Для чего коллайдер: Кварки, бозоны и звёздный разрушитель. Для чего нужен Большой адронный коллайдер?

Содержание

Зачем нужен новый суперколлайдер — Российская газета

Физики сделали знаменитым на весь мир бозон Хиггса. Про эту частицу Бога и поймавший ее Большой адронный коллайдер (БАК) наслышаны даже домохозяйки. Но он покажется лилипутом рядом с машиной, которую сейчас задумали построить в Европейском центре по ядерным исследованиям (ЦЕРН). Для сравнения: длина БАК 27 километров против 100 км у нового коллайдера, энергия 14 ТэВ против 100 ТэВ, стоимость 12 миллиардов долларов против 24 миллиардов. Новичок уже получил название Циклический коллайдер будущего, но судя по замаху, вполне может называться и циклопический.

Зачем он нужен этот гигант? Особенно если учесть, что недавно БАК остановили на два года, чтобы поднять энергию до максимальных 14 ТэВ. Чем он не устраивает физиков? Дело в том, что открыв Хиггса, этот коллайдер одновременно закрыл последнюю страницу Стандартной модели, которая считается одним из самых главных достижений науки XX века. Физики надеялись выжать из БАКа и другие открытия, однако он больше не «плодоносил». Если он и дальше будет только подтверждать Стандартную модель, это, по мнению лауреата Нобелевской премии профессора Сэмюэля Тинга, окажется большой неудачей. Словом, ученые считают, что модель себя исчерпала. Она не может объяснить множество фактов, скажем, природу «темной материи», и «темной энергии», на которые приходится 95 процентов массы Вселенной, и только 5 процентов на видимую — звезды и планеты. Здесь нужна новая физика.

Многие ученые уже не верят, что даже модернизированный БАК сумеет открыть эту дверь. Сейчас считается, что носителями «темной материи» должны быть очень тяжелые частицы, которые ученые надеются получить на Циклическом ускорителе будущего. Его сооружение пройдет в два этапа. На первом к 2040 году в 100-километровом туннеле будет построен электрон-позитронный коллайдер. Его стоимость около 9 миллиардов долларов. Эта установка будет исследовать W- и Z-бозоны, бозон Хиггса, а также t-кварки — самые массивные частицы в Стандартной модели. На втором этапе в том же туннеле к 2050 году будет создан протон-протонный коллайдер.

Его максимальная энергия около 100 ТэВ. Стоимость проекта оценивается в 15 миллиардов долларов. За время работы коллайдер должен породить около 1010 бозонов Хиггса. Физики надеются, что он сможет подтвердить или опровергнуть существование вимпов — гипотетических частиц темной материи. Также на нем будет исследоваться кварк-глюонная плазма, существовавшая на самых ранних стадиях развития Вселенной.

Чтобы разгадать тайну многих феноменов Вселенной, нужна принципиально новая физика

В работе над концепцией коллайдера будущего участвуют более 1,3 тысячи специалистов из 150 институтов и вузов всего мира. Сумели они найти весомые аргументы, чтобы убедить власть имущих раскошелиться? Доказать, что, чем дальше в глубь природы, тем неохотней она выдает свои тайны, тем они стоят дороже? Если прорыв к новой физике произойдет, то на энтузиастов прольется настоящий дождь новых Нобелей.

«Чем выше энергия, тем ближе мы к началу Вселенной» – Огонек № 35 (5630) от 07.09.2020

Новый коллайдер NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility) в Дубне в скором времени начнет воспроизводить первые мгновения нашей Вселенной. О том, какие шансы у России во всемирной гонке коллайдеров, дойдут ли физики до торговли антивеществом и каким образом связаны свобода ученых и свобода кварков, «Огоньку» рассказал директор Лаборатории физики высоких энергий им. В.И. Векслера и А.М. Балдина Объединенного института ядерных исследований в Дубне Владимир Кекелидзе.

Беседовала Елена Кудрявцева

— Владимир Димитриевич, строительство 500-метрового кольца коллайдера NICA — по сути, первый российский мегапроект с середины XX века — подходит к концу. Что собой представляет установка?

— Это коллайдер протонов и тяжелых ионов. Он сможет воссоздать в лабораторных условиях особое состояние вещества, которое, возможно, существует только в ядрах нейтронных звезд. Такие установки называют гигантскими микроскопами, так как они позволяют все глубже проникать в материю и понять структуру вещества. Называют их и телескопами во времени — ведь чем выше энергия в эксперименте, тем ближе мы подходим к началу возникновения Вселенной. Чтобы понять, что же там происходило, нам нужно в минимальной единице объема сосредоточить максимум энергии.

— Для Дубны это далеко не первая стройка мегаустановок мирового класса. Как выбирали место для строительства синхрофазотрона? Известно, что, когда искали площадку для ускорителя в Протвино в 1970-е, объехали 40 площадок в поисках особой скальной породы. Здесь тоже какой-то особенный грунт?

— С одной стороны, скальная порода придает установке стабильность, с другой — она передает все колебания от незначительных землетрясений и даже от вибраций. Поэтому есть другой подход: ускоритель должен находиться на жесткой платформе, но в мягкой породе. Синхрофазотрон, запущенный в Дубне в 1957 году, имел относительно небольшие размеры и был построен на жесткой плите. На тот момент это был самый мощный ускоритель в мире, сегодня таковым является Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРНе, Швейцария. В 1950-е он был спланирован на энергию в 10 гигаэлектронвольт (1 ГэВ — это 1 млрд электронвольт.«О»). Это знаковый рубеж для человечества, потому что за ним возможно всерьез изучать строение вещества.

— Предстоящие эксперименты на коллайдере NICA не предполагают столь высоких энергий, как на БАКе, где энергию и вовсе измеряют в ТэВах (тераэлектронвольтах — триллионах электронвольт). В чем же тогда их уникальность?

— Дело в том, что в Большом адронном коллайдере изучаются процессы, происходящие при крайне высоких энергиях.

Задача же нашего коллайдера — создать максимальную плотность ядерной материи, если говорить точнее — барионной материи. Барионы — это, прежде всего, протоны и нейтроны, из которых состоит весь окружающий нас мир. Когда-то, в начале Большого взрыва, ее плотность везде была нулевой, а сегодня обычная материя вокруг нас обладает «единичной» (нормальной) плотностью барионов, а в недрах нейтронных звезд эта плотность может быть на порядок выше. За счет большой гравитации материя так сжимается, что в их ядрах нуклоны (протоны и нейтроны.

«О») проникают друг в друга и в какой-то момент переходят в состояние кварков. Вот этот фазовый переход и будет изучать NICA. По сути, на этом коллайдере будут создаваться максимально возможные для лабораторных условий Земли плотности барионной материи.

— Что значит — максимально возможные?

— Это значит, что в лабораторных условиях невозможно создать состояние, в котором в единице объема будет больше барионов. В таком состоянии материи мы имеем дело уже не с нуклонами (протонами и нейтронами), а с кварками и глюонами. Если говорить упрощенно, то каждый протон или нейтрон содержит по три кварка.

Чтобы вырвать кварки у протона или нейтрона, нужно применить гигантские усилия. Та энергия, которую мы используем в ядерных реакторах и взрывах,— это лишь остаточные силы, связывающие кварки внутри нуклона.

— Как же тогда можно извлечь кварки, чтобы увидеть этот фазовый переход?

— Можно их или столкнуть, или применить способ, основанный на так называемом принципе асимптотической свободы. Это важное явление было открыто в конце прошлого века, в 2004 году за него получили Нобелевскую премию Дэвид Гросс, Дэвид Политцер и Фрэнк Вильчек. Оказалось, что если попытаться вытянуть кварк из нуклона, то нужно, как я сказал, приложить максимально известные человечеству силы. А вот если кварки сблизить, то в какой-то момент они перестают между собой взаимодействовать, становятся свободными, превращаясь в кварковую кашу — кваркглюонную плазму. Частицы в ней начинают свободно перемещаться, а когда все остывает, формируются в совершенно новые нуклоны и другие элементарные частицы.

— Не случайно, видимо, Дэвид Гросс приезжал в Дубну, когда закладывался первый камень в фундамент коллайдера NICA. Хотел посмотреть на место, где кварки выпустят на свободу?

— Да, он приезжал в 2016-м и участвовал в церемонии закладки фундамента.

— Как же вы будете сжимать нуклоны с такой силой без нейтронных звезд?

— Это можно сделать, разгоняя и сталкивая два тяжелых ядра, например, золота и золота. Но если их разогнать очень сильно, как происходит в Большом адронном коллайдере, то хотя и образуется кварковый бульон, плотность барионов в нем будет минимальной. Чтобы достичь нужного нам эффекта, энергия должна быть около 10 ГэВ на каждый нуклон. Именно такие параметры мы заложили в NICA.

В начале начала


Владимир Димитриевич — доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент РАН

Фото: Евгений Гурко, Коммерсантъ

— Что мы знаем о начале Вселенной, когда возникла плотная барионная материя? Если бы тогда был некий сторонний наблюдатель, он бы действительно увидел большой во всех отношениях взрыв?

— В первое мгновение Большого взрыва большой плотности барионной материи не было. Там была большая плотность энергии. В равных пропорциях находились вещество и антивещество. Все это расширялось в пространстве с колоссальной скоростью, создавая сложные флуктуации, которые в итоге, согласно теориям ведущих российских ученых, стали основой будущих звезд и галактик (подробнее — см. «Огонек», № 11 за 2019 год). Отдельный вопрос: как же появилось вещество? Это одна из интереснейших задач современной физики. В какой-то момент равновесие между частицами и античастицами было нарушено. Это была совсем маленькая разница, из которой получилась вся наша Вселенная.

За возникновение разницы между веществом и антивеществом ответствен ряд процессов, происходящих во Вселенной, невозможных без нарушения некоторых симметрий, одно из которых в науке называют СР-нарушением. За его открытие в 1980 году дали Нобелевскую премию Джеймсу Кронину и Вэлу Фитчу. Само открытие они, кстати, сделали в 1964-м и впервые докладывали о нем у нас в Дубне в том же году.

— Почему именно у вас?

— В Дубне проходила крупнейшая в области физики высоких энергий так называемая Рочестерская конференция — это как Олимпийские игры для физиков, занимающихся высокими энергиями. На ней представляются все самые яркие достижения последних лет.

Но если возвращаться ко Вселенной, то с помощью NICA мы будем пытаться понять, как происходит переход вещества из состояния обычной материи, которую мы видим вокруг, в свободную — кварковую.

Чрезвычайно интересно понять, как кварки высвобождаются, а затем снова попадают в «тюрьму» при условиях, когда они максимально сжаты. NICA будет воспроизводить весь этот процесс: от создания бульона из кварков до формирования новых частиц.

— А можно ли будет каким-то похожим образом изучать антивещество? Часто пишут, что оно будет стоить баснословных денег…

— Антивещество как раз изучают в ЦЕРНе. Там делают очень интересные эксперименты, когда антипротон пытаются удержать в особой ловушке. Вообще же антивещество создается каждый день в экспериментах на ускорителях и даже в результате естественных процессов, таких как молния, но оно быстро исчезает при столкновениях с обычным веществом. По этой же причине вряд ли его когда-нибудь станет возможным создать в ощутимых количествах.

— Интересно, что у вашего коллайдера, рассчитанного под самые фундаментальные задачи, есть прикладной аспект. В чем он заключается?

— Мы предложили три инновационных проекта, которые могут принести ощутимую пользу в ближайшее время. Первый связан с облучением электронных схем, без чего невозможно создание революционной по характеристикам электроники, которая будет стойко работать в условиях высокой радиации и космического излучения. Это нужно для полетов в космос и для других целей. Ведь даже единичное попадание тяжелого иона в электронное устройство может вывести его из строя. С помощью NICA будет нарабатываться статистика отказов, отрабатываться система защиты.

Всю жизнь работает в области экспериментальной физики частиц и пытается проникнуть вглубь ядерной материи

Фото: Евгений Гурко, Коммерсантъ

Второй проект связан с исследованием воздействия тяжелого космического излучения на живые организмы. Сейчас у нас тоже проходят такие работы, но условия для их проведения ограниченны. Тем не менее здесь нашими коллегами из лаборатории радиобиологических исследований уже были получены очень интересные результаты в экспериментах с обезьянами. Оказалось, что после небольшой дозы облучения их когнитивные способности повышались, а вот затем резко падали. Это чрезвычайно важно для будущих полетов человека на Марс, видимо, когнитивные способности и, кстати, зрение в условиях длительных полетов будут страдать сильнее всего. При этом если от заряженных частиц можно спастись каким-то защитным полем, то от нейтральных практически нечем. Вы же не повезете туда огромные бетонные блоки! Поэтому здесь для ученых большое поле деятельности.

Третье направление связано с медицинскими технологиями на основе наших магнитов. Это очень перспективная область, связанная с лечением онкологических заболеваний.

— NICA — не единственный проект, который изучает кварковый бульон?

— Да, у нас есть конкуренты. Например, Брукхейвенская национальная лаборатория в США. Они запустили коллайдер еще в 2000-м и уже сделали много интересных открытий, изучая кваркглюонную плазму. Но барионная плотность вещества у них очень маленькая: изначально проект был рассчитан на энергии в 200 ГэВ на нуклон, а для достижения максимальной барионной плотности, как я говорил, нужно всего 10. Для расширения исследований в области большой барионной плотности они доработали конструкцию коллайдера, чтобы понизить энергию, но при этом он потерял такое важное качество, как светимость,— число взаимодействий на поперечный сантиметр в секунду. А этот параметр в конечном счете влияет на статистику взаимодействий, которая набирается в ходе эксперимента и определяет точность измерений.

Еще у нас есть непосредственный конкурент, который должен заработать в 2025 году,— коллайдер FAIR, строящийся недалеко от города Дармштадт в Германии. Поэтому нам так важно не сдвигать даты запуска.

Коллайдер размером с Землю

— Вы сказали, что самые крупные эксперименты в области физики высоких энергий сегодня проводятся в ЦЕРНе. Какую основную задачу собираются там решить физики и что будет, когда возможности коллайдера исчерпаются?

— Сейчас БАК будет детально изучать бозон Хиггса, а дальше, скорее всего, будет создан еще более крупный ускоритель, в разы превосходящий по энергии существующий. Перспективы такого проекта регулярно обсуждаются на собрании управляющего комитета ЦЕРНа, куда входят представители 23 стран. Каждые семь лет он подготавливает стратегическую программу развития. На этот раз было решено изучать возможности реализации проекта — географию, технологические возможности и стоимость.

— Какой же будет размер этого гиганта?

— Если диаметр работающего сегодня Большого адронного коллайдера примерно 27 километров, то здесь речь идет о 100 километрах.

— Значит, ученые снова столкнутся с протестами местных жителей? Они ведь и в прошлый раз не хотели соседства с такой мощной научной установкой, как БАК.

— Да, причем выявились неожиданные коллизии, в том числе юридические. Нынешний коллайдер проходит, как известно, по территории Франции и Швейцарии. Когда для него копали туннель, оказалось, что на разных землях законы отличаются: где-то владелец имеет право только на почвенный слой, а где-то его права распространяются вглубь, вплоть до центра Земли! Иными словами, вы не можете просто прокопать у него под ногами ветку метро или нечто подобное. Поэтому пришлось проводить сложные согласования.

— У ученых есть какая-то конкретная задача для такой огромной и дорогой установки?

— В том-то и дело, что пока ясной физической цели нет, а без этого двигаться очень сложно. Никто не знает, какая нужна энергия, чтобы обнаружить явления так называемой новой физики (явления за пределами принятой сегодня Стандартной модели.— «О»). БАК строился исходя из представлений о том, при каких энергиях можно открыть бозон Хиггса, поэтому все и получилось. Правда, при этом ожидалось, что, возможно, подтвердится так называемая теория суперсимметрии, а этого пока не произошло. А нам важно понять, существует ли она в природе или только в головах теоретиков. Также было бы интересно разобраться с природой кварка: выяснить, является ли он точечной частицей или у него есть структура.

— А в принципе, есть ли предел развития ускорительной техники? Или коллайдеры вечно будут расти в размерах?

— По большому счету, предел — это размеры Земли, а может, и больше.

