Почти всю прошлую неделю ленты новостных СМИ пестрели сообщениями о ЦЕРНе, Большом адронном коллайдере и найденной там новой частице. В итоге она и правда оказалась бозоном Хиггса - частицей, которая подтверждает Стандартную модель, - а значит, ученые наконец могут быть уверены в своих взглядах на устройство мира.

Сегодня FURFUR публикует дневник научного сотрудника ЦЕРН Степана Образцова. Он рассказал не только о поисках бозона Хиггса и работе адронного коллайдера, но и о традициях жизни этого города ученых со своими языком, рок-группами и фестивалями.

О первом визите: Первый раз я появился в ЦЕРНе, наверное, когда мне было около года и позже - примерно в пять лет - так что для меня это второе родное место после России. Тогда там работал мой отец. Я впитывал в себя все происходящее вокруг, отец уже в детстве мне объяснял какие-то вещи. В ЦЕРНе есть постоянная экспозиция для туристов, где наглядно показывают всякие простые штуки: например, там есть искровая камера - в ней частица пролетает через камеру, наполненную газом и с проволокой под напряжением, и вызывает искру. В общем, он мне объяснял, какие частицы летят из космоса, почему и когда их видно и так далее.

Об образовании: Позже я окончил МГУ на кафедре физики космоса. Когда нас распределяли, я пошел в лабораторию адронных взаимодействий в НИИ ЯФ (Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д. В. Скобельцына) при МГУ. Так что ездить в ЦЕРН я начал, когда еще учился - там есть летняя школа для студентов, где собираются порядка четырехсот учеников каждое лето, и уже тогда я начинал работать с адронным коллайдером из-за темы моего диплома. А сейчас я езжу в командировки и накапливаю материал для диссертации.

Так выглядит вход в ЦЕРН ночью

О работе в ЦЕРНе: Стоит сказать, что работаю я не над одной задачей, а сразу над несколькими - так делают все. Работа в ЦЕРНе всегда делится на исследовательскую и сервисную. Сервисную работу ты должен выполнять, потому что каждый институт, который участвует в коллаборации, берет на себя обязательства выполнять эти работы, не связанные с какими-то открытиями. То есть это некий обмен: проводи на коллайдере свои опыты, но за это тебе придется еще и следить за детекторами. Научной деятельностью это назвать можно, но она носит очень прикладной характер: калибровка детектора, участие в сменах на детекторе, мониторинг данных и много всего вспомогательного по настройке этой гигантской машины. Считается, что мы ездим в командировки в основном для того, чтобы выполнять сервисные работы.

Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе - это гигантское кольцо-ускоритель длиной 28 километров. В его центр помещают радиоактивный источник частиц, которые пучком запускают по небольшому кольцу, потом по линейному туннелю. Разогнавшись, они выходят на внутреннее небольшое кольцо, а потом и на главное. Эти пучки протонов пускают в кольце по два в разных направлениях, наблюдают за их движением и собирают статистику - у меня набирается по два гигабайта данных в секунду, нехилый такой объем за день получается.

На Большом адронном коллайдере стоит четыре детектора: CMS, ATLAS, LHCb и ALICE. Я работаю на CMS - он весит примерно 4,5 тысячи тонн. А его магнитное поле - 4 тесла (в два раза больше, чем все магнитное поле Земли).

Сам ЦЕРН находится в пятнадцати минутах езды от Женевы, на самой границе Франции и Швейцарии. Наукоградом (которые мы знаем по многочисленным проектам Советского Союза) он не является, так как постоянно проживающих людей там довольно мало. Вместо этого там расположен огромный хостел, в котором останавливаются инженеры, если приезжают на короткий срок. А вообще сама территория просто огромная, потому что в исследованиях задействовано огромное количество людей: в одном только эксперименте, где я участвую, - четыре тысячи человек. И каждый из этих четырех тысяч постоянно что-то делает.

Детектор CMS, вид сбоку
Детектор CMS, фронтальный вид. Детекторы имеют слоистую структуру - каждый слой регистрирует свои изменения среды

На большом кольце расположены также четыре разных детектора, которые как раз и собирают данные. Соответственно, когда пучки уже циркулируют по кольцу, включают коллиматоры (огромные магниты), которые отклоняют пучки и делают так, чтобы они столкнулись - само столкновение происходит в центре одного из детекторов. Когда протоны сталкиваются, рождаются новые частицы, которые мы регистрируем. В этом и заключается суть эксперимента. Такие запуски и столкновения происходят круглые сутки весь год - не так, что коллайдер один раз запустили, столкнули что-то, и все.

У каждого детектора есть комната управления: сам детектор находится в шахте, а контрол-рум - на поверхности, где сидит круглые сутки порядка двадцати человек, и каждый отвечает за какую-то свою подсистему детектора - ты собираешь разную информацию с частей системы и можешь потом получить общую картину. Помимо людей, которые сидят на подсистемах, есть еще люди, ответственные за сбор данных, контроль детектора в целом, есть начальник смены, человек, который отвечает за магнит - все вместе они в одной комнате сидят и наблюдают за работой.

Еще один детектор - ALICE

Так исторически сложилось, что наша лаборатория занимается физикой тяжелых ионов: это когда в кольце пускают не пучки протонов, а пучки ионов свинца или ионов золота. Особенность в том, что, когда сталкиваются ядра, то среда, в которой происходит столкновение, становится более плотной. Начали сталкивать ионы, потому что были теоретические прогнозы, что можно будет наблюдать новое состояние вещества - кварк-глюонную плазму, - в котором Вселенная находилась спустя несколько микросекунд после Большого взрыва. Это суперплотная среда, и вещество в таком состоянии обладает свойствами как твердого тела, так и газа, жидкости и плазмы. Идея эксперимента в том, чтобы сравнить то, что получается, когда ты сталкиваешь протоны и когда - ионы. Когда сталкиваешь свинец, среда насколько плотная, что некоторые частицы не могут оттуда вылететь и пролететь эту среду - они гасятся в ней. То, что такое состояние действительно есть, подтвердили в конце 2010 года.

