранній стадії існування Всесвіту. Нині вчені розрізняють чотири фундаментальні взаємодії природи: сильну, електромагнітну, слабку та гравітаційну. Теорія передбачає, що у початковій стадії Всесвіту, можливо, існувало єдине взаємодія. Якщо нові частинки будуть відкриті, підтвердиться ця версія.

Фізиков також турбує питання про загадкове походження маси частинок. Чому частинки взагалі мають масу? І чому вони мають такі маси, а чи не інші? Принагідно тут завжди мається на увазі формула Е=mc². У будь-якому матеріальному об'єкті є енергія. Питання у тому, як її звільнити. Як створити такі технології, які б дозволили вивільняти її з речовини з максимальним коефіцієнтом корисної дії? На сьогодні це головне питання енергетики.

Іншими словами, проект Великого адронного колайдера допоможе вченим знайти відповіді на фундаментальні питання та розширити знання про мікросвіт і, таким чином, про походження та розвиток Всесвіту.

Внесок білоруських та російських вчених та інженерів у створення ВАК

На етапі будівництва європейські партнери з CERN звернулися до групи білоруських учених, які мають серйозні напрацювання у цій галузі, взяти участь у створенні детекторів для LHC із самого початку проекту. У свою чергу білоруські вчені запросили до співпраці колег Об'єднаного інституту ядерних досліджень з наукограда Дубна та інших російських інститутів. Фахівці єдиною командою розпочали роботу над так званим детектором CMS – «Компактним мюонним соленоїдом». Він складається з багатьох найскладніших підсистем, кожна з яких сконструйована так, щоб виконувались специфічні завдання, при цьому спільно вони забезпечують ідентифікацію та точне вимірювання енергій та кутів вильоту всіх частинок, що народжуються в момент протонних зіткнень у ВАК.

Білорусько-російські фахівці також брали участь у створенні детектора ATLAS. Це встановлення висотою 20 м, здатне виміряти траєкторії частинок з високою точністю: до 0,01 мм. Чутливі датчики всередині детектора містять близько 10 млрд. транзисторів. Пріоритетна мета експерименту ATLAS полягає у виявленні бозона Хіггса, вивченні його властивостей.

Без перебільшення, наші вчені зробили значний внесок у створення детекторів CMS та ATLAS. Деякі важливі компоненти виготовлено на мінському Машинобудівному заводі ім. Жовтневої революції (МОЗОР). Зокрема торцеві адронні калориметри для експерименту CMS. Крім того, завод зробив дуже складні елементи магнітної системи детектора ATLAS. Це великогабаритні вироби, що вимагають володіння спеціальними технологіями обробки металів та надточної обробки. За оцінкою техніків CERN, замовлення було виконано блискуче.

Не можна недооцінювати і «внесок особистостей у історію». Наприклад, інженер кандидат технічних наук Роман Стефанович відповідальний у проекті CMS за надточну механіку. Жартома навіть кажуть, що без нього CMS не був би зібраний. Але якщо серйозно, то можна цілком виразно стверджувати: без нього терміни складання та налагодження при потрібній якості не були б витримані. Інший наш інженер-електронщик Володимир Чеховський, пройшовши досить складний конкурс, сьогодні налагоджує електроніку детектора CMS та його мюонних камер.

Наші вчені беруть участь як у запуску детекторів, так і в лабораторній частині, їх експлуатації, підтримці та оновленні. Вчені з Дубни та їхні білоруські колеги повноправно займають свої місця у міжнародному фізичному співтоваристві CERN, яке працює задля отримання нової інформації про глибинні властивості та будову матерії.

Великий адронний колайдер називають або «машиною Судного дня», або ключем до таємниці Всесвіту, але його значущість не сумнівається.

Як сказав колись знаменитий британський мислитель Бертран Рассел: "- це те, що ви знаєте, філософія - те, чого не знаєте". Здавалося б, що істинно наукове знання давно відокремилося від своїх витоків, які можна знайти у філософських дослідженнях Стародавньої Греції, але це не зовсім так.

Протягом двадцятого століття вчені намагалися знайти в науці відповідь на питання про мир. Цей процес був схожий на пошук сенсу життя: безліч теорій, припущень і навіть божевільних ідей. Які ж висновки дійшли вчені до початку XXI століття?

Весь світ складається з елементарних частинок, які є кінцеві форми всього сущого, тобто те, що не можна розщепити більш дрібні елементи. До них відносяться протони, електрони, нейтрони і таке інше. Ці частки перебувають між собою у постійній взаємодії. На момент початку нашого століття воно виражалося у 4 фундаментальних типах: гравітаційне, електромагнітне, сильне та слабке. Перший описується Загальною теорією відносності, інші три об'єднуються в рамках Стандартної моделі (квантова теорія). Було також зроблено припущення про існування ще однієї взаємодії, яка згодом названа «поле Хіггса».

Поступово почала формуватися ідея об'єднання всіх фундаментальних взаємодій у рамках « теорії всього», який спочатку сприймався як жарт, але швидко переріс у потужний науковий напрям. Навіщо це потрібно? Все просто! Без розуміння того, як функціонує світ, ми немов мурахи у штучному гнізді – не виберемося за межі своїх можливостей. Людське знання не може (ну, або поки щоне може, якщо ви оптиміст) охопити пристрій світу цілком.

Однією з найзнаменитіших теорій, які претендують на «обійми всього», вважається теорія струн. Вона має на увазі, що весь Всесвіт і наше з вами життя багатовимірне. Незважаючи на розроблену теоретичну частину та підтримку знаменитих фізиків, таких як Браян Грін і Стівен Хокінг, вона не має експериментального підтвердження.

Вчені, через десятиліття, втомилися вести мовлення з трибун і вирішили побудувати те, що раз і назавжди має розставити всі крапки над «i». Для цього і було створено найбільшу у світі експериментальну установку – Великий адронний колайдер (БАК).

«До колайдера!»

Що таке коллайдер? Якщо говорити науковою мовою, це прискорювач заряджених частинок, призначений для розгону елементарних частинок для подальшого розуміння їх взаємодії. Якщо говорити ненауковою мовою – це велика арена (або пісочниця, якщо вам завгодно), де вчені борються за підтвердження своїх теорій.

Вперше ідея зіштовхнути елементарні частки і подивитися, що буде, з'явилася в американського фізика Дональда Вільяма Керста (Donald William Kerst) 1956 року. Він припустив, що завдяки цьому вченим вдасться поринути у таємниці Всесвіту. Здавалося б, що поганого у тому, щоб зіштовхнути між собою два пучки протонів із сумарною енергією в мільйон разів більше, ніж від термоядерного синтезу? Часи були відповідні: холодна війна, гонка озброєнь і таке інше.

Історія створення ВАК

Ідея створення прискорювача для отримання та дослідження заряджених частинок з'явилася ще на початку 1920-х років, але перші прототипи були створені лише на початку 1930-х. Спочатку вони були високовольтні лінійні прискорювачі, тобто заряджені частинки рухалися прямолінійно. Кільцевий варіант був представлений у 1931 році в США, після чого схожі пристрої стали з'являтися у ряді розвинених країн - Великобританії, Швейцарії, СРСР. Вони отримали назву циклотрони, і стали активно використовуватися для створення ядерної зброї.

Слід зазначити, що вартість будівництва прискорювача часток неймовірно висока. Європа, яка грала під час холодної війни не першорядну роль, доручила його створення Європейської організації з ядерних досліджень (російською часто читається як ЦЕРН), яка надалі зайнялася і будівництвом ВАК.

ЦЕРН була створена на хвилі занепокоєння світової спільноти щодо ядерних досліджень у США та СРСР, які могли призвести до загального винищення. Тому вчені вирішили об'єднати зусилля та направити їх у мирне русло. 1954 року ЦЕРН отримала своє офіційне народження.

У 1983 році під егідою ЦЕРН було відкрито бозони W і Z, після чого питання про відкриття бозонів Хіггса стало лише справою часу. Того ж року розпочалася робота над будівництвом Великого електрон-позитронного колайдера (БЕПК), який відіграв першорядну роль у вивченні виявлених бозонів. Проте вже тоді стало зрозуміло, що потужності створеного пристрою незабаром виявляться недостатніми. І в 1984 році було прийнято рішення про будівництво ВАК, одразу після того, як ВЕПК буде демонтовано. Це і сталося 2000 року.

Будівництво ВАК, що розпочалося у 2001 році, полегшувалося тим, що воно відбувалося на місці колишнього ВЕПК, у долині Женевського озера. У зв'язку з питаннями фінансування (1995 року вартість оцінювалася в 2,6 млрд швейцарських франків, до 2001 перевищила 4,6 млрд, у 2009 склала 6 млрд доларів).

На даний момент ВАК розташовується в тунелі з довжиною кола 26,7 км і проходить через територію відразу двох європейських країн - Франції та Швейцарії. Глибина тунелю варіюється від 50 до 175 метрів. Слід зазначити, що енергія зіткнення протонів в прискорювачі сягає 14 тераэлектронвольт, що у 20 разів більше досягнутих результатів під час використання БЭПК.

«Цікавість – не порок, але велике свинство»

27-кілометровий тунель колайдера ЦЕРН, розташований за 100 метрів під землею недалеко від Женеви. Тут будуть величезні надпровідні електромагніти. Праворуч транспортні вагони. Juhanson / wikipedia.org (CC BY-SA 3.0)

Навіщо потрібна ця рукотворна машина Судного дня? Вчені розраховують побачити світ таким, яким він був одразу після Великого вибуху, тобто у момент утворення матерії.

Цілі, які поставили перед собою вчені під час будівництва ВАК:

1. Підтвердження чи спростування Стандартної моделі з метою подальшого створення "теорії всього".
2. Доказ існування бозона Хіггса як частинки п'ятої фундаментальної взаємодії. Вона, згідно з теоретичними дослідженнями, повинна впливати на електричну і слабку взаємодію, порушуючи їхню симетрію.
3. Вивчення кварків, що являють собою фундаментальну частинку, яка в 20 тисяч разів менше протонів, що складаються з них.
4. Отримання та вивчення темної матерії, що становить більшу частину Всесвіту.

Це далеко не єдині цілі, покладені вченими на ВАК, але інші більше відносяться до суміжних або суто теоретичних.

Чого вдалося досягти?

Безперечно, найбільшим і значущим досягненням стало офіційне підтвердження існування бозона Хіггса. Відкриття п'ятої взаємодії (поля Хіггса), яка, за твердженнями вчених, впливає на набуття маси всіма елементарними частинками. Вважається, що за порушення симетрії у процесі впливу поля Хіггса інші поля, бозони W і Z стають масивними. Відкриття бозона Хіггса настільки велике за своєю значимістю, що низка вчених дала їм назву «божественні частки».

Кварки об'єднуються в частинки (протони, нейтрони та інші), які отримали назву адрони. Саме вони прискорюються і стикаються в ВАК, звідки й пішла його назва. У процесі роботи колайдера було доведено, що виділити кварки з адрону просто неможливо. Якщо ви спробуєте це зробити, то просто вирве з, наприклад, протона інший вид елементарної приватниці - мезон. Незважаючи на те, що це лише один з адронів і нічого нового в собі не несе, подальше вивчення взаємодії кварків має здійснюватися саме невеликими кроками. У дослідженнях фундаментальних законів функціонування Всесвіту поспіх небезпечний.

Хоча самі кварки і були відкриті у процесі використання ВАК, та їх існування до певного моменту сприймалося як математична абстракція. Перші такі частки були знайдені 1968 року, але лише 1995-го офіційно доведено існування «справжнього кварку». Результати експериментів підтверджуються можливістю відтворити їх. Тому досягнення ВАК аналогічного результату сприймається не як повтор, а як доказ їх існування, що закріплює! Хоча проблема з реальністю кварків нікуди і не зникла, їх просто не можна виділитиз адронів.

Які плани?

Основне завдання створення «теорії всього» вирішена була, але теоретична опрацювання можливих варіантів її прояви ведеться. Досі однією з проблем об'єднання Загальної теорії відносності та Стандартної моделі залишається різна сфера їх дії, у зв'язку з чим друга не враховує особливості першої. Тому важливим є вихід за межі Стандартної моделі та досягнення межі Нової фізики.

Суперсиметрія –вчені вважають, що вона пов'язує бозонне та ферміонне квантові поля, так що вони можуть перетворюватися один на одного. Саме подібна конверсія виходить за межі Стандартної моделі, оскільки існує теорія, що в основі симетричного відображення квантових полів лежать гравітони. Вони, відповідно, можуть бути елементарною частинкою гравітації.

Бозон Мадала- гіпотеза про існування бозона Мадала припускає, що є ще одне поле. Тільки якщо бозон Хіггса взаємодіє з відомими частинками та матерією, то бозон Мадала – з темною матерією. Незважаючи на те, що вона займає більшу частину Всесвіту, її існування не входить у рамки Стандартної моделі.

Мікроскопічна чорна діра –одне з досліджень ВАК полягає у створенні чорної дірки. Так-так, саме тієї чорної, всепоглинаючої області у космічному просторі. Добре, що значних досягнень у цьому напрямі зроблено не було.

На сьогоднішній день Великий адронний колайдер є багатоцільовим дослідним центром, на основі роботи якого створюються та експериментально підтверджуються теорії, які допоможуть нам краще зрозуміти устрій світу. Навколо низки досліджень, що тавруються небезпечними, нерідко піднімаються хвилі критики, у тому числі з боку Стівена Хокінга, але гра безперечно стоїть свічок. Ми не зможемо плисти в чорному океані під назвою Всесвіт із капітаном, у якого ні карти, ні компаса, ні елементарних знань про навколишній світ.

Якщо ви знайшли помилку, будь ласка, виділіть фрагмент тексту та натисніть Ctrl+Enter.

Європейський центр ядерних досліджень, або просто ЦЕРН, – місце, де поруч із вами у їдальні запросто може обідати нобелівський лауреат з фізики. Він відомий у всьому світі завдяки найпотужнішому прискорювачу частинок – Великому адронному колайдеру. Майже через десять років роботи настав час підбити підсумок – чи виправдав надії вчених один із найамбітніших наукових проектів сучасності?

У 2008 році я навчалася у десятому класі. Незважаючи на те, що в ті роки я ще зовсім не цікавилася фізикою, хвиля ажіотажу не змогла обійти мене стороною: з кожної праски трубили, що ось-ось запустять машину судного дня. Що тільки дуже важливий директор підніме рубильник, утвориться чорна діра і нам усім кінець. У день офіційного старту Великого адронного колайдера деякі вчителі навіть дозволили на своїх уроках переглянути репортаж із місця подій.

Найстрашнішого не сталося. За великим рахунком, не сталося нічого – рубильник було піднято, на екрані комп'ютера заскакали незрозумілі простому обивателю цифри, а вчені почали святкувати. Загалом, для чого запускали, було незрозуміло.

Безперечно, без Великого адронного колайдера вчені не змогли б зробити деякі знаменні відкриття – у тому числі йдеться про виявлення бозона Хіггса. Але чи все із запланованого вдасться реалізувати, і чи є ще перспективи ВАК – про це й розповімо.

Експеримент DELPHI Великого електрон-позитронного колайдера

Старший брат: Великий електрон-позитронний колайдер

Наприкінці сімдесятих років ХХ століття фізика елементарних частинок розвивалася семимильними кроками. Для перевірки передбачень Стандартної моделі у 1976 році було запропоновано проект Великого електрон-позитронного колайдера (БЕЗ або LEP – від англ. Large Electron-Positron Collider) у Європейському центрі ядерних досліджень (ЦЕРН, від фр. CERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) . Серед безлічі різних конфігурацій було обрано варіант розташування майбутнього експерименту в підземному тунелі завдовжки 27 кілометрів. Йому передбачалося прискорювати електрони та позитрони до енергій близько десятків і сотень гігаелектронвольт: зустрічні пучки перетиналися у чотирьох точках, в яких згодом розташувалися експерименти ALEPH, DELPHI, OPAL та L3.

З погляду фізиків енергії ніколи не буває мало: обраний у результаті для реалізації варіант БЕЗ був компромісом між вартістю та потужністю; розглядалися і тунелі більшої довжини, здатні сильніше прискорювати частки. Підсумкова енергія могла використовуватись для перевірки Стандартної моделі, але була надто мала для пошуку так званої «нової фізики» – явищ, які не передбачаються її законами. Набагато краще для таких цілей підходять адронні колайдери – прискорювачі складових частинок на кшталт протонів, нейтронів та атомних ядер. Ще в 1977 році, в момент обговорення БЕЗ, Джон Адамс, директор ЦЕРН на той час, пропонував зробити тунель ширшим, і розмістити там відразу обидва прискорювачі – і електрон-позитронний, і адронний. Однак, рада, яка ухвалює підсумкові рішення, цю ідею відхилила, і в 1981 році було затверджено проект Великого електрон-позитронного колайдера.

Тунель Великого адронного колайдера

На зміну приходить LHC

БЕЗ пропрацював понад десять років: з 1989 по 2000 рік. Цьому часу належить низка знаменних експериментів, таких як підтвердження передбачених мас переносників слабкої взаємодії – W- та Z-бозонів, а також вимірювання різних параметрів стандартної моделі з безпрецедентною точністю. І вже 1984 року було проведено конференцію «Великий адронний колайдер у тунелі LEP», присвячену питанню будівництва нового колайдера після припинення роботи попередника.

У 1991 році був остаточно затверджений проект Великого адронного колайдера (БАК або LHC - від англ. Large Hadron Collider), за допомогою якого планувалося досягти сумарної енергії часток, що стикаються, в 14 тераелектронвольт, тобто в сто разів більшої, ніж розвивав Великий електрон-позитронний колайдер .

У 1992 році було проведено зустріч, присвячену науковій програмі Великого адронного колайдера: всього було отримано дванадцять заявок на різні експерименти, які могли б бути побудовані на місці чотирьох точок зіткнення пучків. Протягом наступних років було схвалено два експерименти загальної спрямованості – ATLAS та CMS, експеримент ALICE з вивчення важких іонів та LHCb, присвячений фізиці частинок, що містять b-кварки. Спорудження Великого адронного колайдера почалося в 2000 році, а перші пучки були отримані вже в 2008 році: з того часу і до цього дня, окрім планового відключення, LHC у робочому режимі прискорює частки та набирає дані.

Росія в ЦЕРН

Російська Федерація з 1993 року є країною-спостерігачем у ЦЕРН, що дає право її представниками бути присутніми на засіданнях, але не дає права голосувати при прийнятті важливих рішень. У 2012 році від імені Уряду РФ була внесена заява про намір вступу Російської Федерації до асоційованих членів ЦЕРН, яка на даний момент не була підтримана.

Загалом у проектах ЦЕРН бере участь близько 700 російських вчених із дванадцяти наукових організацій, таких як Об'єднаний інститут ядерних досліджень, Російський науковий центр «Курчатівський інститут», Інститут ядерних досліджень Російської академії наук та Московський державний університет імені М.В. Ломоносова.

Інжекційний ланцюг Великого адронного колайдера

Як вигідно прискорювати частки?

Схема роботи Великого адронного колайдера складається з багатьох етапів. Перед тим, як потрапити безпосередньо в ВАК, частинки проходять ряд стадій перед-прискорення: таким чином набір швидкості відбувається швидше і при цьому з меншими витратами енергії. Спочатку в лінійному прискорювачі LINAC2 протони або ядра досягають енергії 50 мегаелектронвольт; потім вони по черзі потрапляють у бустерний синхротрон (PSB), протонний синхротрон (PS) і протонний суперсинхротрон (SPS), і на момент інжекції в колайдері підсумкова енергія частинок становить 450 гігаелектронвольт.

Крім основних чотирьох експериментів у тунелі Великого адронного колайдера, прискорювальна система є майданчиком для більш ніж десяти експериментів, яким не потрібна така велика енергія частинок. До них входять, зокрема, експеримент NA61/SHINE, що досліджує параметри взаємодії важких іонів з фіксованою мішенню; експеримент ISOLDE, що досліджує властивості атомних ядер, а також AEGIS, що досліджує гравітаційне прискорення Землі за допомогою антиводню.

Пошуки частки Бога та нової фізики

Ще на самому початку, на етапі розробки, було заявлено претензійну наукову програму Великого адронного колайдера. Насамперед, внаслідок вказівок, отриманих на БЕЗ, планувався пошук бозона Хіггса – ще гіпотетичної на той час складової Стандартної моделі, що відповідає за масу всіх частинок. У тому числі в плани вчених входив і пошук суперсиметричного бозона Хіггса та його суперпартнерів, що входять до мінімального суперсиметричного розширення Стандартної моделі.

Загалом як окремий напрямок планувався пошук та перевірка моделей «нової фізики». Для перевірки суперсиметрії, в якій кожному бозону зіставляється ферміон, і, навпаки, передбачалося вести пошуки відповідних партнерів для частинок Стандартної моделі. Для перевірки теорій з додатковими просторовими вимірюваннями, як-от теорія струн або М-теорія, були заявлені можливості постановки обмежень на кількість вимірювань у нашому світі. Саме пошук відхилень від Стандартної моделі вважали, і досі вважають одним із основних завдань ВАК.

Менш гучні завдання: дослідження кварк-глюонної плазми та порушення CP-інваріантності

Топ-кварк, найважчий із шести кварків Стандартної моделі, до Великого адронного колайдера спостерігався лише на прискорювачі Теватрон у Національній прискорювальній лабораторії імені Енріко Фермі в США через свою вкрай велику масу 173 гігаелектронвольти. При зіткненнях у ВАК, завдяки його потужності, очікувалося народження великої кількості топ-кварків, які цікавили вчених у двох аспектах. Перший був пов'язаний з вивченням ієрархії частинок: на даний момент спостерігається три покоління кварків (топ-кварк завершив третє), але не виключено, що їх все ж таки більше. З іншого боку, народження бозона Хіггса під час розпаду топ-кварка вважалося основним способом його експериментального детектування.

У 1964 році було відкрито порушення комбінованої CP-інваріантності (від англ. Charge - заряд і parity - парність), яке відповідає дзеркальному відображенню нашого світу з повною заміною всіх частинок на відповідні античастинки. Даний факт відіграє важливу роль у теоріях освіти Всесвіту, які намагаються пояснити, чому вся наша речовина складається саме з матерії, а не антиматерії. У тому числі порушення CP-парності проявляється у поведінці B-мезонів – частинок, активне народження яких передбачалося у процесі зіткнень у ВАК, та з їх допомогою вчені сподівалися пролити світло на причини цього явища.

Робота Великого адронного колайдера в режимі зіткнення важких ядер повинна була призводити до відтворення стану кварк-глюонної плазми, яке, за сучасними уявленнями, спостерігається через 10-5 секунд після Великого вибуху - стан настільки "гарячого", що кварки і глюони не взаємодіють один з одним. іншому, і не утворюють частинки та ядра, як це відбувається в нормальному стані. Розуміння процесів виникнення та охолодження кварк-глюонної плазми необхідне вивчення процесів квантової хромодинаміки – розділу фізики, відповідального за опис сильних взаємодій.

Схема відкриття бозона Хіггса в експерименті ATLAS

Відкриття нових частинок на LHC

Отже, чим може похвалитися за ціле десятиліття своєї роботи Великий адронний колайдер?

По-перше, звичайно ж, найвідоміше з відкриттів – виявлення у липні 2012 року бозона Хіггса масою 126 гігаелектронвольт. Усього роком пізніше Пітер Хіггс і Франсуа Енглер були удостоєні Нобелівської премії з фізики за теоретичне передбачення існування «частки Бога», відповідальної за масу всієї речовини у Всесвіті. Тепер, проте, перед фізиками стоїть нове завдання – зрозуміти, чому шуканий бозон має саме таку масу; також продовжуються і пошуки суперсиметричних партнерів бозона Хіггса.

У 2015 році в експерименті LHCb були виявлені стабільні пентакварки – частинки, що складаються з п'яти кварків, а роком пізніше – кандидати на роль тетракварків – частинок, що складаються з двох кварків та двох антикварків. До цих пір вважалося, що частки, що спостерігаються, складаються не більше ніж з трьох кварків, і фізикам ще належить уточнити теоретичну модель, яка б описала подібні стани.

Досі в межах Стандартної моделі

Фізики сподівалися, що ВАК зможе вирішити проблему суперсиметрії – або її повністю спростувати, або уточнити, в якому напрямку варто рухатися, оскільки варіантів подібного розширення Стандартної моделі величезна кількість. Поки що не вдалося зробити ні того, ні іншого: вчені ставлять різні обмеження на параметри суперсиметричних моделей, які можуть відсіяти найпростіші варіанти, але не вирішують глобальних питань.

Не було отримано так само і явних вказівок на фізичні процеси поза стандартною моделлю, на які, мабуть, розраховувала більшість учених. Однак, варто зазначити, що в експерименті LHCb також було отримано вказівку на те, що B-мезон, важка частка, що містить b-кварк, розпадається не таким чином, як передбачає Стандартна модель. Подібна поведінка сама по собі може служити, наприклад, вказівкою на існування ще одного нейтрального переносника слабкої взаємодії – бозону Z'. Наразі вчені працюють над набором експериментальних даних, які дозволять обмежити різні екзотичні сценарії.

Можлива схема майбутнього 100-кілометрового колайдера

Пора починати рити новий тунель?

Чи зміг Великий адронний колайдер виправдати вкладені в нього сили та кошти? Безсумнівно, хоч і не всі цілі за підсумками десятиліття поки що досягнуті. Зараз триває другий етап роботи прискорювача, після чого буде проведено планову установку і розпочнеться третя стадія набору даних.

Вчені не втрачають надії зробити наступні великі відкриття і вже планують нові колайдери, наприклад, з довжиною тунелю цілих 100 кілометрів.

Великий адронний колайдер (БАК) - це прискорювач заряджених частинок, за допомогою якого фізики зможуть дізнатися про властивості матерії значно більше, ніж було відомо раніше. Прискорювачі використовують для отримання заряджених елементарних частинок високих енергій. В основі роботи практично будь-якого прискорювача лежить взаємодія заряджених частинок з електричним та магнітним полями. Електричне поле безпосередньо здійснює роботу над часткою, тобто збільшує її енергію, а магнітне поле, створюючи силу Лоренца, тільки відхиляє частинку, не змінюючи її енергії, і задає орбіту, якою рухаються частки.

Колайдер (англ. collide - "зіштовхуватися") - прискорювач на зустрічних пучках, призначений вивчення продуктів їх зіткнень. Дозволяє надати елементарним частинкам речовини високу кінетичну енергію, направити їх назустріч один одному, щоб зробити їхнє зіткнення.

Чому "великий адронний"

Великим колайдером названо, власне, через свої розміри. Довжина основного кільця прискорювача становить 26659 м; адронним - через те, що він прискорює адрони, тобто важкі частинки, що складаються з кварків.

Побудований ВАК у науково-дослідному центрі Європейської ради ядерних досліджень (ЦЕРН), на кордоні Швейцарії та Франції, неподалік Женеви. На сьогоднішній день ВАК є найбільшою експериментальною установкою у світі. Керівником цього масштабного проекту є британський фізик Лін Еванс, а в будівництві та дослідженнях брали та беруть участь понад 10 тис. вчених та інженерів із понад 100 країн.

Невеликий екскурс в історію

Наприкінці 60-х років минулого століття фізиками було розроблено так звану Стандартну модель. Вона поєднує три з чотирьох фундаментальних взаємодій - сильну, слабку та електромагнітну. Гравітаційну взаємодію, як і раніше, описують у термінах загальної теорії відносності. Тобто, на сьогоднішній день фундаментальні взаємодії описуються двома загальноприйнятими теоріями: загальною теорією відносності та стандартною моделлю.

Вважається, що стандартна модель має бути частиною деякої більш глибокої теорії будови мікросвіту, тією частиною, яка видна в експериментах на колайдерах при енергіях нижче приблизно 1 ТеВ (тераелектронвольт). Головне завдання Великого адронного колайдера – отримати хоча б перші натяки на те, що це за глибша теорія.

До основних завдань колайдера входить також відкриття і підтвердження Бозона Хіггса. Це відкриття підтвердило б Стандартну Модель виникнення елементарних атомних частинок та стандартної матерії. Під час запуску колайдера на повну потужність цілісність стандартної моделі буде зруйнована. Елементарні частинки, властивості яких ми розуміємо лише частково, неспроможні підтримувати свою структурну цілісність. Стандартна модель має верхню межу енергії 1 ТеВ, при збільшенні якої частка розпадається. При енергії в 7 ТеВ могли б бути створені частинки з масами, вдесятеро більшими за нині відомі.

