Что сейчас происходит с Большим адронным коллайдером: Наука и техника: Lenta.ru

Большой адронный коллайдер (БАК) был запущен 10 сентября 2008 года. Через девять дней в крупнейшем на планете ускорителе элементарных частиц произошла авария, и ученые вынуждены были прекратить работу на нем. Непосредственно перед запуском БАК и спустя некоторое время после поломки в СМИ появлялось огромное количество новостей о коллайдере, но постепенно информационный поток иссяк. Что сейчас происходит с БАК и вокруг него?

Фальстарт

Запуска БАК с нетерпением ждали не только физики, но и люди, которые последний раз вспоминали об этой науке в школе. Такое нетипичное внимание к исследованиям старательно поддерживалось журналистами, в том числе и далекими от науки. Кроме того, важную роль в «раскрутке» коллайдера сыграли работающие на нем специалисты, что является нетипичным для ученых поведением.

После проведения столь активной рекламной кампании специалисты БАК не могли обмануть ожидания миллионов жителей Земли и отложить запуск ускорителя. Знаменательное событие было намечено на 10 сентября 2008 года, однако незадолго до этого срока ученые столкнулись с рядом технических проблем. В назначенный день первые пучки протонов прошли по 27-километровому кольцу ускорителя. Исследователи прогнали протоны сначала по часовой стрелке, а потом и против, перевыполнив намеченную ранее программу.

Следующие несколько дней ученые радовались, что созданная ими колоссальная установка работает как надо (хотя небольшие технические затруднения периодически возникали), а обыватели — что Землю не поглотила черная дыра. Но 19 сентября около полудня ситуация вышла из-под контроля. Около сотни магнитов коллайдера вышли из сверхпроводящего состояния, которое возможно при температуре ниже 1,9 кельвина (-271,3 градуса Цельсия). Магниты начали нагреваться, и когда температура достигла 100 кельвинов, в туннель ускорителя было выброшено около шести тонн жидкого гелия из криогенной системы, поддерживающей магнит в сверхпроводящем состоянии.

Вышедшие из строя магниты относятся к так называемым поворотным магнитам. Они необходимы для того, чтобы удерживать пучки протонов на правильной траектории. В магнитную систему БАК также входят фокусирующие магниты, которые препятствуют «разбеганию» положительно заряженных протонов из-за электростатического отталкивания. Магниты специального назначения, установленные в двух точках — там, где протоны попадают в ускорительное кольцо и выходят из него, — контролируют пучок только во время его инжекции и сброса.

Сразу после аварии стало ясно, что коллайдер получил серьезные повреждения, однако точная оценка причиненного ущерба заняла длительное время. Туннель ускорителя находится на глубине 100 метров, и в нем поддерживается стабильно низкая температура. Для того чтобы понять, что и почему произошло 19 сентября, ученым необходимо было прогреть поврежденную секцию до комнатной температуры, а затем частично разобрать конструкции БАК.

В итоговом заключении технической комиссии CERN (Европейский центр ядерных исследований, международная организация, курирующая проект БАК), выпущенном 5 декабря 2008 года, был сделан вывод, что причиной аварии стал брак при монтаже одного из контактов между магнитами. Размер причиненного ущерба был оценен в 21 миллион долларов. На ремонтные работы планировалось потратить половину этой суммы, а оставшиеся 10 миллионов должны были пойти на покупку новых магнитов.

Чуть позже генеральный директор CERN Рольф-Дитер Хойер объявил, что починка БАК обойдется почти на треть дороже. Согласно новым подсчетам, ориентировочная стоимость работ составит 26 миллионов долларов. Выросла и предполагаемая длительность ремонта. Изначально представители CERN говорили о двух месяцах, затем срок увеличился до полугода. В настоящее время ученые обещают начать пробные пуски протонов в конце сентября — октябре 2009 года.

Два наиболее сильно поврежденных участка. Фото с сайта cern.ch

Lenta.ru

Помимо собственно замены или ремонта поврежденных магнитов специалисты CERN разработали диагностическую систему, которая способна выявлять повреждения, способные спровоцировать новую аварию. С помощью этой системы уже были обнаружены несколько дефектных соединений в других секторах ускорительного кольца. В начале мая ученые выяснили, что некоторые контакты могут содержать дефекты несколько иного типа. Часть из них было решено заменить на новые.

Средства на устранение последствий аварии должны были предоставить страны-участники CERN. Дополнительные расходы и сами по себе не являются приятным событием, а тут еще грянул финансовый кризис. Выделение средств не на спасение экономики, а на непонятный прибор со сложным названием показалось разумной идеей не всем государствам.