О командировках: Приезжаю я один раз летом и один раз зимой, по два месяца. От хостела до работы мне идти полминуты. Там такой свой внутренний мирок, где находится много людей, и он достаточно сильно отличается от обычного мира. Там стирается грань между тем, что ты вроде как работаешь и отдыхаешь. Это бесконечный процесс, который нельзя остановить. Всего там обитает примерно тридцать тысяч человек, чувствуешь себя мелким винтиком в огромной машине. Сложно самостоятельно что-то изобрести или открыть, когда ты в таком гигантском аппарате задействован.

Вид из комнаты хостела в ЦЕРНе

Об устройстве ЦЕРНа: По своей структуре ЦЕРН - это международная коллаборация, в которой участвует 150 институтов из 37 стран, и своего собственного штата там мало. Большая часть людей, которые там работают, не является работниками ЦЕРНа, они занимают какие-то должности в институтах, участвующих в коллаборации, как и в моем случае. А в церновском штате состоят только самые крутые, суперзаслуженные нобелевские лауреаты на пожизненном контракте, которые уже все придумали, что могли, в этой жизни и живут в доме у подножия горы, ездят оттуда на ретромашинах. В общем, стареющие рок-звезды от физики.

О специализации: Каждый физик далеко не универсален. Они делятся на разные категории: если глобально, то экспериментаторы и теоретики, а между ними - те, кто занимается анализом. В свою очередь экспериментаторы делятся на тех, кто занимается физикой детектора, и тех, кто занимается физикой ускорителя. То есть те, кто разгоняет частицы и кто их регистрирует, - это разные две области, причем ускорительщики достаточно высоко ценятся, потому что их меньше в мире существует - в Москве их у нас не готовят, только в Новосибирске. Физики, которые занимаются детектором, мало знают об ускорителе, они практически не пересекаются с ускорительщиками, это отдельные две касты. Одни запускают, другие ловят.

О шифтерах: Когда ты сидишь на смене - есть утренняя, дневная и ночная, каждая по восемь часов, - там стоит куча мониторов, и тебе приходится держать в голове сразу очень много информации. Плюс все так хитро устроено, что перед тем, как ты становишься сменщиком, ты должен обучение пройти - три смены, когда ты сидишь с полноценным сменщиком, потом, когда выучился, уже тебе дают учеников. Бывало так, что я учил взрослых дядек, которые физику знают намного лучше меня. Особенность этой работы в том, что ты мало чего делаешь в одиночку, поэтому она развивает способность к контакту. Когда идет переписка между русскими (а их там очень много), у нас получается полуанглийский-полурусский язык, потому что для многих слов русских аналогов нет. Шифтер - это по-английски сменщик. Сменщиками мы друг друга не называем, называем шифтерами. А еще там никто не говорит «бозон Хиггса», все говорят просто «Хиггс».

Один из концертов на фестивале Hardronic Fest

О развлечениях: Людей в ЦЕРНе безумно много, и все они чем-то увлекаются - там есть клубы по интересам - от тяжелой атлетики и хорового пения до шахмат и фрисби. Есть музыкальный клуб - три комнаты репетиционных - и порядка пятнадцати групп, которые устраивают летом Hardronic Festival - он идет два дня с огромной большой сценой. Там выступают группы, полностью состоящие из научных сотрудников. Необычного мало - в основном какие-то кавер-группы, но все же. Там и я чуть поигрываю - когда еду, всегда гитару беру с собой. В репетиционной комнате есть все оборудование для записи - наигрываю под метроном, пишу барабаны, потом свожу.

О доступе к информации: В командировках я там был восемь раз - в сумме больше года. Но мне нет разницы никакой, где работать - здесь или там, потому что ты даже на расстоянии подключаешься к серверам ЦЕРНа. Есть гигабитные сети, которые объединяют институты по всему миру. Часть данных хранится на жестких дисках, но большая часть - на кассетах, которыми управляет специальный робот. Ты пишешь всего одну команду, сидя в Москве - робот в ЦЕРНе едет к нужной секции, достает твою кассету, вставляет ее, считывает, переводит на жесткий диск, и ты получаешь данные.

Бозон Хиггса - это частица, которая, как считается, ответственна за наличие массы у вещества. Все частицы находятся в поле, которое создает бозон Хиггса. Находясь в этом поле, они обладают массой. Есть так называемая Стандартная модель - это та модель устройства мира, которую мы все со школы проходим. В ней все взаимодействия делятся на четыре типа: сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное. У каждого взаимодействия есть переносчик - например, электрон у электромагнитного. Так вот, все частицы-переносчики уже давно были открыты и зафиксированы, кроме бозона Хиггса. Факт того, что он существует, говорит нам о том, что эта модель состоятельна и мы вроде как достаточно хорошо понимаем, что во Вселенной происходит. В любом случае Стандартная модель - это всего лишь модель, в физике всегда речь идет о моделях. Любая модель верна только до какого-то знака после запятой, самой точной модели не существует.

Поиском и исследованием бозона Хиггса в Большом адронном коллайдере занимаются два детектора - CMS и ATLAS. Последние два года они Хиггс не открывали, а методично закрывали области, где его быть не может. И оставалось совсем маленькое окошечко, где он может оказаться. В прошлом году был собран крупный митинг всех участников коллаборации, где объявили, что за 2012 год точно смогут выяснить, существует бозон Хиггса на самом деле или нет.

