Большой адронный коллайдер (Large Hardon Collider, LHC) — это типичный (хотя и сверхмощный) ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжелых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. БАК — это микроскоп, с помощью которого физики будут разгадывать, из чего и как сделана материя, получая сведения об её устройстве на новом, еще более микроскопическом уровне.
Многие ждали с нетерпением, а что же будет после его запуска, но нечего в принципе и не произошло — наш мир сильно скучен, чтобы случилось что-то действительно интересное и грандиозное. Вот она цивилизация и её венец творения человек, как раз получилась некая коалиция цивилизации и людей, сплотившись вместе уже на протяжении века, в геометрической прогрессии загаживаем землю, и бесчинно разрушаем всё то, то накапливалось миллионы лет. Об этом мы поговорим в другом сообщении, и так – вот он АДРОННЫЙ КОЛЛАЙДЕР .
Вопреки многочисленным и разносторонним ожиданиям, народов и СМИ всё прошло тихо и мирно. О, как же было всё раздуто, например газеты твердили от номера к номеру: «БАК = конец света!», «Путь к катастрофе или открытиям?», «Аннигиляционная Катастрофа», чуть ли не конец света пророчили и гигантскую черную дыру, в которую засосет всю землю. Видимо эти теории выдвигали завистливые физики, у которых в школе не получилось получить аттестат об окончании с цифрой 5, по этому предмету.
Вот, например был такой философ Демокрит, который в своей древней Греции (кстати, современные школьники пишут это одним словом, т.к. воспринимают это несуществующей странной , наподобие СССР, Чехословакии, Австро-Венгрия, Саксония, Курляндия и т.д. – «Древняягреция») он высказал некую теорию, что вещество состоит из неделимых частиц – атомов , но доказательство этому, ученые нашли только приблизительно через 2350 лет. Атом (неделимый) – разделить тоже можно, это обнаружили ещё спустя 50 лет, на электроны и ядра, а ядро – на протоны и нейтроны. Но и они, как выяснилось, не самые мелкие частицы и в свою очередь состоят из кварков. На сегодняшний день физики считают, что кварки – предел деления материи и ничего меньше не существует. Известно шесть типов кварков: верхний, странный, очарованный, прелестный, истинный, нижний – а соединяются они с помощью глюонов.
Слово «коллайдер» происходит от английского collide – сталкиваться. В коллайдере два пуска частиц летят навстречу друг другу и при столкновении энергии пучков складываются. Тогда как в обычных ускорителях, которые строятся и работают вот уже несколько десятилетий (первые их модели относительно умеренных размеров и мощности, появились ещё перед второй мировой войной в 30-х годах), пучек ударяет по неподвижной мишени и энергии такого соударения гораздо меньше.
«Адронным» коллайдер назван, потому что предназначается для разгона адронов. Адроны – это семейство элементарных частиц, к которым относятся протоны и нейтроны, из них состоят ядра всех атомов, а также разнообразные мезоны. Важное свойство адронов – то, что они не являются по-настоящему элементарными частицами, а состоят из кварков, «склееных» глюонами.
Большим коллайдер стал из-за своих размеров – это крупнейшая физическая экспериментальная установка из всех когда-либо существующих в мире, только основное кольцо ускорителя тянется более, чем на 26 км.
Предполагается, что скорость разогнанных БАКом протонов составит 0,9999999998 от скорости света, а количество столкновений частиц, происходящих в ускорителе каждую секунду, достигнет 800 млн. Суммарная энергия сталкивающихся протонов составит 14 ТэВ (14 тераэлектро-вольта, а ядер свинца – 5,5ГэВ на каждую пару сталкивающихся нуклонов. Нуклоны (от лат. nucleus - ядро) - общее название для протонов и нейтронов.
Существуют разные мнения по поводу техники создания ускорителей на сегодняшний день: одни уверяют, что она подошла к своему логическому приделу, другие же что предела совершенству нет – и различными обзорами приводят обзоры конструкций, размер которых в 1000 раз меньше, а по производительности выше БАК’а. В электронике или компьютерной технике постоянно идет миниатюризация при одновременном росте работоспособности.
Large Hardon Collider, LHC — a typical (albeit extremely) accelerator of charged particles in the beams, designed to disperse the protons and heavy ions (lead ions) and study the products of their collisions. BAC — this microscope, in which physics will unravel, what and how to make the matter of getting information about its device in a new, even more microscopic level.