В начале мая 2009 года Австрия заявила о своем желании выйти из CERN. По мнению официальных лиц, правительство смогло бы с большей пользой для страны потратить 17 миллионов, которые ежегодно уходят в бюджет CERN. Австрийские ученые восприняли решение правительства крайне негативно, и 18 мая канцлер страны объявил о том, что Австрия останется в составе CERN.

Не только БАК

Несмотря на то что на ремонт БАК уходит огромное количество ресурсов, CERN продолжает поддерживать и другие научные проекты. С 10 по 13 мая в Центре прошла конференция, посвященная их обсуждению. Для проведения большей части экспериментов ученые задействуют «разгоночные» ускорительные кольца БАК (перед тем как попасть в 27-километровый туннель, протоны набирают скорость в меньших по размеру кольцах). Программу конференции и ссылки на тексты докладов можно найти здесь.

Том Хэнкс в роли профессора Лэнгдона. Кадр из фильма «Ангелы и демоны»

Lenta.ru

Параллельно с чисто научной деятельностью CERN продолжает активно вести просветительскую работу. Одновременно с премьерой фильма Рона Говарда «Ангелы и демоны» был запущен сайт, на котором разъясняется суть упоминающихся в картине научных явлений. По сюжету главные герои пытаются спасти Ватикан, который злоумышленники хотят разрушить при помощи созданной в CERN антиматерии. Частично на сайте воспроизводится опубликованная ранее научно-популярная статья об антивеществе, но некоторые разделы сайта, посвященные экспериментам на БАК и бозону Хиггса, являются новыми.

Научную основу картины, снятой по мотивам одноименного романа Дэна Брауна, нельзя назвать безукоризненной. Тем не менее, представители CERN активно сотрудничают со съемочной группой и используют фильм для рекламы коллайдера. Во время визита в CERN в феврале исполнитель главной роли Том Хэнкс дал согласие принять участие в церемонии повторного запуска БАК.

Еще одной категорией граждан (помимо любителей кино), которых CERN пытается приобщить к экспериментам БАК, стали дети. В конце марта 2009 года в Сети появилась «Цернландия» — сайт, на котором можно совершить путешествие в мультяшный БАК. Выполняя различные квесты, посетители сайта узнают названия и суть проводимых на коллайдере экспериментов и назначение различных установок БАК.

Что дальше?

Технические неполадки, возникшие в коллайдере, являются серьезными (учитывая размеры БАК — очень серьезными). Для их устранения специалистам CERN придется приложить огромное количество усилий, и не исключено, что в ходе проверок будут обнаружены новые дефекты. На данный момент трудно сказать, смогут ли ученые получить финансирование в достаточном объеме для того, чтобы вновь попытаться уничтожить Землю и провести грандиозный эксперимент. Тем не менее, исследователи не теряют оптимизма, а научная жизнь в CERN продолжает развиваться. А это самое главное.

lenta.ru

какие открытия удалось сделать и что будет дальше

Десять лет прошло с момента начала работы Большого адронного коллайдера (LHC), одной из самых сложных машин, когда-либо созданных человечеством. БАК — крупнейший в мире ускоритель частиц, погребенный в 100 метрах под швейцарско-французской границей и разместившийся на 27-километровом радиусе.

К 10-летию Большого адронного коллайдера “КП” вспоминает важнейшие даты в его работе и прикидывает, что с ним будет дальше.

Успешный запуск и первые проблемы

10 сентября 2008 года благодаря усилиям Европейской организации ядерных исследований (CERN) первый пучок протонов успешно отправился в путь вокруг 27-километрового кольца сверхпроводящих магнитов. БАК официально заработал.

В тот период это было знаковым достижением для тысяч ученых, инженеров и техников. Они потратили десятилетия на планирование и строительство колоссальной подземной машины, которая помогла бы ответить на вопросы о вселенной и ее происхождении, воссоздавая условия после Большого взрыва, который произошел 13,7 миллиардов лет назад.

Однако машина стоимостью более 10 миллиардов практически сразу начала давать сбои в работе. 22 сентября 2008 года произошел инцидент, который повредил 50 из более чем 6000 магнитов БАКа — они имеют решающее значение для поддержания протонов, движущихся по его круговой траектории. Ремонт занял больше года, и в марте 2010 года коллайдер вновь начал корректно работать. Стоимость устранения неполадок составила более 40 миллионов долларов.

В гигантском подземном коллайдере высокоэнергетические протоны, движущиеся со скоростью света в двух встречно вращающихся пучках, сталкиваются друг с другомФото: EAST NEWS

Протоны продолжают сталкиваться

В гигантском подземном коллайдере высокоэнергетические протоны, движущиеся со скоростью света в двух встречно вращающихся пучках, сталкиваются друг с другом. Затем обломки отслеживаются на огромных детекторах, и ученые изучают результаты.

В ЦЕРН говорят, что частицы настолько малы, что их столкновение похоже на параллельный выстрел двумя иглами, которые находятся на расстоянии 10 километров друг от друга, которые встречаются на полпути.

