Большой адронный коллайдер

Большой адронный коллайдер (БАК)— грандиозное научное сооружение, построенное на границе Швейцарии и Франции. БАК представляет собой один из типов ускорителей заряженных частиц. Под воздействием электромагнитных полей они достигают околосветовой скорости и сталкиваются друг с другом.

Как запуск самого коллайдера, так и некоторые научные открытия, сделанные с его использованием, например, бозон Хиггса, стали причинами масштабного общественного резонанса. Из этой статьи мы узнаем об истории строительства и целях запуска Большого адронного коллайдера, его конструкции и возможностях, а также о сделанных с его помощью открытиях и значении БАК для науки будущего.

Что такое Большой адронный коллайдер?

Чтобы ответить на этот вопрос, сначала определимся со значением терминов. На этом этапе вопросов не вызывает только «большой» — БАК является крупнейшим в мире ускорителем заряженных частиц. Диаметр его основного кольца составляет чуть менее 27 километров, а при столкновении частиц выделяется суммарная энергия свыше 10 триллионов электронвольт.

Адроны — это составные элементарные частицы, подверженные сильному ядерному взаимодействию. В частности, к адронам относятся нейтроны и протоны, которые притягиваются друг к другу и составляют ядра атомов веществ. На еще более глубоком уровне, в рамках Стандартной модели выделяют 2 подгруппы элементарных частиц:

• фермионы (кварки и лептоны) — элементарные частицы, из которых образуется вся материя, своеобразный «строительный материал»;
• бозоны — частицы, определяющие фундаментальные взаимодействия (сильное и слабое ядерное взаимодействие).

Важно дополнить, что у каждого фермиона есть «двойник» — соответствующая ему античастица. Она имеет противоположный заряд и несколько других физических характеристик. Сталкиваясь, частицы и античастицы уничтожают друг друга (аннигилируют), выделяя энергию. В естественной среде античастицы возникают рядом с черными дырами (объектами с невероятно высокой гравитацией) и пульсарами (мощнейшими источниками радиационного и гамма-излучения). На Земле ученые могут наблюдать античастицы лишь благодаря ускорителям, подобным БАК.

Посредством коллайдера (от английского слова «collide» — «сталкивать») 2 пучка элементарных частиц разгоняют до 99,9% скорости света в противоположных направлениях. В соответствии со специальной теорией относительности масса частиц на столь высокой скорости увеличивается (относительно той, которую они имеют в состоянии покоя). В результате этих столкновений выделяется колоссальная энергия и формируются побочные продукты, которые могут быть созданы исключительно в таких «экстремальных» условиях.

Назначение и цели коллайдера

Большой адронный коллайдер, как и другие ускорители этого типа, помогает физикам продвинуться в решении фундаментальных вопросов, среди которых:

• что происходило после Большого взрыва?
• есть ли у пространства дополнительные измерения?
• как объединить общую теорию относительности и квантовую механику в единую концепцию?
• как связаны электромагнетизм и слабое ядерное взаимодействие?
• какова природа черных дыр?
• что представляют собой темная материя и темная энергия?

Важной целью создания Большого адронного коллайдера было завершение Стандартной модели, которая оставалась неполной без открытия бозона Хиггса. Об этом мы поговорим подробнее в соответствующем разделе.

История и этапы строительства

В 1984 году специалисты ЦЕРН (Европейского центра ядерных исследований) объявили о планах создания Большого адронного коллайдера, который должен был стать крупнейшим ускорителем частиц подобного типа. Идея нашла отклик у ведущих физиков из самых разных частей света, что предопределило возможности для будущего финансирования проекта. Чтобы снизить стоимость, в качестве основы коллайдера были предложены уже существующие подземные коммуникации на границе Швейцарии и Франции. Ранее эти туннели использовали для работы Большого электрон-позитронного коллайдера. После многочисленных дискуссий и расчетов в 1994 году было получено разрешение на строительство БАК.

В 1995 году существенный вклад в финансирование проекта внесла Япония, которая стала его ключевым наблюдателем. Тогда же был утвержден дизайн-концепт, в котором зафиксировали расположение и взаимодействие ускоряющих магнитных устройств и измерительных детекторов: CMS, ATLAS, ALICE, LHCb и других. Во время подготовки к строительству были обнаружены галльские руины, что отсрочило реализацию проекта на полгода из-за необходимости работы археологов. Строительство БАК началось в 2001 году. Рассмотрим его основные этапы:

• 2002 — была выкопана и укреплена объемная камера для установки громоздкого детектора ATLAS;
• 2005 — после многолетних земляных работ завершилась подготовка камеры для детектора CMS;
• 2006 — завершилось строительство линии для охлаждения системы магнитов;
• 2007 — в тоннелях БАК были установлены все сверхпроводящие магниты;
• 2008 — завершилось строительство, были установлены и откалиброваны все научные инструменты.