Дороги, которые мы выбираем


Под его руководством разработан и создается крупнейший в России мегапроект — ускорительно-экспериментальный комплекс NICA

Фото: Евгений Гурко, Коммерсантъ

— Как сильно пандемия сдвинула сроки сдачи NICA?

— По нашей оценке, примерно на полгода, потому что многие работы за границей пришлось приостановить. Но пока мы не меняем планов запуститься в конце 2022-го.

— Что это за работы и где они проходили?

— В основном в Европе. Сейчас у нас очень напряженный момент, связанный с поставкой из Италии важнейшего компонента детектора MPD на коллайдере — сверхпроводящей катушки большого анализирующего магнита. Это огромная деталь размером, с упаковкой, 8 на 9 метров, которая сама весит более 70 тонн плюс еще половину весит каркас, в котором ее везут. Это очень деликатный груз, который нужно везти со всеми мерами предосторожности, с шоковыми датчиками и т. п. Доставить такую объемную установку можно только по воде. Наш груз должен был доплыть из Генуи, где его сделали, до Санкт-Петербурга, а далее уже на речной барже по Волге прямо сюда, в Дубну. Но так как из-за пандемии весной работать было невозможно, сроки поставки сдвинулись. И теперь нам нужно успеть доставить до того, как на Волге закроется навигация. А оставлять катушку в Италии до весны нельзя, это и задержка проекта, и дополнительные большие расходы. В мире, кстати, вообще не так много компаний, которые могут сделать что-то подобное.

— В чем основная сложность?

— Это большой магнит со сверхпроводящей катушкой, который должен создать высокооднородное магнитное поле в цилиндрическом объеме диаметром 6 метров и длиной 8 метров. Катушка должна работать в условиях, близких к абсолютному нулю (минус 273,15°C.— «О»). Для Большого адронного коллайдера такие установки делали японская «Тошиба» и «АСГ Суперкондакторс» в Италии.

Когда нам потребовался такой магнит, то решили обратиться именно к ним, потому что для строительства наукоемких установок лучше пользоваться услугами компании, которая такие приборы уже делала. В мировой практике есть много отрицательных примеров, когда известная компания без опыта в изготовлении такого сложного оборудования берется за работу и через несколько лет сообщает, что ничего не получилось, и ученые остаются у разбитого корыта. Поэтому мы выбрали итальянцев, работа которых оказалась в полтора раза дешевле, чем японцев. А так как речь идет о десятках миллионов евро, это важно.

— Что самое главное в такой детали?

— Качество магнита определяется качеством магнитного поля, которое он создает. Поле должно быть очень однородным, чтобы в нем можно было с высокой точностью восстанавливать траектории частиц в детекторе. А это определяется как катушкой, так и самим магнитным ярмом — железом, которое нам пришлось делать в другом месте, так как итальянцы не захотели брать это на себя.

— Где вы его взяли?

— Это отдельная и тоже очень интересная история. Для детектора нужно не литое, а кованое железо очень хорошего качества. Речь идет о балках длиной 9 метров и кольцах диаметром 8 метров, и, чтобы их ковать, нужен огромный молот. Считалось, делать такие могут лишь в США и Китае, ни России, ни Европе это не по плечу. Но мы совершенно неожиданно недалеко от Милана нашли маленькую компанию. У них есть огромная рука-манипулятор, которая может взять кусок железа в несколько сот тонн, положить на молот и затем отковать.

При этом заготовки самого железа мы брали в России, предварительно обрабатывали в Новокраматорске на Украине. Оттуда отвезли в Италию, а уже затем — в Чехию для высокоточной обработки и сборки на большом заводе, который специализируется на том, что делает огромные металлические конструкции, в том числе шестерни для переноса барж из одного канала в другой. Затем это все разобрали и на 42 грузовиках привезли сюда. Это лишь один из эпизодов большого проекта.

— Получается, что каждый раз приходится искать буквально штучных специалистов по миру.

— А здесь по-другому нельзя. Если при создании уникального проекта вы где-то понизите планку качества или ответственности, то никогда не сможете достичь требуемых результатов. Вот мы и ищем только тех, кто делает то, что нам требуется, лучше всех в мире.

— А что лучше всех в мире делает Россия?

— Многое, например в Новосибирске в Институте ядерной физики им. Будкера делают лучшие в мире системы электронного охлаждения. Все существующие сегодня ускорители используют их системы.

Нигде не делают лучше, чем у нас, в Дубне, быстроциклирующие сверхпроводящие магниты. За четыре года было создано уникальное в мировом масштабе производство, где собираются, испытываются и сертифицируются сверхпроводящие магниты для NICA и для наших партнеров-конкурентов — FAIR. Это основные элементы нашего коллайдера.

Наука для всех

— Можно сказать, кто придумал NICA? Чьи идеи тут стали ключевыми?

— Идея изучения столкновения ядер при этих энергиях принадлежит Александру Михайловичу Балдину, чье имя носит наша лаборатория. Он был инициатором создания «Нуклотрона», который функционирует с 1993-го и который сейчас — в основе NICA.

А вообще, к началу нашего века идея изучать плотную барионную материю витала в воздухе. В состав ученого совета Объединенного института ядерных исследований входит много ученых со всего мира — в обсуждениях с ними она обрела конкретные черты. И рождение проекта происходило благодаря дискуссиям на ученом совете института, директором которого тогда был Алексей Норайрович Сисакян. Он понимал, что нам нужен именно такой флагманский проект, и сделал все возможное, чтобы инициировать его реализацию.

— Интересно, почему именно физика высоких энергий с самого начала была площадкой для активного международного общения? Даже в 1950-е, в разгар Холодной войны, наши физики ездили в национальные исследовательские лаборатории США…

— Потому что иначе она бы не развивалась. Если вы замкнетесь в рамках одной страны, проект не получится. У вас не хватит ни образования во всех требуемых направлениях, ни технологий, ни знаний, ни ресурсов. Чтобы сделать что-то стоящее, у вас должен быть большой набор различных методов и технологий, широкий спектр образованных специалистов и даже разнообразие менталитета участников проекта. Сегодня нет страны, которая могла бы сказать, что обладает, предположим, 90 процентами технологий в данной сфере. Не случайно, что ОИЯИ, созданный в 1956 году, с самого начала был задуман как международная организация. Изначально в состав института вошли 12 стран-участниц.

— Непонятно, почему в составе нет Китая.

— Изначально он был, но в 1965 году из-за политических разногласий китайское правительство в течение нескольких дней отозвало всех своих сотрудников на родину. С тех пор КНР не входит в состав ОИЯИ. Сегодня в его составе 18 стран и 6 ассоциированных членов. Кстати, еще в 1950-е устав нашего института был зарегистрирован в ООН и хранится в ее Секретариате. В том числе это и помогло нам отстоять статус института в сложные 90-е годы.

— Тогда физика высоких энергий как наука недешевая пострадала особенно сильно. Строительство в Протвино коллайдера УНК пришлось остановить…

—Да, и я считаю это ошибкой. По масштабам он был близок к современному Большому адронному коллайдеру. Туда было вложено очень много ресурсов, метростроевцы полностью построили 20-километровый туннель, были разработаны уникальные криогенные технологии и множество другого.

— Немало российских специалистов из Протвино затем поехали работать в ЦЕРН.

—Да, так и было. Но здесь мы опять же возвращаемся к вопросу международного сотрудничества в науке. Национальные проекты такого масштаба закрывались не только у нас. Примерно в то же время остановили строительство еще более масштабного коллайдера SSC в Техасе. В 1992 году как раз в Техасе проходила Рочестерская конференция. Я помню, как техасский таксист с гордостью рассказывал мне, что у них строится огромный сверхпроводящий суперколлайдер, который перевернет всю мировую науку. Но когда в проект уже вложили несколько миллиардов долларов, его вдруг закрыли из-за разногласий между организациями разного уровня. Это, конечно, оказало большое негативное влияние на всю физику высоких энергий. В этом отношении ЦЕРН более устойчив, так как в его составе более двух десятков стран, и даже если одна из них решит проект покинуть, он все равно будет реализован.

Криптон, и не только


С 2007-го директор Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ

Фото: Евгений Гурко, Коммерсантъ

— Вы пришли в науку в то тяжелое время. Не было желания уехать из страны в 1990-е?

— Нет, так получилось, что в те годы мы вели очень интересный проект в Протвино: на нескольких установках изучали рождение очарованных частиц (кварков с более тяжелой массой.— «О») и искали новые кварковые резонансы.

Кроме того, именно в 90-е годы у нас началось сотрудничество с ЦЕРНом в эксперименте NA-48, где как раз уже с нашим участием было открыто прямое СР-нарушение, о котором я говорил, объясняя разницу между веществом и антивеществом. Разумеется, участие в таком престижном эксперименте — предмет гордости для любого коллектива. Однако попасть туда было непросто. Когда я познакомился с лидерами этого проекта, то нам предложили войти в состав участников эксперимента при условии, что мы поможем создать жидкокриптоновый калориметр. Это уникальный прибор, без которого не было бы открытия. Его основа — гигантский криостат (цистерна), наполненный жидким криптоном. Этот прибор был необходим для регистрации гамма-квантов от распадов нейтральных пионов.

— Боюсь, что многие сегодня знают Криптон только как родную планету Супермена из комиксов DC…

— Это химический элемент с атомным номером 36. Сложность в том, что для эксперимента нужно было найти 23 тонны чистого криптона, а этот объем сравним с объемом мирового производства. Криптон был побочным продуктом сталелитейного производства и применялся в основном для выпуска лампочек. Для наших же целей требовался криптон тщательной очистки. Мы обратились в Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники Минатома, где владели технологиями очистки газов, с просьбой помочь организовать такое производство. Финансировала завод (а речь шла о миллионах долларов) голландская компания. В итоге в закрытом городе недалеко от Екатеринбурга был запущен завод по очистке сжиженного криптона, качество которого превысило требования эксперимента. Полученный газ мы заправляли в баллоны и на грузовиках везли прямо в Женеву.

Затем на грант Международного научно-технического центра, который финансировал конверсионные программы в СНГ, мы сделали на лучшем космическом предприятии России — НПЦ им. Хруничева — очень хороший криостат из алюминия. И так получили входной билет в проект NA-48, который сегодня в пятерке самых успешных экспериментов ЦЕРНа. Молодых ученых из Дубны, которые в нем участвовали, тут же стали приглашать работать по всему миру. Это стало для них отличным стартом. Кстати, сегодня под наш проект в Дубну тоже приезжает много молодежи: каждый год мы берем на практику примерно 40–50 студентов и конкурс весьма напряженный. В прошлом году было много ребят из Польши, недавно подписали контракт с пятью мексиканскими университетами.

— Можно ли говорить, что в физике высоких энергий сохранилась российская школа?

— Мне трудно ответить на этот вопрос. Развитие российской физики высоких энергий, по большому счету, закончилось, когда закрылся проект УНК в Протвино. С тех пор интересные работы были, но масштаб их не дотягивал до мирового. Поэтому мы с такой надеждой ждем реализации не только проекта NICA, но и других российских мегапроектов. Например, создания синхротрона «СКИФ» в Новосибирске. Дело в том, что большие научные проекты формируют высокопрофессиональную научную среду — большие коллективы ученых, инженеров, специалистов, а если у страны нет своих базовых проектов и мы работаем только на выездных экспериментах, говорить о возрождении науки преждевременно…

«Огонек» в рамках совместного медиапроекта со Сколковским институтом науки и технологий продолжает публикацию цикла интервью с ведущими отечественными физиками. В № 37 за 2018 год была опубликована беседа с Владимиром Захаровым; в № 39 за 2018 год — с Ильдаром Габитовым; в № 45 за 2018 год — с Валерием Рубаковым; в № 2 за 2019 год — с Альбертом Насибулиным, в № 11 за 2019 год — с Алексеем Старобинским, в № 20 — со Львом Зелёным, в № 23 — с Михаилом Фейгельманом, в № 30 — с Александром Белавиным, в № 38 — с Валерием Рязановым в № 47—Юрием Оганесяном, в № 2 за 2020 год — с Алексеи Китаевым, в №11 за 2020 год с — Владимиром Драчевым, с Александром Замолодчиковвым в № 18, со Львом Иоффе в № 24, с Фазоилом Атауллахановым в № 27, с Геннадием Борисовым в №30.

Для чего России большой адронный коллайдер?

Строительство коллайдера началось в 2001 г. и обошлось примерно в 6 млрд долл. Россия финансировала как изготовление всех четырех детекторов — установок для исследований ядерных взаимодействий при сверхвысоких энергиях, так и сооружение самого ускорителя.

Если говорить о детекторах, то российская доля в них составляет около  5% от общего финансирования, в ускорителях — примерно 3%.

В общей сложности на российские предприятия поступило заказов от ЦЕРНа на 120 млн долл. В работах участвовали многие институты Российской академии наук, Росатома, Московский и Санкт-Петербургский  университеты, а также Федеральные ядерные центры, в частности Саров и Снежинск.

Как отметил один из первых руководителей ЦЕРНа Роже Кашмор, «мы не смогли бы сделать БАК без российских ученых». В то же время участие в проекте благотворно повлияло на российскую промышленность. Он сильно поддержал многие наши предприятия.

10 номинаций или наград дал ЦЕРН российским предприятиям за своевременное и качественное выполнении работ для БАКа.

Всего в проекте участвуют порядка 700 российских ученых. Сегодня  в Швейцарии одновременно находится в командировке около 200 физиков и других специалистов из России.

По мнению ученых коллайдер позволит в деталях изучить, каков мир вокруг нас.

В начале ХХ века в физике появились две основополагающие теории мироустройства. Общая теория относительности Альберта Эйнштейна, которая описывает Вселенную на макроуровне, и квантовая теория поля — на микроуровне. Проблема в том, что эти теории по ряду позиций несовместимы друг с другом. Например, для адекватного описания происходящего в так называемых черных дырах нужны обе теории, а они вступают здесь в противоречие.

В последней трети ХХ века физикам удалось разработать некую Стандартную модель, которая объединила три из четырех фундаментальных взаимодействий — сильное, слабое и электромагнитное. Однако добавить в нее гравитационное взаимодействие оказалось чрезвычайно трудно.

Один из главных секретов, которые наука надеется раскрыть, — почему элементарные частицы имеют массу. Это ключевой вопрос мироздания, и он, возможно, будет разгадан, если БАК «поймает» так  называемый бозон Хиггса (или «Хиггс»), предсказанный английским физиком Питером Хиггсом в 1960 г. В рамках существующих представлений, эта частица отвечает за массу элементарных частиц. Для обнаружения ее следов предназначены два самых больших детектора БАК — CMS и ATLAS.

Как считают ученые, вся Вселенная заполнена так называемым полем Хиггса. И любая частица, которая движется в этом поле, взаимодействуя с ним, приобретает массу.  В какой-то степени Хиггсовский бозон — «побочный» продукт идеи приобретения масс электрослабыми калибровочными бозонами в результате спонтанного нарушения симметрии хиггсовского поля.

Изучая бозон Хиггса, ученые могут узнать и первоначальные свойства данного поля, во многом определившего  черты нашего мира. Возможно, это натолкнет физиков на новую теорию Вселенной — более глубокую, чем Стандартная модель.

Еще  одним из научных достижений исследований на БАКе может стать доказательство или опровержение «суперсимметрии» — теории, гласящей, что любая субатомная частица имеет более тяжелого партнера, или «суперчастицу». Нынешний директор ЦЕРНа Роберт Аймар считает, что коллайдер должен помочь ученым найти «нейтралино» — одну из гипотетических частиц, предсказанных теорией суперсимметрии.

Некоторые специалисты полагают, что техника сооружения сверхмощных ускорителей  сегодня «подошла к своему пределу». Тем не менее, по мнению  российских физиков, следующим и еще более крупным ускорителем должен стать Международный линейный  коллайдер ILC. На его размещение претендует Объединенный институт ядерных исследований в Дубне (Россия).

В ILC будут сталкиваться легкие частицы — электроны и позитроны. В итоге могут появиться предсказанные теорией суперсимметричные частицы. Возможно, это позволит раскрыть не менее заманчивую тайну — природу темной материи и темной энергии. На их долю приходится 96% материи  Вселенной, в то время как на ее видимую часть (звезды, планеты) — только 4%.

Именно такие крупные проекты как LHC и ILC являются тем локомотивом, который тянет за собой науку и промышленность. Примеры тому — атомный и космический проекты. Они дали толчок многим научным направлениям и отраслям промышленности.

Тот же Большой адронный коллайдер стимулировал прорывы во многих строительных,  материаловедческих и информационных технологиях.  Приборы, которыми оснащен БАК, потребовали такой точности изготовления, что их создание было бы невозможным без применения новых прогрессивных технологий.

Мнение автора может не совпадать с позицией редакции

как работает, опасность, результаты работы и факты

Большой адронный коллайдер (или БАК)  — на данный момент самый большой и мощный ускоритель частиц в мире. Эта махина была запущена в 2008 году, но долго работала на пониженных мощностях. Разберемся, что это такое и зачем нужен большой адронный коллайдер.

История, мифы и факты

Идея создания коллайдера была озвучена в 1984 году. А сам проект на строительство коллайдера был одобрен и принят аж в 1995 году. Разработка принадлежит Европейскому центру ядерных исследований (CERN). Вообще запуск коллайдера привлек к себе большое внимание не только ученых, но и простых людей со всего мира. Говорили о всевозможных  страхах и ужасах, связанных с запуском коллайдера.

Впрочем, кто-то и сейчас, вполне возможно, ждет апокалипсиса, связанного с работой БАК и тресется от одной мысли о том, что будет, если ч взорвется большой адронный коллайдер. Хотя, в первую очередь все боялись черной дыры, которая, сначала будучи микроскопической, разрастется и благополучно поглотит сначала сам коллайдер, а за ним Швейцарию и весь остальной мир. Также большую панику вызывала аннигиляционная катастрофа. Группа ученых даже подала в суд, пытаясь остановить строительство. В заявлении говорилось, что сгустки антиматерии, которые могут быть получены в коллайдере, начнут аннигилировать с материей, начнется цепная реакция и вся Вселенная будет уничтожена. Как говорил известный персонаж из «Назад в Будущее»:

Вся Вселенная, конечно, в  самом худшем случае. В лучшем – только наша галактика. Доктор Эмет Браун.

Коллайдер уничтожает землю

А теперь попытаемся понять, почему он адронный? Дело в том, что он работает с адронами, точнее разгоняет, ускоряет и сталкивает адроны.

Адроны – класс элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию. Адроны состоят из кварков.

Адроны делятся на барионы и мезоны. Чтобы было проще, скажем, что из барионов состоит почти все известное нам вещество. Упростим еще больше и скажем, что  барионы — это нуклоны (протоны и нейтроны, составляющие атомное ядро).

Столкновение частиц

Как работает большой адронный коллайдер

Масштаб очень впечатляет. Коллайдер представляет собой кольцевой туннель, залегающий под землей на глубине ста метров. Длина большого адронного коллайдера составялет 26 659 метров.   Протоны, разогнанные до скоростей близких к скорости света, пролетают в подземном круге по территории Франции и Швейцарии. Если говорить точно, то глубина залегания туннеля лежит в пределах от 50 до 175 метров. Для фокусировки и удержания пучков  летящих протонов используются сверхпроводящие магниты, их общая длина составляет около 22 километров, а работают они при температуре -271 градусов по Цельсию.

Детектор на БАК

В составе коллайдера 4 гигантских детектора:  ATLAS, CMS, ALICE и LHCb. Помимо основных больших детекторов, есть еще и вспомогательные. Детекторы предназначены для фиксации результатов столкновений частиц. То есть после того, как на околосветовых скоростях сталкиваются два протона, никто не знает чего ожидать. Чтобы «увидеть», что получилось, куда отскочило и как далеко улетело, и существуют детекторы, напичканные всевозможными датчиками.

Большой адронный коллайдер. Фото расположения

Результаты работы большого адронного коллайдера.

Зачем нужен коллайдер? Ну уж точно не для того, чтобы уничтожить Землю. Казалось бы, какой смысл сталкивать частицы? Дело в том, что вопросов без ответов в современной физике очень много, и изучение мира с помощью разогнанных частиц может в буквальном смысле открыть новый пласт реальности, понять устройство мира, а может быть даже ответить на главный вопрос «смысла жизни, Вселенной и вообще».

Какие открытия уже совершили на БАК? Самое знаменитое – это открытие бозона Хиггса (ему мы посвятим отдельную статью). Помимо того были открыты 5 новых частиц, получены первые данные столкновений на рекордных энергиях, показано отсутствие асимметрии протонов и антипротонов, обнаружены необычные корреляции протонов. Список можно продолжать долго. А вот микроскопических черных дыр, которые наводили страх на домохозяек, обнаружить не удалось.

Большой адронный коллайдер

И это при том, что коллайдер еще не разогнали до его максимальной мощности. Сейчас максимальная энергия большого адронного коллайдера – 13 ТэВ (тера электрон-Вольт). Однако, после соответствующей подготовки протоны планируют разогнать до 14 ТэВ. Для сравнения, в ускорителях- предшественниках БАК максимально полученные энергии не превышали 1 ТэВ. Так разгонять частицы мог американский ускоритель Тэватрон из штата Иллинойс. Энергия, достигнутая в коллайдере — далеко не самая Большая в мире. Так, энергия космических лучей, зафиксированных на Земле, превышает энергию частицы, разогнанной в коллайдере в миллиард раз! Так что, опасность большого адронного коллайдера минимальна. Вполне вероятно, что после того, как все ответы будут получены с помощью БАК, человечеству придется строить еще один коллайдер по-мощнее.

Друзья, любите науку, и она обязательно полюбит Вас! А помочь Вам полюбить науку легко смогут наши авторы. Обращайтесь за помощью, и пусть учеба приносит радость!

 

Большой адронный коллайдер маловат — физики ЦЕРНа хотят побольше. Но что он даст?

  • Михаил Смотряев
  • Би-би-си

Автор фото, Cern

Подпись к фото,

Так может выглядеть новый ускоритель

Европейской организации по ядерным исследованиям (более известной как ЦЕРН) не хватает мощности Большого адронного коллайдера (БАК). Ученые хотят новый — в четыре раза больше.

Организация обнародовала свои планы по строительству нового ускорителя под рабочим названием «Будущий циклический коллайдер» (Future Circular Collider).

Предполагается, что он будет построен к 2050 году, будет почти вчетверо больше и в 10 раз мощнее БАК, но главное — его заявленная на этом этапе стоимость превышает 20 млрд евро.

Генеральный директор ЦЕРНа профессор Фабиола Джианотти назвала проект значительным достижением. По ее словам, у нового коллайдера есть огромный потенциал улучшить наше понимание фундаментальной физики и придать толчок многим технологиям. Все это должно благотворно сказаться на жизни общества в целом, полагает она.

Критики, в свою очередь, настаивают на том, что столь внушительную сумму можно потратить на другие проекты — например, на изучение различных аспектов изменений климата.

Планов громадье

Пока планы ЦЕРНа существуют в концептуальной форме.

Предполагается, что под уже существующим 20-километровым туннелем будет вырыт новый, в итоге достигающий длины в 100 км, в котором и разместится новый ускоритель.

Проект строительства нового коллайдера, наряду с другими планами физиков-теоретиков, будет рассмотрен международной комиссией экспертов. Они должны выработать новую стратегию изучения физики частиц к 2020 году.

Один из этих экспертов, профессор Университетского колледжа Лондона Джон Баттерворт сказал Би-би-си, что амбициозная программа строительства нового коллайдера ему особенно нравится — хотя он готов рассматривать и другие предложения.

Если расчеты ученых верны, то будущий ускоритель позволит разгонять частицы до более высоких скоростей. Как следствие энергия, выделяющаяся при их столкновении, будет почти на порядок выше, чем достигается сегодня в Большом адронном коллайдере.

Физики надеются, что таким образом смогут докопаться до новых, по-настоящему элементарных частиц, которые и движут нашей Вселенной.

Трудности стандартизации

Так называемая Стандартная модель — нынешняя теория взаимодействия субатомных частиц, над созданием и усовершенствованием которой физики трудились большую часть прошлого столетия, — объединяет 17 частиц, последняя из которых, бозон Хиггса, была обнаружена в 2012 году на БАКе (хотя теоретически ее существование было предсказано задолго до этого).

Автор фото, Cern

Подпись к фото,

Инженеры ЦЕРНа уже конструируют и тестируют новые компоненты, способные работать на более высоких энергиях

Стандартная модель непротиворечиво описывает многие происходящие в мире процессы, однако оказалась не в состоянии объяснить природу гравитации.

Более того, достижения астрофизики последних лет поставили новые вопросы.

Оказалось, что галактики вращаются быстрее, чем предсказывает Стандартная модель, а Вселенная, по-видимому, расширяется со все большей скоростью — хотя в теории должно быть наоборот.

Для объяснения этих феноменов были привлечены новые понятия: «темная материя» и «темная энергия», однако что это такое, точно никто не знает.

Современная физика покоится на двух столпах: общая теория относительности и квантовая механика. Первая хорошо объясняет события в макромире, вторая — в мире 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.

Однако никто в ЦЕРНе не знает, какого порядка энергии для этого нужны, и сможет ли новый коллайдер разгонять протоны до такой скорости, чтобы их столкновение производило на свет «истинно элементарные» частицы.

Авторы проекта полагают, что предложенная ими схема последовательных столкновений — сначала электрон-позитронных пар, а затем электронов и протонов, — даст возможность по косвенным признакам предсказать уровень энергии, необходимый для обнаружения новых «суперчастиц».

Проблема в том, что нечто похожее ожидали и от Большого адронного коллайдера — возможно, благодаря окружавшей его работу шумихе в СМИ. Однако за рамки Стандартной модели эксперименты на БАКе выйти не смогли.

Что нужнее человечеству?

У непосвященных может сложиться впечатление, что физики просят себе новую и очень дорогую игрушку для удовлетворения своего любопытства, бесконечного, как и Вселенная, которую они пытаются разложить на формулы.

Например, бывший главный научный советник правительства Великобритании профессор сэр Дэвид Кинг полагает, что настало время переосмыслить соотношение «цена-качество» в экспериментальной физике частиц, особенно, когда никто из ученых не может гарантировать, что новый ускоритель за 22 млрд евро сможет обнаружить новые частицы.

Автор фото, Cern

Подпись к фото,

В ЦЕРНе разрабатывают новые магниты, способные удержать пучки высокоэнергичных частиц на круговой траектории

«Надо где-то провести черту, иначе мы построим коллайдер по экватору. А если этого будет недостаточно, физики попросят другой, достающий до Луны», — сказал Кинг в интервью Би-би-си.

Профессор Кинг (и не он один) полагает, что у человечества сегодня есть более насущные заботы, в частности, климатические изменения, и 20 миллиардов фунтов не помешали бы в исследовании его последствий и механизмов борьбы с глобальным потеплением.

Далеко не лишними эти деньги оказались бы и в медицинских исследованиях.

Тогда и у скептиков было бы меньше оснований задавать вопрос: «Что ваши исследования сделали для блага человечества?»

Собственно, и среди физиков-теоретиков нет единого мнения по вопросу о необходимости нового ускорителя.

Например, Сабина Хоссенфельдер из Франкфуртского института перспективных исследований считает, что на эти деньги можно было бы построить крупный радиотелескоп на Луне или детектор гравитационных волн на Земле.

Бозоника на смену электронике?

Доктор Фредерик Бордри, директор ЦЕРНа по ускорителям и технологиям, полагает, что требуемая для проекта сумма, поделенная между несколькими странами, да еще на временном отрезке в 20-30 лет — вполне разумная цена для столь передового проекта.

«Когда меня спрашивают, что даст людям бозон Хиггса, я отвечаю: «бозонику», — говорит он. — 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».

Вполне вероятно, что результаты экспериментов в новом ускорителе тоже окажутся столь же полезны человечеству. Мы просто еще не знаем, как и, главное, когда.

оправдал ли Большой адронный коллайдер 10 лет работы :: Мнение :: РБК

Долго запрягавшие затем поехали очень быстро. Уже летом 2012-го физики БАК объявили об открытии, ради которого все и было затеяно. Им удалось зарегистрировать бозон Хиггса — частицу, которая завершает картину мира современной науки. Это понимание не на уровне атомов и молекул, а куда более фундаментальное и потому столь важное. Вся материя во Вселенной — и мы сами, и далекие звезды — состоит из элементарных частиц. Два типа — кварки и лептоны — представляют собой вещество. Еще три типа — глюоны, фотоны и бозоны — являются переносчиками взаимодействий, которые и держат частицы вместе, обеспечивая все многообразие материального мира. Все эти частицы были не только предсказаны теоретически, но и открыты экспериментально до конца ХХ века. Кроме бозона Хиггса. Он занимает некое промежуточное положение — собственно, механизм Хиггса, предложенный Питером Хиггсом и Франсуа Энглером, объясняет, откуда у частиц берется масса. Если бы это объяснение оказалось неверным, то и всей стройной системе мира — Стандартной модели — грош цена. Вот почему бозон Хиггса так искали, а когда нашли, уже через год дали за это Нобелевскую премию. С точки зрения фундаментальной науки это настолько крупное открытие, что многие из читающих этот текст могут и не застать за время своей жизни ничего близкого по масштабу.

Но «закрывать» физику еще рано. Парадоксальным образом открытие бозона Хиггса сделало поиск «теории всего» для физиков еще более увлекательным и загадочным. И масла в этот огонь подлило второе открытие последних лет, которое может приблизиться по важности к бозону Хиггса — наблюдение гравитационных волн. На самом деле они очень похожи. Оба были теоретически предсказаны, но нуждались в экспериментальном подтверждении. И в обоих случаях многие ученые в глубине души надеялись, что эксперимент не подтвердит теорию. Дело в том, что Стандартная модель описывает частицы — переносчиков всех взаимодействий, кроме гравитационного. Все эти частицы уже найдены и экспериментально, вопросов к ним нет. «Другой» Хиггс, таким образом, мог бы подсказать, в какую сторону копать в поисках гипотетического гравитона. «Другие» гравитационные волны могли бы дать подсказку о квантовой гравитации. Но этого не произошло, оба эксперимента в точности подтвердили теорию, а физикам, в том числе и на БАК, придется искать объяснение природы гравитации с чистого листа. С какой-то точки зрения это делает задачу более интересной и совершенно точно обеспечивает коллайдер работой на следующий десяток лет.

Читайте на РБК Pro

И все же вопрос, зачем это нужно людям, возникает снова и снова. Пожалуй, громче всех этот вопрос задал знаменитый американский журналист Чарли Росс еще в 2012 году. В Женеве проходила церемония вручения крупной награды — премии по фундаментальной физике, учрежденной российским бизнесменом и физиком по образованию Юрием Мильнером. Чарли Росс передал физикам вопрос «американских налогоплательщиков»: а зачем нам фундаментальная наука сейчас, когда кризис, нет денег на медицину и так далее? Отвечать на него пришлось единственной на сцене женщине — руководителю эксперимента ATLAS Фабиоле Джанотти. Она сказала, что наука — залог сохранения человека как вида, потому что способность мыслить — это единственное, что отличает нас от животных. Отметив при этом, что фундаментальная наука, конечно, приносит и практическую пользу.

Синьора Джанотти тогда заметно волновалась в американском прямом эфире, но волновалась зря. Ее ответ настолько устроил всех слушателей, что за обложкой журнала TIME последовало ее избрание генеральным директором CERN. Конечно, она стала первой в истории женщиной на этом посту.

Фундаментальная польза

Оснований не доверять госпоже директору, действительно, нет. Решение любой фундаментальной задачи требует острых технических решений, практическое применение которых — лишь вопрос времени и фантазии тех, кто может заработать на этом денег. В начале 1990-х именно в CERN заработал первый сайт Всемирной паутины. Исключительно для задач физики — ученым, работавшим вместе из разных стран, нужна была удобная и оперативная форма обмена информацией на расстоянии. Распределенные вычисления и облачное хранение информации тоже были применены CERN одними из первых и тоже исключительно для преодоления непреодолимых препятствий в науке. Дело в том, что количество данных, которые получаются на БАК, так огромно, что в одиночку с ним не справляется даже огромный дата-центр CERN. Для этого используется память и вычислительные ресурсы в странах — участницах СERN (и в России). А если вы щедрый владелец относительно мощного компьютера, то тоже можете помочь вычислениям.