Годы прорыва

После запуска коллайдера в 2010 году началось время открытий и успехов. БАК работал гладко, мощность медленно увеличивалась, как и скорость столкновения частиц, предоставляя ученым возможность поиска экзотических частиц с ценными данными.

2012 год стал для ЦЕРН годом безусловного прорыва. 4 июля ученые объявили, что они зафиксировали огромное количество свидетельств об открытии новой частицы — неуловимого бозона Хиггса, стержня Стандартной модели теории физики частиц в рамках исследования Большого взрыва, который, как полагают, дает массу другим объектам и существам во Вселенной.

Открытие бозона Хиггса стало кульминацией десятилетий интеллектуальных усилий многих людей во всем мире. Двое ученых — Питер Хиггс из Великобритании и Франсуа Энглер из Бельгии — получили Нобелевскую премию по физике. Но это не конец истории, и исследователи должны подробно изучить бозон Хиггса, чтобы измерить его свойства.

Будущее с новым коллайдером?

Для решения новых вопросов физики и для получения более четкой картины субатомного мира и новых явлений, таких как темная материя и темная энергия, БАК постоянно модернизировался, постоянно увеличивая энергию и количество столкновений.

В 2018 году, через шесть лет после того, как он подтвердил существование бозона Хиггса, машина ушла на капитальный ремонт. Пучки протонов, которые сталкивались друг с другом, были сфокусированы, чтобы увеличить число столкновений частиц в десять раз, давая больший шанс обнаружить что-то необычное. В ЦЕРН заявили, что после обновления БАК будет производить 15 миллионов бозонов Хиггса в год, а не три миллиона, зарегистрированных в 2017 году.

Планируется, что БАК будет работать до 2040 года. Но в ЦЕРН уже думают о его преемнике. Ученые разрабатывают проекты для более высокопроизводительной машины, известной как циркулярный коллайдер (FCC) для расширения исследований, проводимых в настоящее время с помощью БАКа.

Радиус циркулярного коллайдера может составлять от 80 до 100 километров, что сильно увеличит интенсивность движения частиц частиц при температуре до 100 тераэлектронных вольт (ТэВ). В настоящее время БАК работает при температуре 14 ТэВ. Но он по-прежнему незаменим для будущего физики.

www.kp.ru

Открытия, сделанные в Большом адронном коллайдере

10 сентября 2008 года был произведен официальный запуск коллайдера.

Вскоре после запуска ускоритель вышел из строя и был остановлен до весны 2009 года.

21 октября 2008 года в одном из зданий ЦЕРН в Женеве прошла церемония официального открытия большого адронного коллайдера, которую было решено провести, несмотря на проблемы с запуском.

В 2013 году БАК приостановил свою работу на плановый ремонт и в апреле 2015 года вновь запущен для работы. После запланированного ремонта БАК почти в два раза увеличил свою мощность с 8 до 13 ТэВ, что, по мнению ученых, может привести к новым крупным открытиям.

Запланированная мощность БАК составляет 14 ТэВ, однако она еще ни разу не была достигнута в ходе работы коллайдера.

4 июля 2012 года, после трех лет экспериментов на Большом адронном коллайдере физики ЦЕРНа объявили об открытии «частицы, по своим параметрам очень похожей на бозон Хиггса». Они установили, что масса новой частицы составляет 125-126 гигаэлектронвольт (неопределённость связана с погрешностью измерений). Она не имеет электрического заряда и нестабильна.

Найденная частица проявляла себя наиболее четко в двух самых чистых каналах распада: это распад на два фотона и распад на два Z-бозона с их последующим распадом на четыре лептона (электрона или мюона). Поиски велись еще в трех каналах распада, но из-за больших статистических погрешностей и сильного фона заметить проявления бозона Хиггса в них не удавалось.

На тот момент ученым не было в точности ясно, насколько открытая ими частица соответствует предсказаниям Стандартной модели. К марту 2013 года физики получили достаточно данных о частице, чтобы официально объявить, что это бозон Хиггса.

8 октября 2013 года британскому физику Питеру Хиггсу и бельгийцу Франсуа Энглеру, открывшему механизм нарушения электрослабой симметрии (благодаря этому нарушению элементарные частицы могут иметь массу), была присуждена Нобелевская премия по физике за «теоретическое открытие механизма, который обеспечил понимание происхождения масс элементарных частиц».

В декабре 2013 года, благодаря анализу данных с помощью нейронных сетей, физики ЦЕРНа впервые зафиксировали следы распада бозона Хиггса на фермионы — тау-лептоны и пары b-кварк и b-антикварк.

В июне 2014 года ученые, работающие на детекторе ATLAS, после обработки всей накопленной статистики, уточнили результаты измерения массы хиггсовского бозона. По их данным масса бозона Хиггса равна 125,36 ± 0,41 гигаэлектронвольт. Это практически совпадает — как по значению, так и по точности — с результатом ученых, работающих на детекторе CMS.

В февральской 2015 года публикации в журнале Physical Review Letters физики заявили, что возможной причиной практически полного отсутствия антиматерии во Вселенной и преобладания обычной видимой материи могли послужить движения поля Хиггса – особой структуры, где «живут» бозоны Хиггса. Российско-американский физик Александр Кусенко из университета Калифорнии в Лос-Анджелесе (США) и его коллеги полагают, что им удалось найти ответ на эту вселенскую загадку в тех данных, которые были собраны Большим адронным коллайдером во время первого этапа его работы, когда был обнаружен бозон Хиггса, знаменитая «частица бога».

14 июля 2015 года стало известно, что специалисты Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН) после ряда экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК) объявили об открытии ранее предсказанной российскими учеными новой частицы, называемой пентакварком. Изучение свойств пентакварков позволит лучше понять, как устроена обычная материя. Возможность существования пентакварков предсказали сотрудники Петербургского института ядерной физики имени Константинова Дмитрий Дьяконов, Максим Поляков и Виктор Петров.

Данные, собранные БАК на первом этапе работы, позволили физикам из коллаборации LHCb, занимающейся поиском экзотических частиц на одноименном детекторе, «поймать» сразу несколько частиц из пяти кварков, получивших временные имена Pc(4450)+  и Pc(4380)+. Они обладают очень большой массой – около 4,4-4,5 тысячи мегаэлектронвольт, что примерно в четыре-пять раз больше, чем аналогичный показатель для протонов и нейтронов, а также достаточно необычным спином. По своей природе они представляют собой четыре «нормальных» кварка, склеенных с одним антикварком.

Статистическая достоверность открытия составляет девять сигма, что эквивалентно одной случайной ошибке или сбою в работе детектора в одном случае на четыре миллиона миллиардов (10 в 18 степени) попыток.

Одной из целей второго запуска БАК станет поиск темной материи. Предполагается, что обнаружение такой материи поможет решить проблемы скрытой массы, которая, в частности, заключается в аномально высокой скорости вращения внешних областей галактик.

Материал подготовлен на основе информации РИА Новости и открытых источников

ria.ru

«Доигрались!» Большой адронный коллайдер внезапно включился и начал накапливать энергию – эксперт

Оборудование фиксирует странное излучение из космоса, направленное прямиком в БАК, сообщил специалист.

Большой адронный коллайдер или БАК, создан учеными для анализа поведения частиц при столкновении на сверхскоростях. Его периодически включают, получают данные, а затем выключают. Однако последние сообщения экспертов говорят о том, что БАК внезапно включился.

С их слов, коллайдер начал разгонять частицы на скоростях близких к скорости света, а в периметре началась накапливаться энергия. Эта информация стала поводом для уфологического сообщества направить антенны их «специального» оборудования в сторону Женевы – именно рядом с этим городом находится БАК.

Эксперты не на шутку перепугались, когда обнаружили странные сигналы из космоса, «бьющие» прямо в адронный коллайдер.

Опасность кроется в том, что если столкнуть частицы на скорости более субсветовой, то результат будет, мягко говоря, непредсказуем. Сами ученые предполагали, что при неправильной настройке оборудования есть вероятность создания микроскопической черной дыры. Отнюдь размеры этого космического тела не повлияют на разрушения, которые будут причинены планете. Силы гравитации будет достаточно, чтобы поглотить всю планету.

Также ученые предполагают возможность появления нового вещества, разрыв пространства и прочие фантастические вещи. Иными словами, могут произойти вещи которые невозможно объяснить с точки зрения классической физики.

Как писалось выше, накопление энергии – первый шаг к переходу на сверхсветовые скорости. Эксперты считают, что «кто-то сверху» решил показать человечеству, чем могут закончиться эксперименты с тем, чего люди не понимают. Один из специалистов даже прокомментировал ситуацию одним словом: «Доигрались!»

Из-за Глобального потепления Земля может повторить судьбу Марса – эксперт

 Независимые исследователи выявили странную аномалию – ядро планеты начало внезапно увеличиваться и нагреваться.

Официальной информации тем временем пока не поступало, поэтому вполне вероятно, что вся история не получит подтверждения.

Дмитрий Приморский

Поделиться:

www.vladtime.ru

Теория всего. Зачем науке новый огромный коллайдер

Будущий циклический коллайдер оценивают в 25 миллиардов евро. С его помощью ученые хотят приблизиться к созданию «общей теории всего».

Европейская организация по ядерным исследованиям в Женеве представила концепцию Будущего циклического коллайдера в четырех томах. Стоимость ускорителя со 100-километровым тоннелем ученые оценивают в 25 миллиардов евро.

