Адронный Коллайдер

Большой адронный коллайдер (англ. Large Hadron Collider, LHC; сокр. БАК) — ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений.
Адронный Коллайдер
Коллайдер построен в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (фр. Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire, CERN), на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы. БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. Руководитель проекта — Лин Эванс. В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 000 учёных и инженеров из более чем 100 стран.

Большим назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м; адронным — из-за того, что он ускоряет адроны, то есть частицы, состоящие из кварков; коллайдером (англ. collide — сталкиваться) — из-за того, что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках столкновения.

Теория относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна, которая описывает Вселенную на макроуровне, и квантовая теория поля, которая описывает Вселенную на микроуровне. Проблема в том, что эти теории несовместимы друг с другом. Например, для адекватного описания происходящего в чёрных дырах нужны обе теории, а они вступают в противоречие.

Эйнштейн многие годы пытался разработать единую теорию поля, но безуспешно, поскольку игнорировал квантовую механику. В конце 1960-х физикам удалось разработать Стандартную модель (СМ), которая объединяет три из четырёх фундаментальных взаимодействий — сильное, слабое и электромагнитное. Гравитационное взаимодействие по-прежнему описывают в терминах ОТО. Таким образом, в настоящее время фундаментальные взаимодействия описываются двумя общепринятыми теориями: ОТО и СМ. Их объединения пока достичь не удалось из-за трудностей создания теории квантовой гравитации. (отсутствие единого закона, прим. авт.)

Для дальнейшего объединения фундаментальных взаимодействий в одной теории используются различные подходы: теория струн, получившая своё развитие в М-теории (теории бран), теория супергравитации, петлевая квантовая гравитация и др. Некоторые из них имеют внутренние проблемы, и ни у одной из них нет экспериментального подтверждения. Проблема в том, что для проведения соответствующих экспериментов нужны энергии, недостижимые на современных ускорителях заряженных частиц.

БАК позволит провести эксперименты, которые ранее было невозможно провести и, вероятно, подтвердит или опровергнет часть этих теорий. Так, существует целый спектр физических теорий с размерностями больше четырёх, которые предполагают существование «суперсимметрии» — например, теория струн, которую иногда называют теорией суперструн именно из-за того, что без суперсимметрии она утрачивает физический смысл. Подтверждение существования суперсимметрии, таким образом, будет косвенным подтверждением истинности этих теорий.

Также ожидается обнаружение физических явлений вне рамок Стандартной Модели. Планируется исследование свойств W и Z-бозонов, ядерных взаимодействий при сверхвысоких энергиях, процессов рождения и распадов тяжёлых кварков (b и t).

В ускорителе предполагается сталкивать протоны с суммарной энергией 14 ТэВ (то есть 14 тераэлектронвольт или 14...1012 электронвольт) в системе центра масс налетающих частиц, а также ядра свинца с энергией 5,5 ГэВ (5,5...109 электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов. На начало 2010 года БАК уже несколько превзошел по энергии протонов предыдущего рекордсмена — протон-антипротонный коллайдер Тэватрон, который в настоящее время работает в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (США). В будущем, когда наладка оборудования будет завершена, БАК будет самым высокоэнергичным ускорителем элементарных частиц в мире, на порядок превосходя по энергии остальные коллайдеры, в том числе и релятивистский коллайдер тяжёлых ионов RHIC, работающий в Брукхейвенской лаборатории (США).

Светимость БАК во время первого пробега составит всего 1029 частиц/см...·с. Это весьма скромная величина. Однако, после запуска БАК для экспериментальных исследований, светимость будет постепенно повышаться от начальной 5...1032 до номинальной 1,7...1034 частиц/см...·с, что по порядку величины соответствует светимостям современных B-фабрик BaBar (SLAC, США) и Belle (KEK, Япония). Выход на номинальную светимость планируется в 2010 году.

Ускоритель расположен в том же туннеле, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер. Туннель с длиной окружности 26,7 км проложен под землёй на территории Франции и Швейцарии. Глубина залегания туннеля — от 50 до 175 метров, причём кольцо туннеля наклонено примерно на 1,4 % относительно поверхности земли. Для удержания, коррекции и фокусировки протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км. Магниты работают при температуре 1,9 K (271 °C), что немного ниже температуры перехода гелия в сверхтекучее состояние.