Вид сбоку на детектор ATLAS. Фронтальный его вид можно посмотреть на самом первом изображении в этом материале

О процессе выгорания: Когда ускоритель только запустили, было жаркое время, потому что постоянно что-то ломалось. У нас это называлось «процесс выгорания» - то есть когда детектор только начал работать, должно было сломаться все ненадежное, чтобы потом работа вошла в нормальный темп. Постепенно детектор умирает: какие-то части - из-за того, что там радиация большая, непосредственно при столкновении и материалы все эти изнашиваются - теряют свои свойства. В конце этого года будет большое выключение коллайдера на год или даже на два года для апгрейда, будут и в детекторах копаться, и какие-то магниты менять в самом ускорителе, чтобы выйти на изначально заявленные мощности.

О том, что дальше: Вся эта работа по проектированию коллайдера начиналась в конце 1980-х, у меня отец успел во всем этом принять участие - где-то до года 1994-го. После этого произошел конфликт между русскими и американцами, и он ушел. В России очень много ребят готовят, которые потом отправятся работать в ЦЕРН, у нас в стране много ускорителей, накоплено уже немало опыта. И в ЦЕРНе потом доучиваются летом по 400 студентов в год. То есть поколения сменяются, а эксперименты продолжаются.

Об этом загадочном устройстве ходит множество слухов, многие утверждают что он уничтожит Землю, создав искусственную черную дыру и положив конец существованию человечества. В реальности же это устройство может вывести человечество на совершенно новый уровень, благодаря исследованиям, проведенным учеными. В этой теме я попытался собрать всю необходимую информацию для того, чтоб у вас сложилось впечатление о том, что такое Большой адронный коллайдер (БАК)

Итак, в этой теме собрано все, что вам нужно знать об адронном коллайдере. 30 марта 2010 года в CERN (европейская организация ядерных исследований) произошло историческое событие – после нескольких неудачных попыток и множества модернизаций создание самой большой в мире машины для разрушения атомов было окончено. Предварительные тесты, инициирующие столкновения протонов на относительно низкой скорости проводились в течение 2009 и при этом не возникло никаких существенных проблем. Готовилась почва для экстраординарного эксперимента, который будет проведен весной 2010. У основной экспериментальной модели БАК в основе заложено столкновение двух протонных лучей, которые сталкиваются на максимальной скорости. Это мощнейшее столкновение разрушает протоны, создавая экстраординарные энергии и новые элементарные частицы. Эти новые атомные частицы чрезвычайно непостоянны и могут существовать лишь в течение доли секунды. Аналитический аппарат, входящий в состав БАК, может сделать запись этих событий и детально проанализировать. Таким образом ученые пытаются смоделировать возникновение черных дыр.

30 марта 2010, два луча протонов были выпущены в 27-километровый тоннель Большого Адронного Коллайдера в противоположных направлениях. Они были ускорены до скорости света, на которой и произошло столкновение. Была зарегистрирована побивающая рекорды энергия 7 TeV (7 тераэлектронвольт). Величина этой энергии рекордная и имеет очень важные значения. Теперь давайте познакомимся с самыми важными составляющими БАК – датчиками и детекторами, которые регистрируют происходящее во фракциях за те доли секунд, в течение которых происходит столкновение протонных лучей. Есть три датчика, выполняющие центральные роли во время столкновения 30 марта 2010 – это одни из важнейших частей коллайдера, играющие ключевую роль во время сложных экспериментов CERN. На диаграмме показано расположение четырех основных экспериментов (ALICE, ATLAS, CMS и LHCb), которые являются ключевыми проектами БАК. На глубине от 50 до 150 метров под землей были выкопаны огромные пещеры специально для гигантских датчиков-детекторов

Начнем с проекта под названием ALICE (аббревиатура от Большой экспериментальный ионный коллайдер). Это одна из шести экспериментальных установок, построенных на БАК. ALICE настроена для исследования столкновений тяжёлых ионов. Температура и плотность энергии образованной при этом ядерной материи достаточной для рождения глюонной плазмы. На фотографии детектор ALICE и все его 18 модулей


Внутренняя система слежения (ITS) в ALICE состоит из шести цилиндрических слоев кремниевых датчиков, окружающих пункт столкновения и измеряющих свойства и точные положения появляющихся частиц. Таким образом могут быть легко обнаружены частицы, содержащие тяжелый кварк

Одним из основных экспериментов БАК является также ATLAS. Эксперимент проводится на специальном детекторе, предназначенном для исследования столкновений между протонами. Длина ATLAS – 44 метра, 25 метров в диаметре и вес приблизительно 7000 тонн. В центре тоннеля сталкиваются лучи протонов, это самый большой и самый сложный из когда либо построенных датчиков такого типа. Датчик фиксирует все, что происходит во время и после столкновения протонов. Целью проекта является обнаружение частиц, до этого не зарегистрированных и не обнаруженных в нашей вселенной.

Открытие и подтверждение Бозона Хиггса – важнейший приоритет Большого Адронного Коллайдера, потому что это открытие подтвердило бы Стандартную Модель возникновения элементарных атомных частиц и стандартной материи. Во время запуска коллайдера на полную мощность целостность Стандартной Модели будет разрушена. Элементарные частицы, свойства которых мы понимаем лишь частично, не будут в состоянии поддерживать свою структурную целостность. У Стандартной Модели есть верхняя граница энергии 1 TeV, при увеличении которой частица распадается. При энергии в 7 TeV могли бы быть созданы частицы с массами, в десять раз больше чем ныне известные. Правда они будут очень непостоянны, но ATLAS разработан, чтобы обнаружить их в те доли секунды, прежде чем они "исчезнут"

Это фото считается самым лучшим из всех фотографий Большого Адронного Коллайдера:

Компактный мюонный соленоид (Compact Muon Solenoid ) является одним из двух огромных универсальных детекторов элементарных частиц на БАК. Около 3600 ученых из 183 лабораторий и университетов 38 стран, поддерживают работу CMS, которая построила этот детектор и работает с ним. Соленоид расположен под землей в Цесси на территории Франции, близ границы со Швейцарией. На схеме показано устройство CMS, о котором мы и расскажем подробнее

Самый внутренний слой - основанный на кремнии трекер. Трекер - самый большой в мире кремниевый датчик. У этого есть 205 m2 кремниевых датчиков (приблизительно область теннисного корта), включающих 76 миллионов каналов. Трекер позволяет измерять следы заряженных частиц в электромагнитном поле

На втором уровне находиться Электромагнитный калориметр. Адронный Калориметр, находящийся на следующем уровне, измеряет энергию отдельных адронов, произведенных в каждом случае

Следующий слой CMS Большого Адронного Коллайдера – огромный магнит. Большой Соленоидный Магнит составляет 13 метров в длину и имеет 6-метровый диаметр. Состоит он из охлаждаемых катушек, сделанных из ниобия и титана. Этот огромный соленоидный магнит работает на полную силу, чтоб максимизировать время существования частиц

5 слой - Мюонные детекторы и ярмо возврата. CMS предназначен для исследования различных типов физики, которые могли бы быть обнаружены в энергичных столкновениях LHC. Некоторые из этих исследований заключаются в подтверждении или улучшенных измерениях параметров Стандартной Модели, в то время как многие другие - в поисках новой физики.

Очень немного информации доступно об эксперименте 30 марта 2010, Но один факт известен точно. CERN сообщила, что был зарегистрирован беспрецедентный выброс энергии на третьей попытке запуска коллайдера, когда лучи протонов мчались вокруг 27-километрового тоннеля и затем столкнулись на скорости света. Рекордный зарегистрированный уровень энергии был зафиксирован на максимуме, который может выдать в его текущей конфигурации – приблизительно 7 TeV. Именно такое количество энергии было характерно для первых секунд начала Большого Взрыва, давшего начало существованию нашей вселенной. Изначально такой уровень энергии не ожидался, но результат превзошел все ожидания

На схеме показано, как ALICE фиксирует рекордный выброс энергии в 7 TeV:

Этот эксперимент будет повторен сотни раз в течение 2010 года. Чтобы вы поняли, насколько сложен этот процесс, можно привести аналогию разгону частиц в коллайдере. По сложности это равнозначно например выстрелу иголками с острова Ньюфаундленд с такой идеальной точностью, чтобы эти иглы столкнулись где-нибудь в Атлантике, облетев весь Земной шар. Главная цель – обнаружение элементарной частицы – Бозона Хиггса, которая лежит в основе Стандартной Модели построения вселенной

При удачном исходе всех этих экспериментов мир самых тяжелых частиц в 400 ГэВ (так называемая Темная Материя)может наконец быть открыт и исследован.

Большой адронный коллайдер называют либо «машиной Судного дня», либо ключом к тайне Вселенной, но его значимость не подвергается сомнению.

Как сказал когда-то знаменитый британский мыслитель Бертран Рассел: « – это то, что вы знаете, философия – то, чего не знаете». Казалось бы, что истинно научное знание давно отделилось от своих истоков, которые можно найти в философских изысканиях Древней Греции, но это не совсем так.

На протяжении двадцатого века ученые пытались найти в науке ответ на вопрос об устройстве мира. Этот процесс был похож на поиск смысла жизни: огромное множество теорий, предположений и даже безумный идей. К каким же выводам пришли ученые к началу XXI века?

Весь мир состоит из элементарных частиц , которые представляют собой конечные формы всего сущего, то есть то, что нельзя расщепить на более мелкие элементы. К ним относятся протоны, электроны, нейтроны и так далее. Эти частицы находятся между собой в постоянном взаимодействии. На момент начала нашего столетия оно выражалось в 4 фундаментальных типах: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Первое описывается Общей теорией относительности, другие три объединяются в рамках Стандартной модели (квантовая теория). Было также сделано предположение о существовании еще одного взаимодействия, впоследствии названного «поле Хиггса».

Постепенно стала формироваться идея объединения всех фундаментальных взаимодействий в рамках «теории всего» , которая изначально воспринималась как шутка, но быстро переросла в мощное научное направление. Зачем это нужно? Всё просто! Без понимания того, как функционирует мир, мы словно муравьи в искусственном гнезде – не выберемся за пределы своих возможностей. Человеческое знание не может (ну, или пока не может, если вы оптимист) охватить устройство мира целиком.

Одной из самых знаменитых теорий, претендующих на «объятие всего», считается теория струн . Она подразумевает, что вся Вселенная и наша с вами жизнь многомерна. Несмотря на разработанную теоретическую часть и поддержку знаменитых физиков, таких, как Брайан Грин и Стивен Хокинг, она не имеет экспериментального подтверждения.

Ученые, спустя десятилетия, устали вещать с трибун и решили построить то, что раз и навсегда должно расставить все точки над «i». Для этого и была создана крупнейшая в мире экспериментальная установка – Большой адронный коллайдер (БАК).

«К коллайдеру!»

Что такое коллайдер? Если говорить научным языком, то это – ускоритель заряженных частиц, предназначенный для разгона элементарных частиц для дальнейшего понимания их взаимодействия. Если говорить ненаучным языком – это большая арена (или песочница, если вам угодно), на которой ученые сражаются за подтверждение своих теорий.

