Коллайдер в дубне обрел «сердце», чтобы раскрыть тайны вселенной

Ускорители частиц. Большой андронный коллаидер. Творцы вселенных.

Действующие коллайдеры разных стран

Большой адронный коллайдер, работающий в Швейцарии – самый известный ускоритель в мире. Этому немало способствовала шумиха, поднятая мировой общественностью и журналистами вокруг опасности этого научного проекта. Многие полагают, что это единственный коллайдер в мире, но это далеко не так. Кроме закрытого в США теватрона, на данный момент в мире существует пять работающих коллайдеров.

В Америке, в Брукхейвенской лаборатории работает ускоритель РКТИ (релятивистский коллайдер тяжелых ионов), начавший работу в 2000 году. Для его ввода в строй потребовалось вложение 2 миллиардов $. Кроме чисто теоретических экспериментов, физики, работающие на РКТИ (RHIC), разрабатываю вполне практические проекты. Среди них:

  • устройство для диагностирования и лечения рака (используются направленные ускоренные протоны);
  • использование лучей тяжелых ионов для создания фильтров на молекулярном уровне;
  • разработка все более эффективных устройств для аккумулирования энергии, что открывает новые перспективы в использовании солнечной энергии.

Подобный этому, ускоритель тяжелых ионов, строится в России в Дубне. На этом коллайдере NICA российские физики намерены исследовать кварк-глюонную плазму.

Сейчас российские ученые проводят исследования в ИЯФ, где расположены сразу два коллайдера – ВЭПП-4М и ВЭПП-2000. Их бюджет составляет 0,19 млрд. $ — для первого и 0,1 – для второго. Первые испытания на ВЭПП-4М начались еще в 1994 году. Здесь разработана методика измерения массы наблюдаемых элементарных частиц с самой высокой точностью во всем мире. Кроме того, ИЯФ единственный в мире институт, зарабатывающий на фундаментальные исследования в области физики собственными силами. Ученые этого института разрабатывают и продают оборудование для ускорителей другим государствам, желающим иметь свои экспериментальные установки, но не имеющих таких наработок.

В 1999 году был запущен коллайдер Дафне в лаборатории Фраскатти (Италия), стоимость его была примерно 1/5 млрд. дол., а максимальная мощность – 0, 51 ТэВ. Это был один из первых ускорителей высоких энергий, с помощью только одного эксперимента на нем было получено более ста тысяч гиперионов (частиц атома). За это Дафне окрестили фабрикой частиц или ф-фабрикой.

За два года до запуска БАК, в 2006 году Китай запустил собственный коллайдер ВЕРС II, с мощностью 2,5 ТэВ. Стоимость этого строительства была рекордно низкой и составила 0,08 млрд. дол. Но для бюджета этой развивающейся страны такая сума была немалой; правительство Китая выделило эти средства, понимая, что без развития фундаментальных отраслей науки невозможно развитие современной промышленности. Тем более актуально вложение средств в эту область экспериментальной физики в свете истощения природных ресурсов и увеличивающейся потребности в энергоносителях.

Как работает БАК

В туннеле коллайдера частицы разгоняют почти до скорости света, при этом увеличивая их массу в несколько тысяч раз. Весь процесс можно разделить на 5 ключевых этапов:

