Четверг, 20 июня, 2024

16+

5 вопросов и ответов о Большом адронном коллайдере

Время на чтение 7 мин.

1. Почему он большой и адронный? И что такое коллайдер?

В названии ускорителя в значительной степени отражена его суть. Да, он действительно большой. В его строительстве участвовали больше 10 тысяч ученых и инженеров из ста стран мира, стоило это около 4,75 миллиарда долларов. Ускоритель расположен в ЦЕРНе — Европейском центре ядерных исследований — неподалеку от швейцарской Женевы, длина основного кольца — 26,7 километра. Оно расположено под землей на глубине от 50 до 175 метров: так дешевле и ландшафт не влияет на эксперименты. Идея строительства была впервые высказана в 1984 году, сооружение началось в 1995-м и продолжалось целых 13 лет. БАК может сталкивать частицы с суммарной энергией 13 тераэлектронвольт на скорости, близкой к световой — больше и быстрее, чем любой другой ускоритель в мире.

На ускорителе разгоняют и сталкивают тяжелые ионы и протоны — частицы, относящиеся к классу адронов. Собственно, поэтому ускоритель и адронный. От английского collide — столкновение — происходит слово коллайдер.

2. Как происходит эксперимент в коллайдере?

Сама схема экспериментов довольно проста: пучки частиц несутся навстречу друг другу по кольцу, потом сталкиваются — и от этого столкновения на близкой к световой скорости (частицы совершают по 27-километровому кольцу больше 10 тысяч оборотов в секунду) распадаются на новые частицы. После этого ученые анализируют, что получилось, — и делают открытия.

Само кольцо состоит из восьми секторов, между которыми расположены небольшие прямые вставки. Частицы движутся по вакуумной трубке, разгоняемые сильными магнитами. Последние состоят из кабелей, сделанных из сверхпроводящего сплава ниобия и титана. Для создания сверхпроводимости кабели охлаждаются сверхтекучим гелием до температуры –271,3 градуса. Во время работы коллайдер потребляет около 200 мегаватт энергии — это примерно треть электричества, необходимого для снабжения всей Женевы. В остальное время потребление БАК падает до 80 мегаватт. Таким образом в рабочий год коллайдер использует около 1,3 тераватт электричества. В год ЦЕРН платит за свет около 65 миллионов долларов.

5 вопросов и ответов о Большом адронном коллайдере
3D-модель одного из дипольных магнитов, разгоняющих частицы по коллайдеру. Изображение: Dominguez, Daniel / CERN

Чтобы собирать статистику по столкновениям, БАК оборудован четырьмя главными и тремя вспомогательными детекторами. Детекторы фиксируют объем информации, равный примерно 20 гигабайтам в секунду, так что ученые используют систему распределенных вычислений для ее обработки. Но даже в таком случае требуются месяцы и даже годы, чтобы сделать и подтвердить научное открытие.

Дело в том, что невозможно заставить частицы столкнуться так, чтобы получить какую-то новую, интересующую нас частицу. После столкновения с разной степенью вероятности образуется все то, что разрешено законами физики. Поэтому большая часть столкновений приводит к давно известным и хорошо изученным явлениям. Так что из огромного массива данных сначала выбирают потенциально интересные, а потом их скрупулезно анализируют.

3. Зачем человечеству такой большой ускоритель?

Сейчас наш мир на квантовом уровне описывается теорией, которая называется Стандартной моделью. Однако ученые уверены, что она не всеобъемляющая, и есть часть мира, которая выходит за ее рамки. Коллайдер должен подтвердить теоретические предсказания Стандартной модели (например существование широко известного бозона Хиггса, который даже окрестили частицей бога) и найти хоть какие-то экспериментальные свидетельства существования чего-то вне ее (например подтверждение теории суперсимметрии, которое пока не нашли).

Зачем же нам такие большие ускорители? Размер напрямую связан с тем, до какой энергии можно разогнать элементарную частицу. Чем меньше объект микромира, тем он прочнее, поэтому, чтобы «разрушить» его, необходимо достичь большой энергии. Кроме того, возможности наших детекторов не безграничны, поэтому чем больше будет энергия частиц, тем проще их обнаружить.

4. Правда, что коллайдер больше стоит, чем работает?

Режим работы любого ускорителя таков, что в течение года несколько месяцев на нем проводят эксперименты (на БАК это обычно промежуток с мая до середины декабря), а остальное время посящено ремонтам и усовершенствованиям.

БАК впервые сломался меньше чем через две недели после запуска. Произошел квенч — спонтанный переход сверхпроводящего электромагнита в несверхпроводящее состояние. В результате конструкции коллайдера деформировались, вакуумная труба была загрязнена частичками металла, а в тоннель вылилось шесть тонн жидкого гелия. Ремонт занял около года.

В 2013 году коллайдер был планово закрыт на два года для ремонта и улучшения. В 2018 году БАК остановили на вторую длинную техническую паузу. В течение четырех лет проводили технические работы для реализации проекта «Большой адронный коллайдер высокой светимости». Светимость ускорителя — это количество частиц на квадратный сантиметр в секунду, которое он производит. Таким образом, ориентировочно к 2026 году светимость БАК возрастет в 10 раз, но энергия частиц останется прежней. Для этого придется модернизировать практически все системы, включая детекторы, которым придется фиксировать намного больше событий.

5 вопросов и ответов о Большом адронном коллайдере
Ремонтные работы во время второй технической паузы. Фото: Brice, Maximilien / CERN

Нужно понимать, что БАК, возможно, — самое сложное инженерное сооружение из когда-либо созданных человеком. Поэтому такие длительные ремонты и постоянные модернизации — неизбежны и закладывались при планировании работы.

5. Почему БАК стал так популярен в массовой культуре?

Согласно анекдоту, во Вселенной каждые 14 миллиардов лет запускают большой адронный коллайдер. Вероятно, большую роль в популярности ускорителя сыграли предсказания того, что его запуск приведет к концу света. В англоязычных СМИ аббревиатуру LHC (Large Hadron Collider) даже расшифровывали как Last Hadron Collider. В разное время выдвигались предположения, что внутри ускорителя могут появиться микроскопические черные дыры (это, кстати, обрадовало бы исследователей, но их зафиксировать не удалось), кротовые норы и даже страпельки — гипотетические частицы странной материи, которые при столкновении превращают любое вещество в странное. Сейчас уже очевидно, что ничего катастрофического не произошло, но в 2008 году в окружной суд Гавайев был подан иск, в котором ЦЕРН обвиняли в попытке устроить конец света. Иск, впрочем, отклонили.

Другой аспект, позволивший БАК стать не просто инструментом для малопонятных исследований, а целым социальным явлением, стала его беспрецедентная открытость для публики. По коллайдеру можно совершить виртуальный тур, смотреть на его работу через веб-камеры и даже в реальном времени следить за состоянием коллайдера и его детекторов. Все научные статьи, созданные по результатам работы на БАК, всегда выкладываются бесплатно в общем доступе, независимо от того, где они были опубликованы.

Такую политику открытости целенаправленно проводил ставший в 2009 году генеральным директором ЦЕРНа Рольф-Дитер Хойер. Благодаря его смелости (ведь такая открытость обязательно приведет к тому, что от тебя будут постоянно требовать объяснений и указывать на ошибки) БАК стали обсуждать во всем мире — не только ученые-физики, но и обыватели.

Оставьте ответ

Пожалуйста, введите свой комментарий!
Пожалуйста, введите ваше имя здесь