Впервые идея столкнуть элементарные частицы и посмотреть, что будет, появилась у американского физика Дональда Вильяма Керста (Donald William Kerst) в 1956 году. Он предположил, что благодаря этому ученым удастся проникнуть в тайны Вселенной. Казалось бы, что плохого в том, чтобы столкнуть между собой два пучка протонов с суммарной энергией в миллион раз больше, чем от термоядерного синтеза? Времена были соответствующие: холодная война, гонка вооружений и все такое.

История создания БАК

Идея создания ускорителя для получения и исследования заряженных частиц появилась еще в начале 1920-х годов, но первые прототипы были созданы только к началу 1930-х. Изначально они представляли собой высоковольтные линейные ускорители, то есть заряженные частицы двигались прямолинейно. Кольцевой вариант был представлен в 1931 году в США, после чего похожие устройства стали появляться в ряде развитых стран – Великобритании, Швейцарии, СССР. Они получили название циклотроны , и стали в дальнейшем активно использоваться для создания ядерного оружия.

Нужно отметить, что стоимость строительства ускорителя частиц неимоверно высокая. Европа, игравшая во время холодной войны не первостепенную роль, поручила его создание Европейской организации по ядерным исследованиям (на русском часто читается как ЦЕРН) , которая в дальнейшем занялась и строительством БАК.

ЦЕРН была создана на волне беспокойства мирового сообщества в отношении ядерных исследований в США и СССР, которые могли привести к всеобщему истреблению. Поэтому ученые решили объединить усилия и направить их в мирное русло. В 1954 году ЦЕРН получила своё официальное рождение.

В 1983 году под эгидой ЦЕРН были открыты бозоны W и Z, после чего вопрос об открытии бозонов Хиггса стал лишь делом времени. В том же году началась работа над строительством Большого электрон-позитронного коллайдера (БЭПК), который сыграл первостепенную роль в изучении обнаруженных бозонов. Однако уже тогда стало ясно, что мощности созданного устройства в скором времени окажутся недостаточными. И в 1984 году было принято решение о строительстве БАК, сразу после того, как БЭПК будет демонтирован. Это и произошло в 2000 году.

Строительство БАК, начавшееся в 2001 году, облегчалось тем, что оно происходило на месте бывшего БЭПК, в долине Женевского озера. В связи с вопросами финансирования (в 1995 году стоимость оценивалась в 2,6 млрд швейцарских франков, к 2001 превысила 4,6 млрд, в 2009 составила 6 млрд долларов).

На данный момент БАК располагается в туннеле с длиной окружности 26,7 км и проходит через территории сразу двух европейских стран – Франции и Швейцарии. Глубина туннеля варьируется от 50 до 175 метров. Нужно также отметить, что энергия столкновения протонов в ускорителе достигает 14 тераэлектронвольт, что в 20 раз больше достигнутых результатов при использовании БЭПК.

«Любопытство – не порок, но большое свинство»

27-километровый туннель коллайдера ЦЕРН, расположен в 100 метрах под землей недалеко от Женевы. Здесь будут находиться огромные сверхпроводящие электромагниты. Справа транспортные вагоны. Juhanson / wikipedia.org (CC BY-SA 3.0)

Зачем нужна эта рукотворная «машина Судного дня»? Ученые рассчитывают увидеть мир таким, каким он был сразу после Большого взрыва, то есть в момент образования материи.

Цели , которые поставили перед собой ученые при строительстве БАК:

1. Подтверждение или опровержение Стандартной модели с целью дальнейшего создания «теории всего».
2. Доказательство существования бозона Хиггса как частицы пятого фундаментального взаимодействия. Она, согласно теоретическим изысканиям, должна влиять на электрическое и слабое взаимодействие, нарушая их симметрию.
3. Изучение кварков, представляющих собой фундаментальную частицу, которая в 20 тысяч раз меньше состоящих из них протонов.
4. Получение и исследование темной материи, составляющей большую часть Вселенной.

Это далеко не единственные цели, возложенные учеными на БАК, но остальные больше относятся к смежным или сугубо теоретическим.

Чего удалось достичь?

Несомненно, наиболее крупным и значимым достижением стало официальное подтверждение существования бозона Хиггса . Открытие пятого взаимодействия (поля Хиггса), которое, по утверждениям ученых, влияет на приобретение массы всеми элементарными частицами. Считается, что при нарушении симметрии в процессе воздействия поля Хиггса на другие поля, бозоны W и Z становятся массивными. Открытие бозона Хиггса настолько велико по своей значимости, что ряд ученых дал им название «божественные частицы».

Кварки объединяются в частицы (протоны, нейтроны и другие), которые получили название адроны . Именно они ускоряются и сталкиваются в БАК, откуда и пошло его название. В процессе работы коллайдера было доказано, что выделить кварк из адрона попросту невозможно. Если вы попытаетесь это сделать, то просто вырвете из, например, протона другой вид элементарной частницы – мезон . Несмотря на то что это лишь один из адронов и ничего нового в себе не несет, дальнейшее изучение взаимодействия кварков должно осуществляться именно небольшими шагами. В исследованиях фундаментальных законов функционирования Вселенной спешка опасна.

Хоть сами кварки и не были открыты в процессе использования БАК, но их существование до определенного момента воспринималось как математическая абстракция. Первые такие частицы были найдены в 1968 году, но лишь в 1995-ом официально доказано существование «истинного кварка». Результаты экспериментов подтверждаются возможностью их воспроизвести. Поэтому достижение БАК аналогичного результата воспринимается не как повтор, а как закрепляющее доказательство их существования! Хотя проблема с реальностью кварков никуда и не исчезла, ведь их просто нельзя выделить из адронов.

Какие планы?

Основная задача по созданию «теории всего» решена не была, но теоретическая проработка возможных вариантов её проявления ведется. До сих пор одной из проблем объединения Общей теории относительности и Стандартной модели остается разная область их действия, в связи с чем вторая не учитывает особенности первой. Поэтому важен выход за пределы Стандартной модели и достижения грани Новой физики .

Суперсимметрия – ученые считают, что она связывает бозонное и фермионное квантовые поля, да так, что они могут превращаться друг в друга. Именно подобная конверсия выходит за рамки Стандартной модели, так как существует теория, что в основе симметричного отображения квантовых полей лежат гравитоны . Они, соответственно, могут являться элементарной частицей гравитации.

Бозон Мадала – гипотеза о существовании бозона Мадала предполагает, что имеется еще одно поле. Только если бозон Хиггса взаимодействует с известными частицами и материей, то бозон Мадала – с темной материей . Несмотря на то что она занимает большую часть Вселенной, её существование не входит в рамки Стандартной модели.

Микроскопическая черная дыра – одно из исследований БАК заключается в создании черной дыры. Да-да, именно той черной, всепоглощающей области в космическом пространстве. Благо, что значительных достижений в этом направлении сделано не было.

На сегодняшний день Большой адронный коллайдер представляет собой многоцелевой исследовательский центр, на основе работы которого создаются и экспериментально подтверждаются теории, которые помогут нам лучше понять устройство мира. Вокруг ряда проводимых исследований, которые клеймятся опасными, нередко поднимаются волны критики, в том числе со стороны Стивена Хокинга, но игра определенно стоит свеч. Мы не сможем плыть в черном океане под названием Вселенная с капитаном, у которого ни карты, ни компаса, ни элементарных знаний об окружающем мире.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .

История создания ускорителя, который мы знаем сегодня как большой адронный коллайдер, начинается ещё с 2007 года. Изначально хронология ускорителей началась с циклотрона. Прибор представлял собой небольшое устройство, которое легко умещалось на столе. Затем история ускорителей стала стремительно развиваться. Появился синхрофазотрон и синхротрон.

В истории, пожалуй, самым занимательным стал период с 1956 по 1957 годы. В те времена советская наука, в частности физика, не отставала от зарубежных братьев. Используя наработанный годами опыт, советский физик по имени Владимир Векслер совершил прорыв в науке. Им был создан самый мощный по тем временам синхрофазотрон. Его рабочая мощность была равна 10 гигаэлектронвольт (10 миллиардов электронвольт). После этого открытия создавались уже серьёзные образцы ускорителей: большой электронно-позитронный коллайдер, Швейцарский ускоритель, в Германии, США. Все они имели одну общую цель — изучение фундаментальных частиц кварков.

Большой адронный коллайдер был создан в первую очередь благодаря стараниям итальянского физика. Имя ему Карло Руббиа, лауреат Нобелевской премии. Во время своей деятельности Руббиа работал директором в Европейской организации по ядерным исследованиям. Решено было построить и запустить адронный коллайдер именно на месте центра исследований.

Где адронный коллайдер?

Коллайдер размещён на границе между Швейцарией и Францией. Длина его окружности составляет 27 километров, поэтому его и называют большим. Кольцо ускорителя уходит вглубь от 50 до 175 метров. В коллайдере установлено 1232 магнита. Они являются сверхпроводящими, а значит из них можно выработать максимальное поле для разгона, так как затраты энергии в таких магнитах практически отсутствуют. Общий вес каждого магнита составляет 3,5 тонны при длине 14,3 метра.

Как и любой физический объект, большой адронный коллайдер выделяет тепло. Поэтому его необходимо постоянно остужать. Для этого поддерживается температура 1,7 К с помощью 12 миллионов литров жидкого азота. Помимо этого, для охлаждения используется (700 тысяч литров), и самое важное - используется давление, которое в десять раз ниже нормального атмосферного.

Температура 1,7 К по шкале Цельсия составляет -271 градус. Такая температура почти близка к называется минимально возможный предел, который может иметь физическое тело.

Внутренняя часть тоннеля не менее интересна. Там находятся ниобий-титановые кабели со сверхпроводящими возможностями. Их длина составляет 7600 километров. Общий вес кабелей равен 1200 тонн. Внутренность кабеля — это сплетение 6300 проволок с общим расстоянием в 1,5 миллиарда километров. Такая длина равна 10 астрономическим единицам. Например, равняется 10 таким единицам.

Если говорить о его географическом местоположении, то можно сказать, что кольца коллайдера лежат меж городов Сен-Жени и Форнее-Вольтер, расположенными на французской стороне, а также Мейрин и Вессурат - со Швейцарской стороны. Маленькое кольцо, именуемое PS, проходит вдоль границы по диаметру.

Смысл существования

Для того чтобы ответить на вопрос «для чего нужен адронный коллайдер», нужно обратиться к учёным. Многие учёные говорят, что это самое великое изобретение за весь период существования науки, и то, что без него у науки, которая известна нам сегодня, просто нет смысла. Существование и запуск большого адронного коллайдера интересны тем, что при столкновении частиц в адронном коллайдере происходит взрыв. Все мельчайшие частицы разлетаются в разные стороны. Образовываются новые частицы, которые могут объяснить существование и смысл многого.

Первое, что учёные старались найти в этих разбившихся частицах — это теоретически предсказанную физиком Питером Хиггсом элементарную частицу, названную Это потрясающая частица является носителем информации, как считается. Ещё её принято называть «частицей Бога». Открытие ее приблизило бы учёных к пониманию вселенной. Нужно отметить, что в 2012 году, 4 июля, адронный коллайдер (запуск его частично удался) помог обнаружить похожую частицу. На сегодняшний день учёные пытаются изучить её подробнее.

Долго ли...

Конечно, сразу возникает вопрос, а почему учёные так долго изучают эти частицы. Если есть прибор, то можно запускать его, и каждый раз снимать все новые и новые данные. Дело в том, что работа адронного коллайдера — это дорогостоящее удовольствие. Один запуск обходится в большую сумму. Например, годовой расход энергии равняется 800 млн. кВт/ч. Такой объем энергии расходует город, в котором проживает около 100 тыс. человек, по средним меркам. И это не считая затрат на обслуживание. Ещё одна причина - это то, что у адронного коллайдера взрыв, который происходит при сталкивании протонов, связан с получением большого объёма данных: компьютеры считывают столько информации, что на обработку уходит большое количество времени. Даже несмотря на то что мощность компьютеров, которые получают информацию, велика даже по сегодняшним меркам.

Следующая причина — это не менее известная Учёные, работающие с коллайдером в этом направлении, уверены, что видимый спектр всей вселенной составляет всего 4%. Предполагается, что оставшиеся — это тёмная материя и тёмная энергия. Экспериментально пытаются доказать то, что эта теория верна.

Адронный коллайдер: за или против

Выдвинутая теория о тёмной материи поставила под сомнение безопасность существования адронного коллайдера. Возник вопрос: "Адронный коллайдер: за или против?" Он волновал многих учёных. Все великие умы мира разделились на две категории. «Противники» выдвинули интересную теорию о том, что если такая материя существует, то у неё должна быть противоположная ей частица. И при столкновении частиц в ускорителе возникает тёмная часть. Существовал риск того, что тёмная часть и часть, которую мы видим, столкнутся. Тогда это могло бы привести к гибели всей вселенной. Однако после первого запуска адронного коллайдера эта теория была частично разбита.

Далее по значимости идёт взрыв вселенной, вернее сказать - рождение. Считается, что при столкновении можно пронаблюдать то, как вселенная вела себя в первые секунды существования. То, как она выглядела после происхождения Большого взрыва. Считается, что процесс столкновения частиц очень схож с тем, который был в самом начале зарождения вселенной.

Ещё не менее фантастичная идея, которую проверяют учёные - это экзотические модели. Это кажется невероятным, но есть теория, которая предполагает, что существуют иные измерения и вселенные с похожими на нас людьми. И как ни странно, ускоритель и здесь сможет помочь.

Проще говоря, цель существования ускорителя в том, чтобы понять, что такое вселенная, как она была создана, доказать или опровергнуть все существующие теории о частицах и связанных с ними явлениях. Конечно, на это потребуются годы, но с каждым запуском появляются новые открытия, которые переворачивают мир науки.

Факты об ускорителе

Всем известно, что ускоритель разгоняет частицы до 99% скорости света, но не многие знают, что процент равен 99,9999991% от скорости света. Это потрясающая цифра имеет смысл благодаря идеальной конструкции и мощным магнитам ускорения. Также нужно отметить некоторые менее известные факты.

Приблизительно 100 млн. потоков с данными, которые приходят от каждого из двух основных детекторов, могут в считаные секунды заполнить больше 100 тысяч компакт-дисков. Всего за один месяц количество дисков бы достигло такой высоты, что если их сложить в стопу, то хватило бы до Луны. Поэтому было принято решение собирать не все данные, которые приходят с детекторов, а лишь те, которые разрешит использовать система сбора данных, которая по факту выступает как фильтр для полученных данных. Было решено записывать лишь 100 событий, которые возникли в момент взрыва. Записываться эти события будут в архив вычислительного центра системы Большого адронного коллайдера, который расположен в Европейской лаборатории по физике элементарных частиц, которая по совместительству является местом расположения ускорителя. Записываться будут не те события, которые были зафиксированы, а те, которые представляют для научного сообщества наибольший интерес.

Последующая обработка

После записи сотни килобайт данных будут обрабатывать. Для этого используется более двух тысяч компьютеров, расположенных, в ЦЕРН. Задача этих компьютеров заключается в обработке первичных данных и формировании из них базы, которая будет удобна для дальнейшего анализа. Далее сформированный поток данных будет направлен на вычислительную сеть GRID. Эта интернет-сеть объединяет тысячи компьютеров, которые располагаются в разных институтах по всему миру, связывает более сотни крупных центров, которые расположены на трёх континентах. Все такие центры соединены с ЦЕРН с использованием оптоволокна - для максимальной скорости передачи данных.

Говоря о фактах, нужно упомянуть также о физических показателях строения. Туннель ускорителя находится в отклонении на 1,4% от горизонтальной плоскости. Сделано это в первую очередь для того, чтобы поместить большую часть туннеля ускорителя в монолитную скалу. Таким образом, глубина размещения на противоположных сторонах разная. Если считать со стороны озера, которое находится недалеко от Женевы, то глубина будет равна 50 метрам. Противоположная часть имеет глубину 175 метров.

Интересно то, что лунные фазы влияют на ускоритель. Казалось бы, как такой отдалённый объект может воздействовать на таком расстоянии. Однако замечено, что во время полнолуния, когда происходит прилив, земля в районе Женевы, поднимается на целых 25 сантиметров. Это влияет на длину коллайдера. Протяжённость тем самым увеличивается на 1 миллиметр, а также изменяется энергия пучка на 0,02%. Поскольку контроль энергии пучка должен проходить вплоть до 0,002%, исследователи обязаны учитывать это явление.

Также интересно то, что туннель коллайдера имеет форму восьмиугольника, а не круга, как многие представляют. Углы образуются из-за коротких секций. В них располагаются установленные детекторы, а также система, которая управляет пучком ускоряющихся частиц.

Строение

Адронный коллайдер, запуск которого связан с использованием многих деталей и волнением учёных, - удивительное устройство. Весь ускоритель состоит из двух колец. Малое кольцо называется Протонный синхротрон или, если использовать аббревиатуры — PS. Большое кольцо - Протонный суперсинхротрон, или SPS. Совместно два кольца позволяют разогнать части до 99,9 % скорости света. При этом коллайдер повышает и энергию протонов, увеличивая их суммарную энергию в 16 раз. Также он позволяет сталкивать частицы между собой примерно 30 млн. раз/с. в течение 10 часов. От 4 основных детекторов получается по большей мере 100 терабайт цифровых данных в секунду. Получение данных обусловлено отдельными факторами. Например, они могут обнаружить элементарные частицы, которые имеют отрицательный электрический заряд, а также обладают половинным спином. Поскольку эти частицы являются неустойчивыми, то прямое их обнаружение невозможно, возможно обнаружить только их энергию, которая будет вылетать под определённым углом к оси пучка. Эта стадия называется первым уровнем запуска. За этой стадией следят более чем 100 специальных плат обработки данных, в которые встроены логические схемы реализации. Эта часть работы характерна тем, что в период получения данных происходит отбор более чем 100 тысяч блоков с данными в одну секунду. Затем эти данные будут использоваться для анализа, который происходит с использованием механизма более высокого уровня.

Системы следующего уровня, наоборот, принимают информацию от всех потоков детектора. Программное обеспечение детектора работает в сети. Там оно будет использовать большое количество компьютеров для обработки последующих блоков данных, среднее время между блоками - 10 микросекунд. Программы должны будут создавать отметки частиц, соответствуя изначальным точкам. В результате получится сформированный набор данных, состоящих из импульса, энергии, траектории и других, которые возникли при одном событии.

Части ускорителя

Весь ускоритель можно поделить на 5 основных частей:

1) Ускоритель электронно-позитронного коллайдера. Деталь, представляет собой около 7 тысяч магнитов со сверхпроводящими свойствами. С помощью них происходит направление пучка по кольцевому туннелю. А также они сосредотачивают пучок в один поток, ширина которого уменьшится до ширины одного волоса.

2) Компактный мюонный соленоид. Это детектор, предназначенный для общего назначения. В таком детекторе ведутся поиски новых явлений и, например, поиск частиц Хиггса.

3) Детектор LHCb. Значение этого устройства заключается в поиске кварков и противоположных им частиц - антикварков.

4) Тороидальная установка ATLAS. Этот детектор предназначен для фиксации мюонов.

5) Alice. Этот детектор захватывает столкновения ионов свинца и протон-протонные столкновения.

Проблемы при запуске адронного коллайдера

Несмотря на то что наличие высоких технологий исключает возможность ошибок, на практике все иначе. Во время сборки ускорителя происходили задержки, а также сбои. Нужно сказать, что неожиданной такая ситуация не была. Устройство содержит столько нюансов и требует такой точности, что учёные ожидали подобных результатов. Например, одна из проблем, которая встала перед учёными во время запуска - отказ магнита, который фокусировал пучки протонов непосредственно перед их столкновением. Эта серьёзная авария была вызвана разрушением части крепления вследствие потери сверхпроводимости магнитом.

Эта проблема возникла 2007 году. Из-за неё запуск коллайдера откладывали несколько раз, и только в июне запуск состоялся, спустя почти год коллайдер все же запустился.

Последний запуск коллайдера прошёл успешно, было собрано множество терабайт данных.

Адронный коллайдер, запуск которого состоялся 5 апреля 2015 года, успешно функционирует. В течение месяца пучки будут гонять по кольцу, постепенно увеличивая мощность. Цели для исследования как таковой нет. Будет повышена энергия столкновения пучков. Значение поднимут с 7 ТэВ до 13 ТэВ. Такое увеличение позволит увидеть новые возможности при столкновении частиц.

В 2013 и 2014 гг. проходили серьёзные технические осмотры туннелей, ускорителей, детекторов и другого оборудования. В результате было 18 биполярных магнитов со сверхпроводящей функцией. Нужно отметить, что общее количество их составляет 1232 штуки. Однако оставшиеся магниты не остались без внимания. В остальных заменили системы защиты от остывания, поставили улучшенные. Также улучшена охлаждающая система магнитов. Это позволяет им оставаться при низких температурах с максимальной мощностью.

Если все пройдёт успешно, то следующий запуск ускорителя пройдёт лишь через три года. Через этот период намечены плановые работы по улучшению, техническому осмотру коллайдера.

Нужно отметить, что ремонт обходится в копейку, не учитывая стоимость. Адронный коллайдер, по состоянию на 2010 год имеет цену, равную 7,5 млрд. евро. Эта цифра выводит весь проект на первое место в списке самых дорогих проектов в истории науки.

Протоны и ионы через накопительные кольца поступают в «протонный синхротрон PS» (26 ГэВ), который инжектирует протоны в «протонный синхротрон SPS» (450 ГэВ). Протоны из SPS будут поступать в LHC, где до недавнего вреени ускорялись встречные пучки электронов и позитронов на установке LEP.

Ускоритель LEP был остановлен в 2000 г. на реконструкцию. После реконструкции в ускорителе LHC, расположенном в том же туннеле, что и LEP, будут ускоряться протоны 7х7 ТэВ. Инжектором протонов является линейный ускоритель «Proton ion linacs».

Детекторы и предускорители LHC

Траектория протонов p (и тяжёлых ионов свинца Pb) начинается в линейных ускорителях (в точках p и Pb, соответственно).

Затем частицы попадают в бустер протонного синхротрона (PS), через него - в протонный суперсинхротрон (SPS) и, наконец, непосредственно в 27-киллометровый туннель LHC (БАК).

Детекторы TOTEM и LHCf (отсутствующие на схеме) находятся рядом с детекторами CMS и ATLAS соответственно.

Карта Большого адронного коллайдера

Карта с нанесённым на неё расположением Большого Адронного Коллайдера (длина окружности 26,7 км) и протонного суперсинхротрона (SPS) - синии окружности