В CERN говорят, что этот коллайдер станет «очень мощной «хиггсовской фабрикой» и поможет разобраться в истории формирования нашей Вселенной. Корреспондент.net рассказывает подробности.

 

Будущий коллайдер

О планах по созданию Будущего циклического коллайдера, который должен заменить действующий уже десять лет Большой адронный коллайдер, известно с 2014 года.

Современная физика базируется на общей теории относительности, которая объясняет события в макромире и на квантовой механике, объясняющей мир элементарных частиц.

Объединить их и создать «общую теорию всего» физики пытаются не первый год. Предполагается, что новый, более мощный ускоритель может обнаружить необходимые для этого новые частицы, чего не удалось добиться на БАКе.

15 января 2019 года новый мегапроект обрел видимые очертания: на сайте CERN — главной мировой лаборатории физики элементарных частиц — опубликован четырехтомный доклад о строении и планируемых исследованиях ускорителя.

CERN предлагает построить в окрестностях Женевы 100-километровый круговой тоннель, который позволит во много раз увеличить энергию частиц и значительно расширить возможности исследований.

Темная сторона Вселенной. Сколько проживет теория Эйнштейна

В работе над его концепцией приняли участие 1,3 тысячи экспертов из 150 университетов, научных институтов и других организаций со всего мира.

В первом томе ученые рассказывают об открытых вопросах современной физики частиц и рассматривают возможные открытия, которые поможет сделать Будущий циклический коллайдер:

• найти частицы темной материи и массивные нейтрино
• выяснить, как устроен потенциал Хиггса и за счет каких процессов возникает масса бозона Хиггса
• исследовать кварк-глюонную плазму и фазовые переходов в теории электрослабых взаимодействий
• уточнить параметры известных частиц — топ-кварка, векторных бозонов и бозона Хиггса

Во втором томе физики подробно описывается строение и характеристики электрон-позитронного коллайдера, который планируют построить к 2040-м годам.

Предполагается, что энергия столкновений в системе центра масс будет составлять от 90 до 365 гигаэлектронвольт, а светимость коллайдера превысит 1036 обратных квадратных сантиметров на секунду.

Он проработает 15-20 лет и станет «очень мощной «хиггсовской фабрикой» и позволит зафиксировать «новые, редкие процессы и измерить известные частицы с беспрецедентной точностью».

В третьем томе рассматривается возможность модификации коллайдера для столкновений протон-протонных пучков. В этом случае энергия столкновений будет достигать 100 тераэлектронвольт, а светимость — 1035 обратных квадратных сантиметров на секунду.

Его будут использовать для столкновения протонов и тяжелых ионов. Достижение такой энергии (в семь раз больше, чем у БАК) сделает возможными «точные исследования того, как частицы Хиггса взаимодействуют друг с другом», и «подробное исследование роли спонтанного нарушения электрослабой симметрии в истории нашей Вселенной».

Проект рассчитан на 70 лет и, как считают в CERN, будет работать на пользу физики элементарных частиц на протяжении всего 21 века.

 

У Китая похожий проект

В Китае в ноябре прошлого года группа ученых, работающих над проектом коллайдера CEPC (Circular Electron Positron Collider), обнородовала документ о технических деталях его устройства и планируемых экспериментах. Теоретический этап занял у ученых около шести лет.

Циклический электронно-позитронный коллайдер КНР будет разгонять пучки электронов и позитронов до энергий порядка 240 гигаэлектронольт.

Карта китайского коллайдера

Каждый из пучков будет разгоняться на линейном ускорителе до энергий порядка десяти гигаэлектронвольт, а затем будет направляться в одно из двух колец, смонтированных в круговом тоннеле длиной около 100 километров. За столкновениями частиц и рождением бозона Хиггса будут наблюдать два больших детектора.

Также планируется строительство протон-протонного ускорителя SppC, который продолжит сбор статистики после завершения основной программы.

 

Достижения Большого адронного коллайдера

В 1949 году французский физик, лауреат Нобелевской премии Луи де Бройль предложил создать европейскую лабораторию, которая будет заниматься фундаментальными исследованиями, выходящими за рамки государственных программ.

Через пять лет — 29 сентября 1954 года — 12 стран (Бельгия, Дания, Германия, Франция, Греция, Италия, Норвегия, Швеция, Швейцария, Нидерланды, Великобритания и Югославия) подписали договор об учреждении CERN. Затем присоеденились Австрия, Болгария, Венгрия, Испания, Польша, Португалия, Словакия, Финляндия, Чехия и Израиль, а Югославия вышла.

Ученые CERN трудятся над решением загадки о зарождении Вселенной, составе материи, пытаются понять, как элементарные частицы приобретают массу и взаимодействуют друг с другом, а также ищут ответы на другие не менее важные вопросы мироздания.