Many waited eagerly, but what comes after his run, but nothing in principle and has not happened — our world is missing much that has happened is something really interesting and ambitious. Here it is a civilization and its crown of creation man, just got a sort of coalition of civilization and the people, unity, together for over a century, in a geometric progression zagazhivaem land, and beschinno destroying anything that accumulated millions of years. On this we will talk in another message, and so — that he Hadron Collider.
Despite the many and varied expectations of peoples and the media all went quiet and peacefully. Oh, how it was all bloated, like the newspaper firm by number of rooms: «BAC = the end of the world!», «The road to discovery or disaster?», «Annihilation catastrophe», almost the end of the world and things are a gigantic black hole in zasoset that all the land. Perhaps these theories put forward envious of physics, in which the school did not receive a certificate of completion from the figure 5, on the subject.
Here, for example, was a philosopher Democritus, who in ancient Greece (and, incidentally, today’s students write it in one word, as seen this strange non-existent, like the USSR, Czechoslovakia, Austria-Hungary, Saxony, Kurland, etc. — «Drevnyayagretsiya»), he had some theory that matter consists of indivisible particles — atoms, but the proof of this, scientists have found only after about 2350 years. Atom (indivisible) — can also be divided, it is found even after 50 years on the electrons and nuclei and the nucleus — protons and neutrons at. But they, as it turned out, not the smallest particles and, in turn, are composed of quarks. To date, physics believe that quarks — the limit of division of matter and anything less does not exist. We know of six types of quarks: the ceiling, strange, charmed, charming, genuine, bottom — and they are connected via gluons.
The word «Collider» comes from the English collide — face. In the collider, two particles start flying towards each other and with the collision energy beams added. While in conventional accelerators, which are under construction and work for several decades (the first of their models on moderate size and power, appeared before the Second World War in the 30-s), puchek strikes on fixed targets and the energy of the collision is much smaller.
«Hadronic» collider named because it is designed to disperse the hadrons. Hadrons — is a family of elementary particles, which include protons and neutrons, composed of the nucleus of all atoms, as well as a variety of mesons. An important feature of hadrons — that they are not truly elementary particles, and are composed of quarks, «glued» gluon.
The big collider has been because of its size — is the largest physical experimental setup ever in the world, only the main accelerator ring stretches for more than 26 km.
It is assumed that the velocity of dispersed tank will 0.9999999998 protons to the speed of light, and the number of collisions of particles originating in the accelerator every second, to 800 million total energy of colliding protons will be 14 TeV (14 teraelektro-volt, and the nuclei of lead — 5.5 GeV for each pair of colliding nucleons. nucleons (from Lat. nucleus — nucleus) — the generic name for the protons and neutrons.
There are different views on the creation of accelerator technology to date: some say that it came to its logical side, others that there is no limit to perfection — and the various surveys provided an overview of structures, which are 1000 times smaller, but higher productivity BUCK ‘ Yes. In the electronics or computer technology is constantly miniaturization, while the growth of efficiency.
Узнав впервые о существовании LHC, повосхищавшись его размерами, поудивлявшись непонятности и практической бесполезности его задач, читатель, как правило, задает вопрос: а зачем вообще нужен этот LHC?
В этом вопросе есть сразу несколько аспектов. Зачем людям вообще нужны эти элементарные частицы, зачем тратить столько денег на один эксперимент, какая будет польза для науки от экспериментов на LHC? Здесь я попробую дать ответы, пусть краткие и субъективные, на эти вопросы.
Зачем обществу нужна фундаментальная наука?
Начну с аналогии. Для первобытного человека связка бананов имеет очевидную пользу - их можно съесть. Острый нож тоже полезен на практике. А вот электродрель с его точки зрения - бессмысленная вещь: ее нельзя съесть, из нее нельзя извлечь какую-либо иную непосредственную пользу. Думая исключительно об удовлетворении сиюминутных потребностей, он не сможет понять ценность этого агрегата; он просто не знает, что бывают ситуации, в которых электродрель оказывается чрезвычайно полезной.
Отношение большей части общества к фундаментальной науке - примерно такое же. Только вдобавок человек в современном обществе уже пользуется огромным количеством достижений фундаментальной науки, не задумываясь об этом.
Да, люди, конечно, признают, что высокие технологии делают жизнь комфортнее. Но при этом они неявно полагают, что технологии эти - результат чисто прикладных разработок. А вот это - большое заблуждение. Надо четко понимать, что перед практической наукой регулярно встают задачи, которые она сама решить просто не в состоянии - ни с помощью накопленного практического опыта, ни через прозрение изобретателей-рационализаторов, ни методом проб и ошибок. Зато они решаются с помощью фундаментальной науки. Скажем, те свойства вещества, которые недавно казались совершенно бесполезными, вдруг открывают возможность для создания принципиально новых устройств или материалов с неожиданными возможностями. Или же вдруг обнаруживается глубокая параллель между какими-то сложными объектами из сугубо прикладной и из фундаментальной науки, и тогда абстрактные научные результаты удается использовать на практике.
В общем, фундаментальная наука - это основа технологий в долгосрочной перспективе, технологий, понимаемых в самом широком значении. И если какие-то небольшие усовершенствования существующих технологий можно сделать, ограничиваясь сугубо прикладными исследованиями, то создать новые технологии - и с их помощью преодолевать новые проблемы, регулярно встающие перед обществом! - можно, лишь опираясь на фундаментальную науку.
Опять же, прибегая к аналогиям, можно сказать, что пытаться развивать науку, ориентируясь только на немедленную практическую пользу - это словно играть в футбол, прыгая исключительно на одной ноге. И то, и другое, в принципе, можно себе представить, но в долгосрочной перспективе эффективность от обоих занятий почти нулевая.
Почему фундаментальной наукой занимаются сами ученые?
Кстати, стоит подчеркнуть, что большинство ученых занимается наукой вовсе не потому, что это может оказаться полезно для общества. Люди занимаются наукой, потому что это жутко интересно . Даже когда просто изучаешь открытые кем-то законы или построенные кем-то теории, это уже «щекочет мозги» и приносит огромное удовольствие. А те редкие моменты, когда удается самому открыть какую-то новую грань нашего мира, доставляют очень сильные переживания.
Эти ощущения отдаленно напоминают чувства, возникающие при чтении детектива: автор построил перед тобой загадку, а ты пытаешься разгадать ее, стараясь увидеть в описываемых фактах скрытый, взаимосвязанный смысл. Но если в детективе глубина и стройность загадки ограничены фантазией автора, то фантазия природы выглядит пока неограниченной, а ее загадки - многоуровневыми. И эти загадки не придуманы кем-то искусственно, они настоящие , они вокруг нас. Вот ученым и хочется справиться хотя бы с кусочком этой вселенской головоломки, подняться еще на один уровень понимания.
Кому нужны элементарные частицы?
Хорошо, положим, фундаментальной наукой действительно стоит заниматься, раз она спустя несколько десятков лет сможет привести к конкретным практическим достижениям. Тогда давайте будем изучать фундаментальное материаловедение, будем манипулировать отдельными атомами, будем развивать новые методики диагностики веществ, поучимся рассчитывать сложные химические реакции на молекулярном уровне. Можно легко поверить в то, что спустя десятки лет всё это приведет к новым практическим приложениям.
Но трудно себе представить, какая в принципе может быть конкретная практическая польза от топ-кварков или от хиггсовского бозона. Скорее всего, вообще никакой. Тогда какой толк в развитии физики элементарных частиц?
Толк огромный, и заключается он вот в чём.
Физические явления эффективнее всего описываются на языке математики. Эту ситуацию обычно называют удивительной (знаменитое эссе Ю. Вигнера о «непостижимой эффективности математики»), но тут есть и другой, не менее сильный повод для удивления. Всё головокружительное разнообразие явлений, происходящих в нашем мире, описывается лишь очень небольшим числом математических моделей . Осознание этого поразительного, совсем не очевидного свойства нашего мира - одно из самых важных открытий в физике.
Пока знания ограничиваются лишь «повседневной» физикой, эта тенденция может оставаться незаметной, но чем глубже знакомишься с современной физикой, тем более яркой и завораживающей выглядит эта «математическая экономность» природы. Явление сверхпроводимости и хиггсовский механизм возникновения масс элементарных частиц, электроны в графене и безмассовые элементарные частицы, жидкий гелий и внутренности нейтронных звезд, теория гравитации в многомерном пространстве и сверххолодное облачко атомов - вот лишь некоторые пары разных природных явлений с удивительно схожим математическим описанием. Хотим мы или нет, но эта связь между разными физическими явлениями через математику - это тоже закон природы , и им нельзя пренебрегать! Это полезный урок для тех, кто пытается рассуждать о физических явлениях, опираясь только на их «природную сущность».
Аналогии между объектами из разных областей физики могут быть глубокими или поверхностными, точными или приблизительными. Но благодаря всей этой сети математических аналогий наука физика предстает как многогранная, но цельная дисциплина. Физика элементарных частиц - это одна из ее граней, которая через развитие математического формализма крепко связана со многими более «практическими» областями физики, да и естественных наук в целом.
Поэтому, кто знает, может быть, изучая теорию гравитации, мы в конце концов придем к пониманию турбулентности, развитие методов квантовой теории поля позволит по-иному взглянуть на генетическую эволюцию, а эксперименты по изучению устройства протона откроют нам новые возможности для создания материалов с экзотическими свойствами.
Кстати, иногда в ответ на вопрос о пользе физики элементарных частиц начинают перечислять те конкретные методики и приборы, которые явились побочным результатом изучения элементарных частиц. Их уже немало: адронная терапия раковых опухолей, позитронно-эмиссионная томография, мюонная химия, цифровые малодозные рентгеновские установки, самые разнообразные применения синхротронного излучения, плюс еще несколько методик в процессе разработки. Это всё верно, но надо понимать, что это именно побочная, а не главная польза от физики элементарных частиц.
Зачем надо изучать нестабильные частицы?
Окружающий нас мир состоит из частиц трех типов: протонов, нейтронов, электронов. Казалось бы, если мы хотим знать устройство нашего мира, давайте изучать только эти частицы. Кому интересны частицы, которые живут мгновения, а потом снова распадаются? Какое отношение эти частицы имеют к нашему микромиру?
Причин тут две.
Во-первых, многие из этих нестабильных частиц напрямую влияют на свойства и поведение наших обычных частиц - и это, кстати, одно из важных открытий в физике частиц. Оказывается, эти нестабильные частицы на самом деле присутствуют в нашем мире, но не в виде самостоятельных объектов, а в виде «некоторого» облачка, окутывающего каждую обычную частицу. И то, как обычные частицы взаимодействуют друг с другом, зависит не только от них самих, но и от окружающих их «облачков». Эти облачка порождают ядерные силы, связывающие протоны и нейтроны в ядра, они заставляют распадаться свободный нейтрон, они наделяют обычные частицы массой и другими свойствами.
Эти нестабильные частицы - невидимая, но совершенно неотъемлемая часть нашего мира, заставляющая его крутиться, работать, жить.
Вторая причина тоже вполне понятная. Если вам надо разобраться с устройством или с принципом работы какой-то очень сложной вещи, ваша задача станет намного проще, если вам разрешат как-то изменять, перестраивать эту вещь. Собственно, этим и занимаются отладчики (не важно чего: техники, программного кода и т. п.) - они смотрят, что изменится, если сделать так, повернуть эдак.
Экзотические для нашего мира элементарные частицы - это тоже как бы обычные частицы, у которых «что-то повернуто не так ». Изучая все эти частицы, сравнивая их друг с другом, можно узнать о «наших» частицах гораздо больше, чем в экспериментах только с протонами да электронами. Уж так устроена природа - свойства самых разных частиц оказываются глубоко связаны друг с другом!
Зачем нужны такие огромные ускорители?
Ускоритель - это по своей сути микроскоп, и для того, чтобы разглядеть устройство частиц на очень малых масштабах, требуется увеличивать «зоркость» микроскопа. Предельная разрешающая способность микроскопов определяется длиной волны частиц, используемых для «освещения» мишени - будь то фотоны, электроны или протоны. Согласно квантовым законам, уменьшить длину волны квантовой частицы можно путем увеличения ее энергии. Поэтому-то и строятся ускорители на максимально достижимую энергию.
В кольцевых ускорителях частицы летают по кругу и удерживаются на этой траектории магнитным полем мощных сверхпроводящих магнитов. Чем больше энергия частиц - тем большее требуется магнитное поле при постоянном радиусе или тем большим должен быть радиус при постоянном магнитном поле. Увеличивать силу магнитного поля очень трудно с физической и инженерной точки зрения, поэтому приходится увеличивать размеры ускорителя.
Впрочем, физики сейчас работают над новыми, намного более эффективными методиками ускорения элементарных частиц (см., например, новость Первое применение лазерных ускорителей будет медицинским). Если эти методы оправдают свои ожидания, то в будущем максимально достижимая энергия частиц сможет увеличиться при тех же размерах ускорителей. Однако ориентироваться тут можно лишь на срок в несколько десятков лет.
Но не стоит думать, что гигантские ускорители - это единственное орудие экспериментальной физики элементарных частиц. Есть и «второй фронт» - эксперименты с меньшей энергией, но с очень высокой чувствительностью. Тут примером могут служить так называемые b-фабрики BaBar в Стэнфорде и Belle в Японии. Это электрон-позитронные коллайдеры со скромной энергией (около 10 ГэВ), но с очень высокой светимостью . На этих коллайдерах рождаются B-мезоны, причем в таких больших количествах, что удается изучить чрезвычайно редкие их распады и заметить проявление разнообразных тонких эффектов. Эти эффекты могут быть вызваны новыми явлениями, которые изучаются (правда, с другой точки зрения) и на LHC. Поэтому такие эксперименты столь же важны, как и эксперименты на коллайдерах высоких энергий.
Зачем нужны такие дорогие эксперименты?
На самом деле, если взглянуть на ситуацию реалистично, то альтернатива LHC состояла не в том, чтобы пустить эти же деньги на какую-то «практически полезную» деятельность, а в том, чтобы провести на них еще несколько десятков экспериментов по физике элементарных частиц, но среднего масштаба.
Логика тут совершенно прозрачна. Правительства большинства стран понимают, что некоторую долю бюджета необходимо тратить на фундаментальные научные исследования - от этого зависит будущее страны. Эта доля, кстати, не такая уж и большая, порядка 2-3% (для сравнения, военные расходы составляют, как правило, десятки процентов). Расходы на фундаментальную науку выделяются, разумеется, не в ущерб другим статьям бюджета. Государства тратят деньги и на здравоохранение, и на социальные проекты, и на развитие технологий с конкретными практическими применениями, и на благотворительность, и на помощь голодающим Африки и т. д. «Научные» деньги - это отдельная строка бюджета, и эти деньги сознательно направлены на развитие науки.
Как это финансирование распределяется между разными научными дисциплинами, зависит от конкретной страны. Значительная часть уходит в биомедицинские исследования, часть - в исследования климата, в физику конденсированных сред, астрофизику и т. д. Своя доля уходит и в физику элементарных частиц.
Типичный годовой бюджет экспериментальной физики элементарных частиц, просуммированный по всем странам, - порядка нескольких миллиардов долларов (см., например, данные по США). Большинство этих денег тратится на многочисленные эксперименты небольшого масштаба, которых поставлено в последние годы порядка сотни, причем они финансируются на уровне отдельных институтов или в редких случаях - стран. Однако опыт последних десятилетий показал, что если объединить хотя бы часть денег, выделяемых на ФЭЧ во многих странах, в результате может получиться эксперимент, научная ценность которого намного превзойдет суммарную ценность множества мелких разрозненных экспериментов.
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.
Большой адронный коллайдер называют либо «машиной Судного дня», либо ключом к тайне Вселенной, но его значимость не подвергается сомнению.
Как сказал когда-то знаменитый британский мыслитель Бертран Рассел: « – это то, что вы знаете, философия – то, чего не знаете». Казалось бы, что истинно научное знание давно отделилось от своих истоков, которые можно найти в философских изысканиях Древней Греции, но это не совсем так.
На протяжении двадцатого века ученые пытались найти в науке ответ на вопрос об устройстве мира. Этот процесс был похож на поиск смысла жизни: огромное множество теорий, предположений и даже безумный идей. К каким же выводам пришли ученые к началу XXI века?
Весь мир состоит из элементарных частиц , которые представляют собой конечные формы всего сущего, то есть то, что нельзя расщепить на более мелкие элементы. К ним относятся протоны, электроны, нейтроны и так далее. Эти частицы находятся между собой в постоянном взаимодействии. На момент начала нашего столетия оно выражалось в 4 фундаментальных типах: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Первое описывается Общей теорией относительности, другие три объединяются в рамках Стандартной модели (квантовая теория). Было также сделано предположение о существовании еще одного взаимодействия, впоследствии названного «поле Хиггса».
Постепенно стала формироваться идея объединения всех фундаментальных взаимодействий в рамках «теории всего» , которая изначально воспринималась как шутка, но быстро переросла в мощное научное направление. Зачем это нужно? Всё просто! Без понимания того, как функционирует мир, мы словно муравьи в искусственном гнезде – не выберемся за пределы своих возможностей. Человеческое знание не может (ну, или пока не может, если вы оптимист) охватить устройство мира целиком.
Одной из самых знаменитых теорий, претендующих на «объятие всего», считается теория струн . Она подразумевает, что вся Вселенная и наша с вами жизнь многомерна. Несмотря на разработанную теоретическую часть и поддержку знаменитых физиков, таких, как Брайан Грин и Стивен Хокинг, она не имеет экспериментального подтверждения.
Ученые, спустя десятилетия, устали вещать с трибун и решили построить то, что раз и навсегда должно расставить все точки над «i». Для этого и была создана крупнейшая в мире экспериментальная установка – Большой адронный коллайдер (БАК).
«К коллайдеру!»
Что такое коллайдер? Если говорить научным языком, то это – ускоритель заряженных частиц, предназначенный для разгона элементарных частиц для дальнейшего понимания их взаимодействия. Если говорить ненаучным языком – это большая арена (или песочница, если вам угодно), на которой ученые сражаются за подтверждение своих теорий.
Впервые идея столкнуть элементарные частицы и посмотреть, что будет, появилась у американского физика Дональда Вильяма Керста (Donald William Kerst) в 1956 году. Он предположил, что благодаря этому ученым удастся проникнуть в тайны Вселенной. Казалось бы, что плохого в том, чтобы столкнуть между собой два пучка протонов с суммарной энергией в миллион раз больше, чем от термоядерного синтеза? Времена были соответствующие: холодная война, гонка вооружений и все такое.
История создания БАК
Brücke-Osteuropa / wikimedia.org(CC0 1.0)
Идея создания ускорителя для получения и исследования заряженных частиц появилась еще в начале 1920-х годов, но первые прототипы были созданы только к началу 1930-х. Изначально они представляли собой высоковольтные линейные ускорители, то есть заряженные частицы двигались прямолинейно. Кольцевой вариант был представлен в 1931 году в США, после чего похожие устройства стали появляться в ряде развитых стран – Великобритании, Швейцарии, СССР. Они получили название циклотроны , и стали в дальнейшем активно использоваться для создания ядерного оружия.
Нужно отметить, что стоимость строительства ускорителя частиц неимоверно высокая. Европа, игравшая во время холодной войны не первостепенную роль, поручила его создание Европейской организации по ядерным исследованиям (на русском часто читается как ЦЕРН) , которая в дальнейшем занялась и строительством БАК.
ЦЕРН была создана на волне беспокойства мирового сообщества в отношении ядерных исследований в США и СССР, которые могли привести к всеобщему истреблению. Поэтому ученые решили объединить усилия и направить их в мирное русло. В 1954 году ЦЕРН получила своё официальное рождение.
В 1983 году под эгидой ЦЕРН были открыты бозоны W и Z, после чего вопрос об открытии бозонов Хиггса стал лишь делом времени. В том же году началась работа над строительством Большого электрон-позитронного коллайдера (БЭПК), который сыграл первостепенную роль в изучении обнаруженных бозонов. Однако уже тогда стало ясно, что мощности созданного устройства в скором времени окажутся недостаточными. И в 1984 году было принято решение о строительстве БАК, сразу после того, как БЭПК будет демонтирован. Это и произошло в 2000 году.
Строительство БАК, начавшееся в 2001 году, облегчалось тем, что оно происходило на месте бывшего БЭПК, в долине Женевского озера. В связи с вопросами финансирования (в 1995 году стоимость оценивалась в 2,6 млрд швейцарских франков, к 2001 превысила 4,6 млрд, в 2009 составила 6 млрд долларов).
На данный момент БАК располагается в туннеле с длиной окружности 26,7 км и проходит через территории сразу двух европейских стран – Франции и Швейцарии. Глубина туннеля варьируется от 50 до 175 метров. Нужно также отметить, что энергия столкновения протонов в ускорителе достигает 14 тераэлектронвольт, что в 20 раз больше достигнутых результатов при использовании БЭПК.
«Любопытство – не порок, но большое свинство»
27-километровый туннель коллайдера ЦЕРН, расположен в 100 метрах под землей недалеко от Женевы. Здесь будут находиться огромные сверхпроводящие электромагниты. Справа транспортные вагоны. Juhanson / wikipedia.org (CC BY-SA 3.0)
Зачем нужна эта рукотворная «машина Судного дня»? Ученые рассчитывают увидеть мир таким, каким он был сразу после Большого взрыва, то есть в момент образования материи.
Цели , которые поставили перед собой ученые при строительстве БАК:
- Подтверждение или опровержение Стандартной модели с целью дальнейшего создания «теории всего».
- Доказательство существования бозона Хиггса как частицы пятого фундаментального взаимодействия. Она, согласно теоретическим изысканиям, должна влиять на электрическое и слабое взаимодействие, нарушая их симметрию.
- Изучение кварков, представляющих собой фундаментальную частицу, которая в 20 тысяч раз меньше состоящих из них протонов.
- Получение и исследование темной материи, составляющей большую часть Вселенной.
Это далеко не единственные цели, возложенные учеными на БАК, но остальные больше относятся к смежным или сугубо теоретическим.
Чего удалось достичь?
Несомненно, наиболее крупным и значимым достижением стало официальное подтверждение существования бозона Хиггса . Открытие пятого взаимодействия (поля Хиггса), которое, по утверждениям ученых, влияет на приобретение массы всеми элементарными частицами. Считается, что при нарушении симметрии в процессе воздействия поля Хиггса на другие поля, бозоны W и Z становятся массивными. Открытие бозона Хиггса настолько велико по своей значимости, что ряд ученых дал им название «божественные частицы».
Кварки объединяются в частицы (протоны, нейтроны и другие), которые получили название адроны . Именно они ускоряются и сталкиваются в БАК, откуда и пошло его название. В процессе работы коллайдера было доказано, что выделить кварк из адрона попросту невозможно. Если вы попытаетесь это сделать, то просто вырвете из, например, протона другой вид элементарной частницы – мезон . Несмотря на то что это лишь один из адронов и ничего нового в себе не несет, дальнейшее изучение взаимодействия кварков должно осуществляться именно небольшими шагами. В исследованиях фундаментальных законов функционирования Вселенной спешка опасна.
Хоть сами кварки и не были открыты в процессе использования БАК, но их существование до определенного момента воспринималось как математическая абстракция. Первые такие частицы были найдены в 1968 году, но лишь в 1995-ом официально доказано существование «истинного кварка». Результаты экспериментов подтверждаются возможностью их воспроизвести. Поэтому достижение БАК аналогичного результата воспринимается не как повтор, а как закрепляющее доказательство их существования! Хотя проблема с реальностью кварков никуда и не исчезла, ведь их просто нельзя выделить из адронов.
Какие планы?
Hans G / flickr.com (CC BY-SA 2.0)Основная задача по созданию «теории всего» решена не была, но теоретическая проработка возможных вариантов её проявления ведется. До сих пор одной из проблем объединения Общей теории относительности и Стандартной модели остается разная область их действия, в связи с чем вторая не учитывает особенности первой. Поэтому важен выход за пределы Стандартной модели и достижения грани Новой физики .
Суперсимметрия – ученые считают, что она связывает бозонное и фермионное квантовые поля, да так, что они могут превращаться друг в друга. Именно подобная конверсия выходит за рамки Стандартной модели, так как существует теория, что в основе симметричного отображения квантовых полей лежат гравитоны . Они, соответственно, могут являться элементарной частицей гравитации.
Бозон Мадала – гипотеза о существовании бозона Мадала предполагает, что имеется еще одно поле. Только если бозон Хиггса взаимодействует с известными частицами и материей, то бозон Мадала – с темной материей . Несмотря на то что она занимает большую часть Вселенной, её существование не входит в рамки Стандартной модели.
Микроскопическая черная дыра – одно из исследований БАК заключается в создании черной дыры. Да-да, именно той черной, всепоглощающей области в космическом пространстве. Благо, что значительных достижений в этом направлении сделано не было.
На сегодняшний день Большой адронный коллайдер представляет собой многоцелевой исследовательский центр, на основе работы которого создаются и экспериментально подтверждаются теории, которые помогут нам лучше понять устройство мира. Вокруг ряда проводимых исследований, которые клеймятся опасными, нередко поднимаются волны критики, в том числе со стороны Стивена Хокинга, но игра определенно стоит свеч. Мы не сможем плыть в черном океане под названием Вселенная с капитаном, у которого ни карты, ни компаса, ни элементарных знаний об окружающем мире.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
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.