Запуск и эксплуатация: ключевые события

10 сентября 2008 года Большой адронный коллайдер был официально запущен. В течение 2 первых суток ученым удалось достичь непрерывной циркуляции пучка протонов в обоих направлениях. После этого они приступили к тестированию магнитной системы, в рамках которого произошла серьезная авария. Один из контактов расплавился, что привело к выходу из строя охлаждающей системы и нескольких десятков сверхпроводящих магнитов. Проводить дальнейшие испытания на коллайдере было невозможно.

В 2009 году, после устранения последствий аварии, коллайдер был запущен повторно. Тесты показали, что охлаждающая система работает стабильно, так как температура в секторах зафиксировалась на отметке 1,9 кельвина (-271,25 °C). Спустя несколько месяцев работы БАК был побит рекорд выделяемой энергии на пучок — 1,18 ТэВ (тераэлектронвольт), а впоследствии и 3,5 ТэВ.

Технические характеристики и конструкция

Большой адронный коллайдер является сложной инженерной конструкцией, которая выдерживает работу при колоссальном уровне выделяемой энергии. Общая энергия, накопленная в магнитах и переносимая пучками, составляет порядка 11 гигаджоулей (больше 2,5 тонн в тротиловом эквиваленте).

Перед тем как попасть в главное ускоряющее кольцо, частицы проходят через суперпротонный синхротрон. Это круговая система протяженностью 6,9 километров, где пучки протонов или тяжелых ионов получают первичное ускорение. При этом выделяемая энергия на пучок достигает до 450 ГэВ (гигаэлектронвольт).

Основное ускоряющее кольцо расположено в круговом туннеле на средней глубине около 140 метров. Он имеет протяженность 26 659 метров и ширину 3,8 метра. Все стенки облицованы толстым слоем бетона. Основу кольца составляют 2 параллельные трубы, совмещенные в 4 местах для столкновения частиц. В местах пересечений установлено 9 детекторов. Внутри устройства созданы условия полного вакуума, а температура всего на 2 градуса превышает абсолютный ноль.

Двигаясь на околосветовой скорости, протоны делают 11 245 оборотов по кольцу каждую секунду. Несколько тысяч пучков, сформированных из 115 миллиардов протонов, запускаются с интервалом 20 наносекунд, что обеспечивает частоту столкновения 40 МГц. Во время работы БАК потребляет 200 МВт энергии в сутки — столько же нужно для жителей города с населением 70 тысяч человек.

Ускорение частиц и магнитная система

По периметру ускоряющего кольца размещено 1 232 дипольных магнита, создающих магнитное поле, и 392 квадрупольных магнита, которые отвечают за фокусировку лучей. Общая длина элементов системы составляет около 270 000 км (в 6,7 раз больше, чем длина экватора Земли). Магниты состоят из сплава титана и ниобия, который при охлаждении до 9,2 кельвинов переходит в состояние сверхпроводимости.

За охлаждение магнитов отвечает крупнейшая в мире криогенная система, в которую помещены миллионы литров жидкого азота и сверхтекучего изотопа гелия. Ряд вспомогательных систем БАК имеют стандартное водное охлаждение. Совокупная масса магнитной системы и охлаждающей установки превышает 1 000 тонн.

Детекторы и вычислительные технологии

На Большом адронном коллайдере установлено 9 детекторов, которые позволяют проводить сверхточные измерения результатов столкновений заряженных частиц. При этом 5 из 9 детекторов являются вспомогательными и позволяют уменьшить погрешность измерений. Мы рассмотрим 4 основных, наиболее крупных детектора.

• ATLAS (A torodial LHC apartus — Тороидальный аппарат БАК). Крупнейший из детекторов БАК имеет длину 44 метра и массу 7 000 тонн. Он способен фиксировать изменения характеристик массивных частиц, которые не могли наблюдаться на ускорителях прошлых поколений. ATLAS используют для проверки теорий, выходящих за рамки Стандартной модели.

• CMS (Compact Muon Solenoid — Компактный мюонный соленоид). Второй по размеру детектор имеет длину 21 метр, но при этом весит порядка 14 000 тонн. Одной из целей его создания был поиск бозона Хиггса. Кроме того, с помощью CMS ученые изучают частицы, которые теоретически могут составлять темную материю.
• ALICE (A large ion collider experiment — Большой детектор столкновения ионов). Третий по размеру детектор БАК имеет поперечную плоскость 16x16 метров. С его помощью ученые фиксируют, как при столкновении тяжелых ионов образуется кварк-глюонная плазма. Тем самым они моделируют условия, в которых предположительно находилась Вселенная сразу после Большого взрыва.

• LHCb (LHC beauty experiment — Прелестный детектор БАК). Самый маленький из 4 основных детекторов исследует взаимодействия бьюти-кварков — тяжелых элементарных частиц, которые существуют в течение 10^-12 секунд. Эти исследования потенциально могут объяснить асимметрию материи и антиматерии, то есть почему Вселенная не аннигилировала в первые секунды своего существования.