Полезным может оказаться и умение строить ускорители. Большая часть таких приборов — а их на Земле сейчас более 30 тыс. — применяются отнюдь не в фундаментальной науке. Компактные и маломощные по сравнению с БАК ускорители нужны в медицине и промышленности. С их помощью получают промышленные мембраны и обрабатывают материалы. На ускорителях синтезируют короткоживущие радиоактивные вещества — изотопы, которые используются в медицинских целях как для терапии, так и для диагностики. В медицине используется даже антивещество, так страшно описанное у Дэна Брауна в «Ангелах и демонах». Позитронно-эмиссионная томография выполняется с помощью позитронов — антиэлектронов.

В практическую плоскость выходит и умение наблюдать элементарные частицы. По потоку нейтрино от атомных электростанций можно детально отслеживать состояние ядерного топлива. Это позволяет расходовать его более экономно, не меняя все еще годные стержни, а также избежать нештатной ситуации, заметив ее заранее. Получается, что нейтрино, ежесекундно проходящие сквозь нас безо всякого эффекта, могут выполнять томограмму ядерному реактору.

Процесс трансфера технологий из науки в промышленность не прекращается: любое сделанное в CERN усовершенствование может найти применение либо в уже существующем продукте, снизив его стоимость, либо в новом. Для распространения информации научные мегапроекты даже обсуждают на специальных конференциях вместе с коллегами из бизнес-сообщества.

Конечно, не все физики в CERN рассказывают о далеко идущих и неочевидных применениях результатов их работы. Не всех вообще интересует что-то за пределами фундаментальной физики. И, похоже, они могут себе это позволить.

Коллайдер NICA: достать до нейтронных звезд

Портал «Научная Россия» опубликовал 7 января интервью директора Лаборатории физики высоких энергий им. В.И. Векслера и А.М. Балдина Владимира Кекелидзе, состоявшееся в ноябре прошлого года.

В Московской области продолжается строительство коллайдера тяжелых ионов NICA, где будут изучать кваркглюонную материю — состояние вещества, которое находится в недрах нейтронных звезд. Ученые Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне уже получили из Италии ключевой элемент исследовательской установки MPD (Multi-Purpose Detector) строящегося ускорительного комплекса — катушку сверхпроводящего соленоидального магнита.

Об уникальной логистической операции и о том, зачем мировой науке нужен проект NICA, нам рассказал член-корреспондент РАН Владимир Димитриевич Кекелидзе, и.о. вице-директора ОИЯИ по мегасайенс проекту NICA, директор Лаборатории физики высоких энергий им. В.И. Векслера и А.М. Балдина.

Фото © Научная Россия

C В.Д. Кекелидзе мы встретились в сердце синхрофазотрона — внутри ярма знаменитого ускорителя, запущенного еще в 1957 г. Тогда это был самый высокоэнергичный протонный ускоритель в мире: человечество впервые перешагнуло рубеж по энергии в 10 ГэВ. Создателем советского ускорителя, попавшего в Книгу рекордов Гиннесса за самый тяжелый в мире электромагнит, был известный физик-экспериментатор В.И. Векслер. Сегодня нутро бывшего синхрофазотрона служит туннелем для бустера (промежуточного синхротрона тяжелых ионов) будущего коллайдера NICA. Из-за своего веса — 36 тыс. тонн — он выполняет также роль якоря, стабилизирующего фундамент всего здания.

Владимир Димитриевич, в Дубне состоялось уникальное событие: из Италии привезен главный элемент детектора будущего коллайдера NICA — сверхпроводящая катушка магнита. Сложно ли было организовать логистику операции доставки?

Сам по себе магнит такого размера — уже исключительное инженерное сооружение. Причем мы должны не просто получить катушку с большим объемом магнитного поля, внутри которого будут располагаться детектирующие элементы, но нам необходимо будет создать поле очень высокой однородности; это позволит восстанавливать с высокой точностью процессы, которые мы будем изучать входе столкновения ионов на пучках коллайдера.

Ярмо самого магнита уже в нашем институте, это железо весом около 700 т. Катушка, создающая поле, проектировалась в России («Нева-Магнит»), но собиралась в Италии на известном предприятии ASG Superconductors. Компания уже имела опыт изготовления похожих катушек, в частности для одного из детекторов Большого адронного коллайдера (БАК), поэтому мы выбрали именно эту фирму.

Процесс изготовления занял около пяти лет. Почему так долго? Потому что прежде чем создать магнит такого размера, обеспечивающий магнитное поле высокой однородности, причем из уникальных материалов, надо было спроектировать и сделать набор инструментов, с помощью которого изготавливаются основная и корректирующие катушки, криостат (вакуумный сосуд) и многие другие элементы магнита. Кстати, этот набор инструментов — намоточная машина, механическая оснастка, внушительных размеров печь для запекания обмотки — имеет гораздо большие размеры, чем сама катушка.

Несколько лет ушло на разработку и создание этого набора инструментов, с помощью которого надо было протестировать сверхпроводящий кабель для катушки, поскольку она работает при температуре, близкой к нулю по абсолютной шкале Кельвина, намотать основную и корректирующие катушки. Далее необходимо было изготовить криостат и поместить в него основную катушку — и это тоже очень непростая инженерная задача, — затем все собрать, обеспечить вакуум в криостате и испытать.

И, наконец, сегодня криостат со сверхпроводящей катушкой внутри прибыл к нам в Дубну! Крайне сложная логистическая операция завершилась успешно. Вся процедура доставки заняла чуть больше месяца, но волнений было очень много.

Доставка была возможна только по воде?

Да, из-за размера и веса криостата с катушкой. По пути из Генуи в Дубну груз побывал в красивейших местах России: в порту Санкт-Петербурга, на Ладожском, Онежском, Белом озерах и реке Волге.

Саркофаг с нашим инженерным сооружением внутри был погружен на корабль в Генуе 25 сентября. Ровно через месяц он прибыл в порт Северной столицы, где был разгружен и растаможен, а оттуда его перегрузили на баржу с буксиром и отправили к нам в Дубну.

5 ноября мы, собравшиеся у порта местные жители и журналисты стали свидетелями того, как долгожданная «посылка» перегружается с баржи на автомобильную платформу. Для этого был задействован самый мощный мобильный портовый кран в мире — Liebherr LHM 800. Затем автомобильная платформа должна была преодолеть последнюю дистанцию, перед тем как попасть к месту назначения. — дорогу от порта Дубны до нашего института, около 3 км. Машина прошла этот путь за несколько часов. Из-за больших габаритов груза (высота — 7.6 м) в городе на это время даже пришлось отключить электричество: в двух местах нужно было проехать под высоковольтными линиями. Потребовалось их обесточить, согласно технике безопасности, заземлить и слегка приподнять, чтобы груз смог пройти.

Задача по перевозке криостата с катушкой из Италии усложнялась тем, что навигация обычно заканчивается в середине или в конце ноября. Поэтому мы переживали, успеем или нет, ведь кроме того что груз нужно доставить в Россию, еще необходимо успеть его растаможить в порту Санкт-Петербурга. К счастью, благодаря серьезной подготовительной работе наших служб и согласованным действиям с таможней груз удалось провести через таможню в установленный срок.

Коллайдер NICA (Nuclotron based Ion Collider fAcility)

Коллайдер NICA — новый ускорительный комплекс, который создается на базе ОИЯИ для изучения свойств плотной барионной материи.

Ожидается, что ученые смогут воссоздать в лабораторных условиях особое состояние вещества — кварк-глюонную плазму, которое существует в недрах нейтронных звезд. С помощью коллайдера NICA физики надеются получить новые знания о строении ядерной материи (одна из целей — поиск критической точки на фазовой диаграмме ядерной материи) и решить ряд фундаментальных и прикладных задач. В реализации международного проекта участвуют более 20 стран мира. Ввод всего комплекса в эксплуатацию намечен на 2023 г.

В лабораторных условиях ученые смогут наблюдать, как бесконечно малые частицы — кварки — начнут группироваться и образовывать обычное ядерное вещество. Подобный процесс происходил при несколько других условиях во время рождения Вселенной.

Правда ли, что NIСА будет работать с такими энергиями и состояниями вещества, которые недостижимы на других установках, например на том же БАК?

Вы правы. Каждая установка, коллайдер или просто ускоритель, детектор, нацелена на определенный круг задач. Задача БАК — приблизиться к максимально достижимым энергиям, которые вообще возможны на данном этапе технологического развития. Достигнутые энергии позволили открыть бозон Хиггса, ведь проект изначально и был на это ориентирован.

В нашем же случае задача — достичь максимальной возможной в лабораторных условиях и вообще во Вселенной плотности ядерной материи. Такое ядерное состояние вещества ожидается в недрах нейтронных звезд, там, где очень большая гравитация и где обычные ядра переходят не просто в свои составляющие — протоны и нейтроны, а где последние, сжимаясь, превращаются в «кашу» из кварков и глюонов.

Вот такую «кашу» из кварков и глюонов мы и будем создавать, но только не путем гравитационного сжатия, как в нейтронных звездах, а путем столкновения тяжелых ядер, например двух ионов золота, при вполне определенной энергии. Причем если энергия будет ниже оптимальной — около 10 ГэВ на каждый нуклон иона, — то не удастся разрушить ядро и нуклоны, а если, напротив, выше, то не удастся создать большую ядерную плотность. Поскольку мы нацелены на исследование ядерной материи максимальной плотности, нам нужны вполне определенные энергии и определенные ядра, которые мы будем сталкивать.

Хочу, кстати, отметить огромный вклад ученых и инженеров Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, без поддержки которых мы вряд ли решились бы на реализацию столь амбициозного проекта, как NICA.

Что представляет собой ядерная материя, о которой вы упомянули?

Ядерная материя — достаточно широкое определение. В нашем случае это барионная материя. Абарионы, барионная материя — это все, что нас окружает, из чего состоите вы, я и весь окружающий нас мир, потому что барион — это протон или нейтрон, а все ядра состоят из протонов и нейтронов. Так что материя — это в основном барионы, а антиматерия — антибарионы. Накопить максимальное количество барионов в единице объема и есть наша задача, то есть загнать в микроскопический объем максимальное количество ядер.

Таким образом, вы получите состояния, схожие с теми, что существуют в недрах нейтронных звезд? А ведь предполагают, что внутри нейтронных звезд как раз н находятся кварки, а сверху — оболочка из нейтронов.

Все верно. Ожидается, что внутри нейтронных звезд будет «каша», или «суп», из кварков и глюонов. И вот на какое-то мгновение в микроскопическом объеме мы надеемся получить с помощью коллайдера NICA то же самое состояние материи, а потом постараться понять, как она переходит из одной фазы в другую (из привычной нам фазы исходных ядер, сталкивающихся в коллайдере в кварк-глюонную материю) и, остывая, возвращается в начальную фазу, формируя уже новые частицы и ядра.

Тогда я не могу не задать, наверное, самый популярный вопрос: а не создадим ли мы тем самым нейтронную звезду «в пробирке»? Помню, когда строился БАК, многие неспециалисты всерьез опасались, что там случайно родится черная дыра и всех нас погубит. Насколько правдоподобны такие сценарии?

Никаких глобальных угроз в ускорительных экспериментах нет. Здесь, как и в любых технически сложных установках, есть риски механических повреждений плюс опасность облучения: например, если кто-то попадет под пучок заряженных частиц. Кстати, такие случаи в мировой практике бывали.

В отличие от реакторов, где сложно управлять ядерным процессом, в ускорителях заряженных частиц все устроено проще: вы выключили рубильник, отключили электричество — и у вас больше нет ни радиации, ни пучков элементарных частиц. Поэтому коллайдер — весьма безопасный прибор, но обращаться с ним нужно очень осторожно, как и с любым сложным инструментом.

Что же касается опасных природных явлений, которые якобы могут быть воспроизведены путем таких экспериментов, то это, конечно, полная глупость. Никакой угрозы эти опыты не несут, потому что все, что там происходит, это настолько микроскопические масштабы, что вы их даже не сможете увидеть ни под каким оптическим микроскопом.

Кстати, сам по себе детектор нашего коллайдера, MPD, и есть весьма сложный микроскоп, создаваемый для того, чтобы увидеть, распознать то, что происходит в масштабах порядка Ферми или нескольких Ферми, а Ферми — это 10-13 см.

Есть такое необычное явление при фазовом переходе из одного состояния вещества в другое, скажем, из жидкости в пар, когда поведение физических величин становится универсальным. То есть кривая фазового перехода заканчивается некоей критической точкой, вблизи которой даже самые разные вещества (например, железо, вода) ведут себя совершенно одинаково, и это поистине удивительно! Планируется ли изучать это явление на уровне ядерной материи с помощью коллайдера NICA?

Да, такое интересное явление действительно может существовать. Фазовая диаграмма ядерной материи наглядно показывает эти переходы. Скажем, если отложить по горизонтальной оси плотность барионов, а по вертикальной шкале — энергию или температуру (что фактически одно и то же), то при повышении температуры ожидается плавный фазовый переход в кварк-глюонное состояние в области минимальной плотности барионов; это уже было показано в экспериментах на БАК и на коллайдере RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории.

Ожидается, что в эксперименте на коллайдере NICA, в условиях большой барионной плотности, должен существовать фазовый переход первого рода, при котором характерные параметры состояния материи изменяются скачком. Так вот сам по себе фазовый переход первого рода, если он будет обнаружен, станет важным открытием. А если есть фазовый переход первого рода и есть в какой-то части диаграммы плавный переход, то между ними должна быть критическая точка. Это уже фазовый переход второго рода.

Такое открытие может стать сенсацией и позволит глубже понять свойства кварковой материи.

Ожидается, что с помощью нового коллайдера удастся зафиксировать свободные кварки?

Многие знают из научно-популярной литературы, что каждый протон и нейтрон состоит из трех кварков. Чтобы вырвать кварки оттуда, необходима огромная сила, поскольку кварки в нуклонах (нейтронах и протонах) связаны так называемым сильным взаимодействием, максимальной из известных сил природы. И кварки не могут существовать в природе самостоятельно. Если вырвать кварк из протона или нейтрона, то он мгновенно находит себе пару — антикварк — и образует частицу — мезон; или находит еще два кварка и образует опять же протон или нейтрон. Но если кварки сильно сблизить, то взаимодействие между ними ослабевает и кварки становятся квазисвободными.

Но ранее их свободными ни разу не видели?

Верно. Свободными они могут быть лишь ничтожное мгновение и при определенных условиях. Чтобы получить свободные кварки, нужно невероятно плотно сжать материю, и вот в таком состоянии кварки становятся свободными и забывают своих «родителей»: кому они принадлежали, какому протону или нейтрону. Они перемешиваются, взаимодействуют и, объединяясь, воспроизводят новые частицы: новые протоны, нейтроны, более легкие частицы — мезоны, — словом, весь спектр элементарных частиц, который известен сегодня.

Мы знаем, что кварки удерживаются между собой глюонами, справедливо получившими свое название от английского слова glue («клей»). Существует интересная гипотетическая частица глюбол, состоящая исключительно из этого клея. Как вы относитесь к подобной идее?

Идея вполне здравая. Есть ряд экспериментов, в которых ищут так называемые глюболы, но сегодня, насколько мне известно, нет явных доказательств их существования. Глюбол теоретически может существовать и имеет право на жизнь. Глюоны — это переносчики сильного взаимодействия, так же как фотоны — переносчики электромагнитного взаимодействия. Электроны, позитроны или любые заряженные частицы могут излучать фотоны. Тепло и свет, которые нас согревают и освещают, — это тоже фотоны. В сильных взаимодействиях роль фотонов играют глюоны, только они переносят не электромагнитные, а сильные взаимодействия. Они как раз и связывают кварки между собой.

Считается, что кварк — это фундаментальная частица, мельче которой ничего нет. Но можно ли предположить, что у кварка все же есть структура, то есть более мелкие элементы? Поможет ли NICA ответить на этот вопрос?

Какой-то коллайдер, возможно, и поможет, но уж точно не наш. Даже Большой адронный коллайдер не проникнет в структуру кварков. Если там и есть структура, то для ее обнаружения нужны гораздо большие энергии, чем у того же БАК. Дело в том, что чем глубже и тоньше внутренняя структура, чем она мельче, тем более высокие требуются энергии для ее распознавания. На сегодня, конечно, кварки считаются точечной, то есть бесструктурной частицей, хотя они имеют массу и даже определенный размер. Не исключено, что на самом деле кварки могут иметь структуру, но это — и новые теоретические идеи, и эксперименты далекого будущего, а не нашего поколения.

То есть там нужны принципиально новые ускорители?

Следующий ускоритель, который, возможно, построят в CERN, будет иметь периметр не 27 км, как сейчас, а уже 100 км. Но и этого, скорее всего, будет недостаточно для разрушения кварка и обнаружения его внутренней структуры, если таковая имеется.

Кстати, попытки сделать ускорители, коллайдеры масштаба БАК предпринимались неоднократно. Первая попытка была у нас — это Ускорительно-накопительный комплекс (УНК) в Протвине, вторая — SSC в Техасе, третья, оказавшаяся самой удачной, — БАК в CERN. Но, видимо, в будущем останется лишь одна международная организация, обладающая установкой столь глобального масштаба, потому что слишком уж расточительно делать несколько мощнейших коллайдеров. И именно международное сотрудничество и глобализация позволяют оптимизировать ресурсы и усилия, чтобы создавать такие мощные ускорители.

Чем больше диаметр ускорителя, тем сильнее можно разогнать частицы?

Да. В целом, чем длиннее ускорительная установка, тем до больших энергий можно разогнать частицы. В этом плане кольцевой ускоритель — наиболее выгодная конструкция, потому что частицы многократно пробегают ускоряющий блок и каждый раз ускоряются все сильнее.

В этом кольце будущего ускорителя, бустера, которое вы сейчас видите перед собой, для того чтобы разогнать частицы до заданной энергии, нужно сделать около 1 млн оборотов. Кольцевой ускоритель в этом отношении выгоден, так как вы можете гонять частицы по кругу сколько угодно и каждый раз, подталкивая, разгонять их. Но для того чтобы обеспечить движение заряженных частиц по кругу, необходимы магниты, ведь известно, что в магнитном поле заряженная частица летит по траектории окружности. Чем выше энергия частицы, тем больше радиус траектории в одном и том же магнитном поле. Поэтому радиус любого кольцевого ускорителя определяется энергией ускоряемых частиц и величиной магнитного поля.

Сегодня максимальное магнитное поле, которое применяется в ускорителях, — 8 Тесла. Именно на восьмитесловых сверхпроводящих магнитах и был построен БАК. Такие магниты позволили достичь энергии 14 ТэВ в существующем туннеле. Если же мы хотим увеличить в два раза энергию, то при том же магнитном поле нам необходимо в два раза увеличить радиус кольца или в два раза усилить магнитное поле в том же кольце. Новый коллайдер, скорее всего, будет создаваться на магнитах 16 Тл, но надежное производство таких магнитов пока не налажено и понадобится лет десять для того, чтобы научиться создавать подобные магниты.

А это в принципе возможно?

Да. Прототипы таких магнитов уже изготавливают в CERN. CERN поставил задачу в течение десяти лет доработать технологию подобных магнитов и обеспечить их серийное производство.

Поэтому если вы просто увеличите магнитное поле в два раза в том же кольце, вы в два раза можете увеличить и энергию разгоняемых частиц. А если хотите получить еще большую энергию, то вам нужно пропорционально увеличивать и радиус кольца. Посчитайте сами: 100 км — в четыре раза больше, чем периметр Большого адронного коллайдера, и магниты с еще более обширным полем (в два раза), поэтому и энергия будет почти на порядок выше.

До какой скорости будут разгоняться частицы в коллайдере NICA?

Это уже так называемые релятивистские скорости. При энергиях коллайдера NICA частицы летят практически со скоростью света.

Ожидается, что с помощью нового коллайдера удастся заглянуть в прошлое Вселенной. О каком отрезке времени идет речь?

Чем выше энергия, тем ближе к началу Большого взрыва вы можете заглянуть. В этом отношении, конечно, БАК наиболее близок к тому, чтобы разглядеть или понять то, что происходило в первые мгновения Вселенной. То, что мы будем воссоздавать на коллайдере NICA, — это более поздний период, когда возникла ядерная материя большой барионной плотности, которая существует в природе только в нейтронных звездах. Других объектов, в которых она могла бы быть, мы на сегодня не знаем.

По времени это тот период, когда уже были звезды и при их столкновениях образовывались в частности нейтронные звезды. Это происходило спустя сотни миллионов лет после Большого взрыва.

Мы много говорили о привычной для нас барионной материи, а занимается ли кто-либо всерьез поисками антивещества, антиматерии?

Антивещество — вопрос очень интересный. Все мы знаем из научно-популярных книг, что в момент возникновения Вселенной был полный баланс вещества и антивещества. Но потом в силу разных причин, из-за нарушения СР-симметрии, несохранения барионного числа и нарушения теплового равновесия, стало доминировать вещество. Возникла небольшая разница превалирования вещества над антивеществом. Эта разница и есть Вселенная, которую мы сегодня знаем.

Поиск антивещества во Вселенной ведется, но оно до сих пор не найдено. Куда оно делось? Это одна из больших загадок. Проводится много экспериментов по поиску антиматерии. Кстати, искусственно синтезировать антивещество можно, и первые такие успехи уже были достигнуты в CERN, где на мгновение были синтезированы несколько атомов антиводорода. Они были удержаны в специальной ловушке. Но это всего лишь несколько атомов, притом на очень короткое время.

Исследования на коллайдере NICA будут иметь сугубо фундаментальный характер или прикладная составляющая тоже присутствует?

В основном наши исследования нацелены на фундаментальные результаты, на получение новых знаний в той области, в которой их еще нет или они очень скудны. Пока никто не знает, какие открытия нас ждут. Но нашим приборам присущи большие масштабы и технологическая сложность, для их создания часто требуется решение новых инженерных задач, вот вам и первый практический аспект. В процессе таких решений возникают интересные инженерные и технологические результаты, которые можно будет применить в практических целях.

Кстати, хороший пример — интернет. Он не создавался в CERN целенаправленно, а понадобился для того, чтобы обмениваться большими объемами данных по специальному протоколу; он был создан для ученых, а впоследствии оказался неотъемлемой частью всей современной жизни. Таких примеров, когда инженерные сооружения, созданные для науки, нашли свое применение в народном хозяйстве, немало.

Кроме того, в рамках проекта NICA мы предусматриваем создание зоны для прикладных работ, где ученые и инженеры будут заниматься практическими исследованиями. Ускоритель — это уникальный инструмент, который позволяет не только проводить фундаментальные исследования, но и получать прикладные результаты.

Одно из наших традиционных направлений — изучение работы электроники в сложных радиационных условиях. Такие исследования необходимы не только для того, чтобы создавать электронику, работающую близко к реакторам, но и для космических полетов; ведь в космосе происходит интенсивное облучение всевозможными частицами, в том числе теми, которые будут доступны на нашем ускорителе. Поэтому для разработки радиационно стойкой электроники будет создана зона прикладных исследований.

С вводом комплекса NICA планируется продолжить испытание биологических объектов на их устойчивость к радиационному воздействию, потому что, если мы хотим летать к далеким звездам, да что там к звездам — даже к Марсу, необходимо рассчитать, какая доза радиации будет получена космонавтами. Подобные исследования ведутся давно. В ОИЯИ есть лаборатория радиационной биологии, где ученые используют пучки уже существующих ускорителей для таких работ. На комплексе NICA мы хотим создать специальную зону, где биологические объекты будут облучаться, благодаря чему можно будет понять, как они меняют свои свойства под воздействием радиации.

В далеком космосе существует опасность облучения ионами, вплоть до железа. Все эти ионы мы сможем воспроизводить на нашем комплексе, чтобы облучать биологические объекты тем спектром частиц, который будет присутствовать при космических полетах.

Если говорить об ожиданиях в целом, прежде всего в области фундаментальных исследований, то мы нацелены на изучение фазовых переходов в ядерной материи — поиск фазового перехода первого рода, поиск критической точки, о чем вы сегодня уже спрашивали; а на пути к этим целям мы, надеюсь, узнаем много нового и интересного. Однако и прикладные исследования принесут ряд практически применимых результатов.

В ваших исследованиях будут использоваться технологии искусственного интеллекта?

Искусственный интеллект — настолько широкое понятие, что даже сложно ответить. Конечно, многие процессы нужно автоматизировать. Ведь автоматизация — тоже в каком-то смысле искусственный интеллект, вопрос только в том. насколько он интегрирован и требует вмешательства обычного, естественного интеллекта.

Для управления многими блоками детекторов и коллайдера NICA будут разработаны программы и системы управления, которые не представляют собой ИИ в узком смысле этого термина, но имеют важные элементы автоматизации, такие как система обратной связи, чтобы корректировать свои действия в зависимости от характера внешних условий. Подобные системы уже существуют на всех крупных современных высокотехнологичных установках. Понятно, что проводить экспериментальные исследования будут ученые, а не искусственный интеллект, ведь мы имеем дело с поиском и изучением неизведанных явлений и свойств природы.

Какая судьба ждет коллайдер после того, как он отслужил свое? Их обычно как-то утилизируют или разбирают на запчасти?

В мировой истории коллайдеров было не так много, и первые из них. кстати, были отнюдь не плохи. Есть классический пример — коллайдер ISR в CERN. По ряду параметров он был совершенен. хоть и запущен в 1970-е гг. Прослужил совсем немного, до средины 1980-х гг., и был разобран. Только недавно, в 2004 г., на коллайдере Тэватрон (США) были достигнуты параметры, характерные для того пионера из 70-х гг. прошлого столетия.

Конечно, каждый коллайдер нацелен на решение определенных задач. Когда задачи решены и нет других, подходящих для его профиля, коллайдер или разбирают, или утилизируют, или он частично входит в состав другого, более сложного комплекса ускорителей.

Владимир Димитриевич Кекелидзе, член-корреспондент РАН, и.о. вице-директора ОИЯИ по мегасайенс-проекту NICA, директор Лаборатории физики высоких энергий им. В.И. Векслера и А.М. Балдина, Видео: «Научная Россия»

Владимир Димитриевич Кекелидзе, член-корреспондент РАН, и.о. вице-директора ОИЯИ по мегасайенс-проекту NICA, директор Лаборатории физики высоких энергий им. В.И. Векслера и А.М. Балдина, Видео: «Научная Россия»

Беседовала Янина Хужина
Фото Николай Малахин, Видео Алексей Корноухов

Безопасность LHC

Большой адронный коллайдер (LHC) может достигать энергии, которой раньше не достигали никакие другие ускорители частиц, но Природа обычно производит более высокие энергии при столкновениях космических лучей. Обеспокоенность по поводу безопасности всего, что может возникнуть при столкновении частиц высоких энергий, решалась в течение многих лет. В свете новых экспериментальных данных и теоретических представлений Группа оценки безопасности LHC (LSAG) обновила обзор анализа, проведенного в 2003 году группой независимых ученых группы изучения безопасности LHC.

LSAG подтверждает и расширяет выводы отчета 2003 года о том, что столкновения LHC не представляют опасности и что нет причин для беспокойства. Что бы ни делал БАК, Природа уже делала много раз за время жизни Земли и других астрономических тел. Отчет LSAG был рассмотрен и одобрен Комитетом по научной политике ЦЕРН, группой внешних ученых, которые консультируют руководящий орган ЦЕРН, его Совет.

Ниже приведены основные аргументы, приведенные в отчете LSAG.Всем, кто интересуется более подробной информацией, рекомендуется обращаться к нему напрямую, а также к научно-техническим работам, на которые он ссылается.

Космические лучи

LHC, как и другие ускорители частиц, воссоздает естественные явления космических лучей в контролируемых лабораторных условиях, что позволяет изучать их более подробно. Космические лучи — это частицы, образующиеся в космическом пространстве, некоторые из которых ускоряются до энергий, намного превышающих энергии БАК. Энергия и скорость, с которой они достигают атмосферы Земли, измерялись в экспериментах на протяжении примерно 70 лет.За последние миллиарды лет Природа уже произвела на Земле столько столкновений, сколько около миллиона экспериментов на LHC — и планета все еще существует. Астрономы наблюдают огромное количество более крупных астрономических тел по всей Вселенной, на все из которых также падают космические лучи. Вселенная в целом проводит более 10 миллионов миллионов экспериментов, подобных LHC, в секунду. Возможность каких-либо опасных последствий противоречит тому, что видят астрономы — звезды и галактики все еще существуют.

Микроскопические черные дыры

Природа образует черные дыры, когда некоторые звезды, намного больше нашего Солнца, в конце своей жизни схлопываются сами по себе. Они концентрируют очень большое количество вещества в очень маленьком пространстве. Рассуждения о микроскопических черных дырах на БАК относятся к частицам, возникающим в результате столкновения пар протонов, каждая из которых имеет энергию, сравнимую с энергией летящего комара. Астрономические черные дыры намного тяжелее всего, что может быть произведено на БАК.

Согласно хорошо установленным свойствам гравитации, описанным в теории относительности Эйнштейна, микроскопические черные дыры не могут образоваться на БАК. Однако есть несколько умозрительных теорий, которые предсказывают образование таких частиц на LHC. Все эти теории предсказывают, что эти частицы немедленно распадутся. Таким образом, черные дыры не успеют начать аккрецию вещества и вызвать макроскопические эффекты.

Хотя теория предсказывает, что микроскопические черные дыры быстро распадаются, можно показать, что даже гипотетические стабильные черные дыры безвредны, изучая последствия их образования космическими лучами.Хотя столкновения на LHC отличаются от столкновений космических лучей с астрономическими телами, такими как Земля, тем, что новые частицы, образующиеся в столкновениях на LHC, имеют тенденцию двигаться медленнее, чем те, которые производятся космическими лучами, все же можно продемонстрировать их безопасность. Конкретные причины этого зависят от того, являются ли черные дыры электрически заряженными или нейтральными. Можно ожидать, что многие стабильные черные дыры будут электрически заряженными, поскольку они созданы заряженными частицами. В этом случае они будут взаимодействовать с обычным веществом и останавливаться при прохождении через Землю или Солнце, независимо от того, созданы они космическими лучами или LHC.Тот факт, что Земля и Солнце все еще здесь, исключает возможность того, что космические лучи или БАК могут создать опасные заряженные микроскопические черные дыры. Если бы стабильные микроскопические черные дыры не имели электрического заряда, их взаимодействие с Землей было бы очень слабым. Те, что произведены космическими лучами, безвредно пройдут через Землю в космос, тогда как те, которые произведены LHC, могут остаться на Земле. Однако во Вселенной есть гораздо более крупные и плотные астрономические тела, чем Земля.Черные дыры, образовавшиеся в результате столкновения космических лучей с такими телами, как нейтронные звезды и белые карлики, будут остановлены. Продолжающееся существование таких плотных тел, а также Земли, исключает возможность того, что LHC произведет какие-либо опасные черные дыры.

Странджлеты

Странджлет — это термин, которым называют гипотетический микроскопический кусок «странной материи», содержащий почти равное количество частиц, называемых верхним, нижним и странными кварками. Согласно большинству теоретических работ, странники должны превратиться в обычную материю за одну тысячную долю секунды.Но могут ли стинджлеты слиться с обычной материей и превратить ее в странную материю? Этот вопрос был впервые поднят перед запуском коллайдера релятивистских тяжелых ионов RHIC в 2000 году в США. Проведенное в то время исследование показало, что поводов для беспокойства нет, и RHIC уже восемь лет ищет странников, но не обнаруживает их. Время от времени LHC будет работать с пучками тяжелых ядер, как и RHIC. Лучи LHC будут иметь больше энергии, чем RHIC, но это делает еще менее вероятным образование странностей.Странной материи трудно слипнуться при высоких температурах, создаваемых такими коллайдерами, как, например, лед не образуется в горячей воде. Вдобавок кварки будут более разбавленными на LHC, чем на RHIC, что затруднит сборку странной материи. Таким образом, рождение Стрэнджлетов на LHC менее вероятно, чем на RHIC, и опыт там уже подтвердил аргументы в пользу невозможности создания Стрэнджлетов.

Анализ первых данных на LHC о столкновениях тяжелых ионов теперь подтвердил ключевые ингредиенты, использованные в отчете LSAG для оценки верхнего предела образования гипотетических странностей.Для получения более подробной информации см. Это приложение к отчету LSAG: Значение данных по тяжелым ионам LHC для образования множественных странных барионов (2011)

Вакуумные пузыри

Были предположения, что Вселенная находится не в самой стабильной конфигурации, и что возмущения, вызванные LHC, могут перевести ее в более стабильное состояние, называемое вакуумным пузырем, в котором мы не могли бы существовать. Если БАК мог это сделать, то могли бы и столкновения космических лучей. Поскольку такие вакуумные пузыри не создавались нигде в видимой Вселенной, они не будут созданы LHC.

Магнитные монополи

Магнитные монополи — это гипотетические частицы с одним магнитным зарядом, будь то северный или южный полюс. Некоторые умозрительные теории предполагают, что, если они действительно существуют, магнитные монополи могут вызывать распад протонов. Эти теории также говорят, что такие монополи были бы слишком тяжелыми для производства на LHC. Тем не менее, если бы магнитные монополи были достаточно легкими, чтобы появиться на БАК, космические лучи, падающие на атмосферу Земли, уже создавали бы их, и Земля очень эффективно останавливала бы и улавливала их.Таким образом, продолжающееся существование Земли и других астрономических тел исключает опасные, поедающие протоны магнитные монополи, достаточно света, чтобы их можно было произвести на LHC.

Другие аспекты безопасности LHC:

Думать, что столкновения частиц LHC при высоких энергиях могут привести к опасным черным дырам, — это чушь. Такие слухи распространяли неквалифицированные люди, ищущие сенсации или огласки.

Академик Виталий Гинзбург, лауреат Нобелевской премии по физике, Институт Лебедева, Москва, Российская академия наук

Работа LHC безопасна не только в старом смысле этого слова, но и в более общем смысле, который наши наиболее квалифицированные ученые тщательно рассмотрели и проанализировали риски, связанные с работой LHC.[Любые опасения] являются чисто гипотетическими и спекулятивными и опровергаются многочисленными доказательствами и научным анализом.

Проф. Шелдон Глэшоу, лауреат Нобелевской премии по физике, Бостонский университет,

Проф. Франк Вильчек, лауреат Нобелевской премии по физике, Массачусетский технологический институт,

Проф. Ричард Уилсон, профессор физики Маллинкродта, Гарвардский университет

Когда включится LHC, миру не наступит конец. БАК абсолютно безопасен…. Столкновения, высвобождающие больше энергии, происходят в атмосфере Земли миллионы раз в день, и ничего страшного не происходит.

Профессор Стивен Хокинг, профессор математики Кембриджского университета в Люкасе

Природа уже провела этот эксперимент. … Космические лучи поразили Луну с большей энергией и не образовали черную дыру, поглотившую Луну. Вселенная не появляется вокруг огромных черных дыр.

Проф.Эдвард Колб, астрофизик, Чикагский университет

Меня, конечно, совершенно не беспокоит предполагаемая возможность того, что LHC произведет микроскопические черные дыры, способные поглотить Землю. Для таких диких домыслов нет никаких научных оснований.

Проф. Сэр Роджер Пенроуз, бывший профессор математики Роуз Болл, Оксфордский университет

Нет никакого риска [в столкновениях LHC, и] отчет LSAG отличный.

Проф. Лорд Мартин Рис, королевский астроном Великобритании и президент Лондонского королевского общества

Тем, кто сомневается в безопасности LHC, следует прочитать отчет LSAG, в котором учтены все возможные риски. Можно быть уверенным, что столкновения частиц на LHC не могут привести к катастрофическим последствиям.

Академик В.А. Рубаков, Институт ядерных исследований РАН

Мы полностью поддерживаем выводы отчета LSAG: нет никаких оснований для каких-либо опасений по поводу последствий появления новых частиц или форм материи, которые могли бы возникнуть на LHC.

Р. Алексан и др., 20 внешних членов Комитета по научной политике ЦЕРН, в том числе профессор Жерар Т Хоофт, лауреат Нобелевской премии по физике.

Недавно было высказано опасение, что «реакция неуправляемого термоядерного синтеза» может возникнуть в свалке углеродного пучка LHC. Безопасность отвала балки LHC ранее была рассмотрена соответствующими регулирующими органами стран, принимающих ЦЕРН, Франции и Швейцарии. Конкретные опасения, высказанные недавно, были рассмотрены в техническом меморандуме Assmann et al.Как они указывают, термоядерные реакции могут поддерживаться только в материале, сжатом некоторым внешним давлением, например, создаваемым гравитацией внутри звезды, взрывом деления в термоядерном устройстве, магнитным полем в токамаке или продолжающимся изотропным лазером или пучки частиц в случае инерционного синтеза. В случае сброса луча LHC, он один раз поражается лучом, идущим с одного направления. Уравновешивающего давления нет, поэтому отвал не сжимается, и сплавление невозможно.

Было высказано опасение, что в резервуаре с азотом внутри туннеля LHC может возникнуть «реакция неуправляемого термоядерного синтеза». Таких баллонов с азотом нет. Более того, аргументы в предыдущем абзаце доказывают, что слияние было бы невозможно, даже если бы оно было.

Наконец, было высказано опасение, что луч LHC может каким-то образом вызвать «Бозе-Нову» в жидком гелии, используемом для охлаждения магнитов LHC. Исследование Fairbairn и McElrath ясно показало, что пучок LHC не может вызвать реакцию синтеза в гелии.

Напомним, что «бозе-новые», как известно, связаны с химическими реакциями, которые выделяют бесконечно малое количество энергии по ядерным стандартам. Мы также напоминаем, что гелий является одним из самых стабильных известных элементов, и что жидкий гелий без сбоев использовался во многих предыдущих ускорителях частиц. Тот факт, что гелий химически инертен и не имеет ядерного спина, подразумевает, что в сверхтекучем гелии, используемом в LHC, не может возникнуть «бозе-нова».

Комментарии к статьям Гиддингса и Мангано, а также LSAG

Документы Гиддингса и Мангано и LSAG, демонстрирующие безопасность LHC, были изучены, проанализированы и одобрены ведущими экспертами из государств-членов ЦЕРН, Японии, России и США, работающими в области астрофизики, космологии, общей теории относительности, математики и т.д. физика элементарных частиц и анализ рисков, в том числе несколько лауреатов Нобелевской премии по физике.Все они согласны с тем, что LHC безопасен.

Статья Гиддингса и Мангано была рецензирована анонимными экспертами в области астрофизики и физики элементарных частиц и опубликована в профессиональном научном журнале Physical Review D. Американское физическое общество решило выделить ее как одну из самых значительных статей, опубликованных за последнее время. , заказав комментарий профессора Пескина из Стэнфордской лаборатории линейных ускорителей, в котором он подтверждает его выводы. Исполнительный комитет Отделения частиц и полей Американского физического общества опубликовал заявление, в котором одобряет отчет LSAG.

Отчет LSAG был опубликован Институтом физики Великобритании в его публикации Journal of Physics G. Выводы отчета LSAG были подтверждены в пресс-релизе, в котором была объявлена ​​эта публикация.

Выводы LSAG также были одобрены Секцией физики элементарных частиц и ядерной физики (KET) Немецкого физического общества. Перевод на немецкий язык полного отчета LSAG можно найти на веб-сайте KET, а также здесь. (Также доступен перевод на французский язык полного отчета LSAG.)

Таким образом, вывод о том, что столкновения LHC полностью безопасны, был одобрен тремя уважаемыми профессиональными обществами физиков, которые рассмотрели его, которые входят в число самых уважаемых профессиональных сообществ в мире.

Всемирно известные эксперты в области астрофизики, космологии, общей теории относительности, математики, физики элементарных частиц и анализа рисков, в том числе несколько лауреатов Нобелевской премии по физике, также выразили четкое индивидуальное мнение о том, что столкновения LHC не опасны, как вы можете прочитать справа.

Подавляющее большинство физиков согласны с тем, что микроскопические черные дыры будут нестабильными, как и предсказывают основные принципы квантовой механики. Как обсуждалось в отчете LSAG, если микроскопические черные дыры могут образовываться в результате столкновений кварков и / или глюонов внутри протонов, они также должны иметь возможность распадаться обратно на кварки и / или глюоны. Более того, квантовая механика специально предсказывает, что они должны распадаться под действием излучения Хокинга.

Тем не менее, несколько статей предполагают, что микроскопические черные дыры могут быть стабильными.В статье Гиддингса и Мангано и в отчете LSAG очень консервативно проанализирован гипотетический случай стабильных микроскопических черных дыр и сделан вывод, что даже в этом случае не будет никакой мыслимой опасности. Другой анализ с аналогичными выводами был задокументирован доктором Кохом, профессором Блейхером и профессором Стокером из Франкфуртского университета и GSI, Дармштадт, которые пришли к выводу:

«Мы обсудили логически возможные пути эволюции черной дыры. Затем мы обсудили каждый исход этих путей и показали, что ни один из физически разумных путей не может привести к катастрофе черной дыры на БАК.»

Профессор Рёсслер (который имеет медицинское образование и ранее был теоретиком хаоса в Тюбингене) также высказал сомнения в существовании излучения Хокинга. Его идеи были опровергнуты проф. Николай (директор Института гравитационной физики Макса Планка — Albert-Einstein-Institut — в Потсдаме) и Джулини, чей отчет (см. Здесь английский перевод и здесь для дальнейших утверждений) указывают на его непонимание общей теории относительности и Метрика Шварцшильда и его опора на альтернативную теорию гравитации, которая была опровергнута в 1915 году.Их вердикт:

«Аргумент [Ресслера] недействителен; аргумент не самосогласован».

Статья профессора Ресслера также подверглась критике со стороны профессора Бруна из Технологического университета Дармштадта, который заключает, что:

«Неправильная интерпретация Ресслером метрики Шварцшильда [делает] его дальнейшие рассуждения … недействительными. Эти статьи не могут быть приняты во внимание при обсуждении проблем черных дыр».

Гипотетический сценарий потенциально опасных метастабильных черных дыр был недавно предложен доктором.Plaga. Выводы этой работы оказались непоследовательными во второй статье Гиддингса и Мангано, где также утверждается, что безопасность этого класса метастабильных сценариев черных дыр уже установлена ​​их первоначальной работой.

Факты и цифры о LHC

Видны два магнита LHC до того, как они будут соединены вместе. Синие цилиндры содержат магнитное ярмо и катушку дипольных магнитов вместе с системой жидкого гелия, необходимой для охлаждения магнита, чтобы он стал сверхпроводящим.В конце концов, это соединение будет сварено вместе, так что балки останутся внутри балочных труб. (Изображение: CERN)

Большой адронный коллайдер (БАК) — самый мощный из когда-либо построенных ускорителей элементарных частиц. Ускоритель находится в туннеле на глубине 100 метров под землей в ЦЕРНе, Европейской организации ядерных исследований, на франко-швейцарской границе недалеко от Женевы, Швейцария.

Что такое LHC?

LHC — это ускоритель частиц, который приближает протоны или ионы к скорости света.Он состоит из 27-километрового кольца сверхпроводящих магнитов с рядом ускоряющих структур, которые увеличивают энергию частиц по пути.

Почему он называется «Большой адронный коллайдер»?
  • «Большой» относится к его размеру, примерно 27 км в окружности
  • «Адрон», потому что он ускоряет протоны или ионы, которые принадлежат к группе частиц, называемых адронами
  • «Коллайдер», потому что частицы образуют два луча, движущихся в противоположных направлениях, которые сталкиваются в четырех точках вокруг машины.

Как работает LHC?
  • Ускорительный комплекс ЦЕРН представляет собой последовательность машин со все более высокой энергией.Каждая машина ускоряет пучок частиц до заданной энергии, прежде чем направить пучок в следующую машину в цепочке. Эта следующая машина доводит луч до еще более высокой энергии и так далее. LHC — последний элемент этой цепочки, в которой лучи достигают максимальной энергии.
Ускорительный комплекс CERN (Изображение: CERN)
  • Внутри LHC два пучка частиц движутся со скоростью, близкой к скорости света, прежде чем они столкнутся. Лучи движутся в противоположных направлениях в отдельных лучевых трубках — двух трубках, в которых поддерживается сверхвысокий вакуум.Они направляются вокруг кольца ускорителя сильным магнитным полем, поддерживаемым сверхпроводящими электромагнитами. Ниже определенной характеристической температуры некоторые материалы переходят в сверхпроводящее состояние и не оказывают сопротивления прохождению электрического тока. Поэтому электромагниты в LHC охлаждаются до –271,3 ° C (1,9K) — температуры ниже, чем в космосе, — чтобы воспользоваться этим эффектом. Ускоритель подключен к обширной системе распределения жидкого гелия, который охлаждает магниты, а также к другим службам снабжения.

Каковы основные цели LHC?

Стандартная модель физики элементарных частиц — теория, разработанная в начале 1970-х годов, которая описывает фундаментальные частицы и их взаимодействия — точно предсказала широкий спектр явлений и до сих пор успешно объясняла почти все экспериментальные результаты в физике элементарных частиц. Но Стандартная модель неполный. Это оставляет много вопросов, на которые LHC поможет ответить.

  • Каково происхождение массы? Стандартная модель не объясняет ни происхождение массы, ни то, почему одни частицы очень тяжелые, а другие совсем не имеют массы.Однако теоретики Роберт Браут, Франсуа Энглер и Питер Хиггс выдвинули предложение, которое должно было решить эту проблему. Механизм Браута-Энглерта-Хиггса придает массу частицам, когда они взаимодействуют с невидимым полем, которое теперь называется «полем Хиггса», которое пронизывает вселенную. Частицы, которые интенсивно взаимодействуют с полем Хиггса, тяжелые, тогда как частицы, которые взаимодействуют слабо, — легкие. В конце 1980-х физики начали поиск бозона Хиггса, частицы, связанной с полем Хиггса.В июле 2012 года ЦЕРН объявил об открытии бозона Хиггса, что подтвердило механизм Браута-Энглерта-Хиггса. Однако обнаружение этого еще не конец истории, и исследователи должны подробно изучить бозон Хиггса, чтобы измерить его свойства и определить его более редкие распады.
  • Найдем ли мы доказательства суперсимметрии ? Стандартная модель не предлагает единого описания всех фундаментальных сил, так как по-прежнему сложно построить теорию гравитации, аналогичную теориям для других сил.Суперсимметрия — теория, которая выдвигает гипотезу о существовании более массивных партнеров известных нам стандартных частиц — может способствовать объединению фундаментальных сил.
  • Что такое темная материя и темная энергия ? Известная нам материя, из которой состоят все звезды и галактики, составляет всего 4% от содержания Вселенной. Тогда все еще открыт поиск частиц или явлений, ответственных за темную материю (23%) и темную энергию (73%).
  • Почему во Вселенной гораздо больше материи, чем антивещества ? Материя и антивещество должны были образоваться в одинаковых количествах во время Большого взрыва, но, судя по тому, что мы наблюдали до сих пор, наша Вселенная состоит только из материи.
  • Как кварк-глюонная плазма порождает частицы, составляющие материю нашей Вселенной? Часть каждого года LHC обеспечивает столкновения между ионами свинца, воссоздавая условия, подобные тем, которые возникли сразу после Большого взрыва.Когда тяжелые ионы сталкиваются при высоких энергиях, они на мгновение образуют кварк-глюонную плазму, «огненный шар» из горячей и плотной материи, который можно изучать с помощью экспериментов.

Как был разработан БАК?

Ученые начали думать о LHC в начале 1980-х, когда предыдущий ускоритель, LEP, еще не работал. В декабре 1994 года Совет ЦЕРН проголосовал за одобрение строительства LHC, а в октябре 1995 года был опубликован отчет о техническом проекте LHC.