  1. Сначала атомы водорода поступают в начальную камеру линейного ускорителя (Linac 2), где от них отделяют электроны. Это нужно для того, чтобы у них был положительный заряд и их можно было ускорять с помощью электрического поля.
  2. Проходя линейный ускоритель, пучок протонов достигает 1/3 скорости света и попадает в бустер (PS buster) с длинной пути 157 метров. Там он делится на четыре меньших пучка, каждый из которых разгоняется в отдельном кольце бустера (для максимального повышения плотности потока частиц). С помощью пульсирующего электрического поля происходит ускорение частиц, в то время как магнитное поле способствует их движению по кругу. Бустер разгоняет частицы до 91,6% скорости света и делает пучки протонов плотными.
  3. На выходе из бустера частицы собираются воедино и поступают в кольцо протонного синхротрона (PS) с длинной 628 метров. Циркулируя по кругу в течение 1,2 секунды, они достигают более чем 99,9% скорости света. Стоит отметить, что на этом этапе достигается предел скорости, когда пульсирующее электрическое поле больше не может ускорять частицы. Однако вместо этого прикладываемая энергия увеличивает массу протонов. Таким образом, протонный синхротрон увеличивает кинетическую энергию частиц до 28 ГэВ (частицы становятся в 28 раз тяжелее, чем были).
  4. Затем пучок поступает в протонный суперсинхротрон (SPS) — огромное 7-ми километровое кольцо — «разгон» в котором дает частицам энергию порядка 450 ГэВ. Это последняя подготовительная ступень разгона перед перемещением в основное кольцо Большого адронного коллайдера.
  5. Основное кольцо БАК, длинна которого составляет 26659 метров, состоит из двух вакуумных трубок, в которых протонные пучки движутся в противоположных направлениях. Эти трубки пересекаются в четырех точках, где размещены детекторы. Там и происходит столкновение частиц и сбор данных. Однако перед встречным столкновением, основное кольцо БАК увеличивает их кинетическую энергию до 7 ТэВ (делая частицы в 7000 раз тяжелее, чем в состоянии покоя).

Интересные факты:Всего за 1 секунду частицы пролетают всю протяженность основного туннеля более 11000 раз (т.е на 1 цикл уходит не более, чем 0,0001 с). За ту же секунду в БАК происходит около 1 миллиарда столкновений, каждое из которых генерирует 1,5 мегабайта данных.

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!

Уничтожит ли коллайдер Вселенную?

Вокруг БАК существует огромное количество мифов, среди которых есть и утверждение, что ускоритель способен уничтожить нашу планету или даже всю Вселенную.

Обоснование этого мифа строится на теории о том, что Вселенная, в которой мы живем, нестабильна, а столкновения на коллайдере могут породить более стабильную версию Вселенной, которая начнет разрастаться и разрушать нашу версию.

Опровергнуть подобные суждения довольно просто. Ведь во Вселенной постоянно происходят естественные процессы, которые ускоряют и сталкивают бесчисленное количество частиц с энергиями, которые на БАК просто недостижимы. И если бы существовала малейшая вероятность, что подобные столкновения приведут к «вселенской катастрофе», то это уже давно бы случилось.

Способен ли БАК разрушить планету

С первых дней своей постройки адронный коллайдер вызывал всевозможные спекулятивные опасения и фантазии. В частности, в интернете прошел слух, что вследствие экспериментальной работы БАК способен создать черную дыру, и та проглотит Землю.

Разумеется, эти опасения имеют под собой определенную основу, однако:

— в случае, если теоретически БАК сформировал бы черную дыру, то ее размеры оказались бы микроскопическими. И есть предположение, что чем они миниатюрнее, тем быстрее такой объект аннигилируется, превращаясь в энергию, не успев нанести ни малейшего ущерба. Но здесь нельзя утверждать ничего наверняка, потому что все это основано на гипотезах и теориях.

С другой стороны, возможно, при столкновении в БАК недостаточно кинетической энергии, чтобы выполнилось условие R=2GM/c2 (гравитационный радиус), необходимое для образования черной дыры.

Частица всего

Пожалуй, одним из самых громких открытий, сделанных с помощью БАКа, является открытие бозона Хиггса. Произошло это \(4\) июля \(2012\) года на детекторе ATLAS, где была зафиксирована новая частица с массой \(126 \frac{ГэВ}{с^2} \). Питер Хиггс, предсказавший существование этого бозона еще \(50\) годами ранее, в \(2013\) году был удостоен Нобелевской премии по физике за разработку теории, объясняющую механизм получения массы веществом

Бозон Хиггса является важной частью Стандартной модели, давая ответ на один из самых фундаментальных вопросов: каким образом у частиц появляется масса. Частицы наподобие фермионов, протонов и нейтронов получают массу из-за взаимодействия с полем Хиггса, создаваемым одноименным бозоном

Большинство частиц, проходя сквозь это поле, начинают “вязнуть” и таким образом обретают массу, другие же вовсе могут находиться в поле и не иметь никакой массы.