В Европейской организации по ядерным исследованиям сейчас находится самый крупный и сложный в мире научный инструмент — ускорительный комплекс для разгона элементарных частиц под названием Большой адронный коллайдер, построенный в 2008 году.

Стандартная модель — это теория взаимодействия субатомных частиц, над которой физики трудились большую часть прошлого столетия. Она непротиворечиво описывает многие происходящие в мире процессы, однако не объясняет природу гравитации.

В 2012 году на Большом адронном коллайдере была открыта частица бозон Хиггса, предсказанная им в 1964 году. Она определяет происхождение такого физического понятия, как масса.

Масса показывает, сколько вещества содержит любой объект — частица, молекула или целый организм. При отсутствии массы все элементарные частицы, формирующие атомы, двигались бы со световой скоростью и не были бы способны сформировать материю во Вселенной.

В соответствии с теорией Хиггса, Вселенную пронизывает некое поле, которое и позволяет частицам обрести массу. Предполагается, что взаимодействие с появляющимися в этом поле бозонами Хиггса и наделяет двигающиеся элементы массой. Этот процесс можно сравнить со снежным полем, по которому не получается быстро идти, поскольку снег налипает на ботинки и мешает идти.

Доктор Фредерик Бордри, директор CERN по ускорителям и технологиям, отвечая на критику дороговизны Будущего коллайдера говорит, что это разумная цена для столь передового проекта.

«Когда меня спрашивают, что даст людям бозон Хиггса, я отвечаю: «бозонику». Что это такое, я не знаю. Но вспомните, что когда в 1897 году Томсон открыл электрон, он тоже не знал, что такое электроника. Но представить современный мир без нее невозможно», — сказал он.

 

Новости от Корреспондент.net в Telegram. Подписывайтесь на наш канал https://t.me/korrespondentnet

korrespondent.net

Ожидание и реальность: результаты работы Большого адронного коллайдера | Futurist

Автор: Яна Жежер |  6 февраля 2018, 14:33

Европейский центр ядерных исследований, или просто ЦЕРН, – место, где рядом с вами в столовой запросто может обедать нобелевский лауреат по физике. Он известен во всем мире благодаря самому мощному ускорителю частиц – Большому адронному коллайдеру. Спустя почти десять лет работы пришло время подвести итог – оправдал ли надежды ученых один из самых амбициозных научных проектов современности?

В 2008 году я училась в десятом классе. Несмотря на то, что в те годы я еще совершенно не интересовалась физикой, волна ажиотажа не смогла обойти меня стороной: из каждого утюга трубили, что вот-вот запустят «машину судного дня». Что как только Очень Важный Директор поднимет рубильник, образуется черная дыра и нам всем конец. В день официального старта Большого адронного коллайдера некоторые учителя даже позволили на своих уроках посмотреть репортаж с места событий.

Самого страшного не произошло. По большому счету, не произошло ничего – рубильник был поднят, на экране компьютера заскакали непонятные простому обывателю цифры, а ученые начали праздновать. В общем, зачем запускали, было непонятно.

Несомненно, без Большого адронного коллайдера ученые не смогли бы совершить некоторые знаменательные открытия – в том числе речь идет об обнаружении бозоне Хиггса. Но все ли из запланированного удастся реализовать, и есть ли еще перспективы у БАК – об этом и расскажем.

Эксперимент DELPHI Большого электрон-позитронного коллайдера

Старший брат: Большой электрон-позитронный коллайдер

В конце семидесятых годов XX века физика элементарных частиц развивалась семимильными шагами. Для проверки предсказаний Стандартной модели в 1976 году был предложен проект Большого электрон-позитронного коллайдера (БЭП или LEP – от англ. Large Electron-Positron Collider) в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН, от фр. CERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire). Среди множества различных конфигураций был выбран вариант расположения будущего эксперимента в подземном тоннеле длиной 27 километров. Ему предполагалось ускорять электроны и позитроны до энергий порядка десятков и сотен гигаэлектронвольт: встречные пучки пересекались в четырех точках, в которых впоследствии расположились эксперименты ALEPH, DELPHI, OPAL и L3.

С точки зрения физиков энергии никогда не бывает мало: выбранный в итоге для реализации вариант БЭП был компромиссом между стоимостью и мощностью; рассматривались и туннели большей длины, способные сильнее ускорять частицы. Итоговая энергия могла использоваться для проверки Стандартной модели, но была слишком мала для поиска так называемой «новой физики» – явлений, которые не предсказываются ее законами. Гораздо лучше для таких целей подходят адронные коллайдеры – ускорители составных частиц вроде протонов, нейтронов и атомных ядер. Еще в 1977 году, в момент обсуждения БЭП, Джон Адамс, директор ЦЕРН в то время, предлагал сделать туннель шире, и разместить там сразу оба ускорителя – и электрон-позитронный, и адронный. Однако, совет, принимающий итоговые решения, эту идею отклонил, и в 1981 году был утвержден проект Большого электрон-позитронного коллайдера.