Вклад Японии, США, Индии и других государств, не являющихся членами, ускорил этот процесс, и в период с 1996 по 1998 год четыре эксперимента (ALICE, ATLAS, CMS и LHCb) получили официальное одобрение, и на четырех площадках начались строительные работы.

Важные цифры: энергия LHC для Run 2

Кол. Акций

Номер

Окружность

Рабочая температура диполя

Количество магнитов

Количество основных диполей

Количество основных квадруполей

Количество ВЧ резонаторов

Номинальная энергия, протоны

Номинальная энергия, ионы

Номинальная энергия, столкновения протонов

№сгустков на пучок протонов

Количество протонов в сгустке (в начале)

Число оборотов в секунду

Количество столкновений в секунду

26 659 кв.м

1,9 К (-271,3 ° С)

9593

1232

392

8 на балку

6,5 ТэВ

2,56 ТэВ / нуклон (энергия на нуклон)

13 ТэВ

2808

1.2 х 10 11

11245

1 миллиард

Какие детекторы на LHC?

На LHC установлено семь экспериментов: ALICE, ATLAS, CMS, LHCb, LHCf, TOTEM и MoEDAL. Они используют детекторы для анализа множества частиц, образующихся в результате столкновений в ускорителе. Эти эксперименты проводятся учеными из институтов со всего мира. Каждый эксперимент индивидуален и характеризуется своими детекторами.

Каков поток данных экспериментов на LHC?

Центр обработки данных ЦЕРН хранит более 30 петабайт данных в год по экспериментам на LHC, чего достаточно, чтобы заполнить около 1,2 миллиона дисков Blu-ray, т. Е. 250 лет видео высокой четкости. На ленте постоянно хранится более 100 петабайт данных.

Сколько стоит LHC?
  • Строительные расходы (млн. Швейцарских франков)

Материалы

БАК и площадки *

3756

Доля ЦЕРН в области детекторов и детекторов **

493

Вычисления на LHC (доля ЦЕРН)

83

Итого

4332

* Сюда входят: НИОКР машины и форсунки, испытания и предпусковая подготовка.
** Содержит затраты на инфраструктуру (например, пещеры и сооружения). Общая стоимость всех детекторов LHC составляет около 1500 MCHF

.

Экспериментальные коллаборации — это отдельные организации, финансируемые независимо от ЦЕРН. ЦЕРН является участником каждого эксперимента и вносит свой вклад в поддержание и эксплуатационный бюджет экспериментов на LHC.

  • Затраты на запуск 1
    Затраты на эксплуатацию LHC во время работы (прямые и косвенные затраты) составляют около 80% годового бюджета ЦЕРН на эксплуатацию, техническое обслуживание, технические остановки, ремонт и работы по консолидации персонала и материалов (для станка). , форсунки, вычисления, эксперименты).
    Непосредственно выделенные ресурсы на 2009-2012 годы составили около 1,1 миллиарда швейцарских франков.
  • Затраты на LS1
    Стоимость длительного останова 1 (22 месяца) оценивается в 150 миллионов швейцарских франков. Стоимость работ по техническому обслуживанию и модернизации составляет около 100 миллионов швейцарских франков для LHC и 50 миллионов швейцарских франков для ускорительного комплекса без LHC.

Какая потребляемая мощность LHC?

Общая потребляемая мощность LHC (и экспериментов) эквивалентна 600 ГВтч в год с максимумом 650 ГВтч в 2012 году, когда LHC работал при 4 ТэВ.Для прогона 2 расчетная потребляемая мощность составляет 750 ГВтч в год.
Общее потребление энергии ЦЕРН составляет 1,3 ТВтч в год, в то время как общее производство электроэнергии в мире составляет около 20000 ТВтч, в Европейском Союзе — 3400 ТВтч, во Франции — около 500 ТВтч, а в кантоне Женева — 3 ТВтч.

Каковы основные достижения LHC на данный момент?

См. Вехи LHC.

Каковы основные цели второго запуска LHC?

Открытие бозона Хиггса было только первой главой истории LHC.Действительно, перезапуск машины в этом году знаменует собой начало нового приключения, поскольку она будет работать с почти вдвое большей энергией, чем при первом запуске. Благодаря работе, проделанной во время Long Shutdown 1, LHC теперь сможет производить столкновения 13 ТэВ (6,5 ТэВ на пучок), что позволит физикам продолжить изучение природы нашей Вселенной.

Как долго будет работать LHC?

Планируется, что LHC будет работать в течение следующих 20 лет с несколькими остановками для модернизации и технического обслуживания.

Определение коллайдера Merriam-Webster

колпачок | \ kə-lī-dər \ : ускоритель частиц, в котором два луча частиц, движущихся в противоположных направлениях, сталкиваются друг с другом.

Что такое большой адронный коллайдер?

Большой адронный коллайдер (LHC) — это чудо современной физики элементарных частиц, которое позволило исследователям проникнуть в глубины реальности.Его истоки уходят корнями в 1977 год, когда сэр Джон Адамс, бывший директор Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН), предложил построить подземный туннель, в котором мог бы разместиться ускоритель элементарных частиц, способный достигать чрезвычайно высоких энергий. Исторический доклад 2015 года физика Томаса Шёрнера-Садениуса.

Проект был официально одобрен двадцать лет спустя, в 1997 году, и началось строительство кольца длиной 16,5 миль (27 километров), которое проходило под французско-швейцарской границей, способного ускорять частицы до 99.99 процентов скорости света и столкновение их вместе. Внутри кольца 9300 магнитов направляют пакеты заряженных частиц в двух противоположных направлениях со скоростью 11 245 раз в секунду, в конечном итоге сводя их вместе для лобового столкновения. Установка способна создавать около 600 миллионов столкновений каждую секунду, извергая невероятное количество энергии и время от времени экзотические и невиданные ранее тяжелые частицы. LHC работает с энергиями в 6,5 раз выше, чем предыдущий рекордный ускоритель частиц, выведенный из эксплуатации Тэватрон Фермилаба в США.S.

Строительство БАК обошлось в 8 миллиардов долларов, из которых 531 миллион долларов поступил из Соединенных Штатов. Над его экспериментами сотрудничают более 8000 ученых из 60 разных стран. Ускоритель впервые включил свои пучки 10 сентября 2008 года, столкнувшись с частицами с интенсивностью, составляющей лишь десятимиллионную от первоначальной расчетной интенсивности.

До того, как он начал свою работу, некоторые опасались, что новый сокрушитель атомов уничтожит Землю, возможно, создав всепоглощающую черную дыру. Но любой уважаемый физик заявил бы, что подобные опасения необоснованны.

«LHC безопасен, и любое предположение о том, что он может представлять опасность, — чистая выдумка», — сказал LiveScience генеральный директор CERN Роберт Эймар.

Это не значит, что объект не может быть потенциально вредным при неправильном использовании. Если бы вы засунули руку в луч, который фокусирует энергию движущегося авианосца до ширины менее миллиметра, он проделал бы дыру прямо в нем, и тогда излучение в туннеле убило бы вас.

Новаторские исследования

За последние 10 лет LHC столкнул атомы вместе в своих двух основных экспериментах, ATLAS и CMS, которые работают и анализируют свои данные отдельно.Это делается для того, чтобы ни одно из них не влияло на другое, и чтобы каждый из них проверял свой родственный эксперимент. С помощью этих инструментов было написано более 2000 научных работ по многим областям физики фундаментальных частиц.

4 июля 2012 года научный мир, затаив дыхание, наблюдал за тем, как исследователи на LHC объявили об открытии бозона Хиггса, последнего фрагмента головоломки в теории пятидесятилетней давности, называемой Стандартной моделью физики. Стандартная модель пытается учесть все известные частицы и силы (кроме гравитации) и их взаимодействия.Еще в 1964 году британский физик Питер Хиггс написал статью о частице, которая теперь носит его имя, объясняя, как возникает масса во Вселенной.

Хиггс — это на самом деле поле, которое пронизывает все пространство и затягивает каждую частицу, которая движется через него. Некоторые частицы движутся по полю медленнее, и это соответствует их большей массе. Бозон Хиггса — проявление этого поля, за которым физики гнались на протяжении полувека. БАК был специально построен, чтобы наконец захватить этот неуловимый карьер.В конце концов, обнаружив, что масса Хиггса в 125 раз превышает массу протона, и Питер Хиггс, и бельгийский физик-теоретик Франсуа Энглерт были награждены Нобелевской премией в 2013 году за предсказание его существования.

Это составное изображение Большого адронного коллайдера было создано 3D-художником. Лучевые трубки представлены в виде прозрачных трубок, с противоположно вращающимися протонными пучками, показанными красным и синим. (Изображение предоставлено Даниэлем Домингесом / ЦЕРН)

Даже с Хиггсом в руках физики не могут отдыхать, потому что в Стандартной модели все еще есть некоторые дыры.Во-первых, он не имеет отношения к гравитации, которая в основном охватывается теориями относительности Эйнштейна. Это также не объясняет, почему Вселенная состоит из материи, а не антивещества, которое должно было быть создано примерно в равных количествах в начале времен. И в нем ничего не говорится о темной материи и темной энергии, которые еще не были обнаружены, когда она была впервые создана.

До того, как LHC включился, многие исследователи сказали бы, что следующая великая теория — это теория, известная как суперсимметрия, которая добавляет подобных, но гораздо более массивных партнеров-близнецов ко всем известным частицам.Один или несколько из этих тяжелых партнеров могли быть идеальным кандидатом на роль частиц, составляющих темную материю. И суперсимметрия начинает управлять гравитацией, объясняя, почему она намного слабее трех других фундаментальных сил. До открытия Хиггса некоторые ученые надеялись, что в конечном итоге бозон будет немного отличаться от того, что предсказывала Стандартная модель, намекая на новую физику.

Но когда появился Хиггс, это было невероятно нормально, именно в том диапазоне масс, который, по утверждениям Стандартной модели, будет.Хотя это большое достижение для Стандартной модели, физики остались без каких-либо хороших выводов. Некоторые начали говорить о потерянных десятилетиях в погоне за теориями, которые хорошо звучали на бумаге, но, похоже, не соответствуют реальным наблюдениям. Многие надеются, что следующие прогоны сбора данных с LHC помогут немного прояснить этот беспорядок.

БАК был закрыт в декабре 2018 года, чтобы пройти два года модернизации и ремонта. Когда он вернется в строй, он сможет разбивать атомы вместе с небольшим увеличением энергии, но с удвоенным числом столкновений в секунду.Что он найдет, остается только гадать. Уже идут разговоры о еще более мощном ускорителе частиц на замену, расположенном в том же районе, но в четыре раза больше LHC. На строительство огромной замены может потребоваться 20 лет и 27 миллиардов долларов.

Дополнительные ресурсы:

ЦЕРН предпринимает смелые шаги по созданию суперколлайдера

стоимостью 21 миллиард евро

Предлагаемый 100-километровый коллайдер частиц в ЦЕРНе будет сталкивать электроны и позитроны, а позже и протоны (впечатление художника).Предоставлено: Polar Media

.

ЦЕРН сделал важный шаг к созданию 100-километрового кругового суперколлайдера, который расширит границы физики высоких энергий.

Решение было единогласно одобрено Советом ЦЕРН, руководящим органом организации, 19 июня после утверждения плана независимой комиссией в марте. Ведущей европейской организации в области физики элементарных частиц потребуется глобальная помощь для финансирования проекта, который, как ожидается, будет стоить не менее 21 миллиарда евро (24 миллиарда долларов США) и станет продолжением знаменитого Большого адронного коллайдера (БАК) лаборатории.К середине века новая машина будет сталкивать электроны со своими партнерами из антивещества, позитронами. Этот проект, который будет построен в подземном туннеле недалеко от ЦЕРНа недалеко от Женевы, Швейцария, позволит физикам изучить свойства бозона Хиггса, а затем разместить еще более мощную машину, которая будет сталкиваться с протонами и прослужит долго. вторая половина века.

Утверждение еще не окончательное. Но это означает, что ЦЕРН теперь может приложить значительные усилия к разработке коллайдера и исследованию его осуществимости, а также предложить альтернативные конструкции для последующих коллайдеров после LHC, таких как линейный электрон-позитронный коллайдер или коллайдер, который ускорял бы мюоны. .«Я думаю, что это исторический день для ЦЕРНа и физики элементарных частиц в Европе и за ее пределами», — заявила совету генеральный директор ЦЕРН Фабиола Джанотти после голосования.

По словам бывшего генерального директора CERN Криса Ллевеллина Смита, это «явная точка разветвления» для лаборатории. До сегодняшнего дня рассматривалось несколько других вариантов коллайдера следующего поколения, но теперь Совет ЦЕРН сделал недвусмысленное и единодушное заявление. «Это важный шаг, чтобы заставить страны Европы сказать:« Да, это то, что мы хотели бы сделать », — говорит Ллевеллин Смит, физик из Оксфордского университета, Великобритания.

Два этапа

Решение содержится в утвержденном сегодня документе — Обновлении Европейской стратегии по физике элементарных частиц 2020 года. Он выделяет два этапа развития. Во-первых, ЦЕРН построит электрон-позитронный коллайдер с энергией столкновения, настроенной так, чтобы максимизировать образование бозонов Хиггса, и подробно изучить их свойства.

Позже в этом веке первая машина будет демонтирована и заменена протон-протонным разрушителем. Это позволит достичь энергии столкновения в 100 тераэлектронвольт (ТэВ) по сравнению с 14 ТэВ на LHC, который также сталкивает протоны и в настоящее время является самым мощным ускорителем в мире.Его цель — поиск новых частиц или сил природы и расширение или замена текущей стандартной модели физики элементарных частиц. Большая часть технологий, которые потребуются для окончательной машины, еще предстоит разработать, и в ближайшие десятилетия они будут предметом интенсивного изучения.

«Это очень амбициозная стратегия, которая намечает светлое будущее для Европы и ЦЕРН с осторожным, поэтапным подходом», — сказал Джанотти.

«Я думаю, что это правильное направление, — говорит Ифан Ван, возглавляющий Институт физики высоких энергий (IHEP) Китайской академии наук в Пекине.Предлагаемая ЦЕРНом новая машина похожа по концепции на предложение Ванга по созданию китайского электрон-позитронного коллайдера после открытия БАК бозона Хиггса в 2012 году. Как и теперь официальная стратегия ЦЕРН, предложение Ванга также включало возможность размещения протонного коллайдера на втором этапе, следуя модели LHC (27-километровое кольцо LHC занимает туннель, в котором в 1990-х годах размещался Большой электрон-позитронный коллайдер ЦЕРНа). Решение CERN «является подтверждением того, что наш выбор был правильным», — говорит Ван.

Полностью одобряя кольцевой коллайдер ЦЕРН, эта стратегия также призывает организацию изучить возможность участия в отдельном Международном линейном коллайдере (ILC) — более старой идее, которую поддерживали физики в Японии. Хитоши Ямамото, физик из Университета Тохоку в Сендае, Япония, говорит, что это одобрение обнадеживает. «Я считаю, что условия для перехода ILC к следующему шагу в Японии, а также во всем мире, теперь прочно созданы».

Финансирование

Стратегия ЦЕРН предусматривает 2038 год как дату начала строительства нового 100-километрового туннеля и электрон-позитронного коллайдера.До тех пор лаборатория продолжит работу с модернизированной версией LHC, получившей название High Luminosity LHC, которая в настоящее время находится в стадии строительства.

Но прежде чем ЦЕРН сможет приступить к созданию своей новой машины, ему придется искать новое финансирование помимо обычного бюджета, который он получает от государств-членов. Ллевеллин Смит говорит, что странам за пределами Европы, включая США, Китай и Японию, возможно, потребуется присоединиться к ЦЕРН, чтобы сформировать новую глобальную организацию. «Почти наверняка потребуется новая структура», — говорит он.