Открытие бозона Хиггса не только объяснило взаимодействие между различными составляющими материи, но и изменило общее понимание Стандартной модели, ее развития и более подробного изучения. Приблизил ли нас бозон Хиггса к разгадке главной тайны тысячелетия или вовсе отдалил на сотни лет назад еще неизвестно. Известно одно – квантовая физика куда загадочнее, чем может казаться.

Как это будет работать?

«Коллайдер воспроизведет условия, которые были во Вселенной 13,6 млрд лет назад, — подчеркнул в своей речи гость из США лауреат Нобелевской премии Дэвид Гросс. — Мы все состоим из кварков. Но кварки связаны между собой внутри протонов и нейтронов. Здесь будут сталкиваться между собой ядра, и кварки выйдут из этой связи. Как они будут себя вести в экстремальных условиях, в которых они находились в момент рождения нашей Вселенной?»

Как пояснил «МИР 24» вице-директор ОИЯИ Григорий Трубников, проект NICA создается далеко не на пустом месте — он готов уже на 30-40%.

«Сам по себе комплекс NICA состоит из нескольких ускорителей, — рассказал ученый. — Это линейный ускоритель — сначала пучок надо получить, потом ускорить линейно, перевести в кольцо и в нем ускорить, и то же во втором кольце, и только после этого он идет в коллайдер».

У института уже есть линейный ускоритель и полностью одно сверхпроводящее кольцо. «Есть пучок, идут первые эксперименты, — рассказал Трубников. — Как только будет готов коллайдер, пучок переведут в него».

К слову — из какого все-таки исходного материала будут получать элементарные частицы? Хотя протоны и нейтроны, так сказать, везде одинаковы, ученые предпочитают получать их из золота.

«Берется вольфрамовая проволочка, покрытая тонким слоем золота, — рассказал Григорий Трубников. — Она греется в сильном электрическом поле. За счет разряда золото испаряется с вольфрама, и атомы золота подхватываются и ускоряются. Нам для всех экспериментов требуется несколько миллиграммов золота».

Чего хотят ученые?

В момент Большого взрыва, по мнению физиков-теоретиков, свободно существовали самые мельчайшие из элементарных частиц — кварки и глюоны, из которых потом сложились более привычные для обывателя протоны и нейтроны.

В современном мире кварки не встречаются. Их возможно получить только в коллайдере, где после ускорения в гигантских кольцах сталкиваются пучки протонов и нейтронов и бьются друг о друга. Одного Большого адронного коллайдера в Европе на всех физиков не хватает.

Так что новый коллайдер, заложенный в Дубне, привлекает колоссальное внимание мировой физики — можно добавить, и отечественной политики. Он, правда будет гораздо меньше — в отличие от Большого адронного, у которого периметр главного кольца превышает 26,5 км, периметр будущего кольца в Дубне составит 503 метра

Но задачи перед отечественным коллайдером поставлены очень ответственные: воссоздать кварк-глюонную материю и ее переход в привычный нам мир. Как отметил академик Матвеев, «у нас будет маленький комнатный Большой взрыв».

Бесславный конец заброшенного ускорителя элементарных частиц

Сегодня на содержание советского коллайдера тратятся миллионы. Ежегодно необходимо откачивать воду из тоннелей, укреплять стенки и бетонировать сталкерские ходы. Большой адронный коллайдер, который запустили в 2008 году, поставил крест на идее возрождения русского ускорителя. Более того, в России уже ведётся строительство более современного (хотя и менее крупного) коллайдера НИКА в подмосковной Дубне.

Тоннели в их нынешнем состоянии

Содержать советский коллайдер «вхолостую» крайне затратно. Из-за этого активно рассматриваются идеи по реновации проекта. Самое перспективное направление — создание на базе ускорителя огромного аккумулятора-накопителя. Такая «батарейка» разгрузит электрические сети Москвы. Но все идеи требуют немалого финансирования, которое и является камнем преткновения. Даже просто залить советский коллайдер бетоном — дорогое удовольствие.

  • Русская тёща глазами иностранцев: как угодить второй маме?
  • Топил ли Стенька Разин персидскую княжну?
  • Куда пропали богатства семьи Романовых
  • Что на самом деле означает выражение «взять на понт»
  • Нетрадиционные развлечения Анны Иоанновны

Физика частиц в действии

Приключения итальянского оборудования в России интересны сами по себе. На проектирование и разработку магнитно-криостатной системы ушло пять лет совместной работы международной команды специалистов

Из-за больших размеров и научной ценности сверхважный элемент коллайдера NICA везли с особой осторожностью из Италии исключительно по воде: груз проследовал по маршруту из Генуи до Санкт-Петербурга, а затем по Неве, Ладожскому, Онежскому, Белому озерам, через Рыбинское водохранилище и далее по Волге до порта Дубны. Как это все происходило, можно посмотреть здесь:

Сложность транспортировки состояла в том, что самая большая часть магнита, стальной вакуумный цилиндрический криостат диаметром более 5 м со сверхпроводящим соленоидом внутри, — крайне сложное и нежное устройство. Сверхпроводимость в соленоиде возникает при очень низких температурах, поэтому обмотка из ниобий-титановой проволоки охлаждается жидким гелием до температуры 40–80 °К. Для сохранности криостат пришлось поместить в большой металлический саркофаг и оснастить датчиками удара, чтобы быть уверенными, что магнит, собранный итальянскими инженерами по проекту русских конструкторов из компании «Нева-Магнит», доедет в целости и сохранности.

Для выгрузки научного груза весом 120 тонн в порту были задействованы кран и два тягача мощностью 680 л. с. каждый

До экспериментального павильона MPD саркофаг с магнитом везли на специальном автопоезде с большими предосторожностями. Для этого даже пришлось отключить электричество в половине наукограда: по ходу движения груза временно демонтировали электрокабели и другие городские коммуникации, мешающие проезду

Монтаж первых деталей для магнита был начат еще год назад, в июле 2020 года, в специальном месте для детектора MPD. За несколько недель были установлены опоры магнита — 13 плит ярма, а также собраны с высокой точностью два опорных кольца магнита MPD. На полную сборку оборудования понадобилось восемь месяцев. Если бы не коронавирус и сопутствующие ограничения, дело пошло бы быстрее. Но коллайдер NICA — это крупный международный проект, в котором участвуют более 40 институтов во всего мира, более 500 ученых с пяти континентов. Итальянской стороне долгое время не удавалось приехать в Россию на монтаж оборудования из-за бушевавшей в обеих странах пандемии: границы были на замке, наука стояла на паузе.

Как отмечают создатели коллайдера, соленоидальная катушка диаметром 5,6 м и длиной 8 м не только создает однородное магнитное поле в большом объеме, но служит также механической конструкцией для остальных элементов устройства. Другими словами, без этого соленоида невозможно строить сам детектор MPD и, разумеется, невозможно запустить коллайдер.

Что будет происходить внутри ускорителя, когда он, наконец, заработает? Два пучка частиц будут лететь навстречу друг другу и сталкиваться внутри этого магнита, в котором будут установлены детекторы столкновения частиц. Каждый детектор направлен на свою область энергии и отвечает за свою область физики. Ученые расшифруют эти данные и расскажут миру, что происходит при столкновении частиц, которое на микроуровне воспроизводит первые мгновения после Большого взрыва. Эти знания, как ожидается, продвинут физику элементарных частиц и астрономию на новый уровень.

В отличие от своего более мощного собрата, Большого адронного коллайдера в ЦЕРН, коллайдер NICA рассчитан на получение максимально плотной плазмы — такой, какая была в начале нашего мироздания.

Провернуть фарш на 14 млрд лет назад

В народе говорят, что «фарш невозможно провернуть назад». Но ученые из ОИЯИ собираются сделать именно это — отмотать время на 14 млрд лет назад, чтобы заглянуть в первую микросекунду рождения мира. Физики уже хорошо и подробно изучили, как расширялась Вселенная с самой первой секунды, но они до сих пор не могут понять, что было раньше и было ли вообще. Коллайдер NICA должен стать эдакой научной «машиной времени», которая отправит нас к началу Вселенной и поможет ответить на так называемые «проклятые вопросы науки».