Технічні характеристики

Передбачається зіштовхувати в прискорювачі протони з сумарною енергією 14 ТеВ (тобто 14 тераелектронвольт або 14 1012 електронвольт) в системі центру мас налітаючих частинок, а також ядра свинцю з енергією 5 ГеВ (5 109 електронвольт) на кожну.

Світимість ВАК під час перших тижнів роботи пробігу була трохи більше 1029 частинок/см²·с, проте вона продовжує постійно підвищуватися. Метою є досягнення номінальної світності в 1,7 · 1034 частинок/см² · с, що по порядку величини відповідає світимостей BaBar (SLAC, США) та Belle (KEK, Японія).

Прискорювач розташований у тому самому тунелі, який раніше займав Великий електрон-позитронний колайдер, під землею на території Франції та Швейцарії. Глибина залягання тунелю - від 50 до 175 метрів, причому кільце тунелю нахилено приблизно на 1,4% щодо поверхні землі. Для утримання, корекції та фокусування протонних пучків використовуються 1624 надпровідні магніти, загальна довжина яких перевищує 22 км. Магніти працюють при температурі 1,9 K (−271 °C), що трохи нижче температури переходу гелію в надплинний стан.

Детектори ВАК

На ВАК працюють 4 основні та 3 допоміжні детектори:

• ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
• ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)
• CMS (Compact Muon Solenoid)
• LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment)
• TOTEM (TOTAL Elastic and diffractive cross section Measurement)
• LHCf (The Large Hadron Collider forward)
• MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC).

Перший з них налаштований на дослідження зіткнень важких іонів. Температура і щільність енергії утвореної у своїй ядерної матерії достатньої народження глюонної плазми. Внутрішня система стеження (ITS) в ALICE складається з шести циліндричних шарів кремнієвих датчиків, що оточують пункт зіткнення і вимірюють властивості і точні положення частинок, що з'являються. Таким чином, можуть бути легко виявлені частинки, що містять важкий кварк.

Другий призначений для дослідження зіткнень між протонами. Довжина ATLAS – 44 метри, 25 метрів у діаметрі та вага приблизно 7000 тонн. У центрі тунелю зіштовхуються промені протонів, це найбільший і найскладніший з коли-небудь побудованих датчиків такого типу. Датчик фіксує все, що відбувається під час та після зіткнення протонів. Метою проекту є виявлення частинок, до цього не зареєстрованих і не виявлених у нашому всесвіті.

CMS - один із двох величезних універсальних детекторів елементарних частинок на ВАК. Близько 3600 учених із 183 лабораторій та університетів 38 країн підтримують роботу CMS (На малюнку - пристрій CMS).

Найвнутрішній шар - заснований на кремнії трекер. Трекер – найбільший у світі кремнієвий датчик. Це має 205 m2 кремнієвих датчиків (приблизно область тенісного корту), що включають 76 мільйонів каналів. Трекер дозволяє вимірювати сліди заряджених частинок електромагнітному полі.

На другому рівні знаходиться електромагнітний калориметр. Адронний калориметр, що знаходиться на наступному рівні, вимірює енергію окремих адронів, вироблених у кожному випадку.

Наступний шар CMS Великого Адронного Колайдера – величезний магніт. Великий Соленоїдний Магніт становить 13 метрів завдовжки і має 6-метровий діаметр. Складається він з котушок, що охолоджуються, зроблених з ніобію і титану. Цей великий соленоїдний магніт працює на повну силу, щоб максимізувати час існування частинок соленоїдний магніт.

П'ятий шар - мюонні детектори та ярмо повернення. CMS призначений для дослідження різних типів фізики, які можуть бути виявлені в енергійних зіткненнях LHC. Деякі з цих досліджень полягають у підтвердженні або покращених вимірах параметрів Стандартної Моделі, тоді як багато інших - у пошуках нової фізики.

Про Великого адронного колайдера можна розповідати багато і довго. Сподіваємося, що наша стаття допомогла розібратися в тому, що таке ВАК і для чого він необхідний вченим.