Большой адронный коллайдер — что это такое и для чего он нужен?

БАК расположен под землей, в тоннеле шириной 3,8 метров, на глубине около 100 метров, на границе Швейцарии и Франции.

Сегодня это самая крупная на планете установка, созданная исключительно для проведения экспериментов. Свое название Большой адронный коллайдер (БАК) получил, потому что он:

Сами адроны смехотворно малы, намного меньше длины волны света, они действительно очень-очень маленькие. Заставить один врезаться в другой – безумно сложно.

А в Большом адронном коллайдере нужно поразить одну крошечную частицу другой крошечной частицей. Это всё равно, что пытаться попасть пулей в выпущенную пулю… из другой галактики. Единственный способ сделать это – работать с действительно огромным количеством частиц.

Поэтому в БАК запускаются пучки адронов (протонов) – миллиарды в пучке. Запускаются много раз – миллион раз в секунду. Запускаются часто – месяцами подряд. Всё это для того, чтобы получить несколько столкновений!!!

Под воздействием магнитных полей, генерируемых устройством, частицы разгоняются почти до скорости света и сталкиваются друг с другом. Ученым интересны, в первую очередь, процессы, которые происходят в результате этих столкновений.

Скорость настолько велика, что круг в 27 км протоны пролетают 11000 раз в секунду!

Кольцо коллайдера разделено на 8 сегментов-секторов, которые представляют собой трубу соединенную переходными зонами, 7 из которых это детекторы частиц.

Детекторы частиц – это напичканные сложнейшими приборами «фотоаппараты». На БАК их 7 штук. Они серьезно отличаются друг от друга и «фотографируют» различные состояния не только сталкивающихся протонов и ядер, но и «несталкивающихся» пролетающих мимо частиц.

Эти «фотоаппараты» снимают пролетающие мимо частицы, их столкновения, реакции на происходящие процессы и явления, которые возникают после столкновений.

Чтобы протонные пучки развивали скорость и удерживались внутри кольца БАК – на них воздействуют больше тысячи мощных магнитов (1232 дипольных магнита, 392 квадрупольных магнита, а также магниты кикеры и септумы).

Коллайдер работает круглосуточно. Его обслуживают на постоянной основе примерно 1,5 тысяч сотрудников: рабочих и высококвалифицированных инженеров. Кроме этого, туда периодически приезжают группы ученых со всего мира – они проводят эксперименты, изучают полученные данные и уезжают.

Детекторы работают одновременно и набирают статистику поведения всего, что происходит внутри кольца Большого адронного коллайдера. Данные идут непрерывным потоком 20 Гб в секунду. Вся полученная информация хранится в вычислительном центре ЦЕРН, а также ещё в 12 резервных центрах разных стран мира, один из которых находится у нас в Дубне Московской области.

Первый в мире адронный коллайдер, то есть устройство для ускорения частиц, был запущен еще в 1971 году. Однако скорость, до которой он мог разогнать частицы, была почти в 230 раз меньше, чем у БАК, поэтому значимых открытий с помощью этого устройства сделать не удалось.

Идея строительства БАК появилась в 1984 году, работа над проектом была начата десятью годами позже. Запуск БАК состоялся в 2008 году. С 2018 до 2022 года он не работал – это была так называемая технологическая пауза, необходимая для модернизации и увеличения светимости и мощности.

Планируется, что в режиме повышенной светимости устройство будет работать до 2040 года. К этому времени у исследователей будет уже достаточно данных для подробного изучения открытий, сделанных им, в первую очередь, бозона Хиггса. После этого БАК будет остановлен, ЦЕРН приступит к созданию нового коллайдера – еще более мощного. Предполагается, что длина нового тоннеля составит 100 км, а энергия, с которой будут сталкиваться частицы, будет в 7 раз выше, чем в БАК.

Главная цель, для которой был создан БАК – посмотреть, что получится после столкновения разогнавшихся пучков протонов и ядер до световой скорости, а также исследовать всё что происходит после разгона адронов до скорости света, изучить новые элементы, которые появляются в результате этих столкновений, измерить размеры летящих протонов, контролировать их, исследовать космические лучи, моделируемые с помощью «несталкивающихся» частиц, попробовать найти медленно движущиеся тяжёлые частицы.

Другими словами, нужно четко зафиксировать поведение частиц, которые образуются при столкновениях, а также просто во время полёта, чтобы проверить, соответствует ли результат предсказаниям теории или может произойти что-то неожиданное.

Полученные данные помогут понять процессы, происходящие в космосе, и получить больше информации о возникновении и развитии Вселенной, которая состоит из таких же частиц.

Пока главное открытие, сделанное с помощью БАК – обнаружение бозона Хиггса, неделимой частицы, основы так называемой Стандартной модели, важнейшего постулата физики элементарных частиц. Его открытие поможет ученым окончательно понять структуру материи. Гипотезу о существовании такой частицы выдвинули физики Хиггс и Энглерт еще в 1970-е годы, но подтверждена она была только в 2012 благодаря БАК. После этого создатели теории получили Нобелевскую премию.

Однако исследователи считают, что благодаря БАК можно совершить и другие важные открытия. В частности, есть надежда, что с помощью коллайдера удастся расширить Стандартную модель. Она успешно используется для объяснения частиц, из которых состоит весь мир вокруг нас, и окружающих явлений. Но многие физики уверены, что Стандартная модель перестала справляться со своей задачей, и чем больше человек изучает космос, тем очевиднее, что существует много явлений, не укладывающихся в стандартную модель. Найти объяснение им – главная задач БАК. Среди таких загадок:

Суперсимметрия. Существует теория, что у каждой элементарной частицы есть суперпартнёр, появившийся во время образования Вселенной, то есть после Большого взрыва. Если эта гипотеза подтвердится, число элементарных частиц, известных науке, может увеличиться минимум вдвое.

Темная материя. Ученые считают, что из нее состоит почти 80% Вселенной, однако точных доказательств существования этой загадочной материи у исследователей пока нет. Пока в распоряжении науки есть информация о некоторых необычных частицах, обнаруженных в космосе, и об их странном поведении, но найти доказательства существования темной материи пока никому не удалось.

Темная энергия – такое же неуловимое и недоказанное явление, как и темная материя, но имеющее иную природу. Это сила, ускоряющая расширение нашей Вселенной, а ее обнаружение поможет предсказать дальнейший ход этого расширения.

Открытие вимпов и аксионов – еще одного вида гипотетических элементарных частиц, выходящих за пределы Стандартной модели. Исследователи считают, что именно из вимпов может состоять темная материя.

В целом, Большой адронный коллайдер считают инструментом так называемой «новой физики». Это физика, которая выходит за рамки используемой сегодня Стандартной модели и объединяет взгляды и теории, не укладывающиеся в старые парадигмы. Вероятно, именно ее законы должны стать ключом к пониманию истинного устройства Вселенной.

Исследуемая теория была задумана еще в 60-70-х годах ученым физиком Питером Хиггсом. Он предсказал количество и качество частиц, которые могут возникнуть в результате столкновений протонов.

Ученый предполагал, что Вселенная находится в каком-то поле (буквально пронизана им) при взаимодействии с которым частицы приобретают массу. Поэтому нужно было найти и доказать существование бозона Хиггса — как основу материи этого пока неизвестного, но точно существующего поля.

Почти 40 лет Франсуа Энглерт и Питер Хиггс пытались обнаружить эту частицу, но все было безрезультатно. Путем многотысячных экспериментов удалось установить только ее массу.

Бозон Хиггса простым языком – эта частица нестабильна и короткоживущая, она после появления мгновенно распадается. Её чрезвычайно сложно увидеть. Только мощное оборудование сможет «сфотографировать» её существование или хотя бы следы её распада. Но очень важная для Вселенной и отвечает за придание частицами массы.

Если говорить про бозон Хиггса просто, то это такая частица, которая правит всеми. Это последний фрагмент пазла под названием «Стандартная модель», который ответит на вопрос: есть ли еще что-то, чего мы не знаем?

Главный вопрос, на который хотели найти ответ – в какой Вселенной мы живем?

Вариант 1. Если бозон Хиггса окажется легким и будет иметь массу 115 ГэВ (гигоэлектроВольт), тогда верна теория «Суперсимметрии».

Это будет говорить о том, что во Вселенной на любую материю есть своя антиматерия, а на любую частицу, есть своя античастица (у кварков – скварки, у фотона – фатино, у электрона – сэлектроны и т.д.).

Вариант 2. Если бозон Хиггса окажется тяжелее и будет иметь массу 140ГэВ, то значит верна теория «Мультивселенной», т.е. наша Вселенная не единственная.

Но если это так, тогда для ученных это будет глобальным поражением. Ведь наши современные законы физики (череда последовательных открытий и умозаключений) – это точное доказательство кто мы. А если Вселенных много, это значит мы живем в случайном мире и все наши знания случайны.

И вот 4 июля 2012 года ЦЕРН официально объявил об открытии бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере и… объявили его массу!!!

На глазах ученого стояли слезы – он не верил, что доживет до момента, когда его бозоны будут найдены в действительности. А раз есть бозоны Хиггса, то значит есть и поле Хиггса. Он знал, что они существуют, но доказательства пришли только после столкновений адронов в Большом адронном коллайдере.

Когда предоставили графики исследований, то оказалось… что масса бозона Хиггса, того самого, за которым охотились ученые всего мира, равняется 125 ГэВ. Шанс того, что они ошиблись равняется 1:3500000.

Итак, произошло событие мирового уровня в мире физики, но… это снова поставило в тупик всех ученых – все ждали либо 115 ГэВ (и тогда верна теория «Суперсимметрии) либо 140 ГэВ (тогда мы живем в Мультивселенной), а оказалось, что масса бозона находится посередине и составляет 125 ГэВ.

Эту частицу назвали «частицей Бога», но тогда сам Бог скрывает от нас правду миротворения! Он опять дал нам лишь подсказку. Мы думали либо так, либо так, а оказалось – посередине. И мы не знаем, что значит эта середина.

С точки зрения финансов – это чистая трата денег и времени. Ведь 20 лет и 5 млрд евро было потрачено на строительство этого Большого адронного коллайдера. Никаких денег эти исследования (на данный момент времени и данный уровень развития человечества) принести не могут.

С точки зрения науки – это прорыв, но не такой глобальный, как ожидали.

Это многомиллиардный проект, который является одним из крупнейших научных достижений человечества, и все, конечно же потребовали бы исключительных результатов от него. Однако «Москва не сразу строилась».

Большой адронный коллайдер смог ответить только на 3% от поставленных перед ним задач. Другими словами, то, что сейчас получили – это только начало и 97% еще предстоит узнать.

15 января 2023 года в британской газете The Guardian вышла статья, которая поясняет, почему с марта 2022 года нет публикаций с результатами новых исследований. А ведь в течение того года на Большом адронном коллайдере было проведено более 70 научных работ.

Оказывается всё это из-за СВО. Работающие в ЦЕРН исследователи отказались указывать в соавторах российских и белорусских специалистов (работы есть, но публиковать их не будут). Кроме того, организация решила не продлевать соглашение о сотрудничестве с нашей страной, действие которого истечет в 2024-м.

А из-за сложившейся политической ситуации в мире Большой адронный коллайдер в декабре полностью остановили. Из-за нехватки электроэнергии он в данный момент времени не работает.

Работу БАК сопровождает немало мифов и страхов. Самые популярные среди них:

При столкновении протонов внутри коллайдера могут появиться небольшие, но быстро увеличивающиеся черные дыры. Они могут распасться, но если этого не случится, то способны поглотить Землю. Исследователи, однако, уверяют, что такой сценарий исключен. В БАК происходят те же процессы, что и в природе, только на меньшей площади – а значит, черные дыры, которых так боятся некоторые обыватели, уже давно появились бы.

Во время работы коллайдера могут образоваться страпельки. Этим словом называют гипотетические частицы, являющиеся частью «странной материи». Если они попадут в состав обычной материи, из которой состоит предположениям, наша планета, то она превратится в странную, и Земля может оказаться непригодной для жизни. Однако до сих пор подобные опасения не нашли подтверждения, и ни одной страпельки за все годы работы БАК обнаружено не было.

БАК может производить магнитные монополи. Это еще один вид гипотетических элементарных частиц, существование которых не доказано. Некоторые ученые опасаются, что магнитные монополи, произведенные коллайдером, будут разрушать протоны – а значит, уничтожат нашу Вселенную. Однако в ЦЕРН доказали, что даже в том случае, если монополи существуют в реальности, их размер слишком велик для БАК.

Высказываются и совсем невероятные теории о возможностях Большого адронного коллайдера, не имеющие ничего общего с наукой. Например, кто-то считает, что БАК – это таинственный мост между двумя мирами или между разными измерениями. Пока сторонники подобных предположений ищут доказательства своих гипотез, БАК продолжает работать и прокладывать ученым путь к пониманию многих тайн Вселенной, не открытых до сих пор.

Перечислим лишь несколько цифр, которые помогут осознать мощь БАК и понять, какое количество ресурсов вложено в его разработку, создание и поддержание работы:

• Затраты на создание БАК составили почти 4,6 млрд. евро.
• Для поддержания нужной температуры в тоннеле используется около 120 тонн жидкого гелия, который охлаждается азотом. Коллайдер – это самая большая в мире криогенная установка.
• Скорость, до которой разгоняются протоны, составляет 0,999999991 скорости света. Это единственное устройство на Земле, демонстрирующее подобную скорость. Выше она быть не может – ничто не способно двигаться быстрее, чем свет.
• Один пучок нейронов – это более 2800 протоновых сгустков. В каждом таком сгустке – около 115 млрд. протонов.
• Компьютерная сеть, которая собирает и обрабатывает данные, поступающие с БАК – самая крупная в мире. За время работы БАК было обработано больше информации, чем содержат все книги, когда-либо написанные.
• Магнитные катушки БАК состоят из кабелей, общая длина которых превышает 270 тыс. км. Это более чем в 6 раз больше окружности нашей планеты. Если все эти кабели распустить, можно было бы 5 раз протянуть их до Солнца и затем обратно.
• Все, кому интересно устройство самой большой и мощной экспериментальной установки в мире, могут совершить виртуальную прогулку по тоннелю, в котором расположен Большой адронный коллайдер. Найти виртуальный тур можно на официальном сайте ЦЕРН.

Главное и практически единственное открытие Большого адронного коллайдера – это бозон Хиггса. Сейчас мы узнали (и это действительно прорыв!) что он является возбуждением поля Хиггса, который отвечает за придание частицами массы.

Что с ним делать человечество пока не знает. Но возможно, что через 20-30 лет, мы сможем как Танос, по щелчку пальца, разорвать связь между кварками и тогда всё живое и неживое просто разлетится в пыль.

А возможно и теорию относительности Эйнштейна можно нарушить. Великий ученый утверждал, что ни один предмет не может двигаться в пространстве быстрее скорости света. Но что будет, если мы сможем создать реактивный двигатель, который будет отбрасывать топливо со скоростью света. И, соответственно, земляне получат космический корабль, способный летать со скоростью света! Варп-двигатели из «СтарТрека» станут реальностью и человечество сможет путешествовать в другие миры.

В большинстве фантастических блокбастеров путешествия в другие миры измеряются тысячекратным превышением скорости света. Кто знает, может мы добьемся и этого. Как говорится: «Бойтесь мечтать – мечты сбываются!». Поле Хиггса мы же смогли обнаружить!

---

Нашли ошибку в тексте? Выделите текст, содержащий ошибку и нажмите комбинацию клавиш Ctrl+Enter. Мы увидим и исправим ошибку. Спасибо за внимание.

---