Один из них звучит парадоксально: почему вообще хоть что-то, кроме чистого света, существует в нашей Вселенной? В теории физики точно знают, что любое разделение симметрично. Всегда есть лево и право, плюс и минус, прошлое и будущее, и, согласно расчетам ученых, при рождении любой частицы неизбежно возникает симметричная ей античастица. Но где она? Как ее поймать? Что она собой представляет? Ученые ждут ответов от коллайдера NICA.

«Когда-то Вселенная была заполнена частицами и античастицами практически поровну, — объясняет ведущий канала «Наука», д. ф-м. н., завлабораторией теории фундаментальных взаимодействий Физического института им. Лебедева РАН Алексей Семихатов. — На 1 млрд античастиц приходилась 1 млрд и 1 частица. Только одна лишняя частица на миллиард! Со временем каждая частица нашла свою античастицу, они проаннигилировали, то есть превратились в излучение, исчезли. И все, что мы видим сейчас, то, чем заполнен мир, — это как раз тот остаток, вот эта одна миллиардная. Но откуда она взялась — загадка. Слава богу, что она откуда-то взялась! Если бы этого исходного нарушения между частицами и античастицами не было бы, то не было бы и нас с вами просто, потому что не из чего было бы сложить мир». По-научному эта проблема называется «барионная асимметрия Вселенной».

Схема ускорительного комплекса мегапроекта NICAФото: NikitaSidorov/wikipedia

В коллайдере NICA тяжелые ионы металлов будут сталкиваться друг с другом с тщательно подобранными энергиями, чтобы не разбиться вдребезги, а на мгновения «слипнуться». Ученые предполагают, что именно так удастся получить ту самую сверхплотную кварк-глюонную плазму, из которой, согласно гипотезам, состояла наша Вселенная в первую микросекунду мироздания. Если в кварк-глюонной плазме Большого взрыва проявилась асимметрия, то и в малом взрыве плазмы в коллайдере произойдет что-нибудь подобное — именно на это надеются физики.

Когда NIСА заработает, мы заодно узнаем, что творится внутри нейтронных звезд. Кварк-глюонная материя в них может образовываться под действием огромной гравитации. Вещество там просто раздавливает само себя: сначала отрицательно заряженные электроны вдавливаются в положительно заряженные протоны, и получаются нейтральные частицы — нейтроны. А если силы тяжести достаточно, нейтроны могут тоже не выдержать и раздавиться в холодную плотную кварк-глюонную плазму. Пока на Земле создать это уникальное состояние материи невозможно. Плотность глубоких слоев нейтронной звезды — не меньше 20 млрд тонн на 1 см³. Это все равно что озеро Байкал спрессовать в чайную ложку. Оценить плотность кварк-глюонной материи в каких-то привычных для нас осязаемых единицах ученые даже не берутся.

«Ускоритель NICA настроен на то, чтобы воссоздать, что творится при больших плотностях энергии, какие, возможно, существовали в начальных стадиях образования Вселенной, — рассказал каналу «Наука» Дмитрий Казаков, директор лаборатории теоретической физики ОИЯИ, д. ф-м. н., член-корреспондент РАН. — Мы хотим увидеть, что происходит там, где очень большие плотности материи. Нас интересуют большие плотности ядерной материи — больше, чем в обычных ядрах. Такая материя в обычной природе нам почти незнакома, мы с ней не сталкиваемся. Возможно, она есть в нейтронных звездах. Но нейтронные звезды — это тоже объект не каждого дня».

Самый большой коллайдер в России и в мире

Судьба у советского коллайдера сложная. Его то начинали активно строить, то почти полностью забрасывали. Самые глубокие тоннели ускорителя удалены от поверхности на 60 метров. По общей протяжённости коллайдер не уступает кольцевой линии московского метро. И вся эта огромная махина, спрятанная в лесах Подмосковья, не закончена.

Сам город Протвино появился в 1965 году. До этого на его месте существовал закрытый научный посёлок Серпухов-7. Учёные, которые жили в закрытом городе, работали на действующем тогда протонном синхротроне. Этот ускоритель по задумке учёных должен был стать частью огромного советского коллайдера. Место для строительства синхротрона и коллайдера было выбрано не случайно. Эта часть Подмосковья раньше была дном моря, что делало грунт недосягаемым для сейсмическим толчков.

Есть ли ускорители в России

Адронный коллайдер — это дорогостоящий, но не такой уж редкий прибор. Строить их начали около семидесяти лет назад. В России есть два действующих андронных коллайдера и один, NICA, в процессе строительства. Закончить его монтаж планируют уже к 2020 году.

NICA строится в небольшом научном городке под названием Дубна, который стоит на Волге. Прибор будет гораздо менее мощным, чем БАК, но он и направлен на решение совсем другой задачи. NICA будет использоваться для того, чтобы смоделировать состояние вселенной в первую секунду после Большого взрыва. Ученые считают, что в то мгновение вещество находилось в ином агрегатном состоянии. Это не была жидкость, газ или твердое тело, это была кварк-глюонная плазма. Своеобразный суп из кварков.

В туннелях адронного коллайдера повторят Большой взрыв на микроуровне, чтобы посмотреть на мир в процессе его зарождения: ионы золота превратят в кварковый суп и проведут эксперименты для изучения его свойств — неизведанных свойств четвертого (а точнее первого) агрегатного состояния вещества. В случае успеха этих исследований на фундаментальные вопросы о возникновении мира, сущности пространства и времени будут получены вполне конкретные ответы. И кто знает, как это повлияет на состояние современной науки и какие новые технологии появятся в результате этих открытий.

Запись и обработка данных

Детекторы установлены в местах, где пути разогнавшихся по кольцам частиц пересекаются. Именно там происходит все самое интересное в эксперименте — протоны сталкиваются друг с другом и распадаются на еще более мелкие части.

У каждого детектора есть своя специализация. Каждый служит для определения частиц определенного вида

В ходе эксперимента детектор запечатлевает траекторию, с которой разлетаются частицы после столкновения, определяет вид частиц и энергию их столкновения (для этого важно знать скорость разгона пучков). Эти данные формируют исчерпывающую картину столкновения

Данные экспериментов записываются на магнитные ленты. Это очень большие объемы информации. Чтобы ее обработать, используется специально настроенное вычислительное оборудование ЦЕРН. Эти компьютеры очень мощные, хотя и не самые лучшие из существующих. Кроме того, доступ к записанным данным по сети получают ученые из лабораторий, расположенных по всему миру. Такая система значительно ускоряет обработку результатов.

Как работает Большой адронный коллайдер?

Что такое Большой адронный коллайдер и как он работает – основные вопросы, интересующие общественность. Рассмотрим эти вопросы далее.

Коллайдер (collider) – в переводе с английского означает «тот, кто сталкивает». Задача такой установки состоит в столкновении частиц. В случае с адроннмы коллайдером, в роли частиц выступают адроны – частицы, участвующие в сильном взаимодействии. Таковыми являются протоны.

Получение протонов

Долгий путь протонов берет свое начало в дуоплазматроне – первой ступени ускорителя, куда поступает водород в виде газа. Дуоплазматрон представляет собой разрядную камеру, где через газ проводится электрический разряд. Так водород, состоящий всего из одного электрона и одного протона, теряет свой электрон. Таким образом образуется плазма – вещество, состоящее из заряженных частиц – протонов. Конечно, получить чистую протонную плазму сложно, поэтому далее образованная плазма, включающая также облако молекулярных ионов и электронов, проходит фильтрацию для выделения облака протонов. Под действием магнитов протонная плазма сбивается в пучок.

Физик Детлеф Кюхлер измеряет положение печи внутри источника ионов

Предварительный разгон частиц

Новообразованный пучок протонов начинает свой путь в линейном ускорителе LINAC 2, который представляет собой 30-тиметровое кольцо, последовательно увешенное несколькими полыми цилиндрическими электродами (проводниками). Создаваемое внутри ускорителя электростатическое поле градуировано таким образом, что частицы между полыми цилиндрами всегда испытывают ускоряющую силу в направлении следующего электрода. Не углубляясь целиком в механизм разгона протонов на данном этапе, отметим лишь, что на выходе с LINAC 2 физики получают пучок протонов с энергией 50 МэВ, которые уже достигают 31% скорости света. Примечательно, что при этом масса частиц возрастает на 5%.

Линейный ускоритель LINAC 2

К 2019-2020-му году планируется замена LINAC 2 на LINAC 4, который будет разгонять протоны до 160 МэВ.

Стоит отметить, что на коллайдере также разгоняют ионы свинца, которые позволят изучить кварк-глюонную плазму. Их разгоняют в кольце LINAC 3, аналогичном LINAC 2. В дальнейшем также планируются эксперименты с аргоном и ксеноном.

Далее пакеты протонов поступают в протон-синхронный бустер (PSB). Он состоит из четырех наложенных колец диаметром 50 метров, в которых располагаются электромагнитные резонаторы. Создаваемое ими электромагнитное поле имеет высокую напряженность, и проходящая через него частица получает ускорение в результате разности потенциалов поля. Так спустя всего 1,2 секунды частицы разгоняются в PSB до 91% скорости света и достигают энергии в 1,4 ГэВ, после чего поступают в протонный-синхротрон (PS). Диаметр PS составляет 628 метров и оснащен 27 магнитами, направляющими пучок частиц по круговой орбите. Здесь частиц протоны достигают 26 ГэВ.

Протонный-синхротрон (PS)

Предпоследним кольцом для разгона протонов служит Суперпротонный-синхротрон (SPS), длина окружности которого достигает 7 километров. Будучи оснащенным 1317-ю магнитами SPS разгоняет частицы до энергии в 450 ГэВ. Спустя примерно 20 минут пучок протонов попадает в основное кольцо – Большой адронный коллайдер (LHC).

Суперпротонный-синхротрон (SPS)

Разгон и столкновение частиц в LHC

Переходы между кольцами ускорителей происходят посредством электромагнитных полей, создаваемых мощными магнитами. Основное кольцо коллайдеро состоит из двух параллельных линий, в которых частицы движутся по кольцевой орбите в противоположном направлении. За сохранение круговой траектории частиц и направление их в точки столкновения отвечают около 10 000 магнитов, масса некоторых из них достигает 27 тонн. Во избежание перегрева магнитов используется контур гелия-4, по которому протекает примерно 96 тонн вещества при температуре -271,25 ° С (1,9 К). Протоны достигают энергии в 6,5 ТэВ (то есть энергия столкновения – 13 ТэВ), при этом их скорость на 11 км/ч меньше скорости света. Таким образом за секунду пучок протонов проходит большое кольцо коллайдера 11 000 раз. Прежде, чем произойдет столкновение частиц, они будут циркулировать по кольцу от 5 до 24 часов.

Схема ускорителей LHC

Столкновение частиц происходит в четырех точках основного кольца LHC, в которых располагаются четыре детектора: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb.

Что ожидают получить ученые?

Повышение эффективности и производительности коллайдера увеличит количество получаемых бозонов Хиггса, что заметно ускорит процесс изучения поля Хиггса. После успешной модификации сотрудники ЦЕРНа ожидают получать \(15\) миллионов частиц бозона Хиггса (на фоне прошлогодних \(3\) миллионов). Количество получаемых элементарных частиц определяет вектор дальнейшего развития физики, а именно изучение некоторых основополагающих теорий, среди которых:

Суперсимметрия – теория о преобразовании фундаментальных частиц друг в друга, то есть обратные превращения фермионов (кварков, лептонов) и бозонов. Образно говоря, из этой теории следует, что возможны процессы превращения вещества (фермионов) во взаимодействия (бозоны), и наоборот.

Теория Всего – совокупность физико-математических теорий, описывающих абсолютно все возможные вещества и их взаимодействия. Более удобная концепция мира для ученых имеет существенный изъян: если изучить все о строении и принципах работы Вселенной, пропадает необходимость в дальнейшем познании.

Мультивселенная – теория о существовании параллельных вселенных, которую поддерживает большинство физиков, космологов, философов и даже обычных людей, не заинтересованных в этой теме. Если эта теория окажется верной, то «Теория Всего», активно разрабатываемая учеными, может потерпеть крах – ведь законы в параллельных вселенных могут не совпадать с законами нашей вселенной!