Россия принимает активное участие как в строительстве БАК, так и в создании всех детекторов, которые должны работать на коллайдере.

Во время работы коллайдера расчётное потребление энергии составит 180 МВт. Предположительные энергозатраты всего CERNа на 2009 год с учётом работающего коллайдера — 1000 ГВт·ч, из которых 700 ГВт·ч придётся на долю ускорителя. Эти энергозатраты — около 10 % от суммарного годового энергопотребления кантона Женева. Сам CERN не производит энергию, имея лишь резервные дизельные генераторы.

Значительная доля внимания со стороны представителей общественности и СМИ связана с обсуждением катастроф, которые могут произойти в связи с функционированием БАК. Наиболее часто обсуждается опасность возникновения микроскопических чёрных дыр с последующей цепной реакцией захвата окружающей материи, а также угроза возникновения страпелек, гипотетически способных преобразовать в страпельки всю материю Вселенной.

2010 год 18 марта энергия пучка протонов доведена до 3,5 ТэВ.

30 марта состоялись столкновения протонов с суммарной энергией 7 ТэВ. Начался первый длительный сеанс научной работы БАК.

На 22 апреля 2010 года собрана статистика, позволяющая уточнить для случая недоступной ранее энергии протон-протонных столкновений ряд параметров, плохо вычислимых из первых принципов. В частности, оценено количество заряженных частиц, рождающихся в столкновении, а также их распределение по псевдобыстроте. Эти данные позволят более эффективно наладить анализ данных, поступающих с детекторов.

24 июня показано отсутствие асимметрии протонов и антипротонов.

19 августа получено ограничение на энергию возбуждённых состояний кварков для моделей, где такие состояния существуют.

19 сентября эксперимент LHCb представил первые данные по рождению прелестных мезонов.

22 сентября обнаружен новый физический эффект, не предсказанный существующей теорией.

Среди сотен частиц, которые рождаются при столкновении протонов, обнаружились пары, движения которых связаны друг с другом. Тем не менее данный эффект не стал для экспериментаторов полной неожиданностью, поскольку очень похожий эффект был обнаружен в 2007 году в столкновении ядер на коллайдере RHIC. В случае столкновений ядер предлагается следующее объяснение. Летящие с околосветовой скоростью ядра сильно сплющиваются в продольном направлении и выглядят скорее «блинами», чем «шариками». В первый момент после столкновения два ядра-«блина» пролетают друг сквозь друга, но столкновение не проходит для них незаметным, и в пространстве между ними возникает совершенно особое состояние материи, которое получило название «глазма», glasma (англ.), и из которого затем получается комок кварковых и глюонных полей.

Теоретические расчёты показывают, что в «глазме» глюонные силовые поля формируются между двумя пролетевшими ядрами в виде продольных трубок. Каждая такая трубка растянута в большом диапазоне по полярным углам, но имеет фиксированный азимутальный угол. Эта трубка получается вытянутой вдоль потому, что именно в этом направлении движутся частицы. Когда она распадётся на частицы, то они в момент рождения оказываются автоматически скоррелированными по азимутальному углу.

24 сентября на детекторе CMS впервые зарегистрировано парное рождение Z-бозонов. Это событие может быть связано с бозоном Хиггса, который может образовываться в ходе столкновений протонов. Он должен распадаться на ряд других частиц, в частности Z-бозоны, которые могут быть зарегистрированы детекторами коллайдера. Непосредственно Z-бозоны детекторы зафиксировать не могут из-за чрезвычайно короткого времени жизни этих элементарных частиц (около 3...10...25 секунды), однако они могут «поймать» мюоны, в которые превращаются Z-бозоны. CMS зарегистрировал рождение четырёх мюонов. Тем не менее, как отмечают учёные, одного подобного события недостаточно, чтобы делать определённые выводы: чтобы доказательно говорить о рождении бозона Хиггса, необходимо зарегистрировать множество событий рождения пар Z-бозонов.

4 октября начались эксперименты с 200 сгустками на пучок. Светимость БАКа в таком режиме работы превысила 6...1031 см...2с...1, то есть возросла в 10 000 раз с момента первых столкновений на полной энергии 7 ТэВ.

4 ноября закончились эксперименты в 2010 году в режиме протон-протонных столкновений. В течение последней недели октября эксперименты велись с 368 сгустками на пучок. Пиковая светимость достигала значений 2...1032 см...2с...1, а за один ночной сеанс набора данных накапливалась интегральная светимость около 6 пикобарн...1. Полная интегральная светимость, накопленная в основных детекторах коллайдера к ноябрю, составляет примерно 50 пикобарн...1, в то время как первые научные данные, представленные в июле на ICHEP-2010 (главной конференции года по физике элементарных частиц), базировались на светимости 0,2 пикобарн...1.

Накопленная к настоящему времени статистика обрабатывается, и соответствующие научные результаты будут представлены на зимних и весенних конференциях 2010—2011. Сразу после завершения протон-протонных столкновений БАК переключился на столкновения тяжёлых ионов (ионов свинца); в таком режиме он проработает примерно до рождественских каникул, затем последует остановка, а в январе 2011 года возобновятся эксперименты с протонными пучками. Первые тестовые запуски ионных сгустков начались во второй половине дня.

7 ноября зарегистрированы столкновения ядер с полной энергией 5,74 ТэВ в трёх основных детекторах — ATLAS, CMS и специально адаптированном под ядерные столкновения детекторе ALICE.

14 ноября количество сгустков в каждом из двух встречных ядерных пучков доведено до 121 (проектная величина — 592), а мгновенная светимость достигла 2...1025 см...2с...1 (2 % от проектной величины). Столь быстрый рост количества сгустков (за неделю) связан с тем, что магнитная система ускорителя и система безопасности были тщательно настроены и отлажены во время протонных сеансов работы. С другой стороны, не столь высокий уровень светимости по сравнению с протон-протонным режимом работы не является критичным для тех вопросов, которые будут изучаться в режиме ядерных столкновений. Самой важной характеристикой является частота интересных столкновений. В протонных столкновениях интересные события происходят редко и имеют сечение меньше нанобарна, что при светимости 1032 см...2с...1 даёт не более нескольких событий в минуту, но для изучения кварк-глюонной плазмы в ядерных столкновениях достаточно почти каждого прямого соударения двух ядер, имеющего сечение примерно 8 барн, поэтому частота интересных событий достигает десятка в секунду.

18 ноября в arXiv.org появились две статьи коллаборации ALICE. В этих статьях изложены первые результаты, полученные в столкновениях ядер свинца. В одной из них речь идёт об общем количестве частиц, рождавшихся в столкновениях ядер «лоб в лоб», а в другой изучается эффект, возникающий при нецентральном столкновении ядер, — эллиптический поток, позволяющий лучше понять свойства кварк-глюонной плазмы. Обнаружение эллиптического потока в эксперименте свидетельствует о том, что в столкновении ядер образовывается некоторое текучее состояние, то есть кварк-глюонная плазма. Как и в любом сплошном веществе, это состояние характеризуется тем, что его частицы постоянно сталкиваются друг с другом, а не «пролетают» мимо. Это означает, что для такого вещества можно приблизительно определить температуру, энтропию, вязкость и другие гидродинамические и термодинамические величины, изучать фазовые переходы при остывании и т. д.

2 декабря в ЦЕРНе прошла презентация первых результатов, полученных в столкновении ядер свинца. Три экспериментальные группы (коллаборации экспериментов ATLAS, CMS и ALICE) выступили с докладами. Коллаборация ATLAS рассказала об обнаруженном дисбалансе адронных струй, который свидетельствует о «гашении струй» (англ. jet quenching) в кварк-глюонной плазме. Коллаборация CMS также представила данные по дисбалансу струй и, кроме того, изложила результаты по рождению тяжёлых мезонов (J/... и ...), а также Z-бозонов, которые до этого никогда не регистрировались в столкновении ядер. Коллаборация ALICE, детектор которой оптимизирован именно для ядерных столкновений, представила гашение струй несколько иначе — через распределение рождённых адронов по поперечному импульсу. Представлены также данные по эллиптическому потоку и первые измерения физических параметров (объём, время жизни до остывания, вязкость) внутри сгустка кварк-глюонной плазмы. Кроме того, детектор ALICE «увидел» некоторые лёгкие антиядра — антидейтерий, антитритий, антигелий-3.

6 декабря состоялся последний в 2010 году сеанс работы с пучками. Коллайдер остановлен на рождественские и новогодние праздники, работы возобновятся 24 января 2011 года, а протонные пучки будут вновь запущены в ускоритель в середине февраля.

17 декабря в ЦЕРНе состоялась конференция, на которой представлены доклады коллабораций всех шести детекторов коллайдера, посвящённые результатам работы Большого адронного коллайдера в 2010 году. С технической точки зрения работа коллайдера единодушно признана успешной, поскольку были достигнуты все цели, поставленные на 2010 год: выход на светимость выше 1032 см...2с...1, успешная работа с несколькими сотнями сгустков, хорошо отлаженный цикл работы коллайдера. Важным достижением стала корректная настройка систем безопасности и мониторинга пучков: суммарная энергия всех протонов, циркулирующих в ускорителе, достигала 28 мегаджоулей, что на порядок превышает предыдущее достижение. Коллаборация CMS представила первые предварительные результаты по поиску суперсимметричных частиц. Свидетельств в пользу существования этих частиц в набранной статистике не обнаружено.

(Текст авт.) Не секрет, что были первые шаги и будут дальнейшие шаги в продолжении ряда экспериментов, по перемещении в пространстве и во времени, пока на короткие растояния, различных предметов, с разной структурой, и плотностью материи. Экспериментальные опыты такого рода, уже проводились, рядом государств, в сороковые, пятидесятые годы двадцатого века. Адронный Коллайдер, может помочь решению некоторых вопросов в этом направлении.

На начало 2011 года коллайдер был остановлен на рождественские каникулы и на нём были проведены технические работы и мелкий ремонт. Предполагается, что столкновения протонных пучков возобновятся в середине марта 2011 года и будут происходить на суммарной энергии 7 ТэВ до конца 2011 года. Вопреки предварительным планам, советом директоров ЦЕРНа 31 января 2011 года было принято решение продолжить работу коллайдера в 2012 году. Это, возможно, позволит открыть бозон Хиггса, а также набрать статистику, необходимую для других исследований. Также в 2012 году возможно повышение энергии пучков до 4 ТэВ, окончательное решение об этом ещё не принято.

После окончания сеанса работы в 2012 году коллайдер будет закрыт на долговременный ремонт. Ремонт предположительно будет длиться не менее полутора лет и займёт весь 2013 год. После ремонта ожидается повышение энергии протонов до проектной энергии в 7 ТэВ на пучок.

Удивляет, впечатляет и даже пугает грандиозность Большого Адронного Коллайдера - гигантского ускорителя частиц, над проектированием и строительством которого в течении почти 10 лет трудились тысячи людей.

Когда ускоритель будет запущен на полную мощность, пучки протонов будут сталкиваться на скорости, всего в миллионную долю процента меньшей скорости света, создавая при этом в микрообъеме температуру 100 000 раз превосходящую температуру Солнца. Как ожидается, это устройство позволит получить новую информацию о частицах и силах, действующих в космосе, а также воспроизвести условия, близкие к имевшим место вскоре после "большого взрыва", породившего Вселенную, а так же, учёная мировая элита, надеется разрешить многие вопросы, на которые, пока нет ещё ответов.
Нажми «Нравится» и читай нас в Facebook!

По теме Адронный Коллайдер

Коллайдер адронный

Международное научное издательство Кембриджа закончило перевод с русского на...
Журнал

Большой адронный коллайдер остановлен

Большой адронный коллайдер был остановлен на несколько часов из-за течи в...
Журнал

Адронный коллайдер способен на конец света

Опасения по поводу возникновения в Большом адронном коллайдере (БАК) черных дыр...
Журнал

Большой адронный коллайдер вышел на нормальный режим работы

Большой адронный коллайдер после зимних каникул и нескольких недель тестов вышел...
Журнал

Большой адронный коллайдер вдвое перевыполнил план на год

Европейская организация по ядерным исследованиям (CERN), сотрудники которой...
Журнал

Большой адронный коллайдер вновь сузил ловушку для бозона

Физики, работающие на Большом адронном коллайдере, обнародовали новые данные о...
Журнал

Опубликовать сон

Гадать онлайн

Пройти тесты

Популярное

Цели
Нетерпимость к замечаниям