В столице рассказали, как работает Большой адронный коллайдер

Как работает Большой адронный коллайдер

Большой адронный коллайдер был запущен 10 сентября 2008 года. БАК - это самая большая установка для проведения научных экспериментов. Лекция о том, как она работает, прошла в музее занимательных наук "Экспериментаниум".

Участник эксперимента "Компактный мюонный соленоид" на Большом адронном коллайдере рассказал, кто и что делает на этой установке, и для чего она вообще нужна. M24.ru провело прямую трансляцию лекции.

"Экспериментаниум" - музей занимательных наук, где посетители могут принять непосредственное участие во всевозможных опытах и экспериментах. Музей был открыт в 2011 году для увлекательного изучения законов точных наук и явлений природы. Более 250 интерактивных экспонатов музея рассказывают о механике, электричестве, магнетизме, акустике, демонстрируют оптические иллюзии, головоломки и другие научные открытия и изобретения. Коллекция экспонатов музея постоянно пополняется, разрабатываются новые образовательные и развлекательные программы.

Большой адронный коллайдер (БАК) - ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжелых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в ЦЕРНе (Европейский совет ядерных исследований) - около Женевы, на границе Швейцарии и Франции. Тоннель расположен на глубине от 50 до 175 метров, длина основного кольца ускорителя составляет 26,66 километра. БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. В строительстве и исследованиях с момента открытия коллайдера участвовало свыше 10 тысяч ученых и инженеров более чем сотни стран. Бюджет проекта превысил 6 млрд. долларов.

Адронным коллайдер назван из-за того, что он ускоряет адроны, то есть тяжелые частицы, состоящие из кварков. Коллайдер в переводе с английского означает - сталкиватель - пучки частиц в нем ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках.

Главная задача Большого адронного коллайдера – доказать, что теория элементарных частиц не исчерпывается Стандартной моделью, разработанной физиками в конце 1990-х годов. Стандартная модель объединяет три из четырех фундаментальных взаимодействий - сильное, слабое и электромагнитное. Гравитационное взаимодействие по-прежнему описывают в терминах Общей теории относительности, опубликованной Альбертом Эйнштейном в 1915-1916 годах. Она гласит, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а деформацией самого́ пространства-времени, связанной, в частности, с присутствием массы-энергии. Таким образом, фундаментальные взаимодействия на сегодня описываются двумя общепринятыми теориями – теорией относительности и стандартной моделью. Объединить их не удается из-за трудностей создания теории квантовой гравитации. Для решения этой задачи используются различные подходы: теория струн, теория супергравитации, петлевая квантовая гравитация и другие, но ни одна из них пока не подтверждена экспериментально. Ожидается, что эксперименты, которые позволяет проводить Большой адронный коллайдер, помогут подтвердить или опровергнуть часть этих теорий.

Также БАК призван внести ясность в теорию устройства мира. Пока теоретики обсуждают множество идей, выдвинутых в конце XX века, которые все вместе называются "экзотическими моделями". К ним относятся теории с сильной гравитацией на масштабе энергий порядка 1 тераэлектронвольт, модели с большим количеством пространственных измерений; преонные модели, в которых кварки и лептоны сами состоят из частиц; модели с новыми типами взаимодействия.

БАК уже позволил заглянуть в недоступную ранее область энергий и получить уникальные научные результаты, в частности, был открыт Бозон Хиггса, а также предприняты попытки обнаружить легкие черные дыры, возбужденные кварки и суперсимметричные частицы.

Скорость частиц в БАК на встречных пучках близка к скорости света в вакууме. Она всего на 3 метра в секунду меньше, чем скорость света. Сгустки протонов проходят полный круг ускорителя быстрее, чем за 0,0001 сек, совершая, таким образом, свыше 10 тысяч оборотов в секунду. Разгон частиц до таких больших энергий достигается в несколько этапов. В главном 26,7-километровом кольце энергия протонов достигает максимальных 7 ТэВ. Сгустки в определенной последовательности сталкиваются в четырех точках кольца, где расположены специальные детекторы, которые фиксируют происходящие события. Кинетическая энергия всех сгустков адронов в БАКе при полном его заполнении сравнима с кинетической энергией реактивного самолета, хотя масса всех частиц не превышает нанограмма и их даже нельзя увидеть невооруженным глазом.

