Большой адронный коллайдер: назначение, открытия и мифы
Большой адронный коллайдер (БАК) — самый большой и мощный ускоритель частиц в мире. Он был построен Европейской организацией ядерных исследований (ЦЕРН).
10 000 ученых и инженеров из более чем 100 разных стран работали вместе над созданием этого проекта. Его строительство стоило 10 миллиардов долларов. В настоящее время это самая большая и сложная экспериментальная исследовательская установка в мире.
Как выглядит Большой адронный коллайдер
Это гигантский замкнутый туннель, построенный под землей. Он имеет длину 27 километров и уходит на глубину от 50 до 175 метров.
Находится коллайдер на границе Франции и Швейцарии, недалеко от города Женева.
Как работает Большой адронный коллайдер
Слово «коллайдер» в этом случае можно перевести как «сталкиватель». А сталкивает он адроны — класс частиц, состоящих из нескольких кварков, которые удерживаются сильной субатомной связью. Протоны и нейтроны являются примерами адрона.
БАК в основном использует столкновение протонов в своих экспериментах. Протоны — это части атомов с положительным зарядом. Коллайдер ускоряет эти протоны в тоннеле, пока они не достигнут почти скорости света. Различные протоны направлены через туннель в противоположных направлениях. Когда они сталкиваются, то можно зафиксировать условия, подобные ранней Вселенной.
Откуда берутся протоны в для столкновения?
Для этого ионизируются атомы водорода. Атом водорода состоит из одного протона и одного электрона. Во время ионизации удаляется электрон и остаётся нужный для эксперимента протон.
БАК состоит из трёх основных частей:
Зачем нужен Большой адронный коллайдер
С помощью БАК можно изучить элементарные частицы и способы их взаимодействия. Он уже многому научил нас в области квантовой физики, и исследователи надеются узнать больше о структуре пространства и времени. Наблюдения, которые делают учёные, помогают понять, какой могла быть Вселенная в течение миллисекунд после Большого взрыва.
Какие открытия совершили на БАК
На данный момент самое большое открытие — это бозон Хиггса. Это одно из важнейших открытий 21 века, объясняющее существование массы частиц во Вселенной. Это подтверждает Стандартную модель, с помощью которой сегодня физики описывают взаимодействие элементарных частиц. Именно на этом взаимодействии основано устройство всей Вселенной.
Суть работы бозона Хиггса в том, что благодаря ему другие элементарные частицы могут иметь и передавать свою массу. Но это очень и очень упрощённое понимание, и если Вам интересно, почитайте научную литературу.
С полным списком всех открытий на Большом адронном коллайдере можно ознакомиться на Википедии.
Может ли коллайер уничтожить Землю
С момента запуска БАК стал объектом разнообразных домыслов. Самый известный — в ходе экспериментов может образоваться чёрная дыра и поглотить планету.
Есть две причины, чтобы не волноваться.
Надеемся, Вам было интересно, как и нам во время работы над этим материалом!
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.
Столкновение частиц
Как работает большой адронный коллайдер
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
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!
Зачем вообще нужен LHC?
Узнав впервые о существовании LHC, повосхищавшись его размерами, поудивлявшись непонятности и практической бесполезности его задач, читатель, как правило, задает вопрос: а зачем вообще нужен этот LHC?
В этом вопросе есть сразу несколько аспектов. Зачем людям вообще нужны эти элементарные частицы, зачем тратить столько денег на один эксперимент, какая будет польза для науки от экспериментов на LHC? Здесь я попробую дать ответы, пусть краткие и субъективные, на эти вопросы.
Зачем обществу нужна фундаментальная наука?
Отношение большей части общества к фундаментальной науке — примерно такое же. Только вдобавок человек в современном обществе уже пользуется огромным количеством достижений фундаментальной науки, не задумываясь об этом.
Да, люди, конечно, признают, что высокие технологии делают жизнь комфортнее. Но при этом они неявно полагают, что технологии эти — результат чисто прикладных разработок. А вот это — большое заблуждение. Надо четко понимать, что перед практической наукой регулярно встают задачи, которые она сама решить просто не в состоянии — ни с помощью накопленного практического опыта, ни через прозрение изобретателей-рационализаторов, ни методом проб и ошибок. Зато они решаются с помощью фундаментальной науки. Скажем, те свойства вещества, которые недавно казались совершенно бесполезными, вдруг открывают возможность для создания принципиально новых устройств или материалов с неожиданными возможностями. Или же вдруг обнаруживается глубокая параллель между какими-то сложными объектами из сугубо прикладной и из фундаментальной науки, и тогда абстрактные научные результаты удается использовать на практике.