Научные результаты и открытия

Одним из важнейших открытий, сделанных с помощью Большого адронного коллайдера, стало создание кварк-глюонной плазмы — самой плотной материи за исключением черных дыр. Считается, что в таком состоянии пребывала Вселенная с 10^-11 по 10^-6 секунду после своего возникновения. Возможность существования кварк-глюонной плазмы была теоретически предсказана в конце 1970-х. Детекторы БАК зафиксировали ее существование в течение миллиардных долей секунды.

Также с помощью коллайдера было зафиксировано существование t-кварков, которые также называют истинными. Это наиболее массивные кварки, существующие в течение 5 * 10^-25 секунд. После кратковременного существования они распадаются на бьюти-кварки и W-бозоны.

Бозон Хиггса

Главным открытием БАК и одновременно основной целью его создания является бозон Хиггса. В 1964 году английский физик Питер Хиггс предсказал существование частиц, которые формируют квантовое поле и предопределяют массу других адронов. Иными словами, благодаря бозону Хиггса любая материя имеет массу. Это краеугольный и единственный фундаментальный элемент Стандартной модели. Сразу после образования и взаимодействия этот бозон распадается на другие частицы, из-за чего подтвердить его существование экспериментально не удавалось много десятков лет.

В июле 2012 года группы специалистов, работавших на детекторах CMS и ATLAS, объявили, что зафиксировали бозон, свойства которого полностью соответствовали бозону Хиггса. Полученные результаты были многократно перепроверены, и уже в 2013 году ЦЕРН официально объявил об открытии бозона Хиггса, предсказанного в 1964 году. В этом же году Питер Хиггс был удостоен Нобелевской премии по физике за теоретическое открытие механизма происхождения массы субатомных частиц.

Поиск Новой физики и экзотических теорий

Проблема Стандартной модели заключается в том, что с ее помощью нельзя объяснить все фундаментальные взаимодействия. В частности, она не дает описания гравитации, а также происхождения темной материи и темной энергии. Темная материя — это гипотетическое вещество, которое определяет структуру галактик. Согласно расчетам, без темной материи звезды начали бы постепенно покидать свои орбиты и разлетаться в стороны от ядер галактик. Темная энергия является гипотетическим видом энергии, благодаря которой Вселенная расширяется в пространстве.

В попытках ответить на нерешенные фундаментальные вопросы ученые разрабатывают так называемые экзотические теории, которые позволят создать модель мироустройства с учетом указанных выше факторов. Большой адронный коллайдер позволяет работать с колоссальной энергией и проверять теории Новой физики экспериментально.

Финансирование и международное сотрудничество

Суммарные расходы на подготовку и строительство Большого адронного коллайдера составили немногим менее €5 млрд. Помимо отдельных вложений Японии и США, чьи делегации стали наблюдателями на ранних стадиях, проект финансируется за счет взносов стран-участников ЦЕРН. По состоянию на осень 2024 года в этот список входят 23 европейских государства. В ноябре 2024-го истекает срок актуального договора о сотрудничестве России с ЦЕРН. По заявлению ЦЕРН, договор продлен не будет. Таким образом, российские ученые перестанут участвовать в исследованиях, ведущихся на БАК.

Проблемы безопасности и общественное восприятие

Перед запуском Большого адронного коллайдера в обществе высказывались опасения, что его работа может привести к формированию микроскопических черных дыр и странжелетов (гипотетических частиц странной материи). Многие писали, что выход экспериментов из-под контроля приведет к различным сценариям конца света, другие же подавали судебные иски. Несмотря на антинаучность подобных заявлений, специалисты ЦЕРН были вынуждены организовать работу групп независимых ученых. Они провели собственные расчеты и доказали, что будущие эксперименты полностью безопасны и не представляют угрозы для общества.

Будущее Большого адронного коллайдера

Проект БАК продлен как минимум до 2034 года. В ближайшее время ожидается модернизация в соответствии с концепцией «Большой адронный коллайдер высокой светимости». Усовершенствованная конструкция, как ожидается, позволит достичь высокой фотометрической светимости. Это, в свою очередь, приведет к увеличению производительности и объема собираемых данных. У БАК высокой светимости будет больший потенциал для открытия новых адронов и исследования нерешенных вопросов.

Итоги: значение Большого адронного коллайдера для науки и общества

Большой адронный коллайдер является одним из самых значимых достижений науки и уже внес ощутимый вклад в ее развитие. С его помощью ученые могут заглядывать в далекое прошлое Вселенной и наблюдать, как формировался наш мир на микроскопическом уровне. Результаты исследований БАК позволяют открывать новые взаимосвязи между элементарными частицами, что сыграет важную роль при создании квантовых компьютеров и других высокотехнологичных устройств будущего.

Изображение на обложке: Диск с кремниевыми датчиками для торцевой крышки кремниевого полосового детектора (SCT) ATLAS в испытательном боксе © 2005-2024 Peter Ginter/CERN