Туннель Большого адронного коллайдера

На смену приходит LHC

БЭП проработал больше десяти лет: с 1989 по 2000 год. Этому времени принадлежит ряд знаменательных экспериментов, таких как подтверждение предсказанных масс переносчиков слабого взаимодействия – W- и Z-бозонов, а также измерение различных параметров Стандартной модели с беспрецедентной точностью. И уже в 1984 году была проведена конференция «Большой адронный коллайдер в туннеле LEP», посвященная вопросу строительства нового коллайдера после прекращения работы предшественника.

В 1991 году был окончательно утвержден проект Большого адронного коллайдера (БАК или LHC – от англ. Large Hadron Collider), при помощи которого планировалось достигнуть суммарной энергии сталкивающихся частиц в 14 тераэлектронвольт, то есть в сто раз большей, чем развивал Большой электрон-позитронный коллайдер.

В 1992 году была проведена встреча, посвященная научной программе Большого адронного коллайдера: всего было получено двенадцать заявок на различные эксперименты, которые могли бы быть построены на месте четырех точек столкновения пучков. В течении последующих лет были одобрены два эксперимента общей направленности – ATLAS и CMS, эксперимент ALICE по изучению тяжелых ионов и LHCb, посвященный физике частиц, содержащих b-кварки. Сооружение Большого адронного коллайдера началось в 2000 году, а первые пучки были получены уже в 2008 году: с тех пор и по сей день, помимо планового отключения, LHC в рабочем режиме ускоряет частицы и набирает данные.

Россия в ЦЕРН

Российская Федерация с 1993 года является страной-наблюдателем в ЦЕРН, что дает право ее представителями присутствовать на заседаниях, но не дает права голосовать при принятии важных решений. В 2012 году от имени Правительства РФ было внесено заявление о намерении вступления Российской Федерации в ассоциированные члены ЦЕРН, которое на настоящий момент не было поддержано.

Всего в проектах ЦЕРН участвует около 700 российских ученых из двенадцати научных организаций, таких как Объединенный институт ядерных исследований, Российский научный центр «Курчатовский институт», Институт ядерных исследований Российской академии наук и Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова.

Инжекционная цепь Большого адронного коллайдера

Как выгодно ускорять частицы?

Схема работы Большого адронного коллайдера состоит из множества этапов. Перед тем как попасть непосредственно в БАК, частицы проходят ряд стадий пред-ускорения: таким образом набор скорости происходит быстрее и при этом с меньшими затратами энергии. Сначала в линейном ускорителе LINAC2 протоны или ядра достигают энергии в 50 мегаэлектронвольт; затем они поочередно попадают в бустерный синхротрон (PSB), протонный синхротрон (PS) и протонный суперсинхротрон (SPS), и на момент инжекции в коллайдер итоговая энергия частиц составляет 450 гигаэлектронвольт.

Помимо основных четырех экспериментов в тоннеле Большого адронного коллайдера, предускорительная система является площадкой для более чем десяти экспериментов, которым не требуется столь большая энергия частиц. В их число входят, в частности, эксперимент NA61/SHINE, исследующий параметры взаимодействия тяжелых ионов с фиксированной мишенью; эксперимент ISOLDE, исследующий свойства атомных ядер, а также AEGIS, исследующий гравитационное ускорение Земли при помощи антиводорода.

Поиски частицы Бога и новой физики

Еще в самом начале, на этапе разработки, была заявлена претенциозная научная программа Большого адронного коллайдера. В первую очередь, вследствие указаний, полученных на БЭП, планировался поиск бозона Хиггса – еще гипотетической в то время составляющей Стандартной модели, отвечающей за массу всех частиц. В том числе в планы ученых входил и поиск суперсимметричного бозона Хиггса и его суперпартнеров, входящих в минимальное суперсимметричное расширение Стандартной модели.

В целом как отдельное направление планировался поиск и проверка моделей «новой физики». Для проверки суперсимметрии, в которой каждому бозону сопоставляется фермион, и наоборот, предполагалось вести поиски соответствующих партнеров для частиц Стандартной модели. Для проверки теорий с дополнительными пространственными измерениями, таких как теория струн или М-теория, были заявлены возможности постановки ограничений на число измерений в нашем мире. Именно поиск отклонений от Стандартной модели считали, и до сих пор считают одной из основных задач БАК.

Менее громкие задачи: исследование кварк-глюонной плазмы и нарушения CP-инвариантности

Топ-кварк, самый тяжелый из шести кварков Стандартной модели, до Большого адронного коллайдера наблюдался лишь на ускорителе Тэватрон в Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми в США из-за своей крайне большой массы в 173 гигаэлектронвольта. При столкновениях в БАК, благодаря его мощности, ожидалось рождение большого числа топ-кварков, которые интересовали ученых в двух аспектах. Первый был связан с изучением иерархии частиц: на данный момент наблюдается три поколения кварков (топ-кварк завершил третье), но не исключено, что их все же больше. С другой стороны, рождение бозона Хиггса при распаде топ-кварка считалось основным способом его экспериментального детектирования.

В 1964 году было открыто нарушение комбинированной CP-инвариантности (от англ. «charge» – заряд и «parity» – четность), которое соответствует зеркальному отображению нашего мира с полной заменой всех частиц на соответствующие античастицы. Данный факт играет важную роль в теориях образования Вселенной, которые пытаются объяснить, почему все наше вещество состоит именно из материи, а не из антиматерии. В том числе нарушение CP-четности проявляется в поведении B-мезонов – частиц, активное рождение которых предполагалось в процессе столкновений в БАК, и с их помощью ученые надеялись пролить свет на причины данного явления.

Работа Большого адронного коллайдера в режиме столкновения тяжелых ядер должна была приводить к воссозданию состояния кварк-глюонной плазмы, которое, по современным представлениям, наблюдается через 10-5 секунд после Большого взрыва – состоянию настолько «горячему», что кварки и глюоны не взаимодействуют друг с другом, и не образуют частицы и ядра, как это происходит в нормальном состоянии. Понимание процессов возникновения и охлаждения кварк-глюонной плазмы необходимо для изучения процессов квантовой хромодинамики – раздела физики, ответственного за описание сильных взаимодействий.

Схема открытия бозона Хиггса в эксперименте ATLAS

Открытие новых частиц на LHC

Итак, чем же может похвастаться за целое десятилетие своей работы Большой адронный коллайдер?

Во-первых, конечно же, самое известное из открытий – обнаружение в июле 2012 года бозона Хиггса массой 126 гигаэлектронвольт. Всего годом позднее Питер Хиггс и Франсуа Энглер были удостоены Нобелевской премии по физике за теоретическое предсказание существования «частицы Бога», ответственной за массу всего вещества во Вселенной. Теперь, однако, перед физиками стоит новая задача – понять, почему искомый бозон имеет именно такую массу; также продолжаются и поиски суперсимметричных партнеров бозона Хиггса.

В 2015 году в эксперименте LHCb были обнаружены стабильные пентакварки – частицы, состоящие из пяти кварков, а годом позднее – кандидаты на роль тетракварков – частиц, состоящих из двух кварков и двух антикварков. До этих пор считалось, что наблюдаемые частицы состоят не более чем из трех кварков, и физикам еще предстоит уточнить теоретическую модель, которая бы описала подобные состояния.

Все еще в пределах Стандартной модели

Физики надеялись, что БАК сможет решить проблему суперсимметрии – либо полностью ее опровергнуть, либо уточнить, в каком направлении стоит двигаться, поскольку вариантов подобного расширения Стандартной модели огромное количество. Пока что не удалось сделать ни того, ни другого: ученые ставят различные ограничения на параметры суперсимметричных моделей, которые могут отсеять самые простые варианты, но точно не решают глобальных вопросов.

Не было получено так же и явных указаний на физические процессы вне Стандартной модели, на которые, пожалуй, рассчитывало большинство ученых. Однако, стоит отметить, что в эксперименте LHCb также было получено указание на то, что B-мезон, тяжелая частица, содержащая в себе b-кварк, распадается не таким образом, как предсказывает Стандартная модель. Подобное поведение само по себе может служить, например, указанием на существование еще одного нейтрального переносчика слабого взаимодействия – Z’ бозона. Пока что ученые работают над набором экспериментальных данных, которые позволят ограничить различные экзотические сценарии.

Возможная схема будущего 100-километрового коллайдера

Пора начинать рыть новый туннель?

Смог ли Большой адронный коллайдер оправдать вложенные в него силы и средства? Несомненно, хоть и не все поставленные цели по итогам десятилетия пока что достигнуты. В настоящий момент идет второй этап работы ускорителя, после чего будет произведена плановая установка и начнется третья стадия набора данных.

Ученые не теряют надежды произвести следующие великие открытия и уже планируют новые коллайдеры, например, с длиной туннеля в целых 100 километров.

Понравилась статья?

Поделись с друзьями!

  Поделиться 0   Поделиться 0   Твитнуть 0

Подпишись на еженедельную рассылку

futurist.ru

Адронный коллайдер | Новости сибирской науки

10 лет назад был введён в действие 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 сегодня

Идея 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 Хиггса

Пожалуй, 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 миры

Надо 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-российски

Кстати, 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.

www.sib-science.info