В общем, фундаментальная наука — это основа технологий в долгосрочной перспективе, технологий, понимаемых в самом широком значении. И если какие-то небольшие усовершенствования существующих технологий можно сделать, ограничиваясь сугубо прикладными исследованиями, то создать новые технологии — и с их помощью преодолевать новые проблемы, регулярно встающие перед обществом! — можно, лишь опираясь на фундаментальную науку.
Опять же, прибегая к аналогиям, можно сказать, что пытаться развивать науку, ориентируясь только на немедленную практическую пользу — это словно играть в футбол, прыгая исключительно на одной ноге. И то, и другое, в принципе, можно себе представить, но в долгосрочной перспективе эффективность от обоих занятий почти нулевая.
Почему фундаментальной наукой занимаются сами ученые?
Кстати, стоит подчеркнуть, что большинство ученых занимается наукой вовсе не потому, что это может оказаться полезно для общества. Люди занимаются наукой, потому что это жутко интересно. Даже когда просто изучаешь открытые кем-то законы или построенные кем-то теории, это уже «щекочет мозги» и приносит огромное удовольствие. А те редкие моменты, когда удается самому открыть какую-то новую грань нашего мира, доставляют очень сильные переживания.
Эти ощущения отдаленно напоминают чувства, возникающие при чтении детектива: автор построил перед тобой загадку, а ты пытаешься разгадать ее, стараясь увидеть в описываемых фактах скрытый, взаимосвязанный смысл. Но если в детективе глубина и стройность загадки ограничены фантазией автора, то фантазия природы выглядит пока неограниченной, а ее загадки — многоуровневыми. И эти загадки не придуманы кем-то искусственно, они настоящие, они вокруг нас. Вот ученым и хочется справиться хотя бы с кусочком этой вселенской головоломки, подняться еще на один уровень понимания.
Кому нужны элементарные частицы?
Хорошо, положим, фундаментальной наукой действительно стоит заниматься, раз она спустя несколько десятков лет сможет привести к конкретным практическим достижениям. Тогда давайте будем изучать фундаментальное материаловедение, будем манипулировать отдельными атомами, будем развивать новые методики диагностики веществ, поучимся рассчитывать сложные химические реакции на молекулярном уровне. Можно легко поверить в то, что спустя десятки лет всё это приведет к новым практическим приложениям.
Но трудно себе представить, какая в принципе может быть конкретная практическая польза от топ-кварков или от хиггсовского бозона. Скорее всего, вообще никакой. Тогда какой толк в развитии физики элементарных частиц?
Толк огромный, и заключается он вот в чём.
Физические явления эффективнее всего описываются на языке математики. Эту ситуацию обычно называют удивительной (знаменитое эссе Ю. Вигнера о «непостижимой эффективности математики»), но тут есть и другой, не менее сильный повод для удивления. Всё головокружительное разнообразие явлений, происходящих в нашем мире, описывается лишь очень небольшим числом математических моделей. Осознание этого поразительного, совсем не очевидного свойства нашего мира — одно из самых важных открытий в физике.
Пока знания ограничиваются лишь «повседневной» физикой, эта тенденция может оставаться незаметной, но чем глубже знакомишься с современной физикой, тем более яркой и завораживающей выглядит эта «математическая экономность» природы. Явление сверхпроводимости и хиггсовский механизм возникновения масс элементарных частиц, электроны в графене и безмассовые элементарные частицы, жидкий гелий и внутренности нейтронных звезд, теория гравитации в многомерном пространстве и сверххолодное облачко атомов — вот лишь некоторые пары разных природных явлений с удивительно схожим математическим описанием. Хотим мы или нет, но эта связь между разными физическими явлениями через математику — это тоже закон природы, и им нельзя пренебрегать! Это полезный урок для тех, кто пытается рассуждать о физических явлениях, опираясь только на их «природную сущность».
Аналогии между объектами из разных областей физики могут быть глубокими или поверхностными, точными или приблизительными. Но благодаря всей этой сети математических аналогий наука физика предстает как многогранная, но цельная дисциплина. Физика элементарных частиц — это одна из ее граней, которая через развитие математического формализма крепко связана со многими более «практическими» областями физики, да и естественных наук в целом.
Поэтому, кто знает, может быть, изучая теорию гравитации, мы в конце концов придем к пониманию турбулентности, развитие методов квантовой теории поля позволит по-иному взглянуть на генетическую эволюцию, а эксперименты по изучению устройства протона откроют нам новые возможности для создания материалов с экзотическими свойствами.
Кстати, иногда в ответ на вопрос о пользе физики элементарных частиц начинают перечислять те конкретные методики и приборы, которые явились побочным результатом изучения элементарных частиц. Их уже немало: адронная терапия раковых опухолей, позитронно-эмиссионная томография, мюонная химия, цифровые малодозные рентгеновские установки, самые разнообразные применения синхротронного излучения, плюс еще несколько методик в процессе разработки. Это всё верно, но надо понимать, что это именно побочная, а не главная польза от физики элементарных частиц.
Зачем надо изучать нестабильные частицы?
Окружающий нас мир состоит из частиц трех типов: протонов, нейтронов, электронов. Казалось бы, если мы хотим знать устройство нашего мира, давайте изучать только эти частицы. Кому интересны частицы, которые живут мгновения, а потом снова распадаются? Какое отношение эти частицы имеют к нашему микромиру?
Во-первых, многие из этих нестабильных частиц напрямую влияют на свойства и поведение наших обычных частиц — и это, кстати, одно из важных открытий в физике частиц. Оказывается, эти нестабильные частицы на самом деле присутствуют в нашем мире, но не в виде самостоятельных объектов, а в виде «некоторого» облачка, окутывающего каждую обычную частицу. И то, как обычные частицы взаимодействуют друг с другом, зависит не только от них самих, но и от окружающих их «облачков». Эти облачка порождают ядерные силы, связывающие протоны и нейтроны в ядра, они заставляют распадаться свободный нейтрон, они наделяют обычные частицы массой и другими свойствами.
Эти нестабильные частицы — невидимая, но совершенно неотъемлемая часть нашего мира, заставляющая его крутиться, работать, жить.
Вторая причина тоже вполне понятная. Если вам надо разобраться с устройством или с принципом работы какой-то очень сложной вещи, ваша задача станет намного проще, если вам разрешат как-то изменять, перестраивать эту вещь. Собственно, этим и занимаются отладчики (не важно чего: техники, программного кода и т. п.) — они смотрят, что изменится, если сделать так, повернуть эдак.
Экзотические для нашего мира элементарные частицы — это тоже как бы обычные частицы, у которых «что-то повернуто не так». Изучая все эти частицы, сравнивая их друг с другом, можно узнать о «наших» частицах гораздо больше, чем в экспериментах только с протонами да электронами. Уж так устроена природа — свойства самых разных частиц оказываются глубоко связаны друг с другом!
Зачем нужны такие огромные ускорители?
Ускоритель — это по своей сути микроскоп, и для того, чтобы разглядеть устройство частиц на очень малых масштабах, требуется увеличивать «зоркость» микроскопа. Предельная разрешающая способность микроскопов определяется длиной волны частиц, используемых для «освещения» мишени — будь то фотоны, электроны или протоны. Согласно квантовым законам, уменьшить длину волны квантовой частицы можно путем увеличения ее энергии. Поэтому-то и строятся ускорители на максимально достижимую энергию.
В кольцевых ускорителях частицы летают по кругу и удерживаются на этой траектории магнитным полем мощных сверхпроводящих магнитов. Чем больше энергия частиц — тем большее требуется магнитное поле при постоянном радиусе или тем большим должен быть радиус при постоянном магнитном поле. Увеличивать силу магнитного поля очень трудно с физической и инженерной точки зрения, поэтому приходится увеличивать размеры ускорителя.
Впрочем, физики сейчас работают над новыми, намного более эффективными методиками ускорения элементарных частиц (см., например, новость Первое применение лазерных ускорителей будет медицинским). Если эти методы оправдают свои ожидания, то в будущем максимально достижимая энергия частиц сможет увеличиться при тех же размерах ускорителей. Однако ориентироваться тут можно лишь на срок в несколько десятков лет.
