Большой адронный коллайдер

Многие простые жители планеты задают себе вопрос о том, для чего нужен большой адронный коллайдер. Непонятные большинству научные исследования, на которые потрачено много миллиардов евро, вызывают настороженность и опаску.

Может, это и не исследования вовсе, а прототип машины времени или портал для телепортации инопланетных существ, способной изменить судьбу человечества? Слухи ходят самые фантастичные и страшные. Но это все, скорее всего, выдумки.

Большой адронный коллайдер на сегодня является мощнейшим на планете ускорителем частиц. Он находится на границе Швейцарии и Франции. Точнее под нею: на глубине 100 метров залегает кольцевой тоннель ускорителя длиной почти 27 километров. Хозяином экспериментального полигона стоимостью, превышающей 10 миллиардов долларов, является Европейский центр ядерных исследований.

Огромное количество ресурсов и тысячи физиков-ядерщиков занимаются тем, что ускоряют протоны и тяжёлые ионы свинца до скорости, близкой к световой, в разных направлениях, после чего сталкивают их друг с другом. Результаты прямых взаимодействий тщательно изучаются.

Предложение создать новый ускоритель частиц поступило ещё в 1984 году. Десять лет велись различные дискуссии насчет того, что будет собой представлять адронный коллайдер, зачем нужен именно такой масштабный исследовательский проект. Только после обсуждения вопросов особенностей технического решения и требуемых параметров установки проект был утверждён. Строительство начали только в 2001 году, выделив для его размещения подземные коммуникации прежнего ускорителя элементарных частиц – большого электрон-позитронного коллайдера.

Зачем нужен большой адронный коллайдер?

Взаимодействие элементарных частиц описывается по-разному. Теория относительности вступает в противоречия с квантовой теорией поля. Недостающим звеном в обретении единого подхода к строению элементарных частиц является невозможность создания теории квантовой гравитации. Вот зачем нужен адронный коллайдер повышенной мощности.

Общая энергия при столкновении частиц составляет 14 тераэлектронвольт, что делает устройство значительно более мощным ускорителем, чем все существующие сегодня в мире. Проведя эксперименты, ранее невозможные по техническим причинам, учёные с большой долей вероятности смогут документально подтвердить или опровергнуть существующие теории микромира.

Изучение кварк-глюонной плазмы, образующейся при столкновении ядер свинца, позволит построить более совершенную теорию сильных взаимодействий, которая сможет кардинально изменить ядерную физику и методы познания звёздного пространства.

Как он работает?

Чтобы экспериментальные частицы достигли немыслимой для поверхности скорости, почти равной скорости света в вакууме, их разгоняют постепенно, каждый раз увеличивая энергию.

Сначала линейные ускорители делают инжекцию ионов и протонов свинца, которые после подвергают ступенчатому ускорению. Частицы через бустер попадают в протонный синхротрон, где получают заряд в 28 ГэВ.

На следующем этапе частицы попадают в супер-синхротрон, где энергия их заряда доводится до 450 ГэВ. Достигнув таких показателей, частицы попадают в главное многокилометровое кольцо, где в специально расположенных местах столкновения детекторы подробно фиксируют момент соударения.

Кроме детекторов, способных зафиксировать все процессы при столкновении, для удержания протонных сгустков в ускорителе используют 1625 магнитов, обладающих сверхпроводимостью. Общая их длина превышает 22 километра. Специальная криогенная камера для достижения эффекта сверхпроводимости поддерживает температуру −271 °C. Стоимость каждого такого магнита оценивается в один миллион евро.

Детекторы

На БАК работают 4 основных и 3 вспомогательных детектора:

• ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
• ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)
• CMS (Compact Muon Solenoid)
• LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment)
• TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement)
• LHCf (The Large Hadron Collider forward)
• MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC).

ATLAS, CMS, ALICE, LHCb — большие детекторы, расположенные вокруг точек столкновения пучков. Детекторы TOTEM и LHCf — вспомогательные, находятся на удалении в несколько десятков метров от точек пересечения пучков, занимаемых детекторами CMS и ATLAS соответственно, и будут использоваться попутно с основными.

Детекторы ATLAS и CMS — детекторы общего назначения, предназначены для поиска бозона Хиггса и «нестандартной физики», в частности тёмной материи, ALICE — для изучения кварк-глюонной плазмы в столкновениях тяжёлых ионов свинца, LHCb — для исследования физики b-кварков, что позволит лучше понять различия между материей и антиматерией, TOTEM — предназначен для изучения рассеяния частиц на малые углы, таких что происходит при близких пролётах без столкновений (так называемые несталкивающиеся частицы, forward particles), что позволяет точнее измерить размер протонов, а также контролировать светимость коллайдера, и, наконец, LHCf — для исследования космических лучей, моделируемых с помощью тех же несталкивающихся частиц.

Научные результаты

Благодаря большей энергии по сравнению с предшествовавшими коллайдерами, БАК позволил «заглянуть» в недоступную ранее область энергий и получить научные результаты, накладывающие ограничения на ряд теоретических моделей.

Краткий перечень научных результатов, полученных на коллайдере:

• открыт Бозон Хиггса
• при энергиях до 8 ТэВ изучены основные статистические характеристики протонных столкновений — количество рождённых адронов, их распределение по быстроте, бозе-эйнштейновские корреляции мезонов, дальние угловые корреляции, вероятность остановки протона;
• показано отсутствие асимметрии протонов и антипротонов;
• обнаружены необычные корреляции протонов, вылетающих в существенно разных направлениях;
• получены ограничения на возможные контактные взаимодействия кварков;
• получены более веские, по сравнению с предыдущими экспериментами, признаки возникновения кварк-глюонной плазмы в ядерных столкновениях;
• исследованы события рождения адронных струй;
• подтверждено существование топ-кварка
• открыты новые, теоретически предсказанные частицы 
• получены первые данные протон-ионных столкновений на рекордной энергии, обнаружены угловые корреляции, ранее наблюдавшиеся в протон-протонных столкновениях;

Также, были предприняты попытки обнаружить следующие гипотетические объекты:

• лёгкие чёрные дыры;
• возбуждённые кварки;
• суперсимметричные частицы;
• лептокварки

Бозон Xиггса

В далёком 1960 году физик из Шотландии Питер Хиггс разработал теорию поля Хиггса, согласно которой частицы, попадающие в это поле, подвергаются квантовому воздействию, что в физическом мире можно наблюдать как массу объекта. В итоге, частицу этого поля удалось обнаружить.

Бозон Хиггса — элементарная частица , квант поля Хиггса, с необходимостью возникающая в Стандартной модели физики элементарных частиц вследствие хиггсовского механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии. В рамках этой модели отвечает за инертную массу таких элементарных частиц, как бозоны.

Проще говоря, эта частица придает массу материи. А точнее, поле Xиггса, которое как раз таки состоит из этиx частиц.

Какие планы?

В 2015 году протоны были разогнаны до 6,5 ТэВ и начался сбор научных данных на полной энергии столкновений 13 ТэВ. С перерывом на зиму, сбор статистики протон-протонных столкновений прошел до октября 2016 года, после чего коллайдер в ноябре и начале декабря около месяца проводил столкновения протонов с ядрами свинца. Далее коллайдер снова был остановлен на зиму (долгая остановка на ремонт и обновление).

2017 год

Технические работы займут первую половину года. Сбор статистики начнётся лишь в начале лета и пройдёт до зимы. Возможно некоторое повышение энергии протонов в пучках (с 13ТэВ до 14ТэВ). Вопреки наметившейся традиции, согласно которой ежегодно выделяется месяц на ядерные столкновения, они в этом году проводиться не будут.

Далее

До 2018 года БАК будет набирать статистику на энергии 13-14 ТэВ. Далее следует остановка на 2 года для модернизации каскада предварительных ускорителей с целью повышения доступной интенсивности пучков, а также проведение первой фазы апгрейда детекторов, что позволит повысить светимость коллайдера вдвое. С начала 2021 года до конца 2023 года следует набор статистики на энергии 14 ТэВ объёмом 300 фб−1, после чего планируется остановка на 2.5 года для значительной модернизации как ускорителя, так и детекторов. Предполагается повысить светимость ещё в 5-7 раз, за счёт увеличения интенсивности пучков и значительного усиления фокусировки в месте встречи. После запуска HL-LHC в 2026 году набор светимости продлится в течение нескольких лет.

Опасения

Существуют очень абсурдные и бредовые, но есть и вполне обоснованные опасения насчет безопасности этого проекта. От "нафиг нам не нужен этот ваш коллайдер" до возникновения черныx дыр. Почитать подробнее.

Я считаю, что слушать людей, которые потратили бы эти деньги не на коллайдер, а на людские нужды - не обязательно, мягко говоря. Но вот опасения реальныx ученыx, которые доказательно критикуют опасность этого проекта, нужно слушать. Но иx немного. В основном всякие псевдоученые. А СМИ подxватывают и пугают народ.

Источники:
https://ru.wikipedia.org/wiki/Большой_адронный_коллайдер
http://fb.ru/article/189775/adronnyiy-kollayder-zachem-nujen-dlya-chego-nujen-bolshoy-adronnyiy-kollayder
и др.