В 2013 году работа коллайдера была остановлена на время плановых технических работ, в результате которых планируется увеличить энергию столкновения протонов до 13-14 ТэВ и установить дополнительное оборудование на детекторах, набирающих статистику. Ожидается, что в 2015 году эксперименты на коллайдере будут продолжены, а сам проект проработает до 2034, после чего его место в тоннеле займут коллайдеры нового поколения, их мощность будет в 10 раз больше нынешней.

Компактный мюонный соленоид (CMS) - один из двух больших универсальных детекторов элементарных частиц на Большом адронном коллайдере Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН). Расположен в подземной пещере в Цесси на территории Франции недалеко от границы с Швейцарией. Это совместный проект, в котором участвуют около 3600 человек из 183 лабораторий и университетов 38-ми стран, включая Россию.
Имена, названия и понятия, упоминавшиеся в лекции.

Ядро атома - центральная массивная часть атома, вокруг которой по квантовым орбитам обращаются электроны. Масса ядра примерно в 4•103 раз больше массы всех входящих в состав атома электронов. Размер приблизительно в 105 раз меньше диаметра всего атома. Электрический заряд положителен и по абсолютной величине равен сумме зарядов атомных электронов (т. к. атом в целом электрически нейтрален).

Нейтрон (от лат. neuter - ни тот, ни другой) - тяжелая элементарная частица, не имеющая электрического заряда. Нейтроны вместе с протонами являются главными компонентами атомных ядер; общее название для протонов и нейтронов - нуклоны.

Протон (в переводе с др.-греч. - первый, основной) - элементарная частица. Имеет электрический заряд +1, состоит из трех кварков. Протоны принимают участие в термоядерных реакциях, которые являются основным источником энергии, генерируемой звездами.

Атом (в переводе с др.-греч. – неделимый) - частица вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Состоит из атомного ядра и электронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом. Атомы различного вида в разных количествах, связанные межатомными связями, образуют молекулы.

Кварк - фундаментальная частица в Стандартной модели, обладает электрическим зарядом, не наблюдается в свободном состоянии. Кварки являются точечными частицами вплоть до масштаба примерно 0,5•10−19 м, что примерно в 20 тысяч раз меньше размера протона. Из кварков состоят адроны, в частности, протон и нейтрон. В настоящее время известно 6 разных "сортов" кварков.

Водород - первый элемент периодической системы элементов (H). Название произошло от латинского Hydrogenium, в буквальном переводе с греческого звучит как "порождающий воду". Вещество водород (H2) - легкий бесцветный газ, в смеси с воздухом или кислородом горюч и взрывоопасен.

Электрон - стабильная, отрицательно заряженная элементарная частица, одна из основных структурных единиц вещества. Из электронов состоят электронные оболочки атомов. Движение свободных электронов обусловливает такие явления, как электрический ток в проводниках и вакууме.

Микроволновое излучение (сверхвысокочастотное - СВЧ-излучение) - электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн. При высокой интенсивности используется для бесконтактного нагрева тел, как в бытовых, так и в промышленных микроволновых печах для термообработки металлов. Также применяется в радиолокации.

Микроволновое излучение малой интенсивности используют в средствах связи - рациях, сотовых телефонах, устройствах Bluetooth, WiFi и WiMAX.

Большой взрыв - общепринятая космологическая модель, описывающая раннее развитие Вселенной, а именно - начало расширения Вселенной, перед которым Вселенная находилась в сингулярном состоянии. Обычно сейчас автоматически сочетают теорию Большого взрыва и модель горячей Вселенной, но эти концепции независимы, существовало также представление о холодной начальной Вселенной вблизи Большого взрыва. По современным представлениям, Вселенная, которую мы наблюдаем сегодня, возникла приблизительно 13,77 млрд лет назад из некоторого начального «сингулярного» состояния, с тех пор она непрерывно расширяется и охлаждается. Ранняя Вселенная представляла собой высокооднородную и изотропную среду с необычайно высокой плотностью энергии, температурой и давлением. В результате расширения и охлаждения Вселенной элементарные частицы переходили в различные фазы.

Сразу после Большого взрыва гравитационное взаимодействие отделилось от остальных фундаментальных взаимодействий, и последовал период Космической инфляции, по окончании которого строительный материал Вселенной представлял собой кварк-глюонную плазму. Позже температура упала до значений, когда кварки и глюоны объединились в барионы, такие как протоны и нейтроны. При этом одновременно происходило асимметричное образование как материи, которая превалировала, так и антиматерии, которые взаимно аннигилировали, превращаясь в излучение. Дальнейшее падение температуры привело к образованию физических сил и элементарных частиц в их современной форме. После чего наступила эпоха нуклеосинтеза, когда протоны, объединяясь с нейтронами, образовали ядра дейтерия, гелия-4 и еще нескольких легких изотопов. После дальнейшего падения температуры и расширения Вселенной наступил следующий переходный момент, при котором гравитация стала доминирующей силой. Через 380 тысяч лет после Большого взрыва температура снизилась настолько, что стало возможным существование атомов водорода. До этого процессы ионизации и рекомбинации протонов с электронами находились в равновесии. После эры рекомбинации материя стала прозрачной для излучения, которое свободно распространялось в пространстве и дошло до нас в виде реликтового излучения.

Вакуум (от лат. vacuus - пустой) - пространство, свободное от вещества. В технике и прикладной физике под вакуумом понимают среду, содержащую газ при давлении значительно ниже атмосферного.

Темная материя (скрытая масса) - форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения и не взаимодействует с ним. Недоступна прямым наблюдениям современными средствами астрономии, ее присутствие можно обнаружить по создаваемым ею гравитационным эффектам. Термин ввели астрономы в 1930-х годах.

Темная энергия - вид энергии, введенный в математическую модель Вселенной, чтобы объяснить ее наблюдаемое расширение с ускорением. Существует два варианта объяснения сущности темной энергии: это неизменная энергетическая плотность, равномерно заполняющая пространство Вселенной или динамическое поле, энергетическая плотность которого может меняться в пространстве и времени.

К 2014 году все известные наблюдательные данные не противоречат первой гипотезе, она принимается в космологии как стандартная. Окончательный выбор между двумя вариантами требует высокоточных измерений скорости расширения Вселенной, чтобы понять, как эта скорость изменяется со временем.

Темная энергия также должна составлять значительную часть так называемой скрытой массы Вселенной. Согласно опубликованным в марте 2013 года данным наблюдений космической обсерватории "Планк", общая масса-энергия наблюдаемой Вселенной на 68.3% состоит из темной энергии и на 26.8% - из темной материи.

Бозон Хиггса - элементарная частица, квант поля Хиггса. С необходимостью возникает в стандартной модели физики элементарных частиц вследствие хиггсовского механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии. В рамках этой модели отвечает за инертную массу элементарных частиц.

Бозон постулирован британским физиком Питером Хиггсом в его фундаментальных статьях в 1964 году. Предсказанный в теории, после нескольких десятков лет поисков, в 2012 году, в результате исследований на БАК, был обнаружен кандидат на его роль - новая частица с массой около 125-126 ГэВ/c². В 2013 году исследователи подтвердили, что найденная частица действительно является бозоном Хиггса.

Дополнительные измерения пространства – теоретические предположения физиков о том, что Вселенная может иметь более трех пространственных измерений. В частности, ученые Калуца и Клейн в начале 20 века предположили, что кроме доступных непосредственному наблюдению высоты, длины и ширины существует еще одно пространственное измерение – маленькое и скрученное (циклическое), гораздо менее поддающееся обнаружению.

Ускоритель Ван де Граафа - генератор высокого напряжения. Принцип действия основан на электризации движущейся диэлектрической ленты. Первый генератор американский физик Роберт Ван де Грааф разработал в 1929 году, он позволял получать разность потенциалов до 80 киловольт. В 1931 и 1933 были построены более мощные генераторы, достигавшие напряжения до 7 миллионов вольт.

Электронвольт - внесистемная единица энергии, используется в атомной и ядерной физике, в физике элементарных частиц. Последнее поколение ускорителей элементарных частиц позволяет достичь нескольких триллионов электронвольт (тераэлектронвольт - ТэВ). Один ТэВ приблизительно равен кинетической энергии летящего комара.

Инжектировать - вводить пучок заряженных частиц в ускоритель для дальнейшего ускорения.

Анатолий Бугорский (1942 г.) - российский ученый в области физики элементарных частиц, сотрудник Института физики высоких энергий. 13 июля 1978 года через его голову прошел пучок протонов крупнейшего советского ускорителя У-70. Несчастный случай произошел из-за сбоя механизмов безопасности, когда Бугорский наклонился над неисправным элементом оборудования и заглянул в ту часть, через которую проходил протонный луч.

Радиационная доза на входе составила 200 000 Рентген, на выходе - 300 000 Рентген. Бугорский ощутил яркую вспышку без болевых ощущений. Протонный луч в зоне поражения сжег кожу, кость и ткань мозга. Бугорский полностью потерял слух на левое ухо, у него появились эпилептические приступы. Однако, несмотря на опасения врачей, он выжил и даже защитил кандидатскую диссертацию. Обстановка секретности вокруг событий, связанных с ядерной энергией в СССР, не позволяла обнародовать инцидент с Бугорским более десяти лет.

Протонная терапия - один из видов лучевой терапии, когда протоны используются для облучения больной ткани, чаще всего при лечении рака.

ЦЕРН - Европейская организация по ядерным исследованиям (Европейский Центр ядерных исследований), крупнейшая в мире лаборатория физики высоких энергий. Находится на границе Швейцарии и Франции, вблизи Женевы.

Нобелевская премия - одна из наиболее престижных международных премий, ежегодно присуждается в Швеции за выдающиеся научные исследования и революционные изобретения в физике, химии, медицине, литературе, а также за вклад в сплочение наций. В 2011 году размер премии составил 1,4 млн $ США.

Шведский химик, инженер и изобретатель Альфред Нобель (1833-1896) накопил за свою жизнь внушительное состояние. Большую часть дохода ему принесли более 350 изобретений, среди которых самым известным был динамит. В 1888 году Нобеля "погребли заживо", в России умер его брат - Людвиг, и по ошибке газеты поместили объявление о смерти Альфреда Нобеля. Прочитав во французской газете собственный некролог под названием "Торговец смертью мертв", Нобель задумался над тем, как его будет помнить человечество. После этого он изменил свое завещание и распорядился поместить свой капитал в банк, а доходы от вложений поручить фонду, который бы ежегодно вручал премии ученым и деятелям, приносящим наибольшую пользу человечеству. Все премии с 1901 года ежегодно вручаются в Швеции, кроме премии мира, которую вручают в Норвегии.

Известно, что первоначально Нобель внес математику в список наук, за которые присуждается премия, однако позже вычеркнул ее, заменив премией мира. Одна из легенд связана с именем шведского математика, лидера шведской математики того времени - Миттаг-Леффлера. Среди причин, по которым его мог не взлюбить Нобель, ухаживания математика за невестой Нобеля либо назойливость при сборе пожертвований на Стокгольмский Университет. По другой версии, у Нобеля была возлюбленная, Анна Дезри, которая потом вышла замуж за Франца Лемаржа – он собирался стать математиком.

По словам директора исполнительного комитета Нобелевского фонда, в архивах об этом нет ни слова, скорее всего, математика просто не входила в сферу интересов Нобеля, а деньги были завещаны на премии в близких ему областях.

Екатерина Левина