Но не стоит думать, что гигантские ускорители — это единственное орудие экспериментальной физики элементарных частиц. Есть и «второй фронт» — эксперименты с меньшей энергией, но с очень высокой чувствительностью. Тут примером могут служить так называемые b-фабрики BaBar в Стэнфорде и Belle в Японии. Это электрон-позитронные коллайдеры со скромной энергией (около 10 ГэВ), но с очень высокой светимостью. На этих коллайдерах рождаются B-мезоны, причем в таких больших количествах, что удается изучить чрезвычайно редкие их распады и заметить проявление разнообразных тонких эффектов. Эти эффекты могут быть вызваны новыми явлениями, которые изучаются (правда, с другой точки зрения) и на LHC. Поэтому такие эксперименты столь же важны, как и эксперименты на коллайдерах высоких энергий.
Зачем нужны такие дорогие эксперименты?
Часто можно услышать возмущенные голоса: а по какому праву физики тратят такие огромные деньги налогоплательщиков на удовлетворение собственного любопытства? Ведь их можно потратить и с гораздо большей конкретной практической пользой!
На самом деле, если взглянуть на ситуацию реалистично, то альтернатива LHC состояла не в том, чтобы пустить эти же деньги на какую-то «практически полезную» деятельность, а в том, чтобы провести на них еще несколько десятков экспериментов по физике элементарных частиц, но среднего масштаба.
Логика тут совершенно прозрачна. Правительства большинства стран понимают, что некоторую долю бюджета необходимо тратить на фундаментальные научные исследования — от этого зависит будущее страны. Эта доля, кстати, не такая уж и большая, порядка 2-3% (для сравнения, военные расходы составляют, как правило, десятки процентов). Расходы на фундаментальную науку выделяются, разумеется, не в ущерб другим статьям бюджета. Государства тратят деньги и на здравоохранение, и на социальные проекты, и на развитие технологий с конкретными практическими применениями, и на благотворительность, и на помощь голодающим Африки и т. д. «Научные» деньги — это отдельная строка бюджета, и эти деньги сознательно направлены на развитие науки.
Как это финансирование распределяется между разными научными дисциплинами, зависит от конкретной страны. Значительная часть уходит в биомедицинские исследования, часть — в исследования климата, в физику конденсированных сред, астрофизику и т. д. Своя доля уходит и в физику элементарных частиц.
Типичный годовой бюджет экспериментальной физики элементарных частиц, просуммированный по всем странам, — порядка нескольких миллиардов долларов (см., например, данные по США). Большинство этих денег тратится на многочисленные эксперименты небольшого масштаба, которых поставлено в последние годы порядка сотни, причем они финансируются на уровне отдельных институтов или в редких случаях — стран. Однако опыт последних десятилетий показал, что если объединить хотя бы часть денег, выделяемых на ФЭЧ во многих странах, в результате может получиться эксперимент, научная ценность которого намного превзойдет суммарную ценность множества мелких разрозненных экспериментов.
Именно с целью резкого увеличения научной эффективности при тех же деньгах и был создан LHC. Подробности про ожидаемую научную ценность экспериментов можно узнать из списка задач, стоящих перед LHC.
Большой Адронный Коллайдер своими глазами
Большинство, конечно, знают о существовании Большого Адронного Коллайдера и видели его фотографии, но вот вероятность посмотреть на него своими глазами для обыкновенного человека, я думаю, меньше, чем вероятность появления бозона Хиггса на этом самом коллайдере. Поэтому, когда летом на элементах.ру появилась маленькая заметка о том, что CERN (Центр Европейских Ядерных Исследований) в конце сентября проводит день открытых дверей, у меня не было сомнений — надо ехать.
Особенностью всего этого является то, что CERN — это не музей, а работающие лаборатории и то, что они показывают является реальными научными установками.
Оказалось, однако, что свободно можно посещать только те места, которые находятся на поверхности земли, а коллайдер, как всем известно, находится глубоко под землей. Для посетителей CERN выбрал несколько точек в коллайдере на которые можно было взять именной билет (бесплатно) на специальном сайте и количество этих билетов было строго ограничено. Причем одному человеку разрешалось взять только один билет. Не буду вдаваться в подробности, как я мониторил их сайт на предмет появления билетов — как я потом понял билеты появлялись в случайные промежутки времени (что вобщем-то справедливо, поскольку давало шанс всем желающим получить билет). В конце концов мне досталось посещение CMS — Compact Muon Solenoid — одного из двух детекторов, на котором был открыт бозон Хиггса (второй детектор — Атлас).
Compact Muon Solenoid — это такой самый большой в мире соленоид, в котором создается магнитное поле и исследуются распады заряженных частиц, в основном мюонов. Мое путешествие к данному детектору началось с поезки на автобусе к точке 5 — где этот самый прибор находится. Надо сказать, что длина окружности коллайдера составляет 27 километров на территории Франции и Швейцарии и перемещаться между различными точками представляет непростую транспортную задачу. К счастью, организаторы пустили бесплатные автобусы между всеми интересными местами и я приехал туда на таком автобусе. Само здание на поверхности представляет собой довольно большое сооружение с воротами.
На этой фотографии видно, что находится внутри здания.
Надо сказать, что посетители должны регистрироваться по своему билету и получить бэдж. Перед самыми воротами людей делят на группы по 15 человек и выделяют по одному гиду из числа местных сотрудников. Нашей группе достался молодой американский аспирант, работающий на коллайдере. У всех отбирают сумки и выдают каски. Это я, готов к погружению спуску.
Перед спуском под землю наш аспирант рассказывает о том, что такое CMS и для чего он нужен. Народ внимательно слушает рассказ про мюоны и магнитное поле.
Далее аспирант говорит, что детектор построен группой стран, кажная из которых внесла определенное количество денег. Кроме России. Россия оказалась самой хитрой умной и получила свое место за сцинтилляционные кристаллы, которые раньше использовались в какой-то военной программе, а потом их хотели выбросить, но не выбросили, а отдали в CERN. После рассказа, заставившего меня гордиться своей Родиной, наш гид провел короткий инструктаж по технике безопасности, который заключался в том, что все будет хорошо, и если даже мы застрянем в лифте то нас быстро вытащат.
Наконец мы идем к лифту:
И набиваемся в него как сельди в бочке.
После непродолжительного спуска, при котором у всех заложило уши, мы оказываемся на глубине около 100 метров. Двери лифта открываются и мы оказываемся в half-life:
Мы идем по длинному подземному коридору:
Коридор резко заканчивается и мы оказываемся в огромном зале высотой с пятиэтажный дом и огромным цилиндром посередине. Невозможно описать словами это зрелище. Пожалуй, даже фотографии не передают грандиозности сооружения!
Тысячи проводов опутывают цилиндр. Как сказал наш гид, в этом детекторе миллионы измерительных каналов, а энергии, запасенной магнитным полем достаточно, чтобы расплавить десять тонн золота.
Грандиозность сооружения вызывает уважение и восторг за возможности человеческого гения.
Наш гид что-то объясняет зачарованным гостям.
А там у нас есть та-а-акой прибор.
Видно, что здесь несколько этажей.
Интересно, как местные инженеры разбираются со всеми этими проводами?
Постепенно продвигаемся вдоль детектора.
Видны детали крупным планом.
Наконец детектор заканчивается и мы поднимаемся по лестнице вверх.
Автопортрет на фоне детектора.
Опять попадаем в коридор.
Здесь находится телепорт в другое измерение хитрый шлюз. Для того, чтобы пройти через него, надо посмотреть в такую штуку, которая находится на уровне головы.
Но сегодня она не работает.
а стене висят различные знаки. Особенно впечатляет знак, висящий под красной лампой.
Мы попадаем в вычислительный центр. Конечно, это небольшой вычислительный центр, который используется для предварительной обработки и хранения информации.
Видны стойки с оборудованием.
Далее находится шахта, по которой доставляется оборудование.
Напоследок, наш гид рассказывает про историю создания этого детектора.
Все идут к лифту и едут наверх.
Как известно, все это создается с целью познания природы и попыткой описать с помощью как можно меньшего числа уравнений. И вот к чему это привело на сегодняшний день: все наши текущие знания записаны в виде лагранжиана стандартной модели на этом камне. Надо добавить только гравитацию?
Если данная тема вызовет интерес я могу также рассказать про центр управления коллайдером и главный вычислительный центр.