У дорогостоящего плана есть противники — даже в физическом сообществе. Сабина Хоссенфельдер, физик-теоретик из Франкфуртского института перспективных исследований в Германии, стала критиком стремления к все более высоким энергиям, когда научная окупаемость — помимо измерения свойств известных частиц — далека от гарантии. «Я все еще считаю, что это плохая идея», — говорит Хоссенфельдер. «Речь идет о десятках миллиардов. Я просто думаю, что в проведении такого рода исследований сейчас недостаточно научного потенциала.«

Новый коллайдер будет на неизведанной территории, — говорит Тара Ширс, физик из Ливерпульского университета, Великобритания. У LHC была четкая цель, которую нужно было искать — бозон Хиггса, а также хорошо мотивированные причины теоретиков полагать, что могут появиться новые частицы в диапазоне масс, который он мог бы исследовать, но сейчас ситуация иная, говорит она. «Сейчас у нас нет равноценного и надежного прогноза, поэтому знание того, где и как искать ответы, становится более сложной задачей и повышает риск.

Тем не менее, она говорит: «Мы знаем, что единственный способ найти ответы — это эксперимент, и единственное место, где их можно найти, — это то, где мы еще не могли искать».

Закрывая встречу, на которую большинство членов присутствовало удаленно, президент Совета ЦЕРН Урсула Басслер сказала: «Сейчас перед нами стоит большая задача — претворить эту стратегию в жизнь». Затем она открыла бутылку шампанского, прежде чем закончить телеконференцию.

ЦЕРН планирует построить суперколлайдер

стоимостью 21 миллиард евро

Художественный образ будущего кругового коллайдера.Кредит: CERN

.

ЦЕРН осуществил свою смелую мечту о создании нового ускорителя, который почти в 4 раза длиннее своего 27-километрового Большого адронного коллайдера (LHC) — в настоящее время крупнейшего в мире коллайдера — и в 6 раз более мощного.

ЦЕРН, европейская лаборатория физики элементарных частиц недалеко от Женевы, Швейцария, изложила план в техническом отчете, опубликованном 15 января.

В документе предлагается несколько предварительных проектов для будущего кругового коллайдера (FCC), который станет самым мощным из когда-либо построенных измельчителей частиц, с коллайдерами различных типов стоимостью от 9 миллиардов евро (10 долларов США.2 миллиарда) до 21 миллиарда евро. Это первая заявка лаборатории в процессе установления приоритетов под названием «Обновленная Европейская стратегия физики элементарных частиц», который состоится в течение следующих двух лет и повлияет на будущее отрасли во второй половине столетия.

«Это огромный скачок, как и планирование поездки не на Марс, а на Уран», — говорит Джан Франческо Джудиче, возглавляющий теоретический отдел ЦЕРН и представляющий лабораторию в группе подготовки по физике процесса обновления стратегии.

С момента исторического открытия БАК бозона Хиггса в 2012 году коллайдер не обнаружил никаких новых частиц. По словам Джудиче, это указывает на необходимость поднять энергию коллайдера как можно выше. «Сегодня исследование самых высоких возможных энергий с помощью смелых проектов — наша лучшая надежда раскрыть некоторые загадки природы на самом фундаментальном уровне».

Потенциал такой машины, как FCC, «очень впечатляющий», — говорит Халина Абрамович, физик из Тель-Авивского университета в Израиле, которая возглавляет процесс обновления европейской стратегии.Она добавляет, что потенциал FCC будет подробно рассмотрен в рамках этого упражнения и сравнен с другими предлагаемыми проектами.

Совет ЦЕРН, в который входят ученые и правительственные делегаты из стран-членов ЦЕРН, затем примет окончательное решение о финансировании проекта.

Слишком дорого?

Не все уверены, что суперколлайдер — хорошее вложение. «Нет причин думать, что должна быть новая физика в энергетическом режиме, которого может достичь такой коллайдер», — говорит Сабина Хоссенфельдер, физик-теоретик из Франкфуртского института перспективных исследований в Германии.«Это кошмар, который у всех на уме, но о котором не хотят говорить».

Хоссенфельдер говорит, что вовлеченные большие суммы лучше потратить на другие типы огромных объектов. Например, она говорит, что размещение крупного радиотелескопа на обратной стороне Луны или детектора гравитационных волн на орбите было бы безопаснее, чем коллайдер, с точки зрения их отдачи от науки.

Майкл Бенедикт, физик из ЦЕРНа, который руководил исследованием FCC, говорит, что создание суперколлайдера стоит строить независимо от ожидаемого научного результата.«Такие крупномасштабные усилия и проекты являются огромным стартом для создания сетей, соединяющих институты через границы и страны. Все это вместе составляет очень хороший аргумент для продвижения таких уникальных научных проектов ».

Но Хоссенфельдер говорит, что аналогичный аргумент можно было бы привести в пользу других крупных научных проектов.

Варианты

Исследование FCC началось в 2014 году, в нем приняли участие более 1300 участников, по данным CERN, при финансовой поддержке программы финансирования исследований Horizon 2020 Европейской комиссии.Большинство сценариев, описываемых в исследовании, предполагают вырытие 100-километрового туннеля рядом с существующим туннелем LHC. Стоимость этого и соответствующей инфраструктуры на поверхности составит около 5 миллиардов евро, сообщает CERN.

Новый коллайдер будет размещен в кольце длиной 100 км (красный) рядом с LHC в ЦЕРНе (синий) Фото: CERN

Машина стоимостью 4 миллиарда евро, построенная в таком туннеле, могла бы разбивать электроны и их аналоги из антивещества, позитроны, с энергией до 365 гигаэлектронвольт (ГэВ).Такие столкновения позволят исследователям изучать известные частицы, такие как бозон Хиггса, с большей точностью, чем это возможно на протон-протонном коллайдере, таком как LHC. Эта исследовательская программа начнется примерно к 2040 году, после того, как LHC — и его запланированная обновленная версия — исчерпают свой курс.

Физики давно планировали построить Международный линейный коллайдер (ILC) после того, как LHC исчерпает свой курс, и этот коллайдер также будет разбивать электроны и позитроны. Японские ученые в 2012 году подали заявку на проведение МЛЦ.Но неспособность LHC обнаружить какие-либо непредсказуемые явления ослабила аргументы в пользу линейного коллайдера. Это связано с тем, что ILC достигнет энергий, достаточных только для изучения бозона Хиггса, но не для открытия каких-либо новых частиц, которые могут существовать при более высоких энергиях, как это могло бы быть на запланированном коллайдере ЦЕРНа. К 7 марта правительство Японии должно решить, хочет ли оно принять у себя ILC.

Другой вариант, описанный в отчете, — это 100-километровый протон-протонный коллайдер (также известный как адронный коллайдер) стоимостью 15 миллиардов евро (также известный как адронный коллайдер), построенный в том же туннеле, который может достигать энергий до 100000 ГэВ, что намного выше, чем максимальная мощность LHC составляет 16 000 ГэВ.Но более вероятно, что электрон-позитронная машина будет построена первой, а протон-протонный коллайдер — позже, в конце 2050-х годов. В любом случае, машина с более высокой энергией будет искать совершенно новые частицы, которые могут быть более массивными, чем известные частицы, и поэтому для их производства потребуется больше энергии.

Адронный коллайдер будет всего на 15% длиннее, чем сверхпроводящий суперколлайдер (SSC), проект в Техасе, от которого отказались из-за соображений стоимости в 1990-х годах, когда его туннели уже находились в стадии строительства.Но из-за технологических усовершенствований — в частности, в магнитах, которые искривляют путь протонов вокруг кольца — предлагаемый адронный коллайдер будет разбивать частицы с энергиями, более чем в два раза превышающими предсказанные для SSC.

Еще предстоит провести много исследований и разработок, что является одной из причин, по которой может иметь смысл сначала построить машину с низким энергопотреблением. «Если бы завтра у нас был готов 100-километровый туннель, мы могли бы сразу начать строительство электрон-позитронного коллайдера, потому что технология, по сути, уже существует», — говорит Джудиче.«Но необходимы дополнительные исследования и разработки для магнитов, необходимых для 100-тераэлектронвольтного коллайдера».

Конкурент Китая

Ван Ифан, директор Института физики высоких энергий (IHEP) Китайской академии наук в Пекине, говорит, что не сомневается, что ЦЕРН сможет осуществить такой проект. «ЦЕРН имеет долгую историю успеха. У нее есть технологические возможности, управленческие навыки и хорошие отношения с правительствами », — говорит он.

Ван руководит аналогичным проектом в Китае, и он говорит, что обе попытки обнадеживают, по сути, к одним и тем же выводам с точки зрения научных целей и технической осуществимости.В частности, по его словам, это естественный выбор — сначала провести электрон-позитронные столкновения, а затем перейти к адронам.

Большая часть дополнительных затрат на адронный коллайдер будет связана с необходимостью в мощных сверхпроводящих магнитах и ​​огромных гелиевых криогенных системах, чтобы они оставались холодными. FCC со столкновением адронов будет направлена ​​на разработку, создание и развертывание магнитов мощностью 16 тесла на основе сверхпроводящего сплава Nb 3 Sn, который будет в два раза мощнее, чем LHC, хотя в принципе требует лишь немного более высоких температур.Китай настаивает на более продвинутых, но менее проверенных сверхпроводниках на основе железа, которые могут поднять температуру еще выше. «Если вы сможете сделать это при температуре 20 кельвинов, вы получите огромную экономию», — говорит Ван.

Даже если физики элементарных частиц согласны с тем, что миру нужен 100-километровый коллайдер, неясно, нужны ли ему два. Какая бы сторона ни запустила такой проект первой, вероятно, упредит усилия другой стороны. По словам Ванга, на любом из коллайдеров будут проводиться эксперименты, открытые для более широкого международного сообщества, поэтому с точки зрения науки, которая будет сделана, не будет иметь значения, какой из них будет построен.

Большой адронный коллайдер ЦЕРНа создает материю из света

Детектор ATLAS на Большом адронном коллайдере ЦЕРН. (Кредит: ЦЕРН)

Примечание: эта статья изначально была опубликована журналом Symmetry. Прочитать оригинал статьи.

Большой адронный коллайдер (LHC) использует известное уравнение Альберта Эйнштейна, E = mc², для преобразования материи в энергию, а затем обратно в различные формы материи. Но в редких случаях он может пропустить первый шаг и столкнуться с чистой энергией — в виде электромагнитных волн.

В прошлом году в эксперименте ATLAS на LHC ЦЕРН были обнаружены два фотона, частицы света, которые отрикошетили друг от друга и образовали два новых фотона. В этом году ученые сделали шаг вперед в этом исследовании и обнаружили, что фотоны сливаются и трансформируются во что-то еще более интересное: W-бозоны, частицы, несущие слабую силу, которая управляет распадом ядра.

Исследование не просто иллюстрирует центральную концепцию, управляющую процессами внутри LHC: энергия и материя — две стороны одной медали.Это также подтверждает, что при достаточно высоких энергиях силы, которые кажутся отдельными в нашей повседневной жизни — электромагнетизм и слабое взаимодействие — объединяются.

От безмассовых до массивных

Команда Беркли играет ключевую роль в анализе взаимодействий частиц, которые производят материю из света

Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (Berkeley Lab) сыграли ключевую роль в анализе данных крупнейшего в мире коллайдера частиц, который нашел доказательства редких взаимодействий частиц высокой энергии, в которых материя была произведена из света.

Симоне Пэган Гризо, физик из лаборатории Беркли и научный сотрудник, который координировал усилия команды лаборатории Беркли, сказал, что его команда обнаружила около 174 взаимодействий частиц, которые согласуются с созданием пар тяжелых несущих силу частиц, называемых W-бозонами, в результате столкновения. двух фотонов.

Подробнее…

Если вы попытаетесь воспроизвести этот эксперимент со столкновением фотонов дома, пересекая лучи двух лазерных указателей, вы не сможете создавать новые массивные частицы.Вместо этого вы увидите, как два луча объединяются, образуя еще более яркий луч света.

«Если вы вернетесь назад и посмотрите на уравнения Максвелла для классического электромагнетизма, вы увидите, что две сталкивающиеся волны суммируются в большую волну», — говорит Симона Паган Гризо, исследователь Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (Беркли). Лаборатория). «Мы видим эти два явления, недавно обнаруженные ATLAS, только когда мы объединили уравнения Максвелла со специальной теорией относительности и квантовой механикой в ​​так называемой теории квантовой электродинамики.”

Внутри ускорительного комплекса ЦЕРН протоны ускоряются со скоростью, близкой к скорости света. Обычно их округлые формы сжимаются в направлении движения, поскольку специальная теория относительности заменяет классические законы движения для процессов, происходящих на LHC. Два поступающих протона видят друг друга как сжатые блины, сопровождаемые одинаково сжатым электромагнитным полем (протоны заряжены, и все заряженные частицы имеют электромагнитное поле). Энергия LHC в сочетании с сокращением длины увеличивает силу электромагнитных полей протонов в 7500 раз.

Когда два протона касаются друг друга, их сжатые электромагнитные поля пересекаются. Эти поля игнорируют классический этикет «усиления», который применяется при низких энергиях, и вместо этого следуют правилам, изложенным в квантовой электродинамике. Благодаря этим новым законам два поля могут слиться и стать буквой «E» в E = mc².

«Если вы прочитаете уравнение E = mc² справа налево, вы увидите, что небольшое количество массы производит огромное количество энергии из-за постоянной c², которая представляет собой квадрат скорости света», — говорит Алессандро Триколи, исследователь из Брукхейвенской национальной лаборатории — штаб-квартиры в США для эксперимента ATLAS, который получает финансирование от Управления науки Министерства энергетики США.«Но если вы посмотрите на формулу с другой стороны, вы увидите, что вам нужно начать с огромного количества энергии, чтобы произвести даже крошечное количество массы».

БАК — одно из немногих мест на Земле, где могут производиться и сталкиваться энергетические фотоны, и это единственное место, где ученые наблюдали, как два энергетических фотона сливаются и превращаются в массивные W-бозоны.

Объединение сил

Генерация W-бозонов из фотонов высоких энергий является примером открытия, которое принесло Шелдону Глэшоу, Абдусу Саламу и Стивену Вайнбергу Нобелевскую премию по физике 1979 года: при высоких энергиях электромагнетизм и слабое взаимодействие — одно и то же.

Электричество и магнетизм часто ощущаются как отдельные силы. Обычно никто не боится получить удар током при обращении с магнитом на холодильник. А лампочки, даже если они горят электричеством, не прилипают к дверце холодильника. Так почему же на электрических станциях есть знаки, предупреждающие об их сильных магнитных полях?

«Магнит — одно проявление электромагнетизма, а электричество — другое», — говорит Триколи. «Но это все электромагнитные волны, и мы видим это объединение в наших повседневных технологиях, таких как сотовые телефоны, которые общаются с помощью электромагнитных волн.”

При чрезвычайно высоких энергиях электромагнетизм сочетается с еще одной фундаментальной силой: слабой силой. Слабое взаимодействие управляет ядерными реакциями, включая синтез водорода в гелий, питающий Солнце, и распад радиоактивных атомов.

Так же, как фотоны переносят электромагнитную силу, бозоны W и Z переносят слабую силу. Причина, по которой фотоны могут сталкиваться и производить W-бозоны в LHC, заключается в том, что при самых высоких энергиях эти силы объединяются, образуя электрослабую силу.

«И фотоны, и W-бозоны являются носителями силы, и оба они несут электрослабую силу», — говорит Гризо. «Это явление действительно происходит, потому что природа квантово-механическая».

— Автор Сара Чарли

Подробнее

###

Национальная лаборатория Лоуренса Беркли и ее ученые были основаны в 1931 году с убеждением в том, что самые большие научные проблемы лучше всего решаются с помощью коллективов.Сегодня исследователи Berkeley Lab разрабатывают решения в области устойчивой энергетики и защиты окружающей среды, создают новые полезные материалы, расширяют границы компьютерных технологий и исследуют тайны жизни, материи и Вселенной. Ученые со всего мира полагаются на возможности лаборатории в своих научных открытиях. Berkeley Lab — это многопрограммная национальная лаборатория, управляемая Калифорнийским университетом при Управлении науки Министерства энергетики США.

Управление науки Министерства энергетики США является крупнейшим спонсором фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и ​​работает над решением некоторых из наиболее актуальных проблем современности.Для получения дополнительной информации посетите сайт energy.gov/science.

.

Post A Comment

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *