Большой Адронный Коллайдер (БАК) вышел на расчетную мощность
 Расположение Большого Адронного Коллайдера (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
30 марта этого года произошло одно из самых значимых событий в области физики элементарных частиц последних десятилетий – два встречных пучка протонов с общей энергией в 7 ТэВ после нескольких попыток наконец-то встретились в недрах Большого Адронного Колайдера (БАК).
Природа производит такие столкновения тысячами, но, очевидно, человек не может извлечь из них никакой полезной информации, т.к. невозможно предугадать точку и момент столкновения. Но зачем нам нужны эти столкновения? Для того чтобы ответить на этот вопрос, необходимо сделать небольшой экскурс в физику элементарных частиц, затрагивающую область природы самых маленьких масштабов.
Исследования в этой области дают не только фундаментальное понимание многих природных явлений, но и работают как своего рода «машина времени», позволяя понять, что происходило в мире мгновения спустя Большого Взрыва. Известно, что вещество состоит из атомов, которые в свою очередь включают электроны и ядра. Ядро компонуется из нуклонов, а отдельные нуклоны – из кварков. Совокупность постулатов, определяющих состав и взаимодействия частиц, формируют так называемую Стандартную модель, согласно которой кварки являются элементарными неделимыми частицами вещества и сил взаимодействия между ними.
Те или иные аспекты Стандартной модели ни раз подтверждалась на экспериментах. Ведь, с точки зрения научной логики, если существует теория, однозначным следствием которой является некий экспериментально доказуемый факт, то данный эксперимент считается косвенным подтверждением самой теории. Т.е. обнаружение на практике некой ранее неизвестной, но предсказанной Стандартной моделью частицы, косвенным образом подтверждает и теорию.
Однако, Стандартная модель не всеобъемлюща. Уже сейчас очевидно, что наше представление о Вселенной не обладает желаемой полнотой. Модель не может объяснить некоторые из наблюдаемых феноменов, например, существование темной материи и антиматерии во Вселенной. На данный момент научный мир пока не нашел достойных объяснений этим явлениям, и Большой Адронный Коллайдер – это инструмент, позволяющий немного приоткрыть завесу тайны над подобными фундаментальными вопросами.
 |
| Зависимость энергии частицы от ее скорости (кликните картинку для увеличения) |
Известно, что никакая частица не может двигаться быстрее скорости света в вакууме. Задача ускорителей частиц – обеспечить скорость близкую к этой величине. Следует отметить, что в данном случае важна даже не скорость, а энергия частиц. Более того, согласно релятивистской теории энергия не является конечной величиной, а может быть сколь угодно большой при приближении скорости частицы к скорости света.
Важно понимать, что при этом абстрактный ускоритель не может придавать заряженным частицам неограниченную энергию. Здесь действует достаточно много практических ограничений, связанных, в частности, с размерами комплекса. Ведь для управления пучком заряженных частиц необходимы электромагнитные поля и, чем больше энергия частиц, тем выше потребуется напряженность поля для получения отклонения на тот же угол. Очевидно, что с практической точки зрения неограниченно наращивать поля невозможно.
Большой Адронный Коллайдер, в первую очередь, за счет своих масштабов позволит проводить эксперименты, которые ранее было просто невозможно реализовать. Благодаря размерам и используемому оборудованию скорости частиц могут составлять до 0,999999991 скорости света, при этом энергии, которые могут быть достигнуты на БАКе, имеют порядок 7 ТэВ.
Как известно, Коллайдер построен на базе Европейского совета ядерных исследований (Conseil Europe'en pour la Recherche Nucle'aire, CERN). БАК представляет собой целый научный комплекс, отдельные составляющие которого могут использоваться для проведения различных исследований на более низких энергиях.
БАК Коллайдер – вершина научной мысли; а кроме того, на сегодняшний день это крупнейший экспериментальный прибор в мире. План строительства комплекса был утвержден еще в 1994 году. Его длина составляет порядка 27 км; под это задействовано «транспортное кольцо», которое строилось под землей еще для предыдущего ускорителя, известного как LEP. При этом во время строительства БАКа оборудование предыдущего ускорителя было полностью заменено: на данный момент там используются самые мощные магнитные диполи и ускоряющие радиочастотные резонаторы. Тоннель ускорителя расположен под землей; средняя глубина его залегания – порядка 100 метров (а в связи с геологическими условиями на самом деле глубина варьируется от 175 до 50 метров).
 |
| Схема ускорительного комплекса Большого Адронного Коллайдера (кликните картинку для увеличения) |
Помимо протонов, комплекс может ускорять тяжелые ионы. Не будем описывать для них сходную процедуру; отметим лишь, что, например, ионы свинца Pb82+ могут в итоге получить энергию в 2,76 ТэВ на нуклон.
Но важно не только разогнать и столкнуть частицы, но и исследовать продукты взаимодействия, которые, собственно, и должны дать ответы на многие до сих пор не решенные научные вопросы. Для этого в комплексе расположено 4 основных и 2 дополнительных детектора частиц. В общей сложности БАК – это сотни и тысячи систем, слаженная работа которых необходима для успешного завершения эксперимента.
Как упоминалось выше, существует целый ряд фундаментальных научных вопросов, на которые ученые ждут ответа от БАК-а. К примеру, как частицы получают свою массу? Почему одни частицы имеют массу покоя, а другие нет? Ожидаемым ответом на этот вопрос является так называемый механизм Хиггса (подтверждением существования которого будет обнаружение одноименного бозона).
Стандартная модель не дает ответа на вопрос о природе гравитации. Предположения о так называемой теории суперсимметрии должны подтвердиться обнаружением других тяжелых частиц, которые ни при каких условиях не могли быть получены ранее на менее мощных ускорителях.
Известно, что наблюдаемое вещество составляет всего около 4% Вселенной; таким образом, еще одной целью ученых является поиск частиц или феномена, «ответственного» за оставшуюся, скрытую массу.
И, пожалуй, одна из самых интересных миссий, возложенных учеными на БАК – это понимание того, что происходило во Вселенной в первые мгновения ее жизни. Как постепенно образовывались галактики и планетарные системы на протяжении миллиардов лет (этот процесс известен из школьных учебников), так в первые секунды после Взрыва создавались все более сложные и тяжелые атомарные структуры. Параллельно Вселенная остывала. Энергии (и, соответственно, температуры), которые можно достичь при помощи БАК, будут близки к тем, что существовали во Вселенной спустя несколько мгновений после Большого Взрыва. Согласно Стандартной модели спустя 3 минуты после образования Вселенной, в ней уже существовали протоны и нейтроны, способные образовать атомные ядра. Их образование произошло примерно через 0,01 миллисекунду после Взрыва в результате взаимодействия кварков и глюонов. В это время Вселенная имела размеры не более нашей Солнечной системы и температуру около 1012 градусов. Еще ранее температура была выше, а Вселенная представляла собой кварк-глюонную плазму. Именно в этот момент позволит заглянуть Большой Адронный Коллайдер.
И все это – лишь малая толика тех задач, что уже поставлены перед научным комплексом.
Без преувеличения можно сказать, что запуск Колайдера – это исторический момент; но впереди у ученых – новые высоты и, соответственно, новые энергии.
Про БАК (english)
Также по теме:
Источники: