Адронный коллайдер. Важно понять, как устроен мир

10 сентября 2018 года исполнилось ровно 10 лет с того момента, как был запущен Большой адронный коллайдер – крупнейший в мире ускоритель микрочастиц. Над проектом работали и работают тысячи специалистов, и среди них есть наши соотечественники.

Что такое БАК и зачем он нужен?Прежде всего – знаете ли вы, почему Большой адронный коллайдер носит такое наименование? Итак, БАК (общепринятая аббревиатура) представляет собой ускоритель заряженных частиц – протонов и тяжелых ионов, которые физики называют также адронами. Слово «коллайдер» (collider) в переводе с английского означает буквально «сталкиватель». Частицы сталкиваются между собой, а исследователи изучают результаты их взаимодействий.Зачем это вообще нужно? Дело в том, что существуют различные теории о поведении микрочастиц, которые пока не имеют экспериментального подтверждения. Возьмем теорию суперсимметрии, согласно которой у любой существующей во Вселенной элементарной частицы имеется более тяжелая «копия», или «суперчастица». Но это лишь предположение, которое надо еще подтвердить. Имея в распоряжении БАК, ученые смогут это сделать.«Опыты на ускорителях помогают нам исследовать законы, по которым устроена материя, – комментирует заместитель директора по научной работе Института ядерной физики Сибирского отделения РАН Александр Бондарь. – Как мы знаем, в состав любого вещества входят атомы, а те, в свою очередь, делятся на электроны, протоны и нейтроны. Последние два вида частиц состоят из разных типов кварков. И все это показывают нам ускорители».Также имеется теория Большого взрыва, объясняющая происхождение нашей Вселенной. Предполагается, что эксперименты на уровне микромира прольют свет на процессы, происходившие с материей миллиарды лет назад.Наконец, как утверждают ученые, в перспективе благодаря коллайдеру возможно открытие новых источников энергии.Вчера и сегодняИдея создания БАК была выдвинута в далеком 1984 году. Но работа над установкой стартовала лишь в 2001 году, после того как перестал функционировать ее предшественник – Большой электрон-позитронный коллайдер.Строительство велось под эгидой ЦЕРНа (Европейского центра ядерных исследований) в подземном туннеле, проложенном на глубине от 50 до 175 метров в районе Женевы. Длина основного кольца коллайдера равняется 26659 квадратным километрам. Стоимость создания установки оценивается от 6 до 8 миллиардов долларов.10 сентября 2008 года состоялся официальный запуск суперускорителя. В общей сложности в работе с ним приняли участие около 10 тысяч ученых из разных стран мира, включая Россию. По словам координатора от российской стороны, заместителя директора НИИЯФ МГУ Виктора Саврина, с БАК работают около 800 отечественных экспертов из 12 научных учреждений, среди которых Академия наук, Росатом, Московский и Санкт-Петербургский государственные университеты, ядерные центры, расположенные в различных российских регионах.Постоянно в ЦЕРНе трудятся несколько десятков наших соотечественников. Остальные приезжают туда в порядке командировок – обычно на несколько месяцев. Причем работа идет круглосуточно и без выходных.Погоня за бозоном ХиггсаПожалуй, самым большим научным достижением, связанным с БАК, стало экспериментальное подтверждение существования бозона Хиггса. О нем, вероятно, слышали многие, но мало кто знает, что до недавнего времени эта элементарная частица существовала лишь в «воображении» ученых. В 1964 году ее существование было теоретически предсказано британским физиком Питером Хиггсом, отсюда и название. В июле 2012 года ученые использовали коллайдер, дабы провести эксперимент по столкновению между собой двух протонов, причем скорость этого столкновения должна была примерно соответствовать скорости света. В итоге протоны распадались на отдельные мельчайшие частицы, среди которых исследователям «попадался» и бозон Хиггса.Не так давно произошло еще одно знаменательное событие: исследовательским группам ATLAS и CMS удалось зафиксировать распад бозона Хиггса на боттом-кварки (последние чаще называют b-кварками). Таким образом была фундаментально подтверждена так называемая Стандартная модель элементарных частиц.С 2015 года в исследовательской работе коллаборации ATLAS участвуют сотрудники лаборатории экспериментальной физики высоких энергий Томского госуниверситета во главе с Александром Ходиновым. В прошлом году ТГУ был получен правительственный мегагрант, который пойдет на финансирование Центра анализа данных эксперимента ATLAS. Запустить этот проект планируется до 2020 года.Сейчас в задачи группы Ходинова входит исследование процессов распадов бозона Хиггса на частицы, представляющие собой более тяжелый аналог электрона – мюоны. Эта задача требует повышенной чувствительности соответствующих приборов, поэтому ученые ведут работы по модернизации мюонного спектрометра ATLAS. Кроме того, они занимаются разработкой новых многофункциональных детекторов. «Размеры каждой микросхемы составляют 20 на 20 миллиметров, и на ней способны разместиться около 6 миллионов транзисторов», – рассказывает Александр Ходинов.Еще одно ноу-хау томских физиков – детекторы, считывающие полученную во время экспериментов информацию. Их разработка началась очень давно – еще в 1993 году. Приемники, изготовленные на основе арсенида галлия, способны регистрировать единичные кванты синхротронного излучения. Информация воспроизводится ими в виде электроимпульсов. Что же касается расшифровки полученных с БАК данных, то этим будет заниматься система искусственного интеллекта, которая сейчас разрабатывается на базе суперкомпьютера СКИФ Cyberia при ТГУ.Еще один проект, в котором участвуют томичи, – это Beam Radiation Instrumentation and Luminosity (BRIL), над которым работает коллаборация CMS. Речь идет об усовершенствовании алмазных детекторов, «следящих» за коллайдером.Апокалипсис и параллельные мирыНадо сказать, большинству обывателей мало что известно о деталях работы коллайдера. Зато за период его функционирования появилась масса связанных с ним конспирологических теорий, согласно которым установка катастрофическим образом влияет на климат, может вызывать землетрясения и, наконец, спровоцировать конец света…Каким же образом? Конспирологи утверждают, что в результате функционирования БАК могут возникать микроскопические черные дыры, способные заглатывать окружающую материю, и таким образом может произойти глобальный взрыв. Хотя сложно себе такое представить: ведь все процессы в коллайдере происходят внутри локального замкнутого пространства. Никаких научных обоснований подобные апокалиптические гипотезы под собой, конечно же, не имеют.Правда, недавно ушедший в мир иной знаменитый британский астрофизик Стивен Хокинг полагал, что манипуляции с бозоном Хиггса могут оказаться небезопасны для человечества. Почему? Ученый утверждает, что эта чудо-частица (иногда ее даже именуют частицей Бога) не обладает стабильностью, и при неблагоприятном стечении обстоятельств в результате экспериментов может начаться распад вакуума. Вселенная перейдет в иное физическое состояние, где пространство и время перестанут существовать. Понятно, что вряд ли кто-нибудь из нас, живущих, после этого уцелеет… Однако чтобы получить такой результат, уточнял Хокинг, необходимо построить коллайдер планетарных масштабов, до чего нам пока далеко.В 2015 году международная команда физиков из США, Канады и Египта заявила, что мощности БАК должно хватить на то, чтобы обнаружить параллельные вселенные. Это еще одна распространенная теория, которая пока не находит приемлемого научного подтверждения.По мнению авторов заявления, доказательством существования множественных пространственных измерений могут служить мини-дыры, возникающие, когда в коллайдере сталкиваются частицы с определенным уровнем энергии.Каким же образом это доказывает многомерность Вселенной? Как считают исследователи, в теории гравитация способна «перетекать» из одного измерения в другое. В таком случае она будет проявляться в определенном диапазоне. И если удастся зафиксировать черные дыры именно в этом диапазоне, значит, теория верна.Увы, пока попытки отыскать эти дыры закончились неудачей. Но в 2020 году, как ожидается, коллайдер будет модернизирован.БАК по-российскиКстати, первый в мире адронный коллайдер мог появиться в нашей стране, причем еще в советскую эпоху. В СССР работы над протонным ускорителем (так он назывался у нас) велись с 1983 года в подмосковном наукограде Протвино. Там, на глубине от 20 до 60 метров, был проложен туннель длиной 21 километр и диаметром 5 километров с подземными «ангарами» для размещения оборудования, соединенными с поверхностью вертикальными шахтами.Строительство туннеля окончилось к 1994 году. И сразу же ввели в эксплуатацию первый участок объекта длиной 2,7 километра. Первые эксперименты прошли вполне успешно. Однако, как это нередко случалось в те годы, возникли сложности с финансированием. Сегодня объект пребывает в состоянии консервации.Тем не менее отечественное научное руководство не оставило идею создания собственного аналога БАК. В 2013 году в подмосковной Дубне под эгидой международного Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) началось строительство сверхпроводящего коллайдера NICA (название представляет собой аббревиатуру от английского Nuclotron-based Ion Collider fAcility).НИКА (будем все-таки называть ее по-русски) является циклотроном – кольцевым ускорителем, способным разгонять и сталкивать между собой протоны и тяжелые ионы. Проект предполагает широчайшую экспериментальную программу. Это и изучение свойств барионной материи, и исследование нуклонов и явлений поляризации. Прикладная сфера затронет такие области, как материаловедение, электроника, создание альтернативных источников энергии, криогенные технологии, радиобиология, утилизация и переработка радиоактивных отходов, медицина. Еще одно направление – участие в программах Роскосмоса.Помимо России в проекте участвуют и другие страны, как входящие в организацию ОИЯИ, так и не являющиеся ее членами, но заинтересованные в исследованиях. Запуск комплекса запланирован на 2019 год, а с 2023 года он должен заработать в полную силу.Заведующий лабораторией физики высоких энергий (ЛФВЭ) ­ОИЯИ Владимир Кекелидзе считает, что оборудование, предоставленное в распоряжение курирующей проект научной группы, позволит глубже изучить относительно новое направление в науке – физику высоких энергий. Одна из приоритетных задач – имитация Большого взрыва в лабораторных условиях. Конечно, это будет всего лишь мини-взрыв, но исходные данные максимально приблизят к тем, что существовали к моменту появления Вселенной. Для этого ученые используют частицы золота – данный металл как раз обладает всеми необходимыми свойствами и удобен с чисто технологической точки зрения.«Изначально Вселенная состояла исключительно из однородного вещества – кварк-глюонной плазмы, – говорит Кекелидзе. – Сталкивая между собой атомы золота, мы попытаемся понять механизм образования таких частиц, как протоны и нейтроны. Ведь именно этот процесс сделал наш мир таким, как сейчас».Наверное, поэтому тема коллайдеров так популярна. Человеку всегда важно понять смысл жизни, а для этого – осознать, как устроен мир и почему он выглядит именно так, а не иначе. Манипуляции с частицами как раз могут ответить на эти вопросы. Остается только подождать результатов.