Коллайдер надежд. Ученые в предвкушении открытий тайн Вселенной

В начале апреля взгляды большинства физиков в мире были обращены к Швейцарии.

Там первые пучки протонов прошли через обновлённые ускорители Большого адронного коллайдера, пишет Павел Сивоконь в №14 журнала Корреспондент от 10 апреля 2015 года.

Крупнейший ускоритель элементарных частиц из всех когда-либо построенных человеком опять заработал. Его мощности были остановлены в ноябре 2013 года, когда стало понятно, что для выхода на проектные показатели нужно переоснастить систему электромагнитов и улучшить основные детекторы, чтобы они соответствовали новым требованиям.

По словам Арчаны Шармы, старшего учёного департамента физики высоких энергий Европейского центра ядерных исследований (CERN), где и был построен коллайдер, первый запуск был лишь пробной обкаткой.

«Тогда в CERNверили, что смогут запустить БАК на полную мощность. Но многие узлы и детекторы оказались к этому не готовы», – говорит учёный Корреспонденту.

Поэтому ускоритель и был остановлен на ремонт.

Но даже в таком тестовом режиме ускоритель нашёл новую элементарную частицу – бозон Хиггса, а также предварительно доказал, что скорость света для элементарных частиц не является граничным пределом. Тогда пучок протонов разогнали свыше 300 тыс. км/с. На других ускорителях не удалось повторить подобный опыт, и пока это считается экспериментально не доказанным. Сейчас более 1.000 учёных, которые работают на коллайдере, хотят повторить опыт и таки доказать, что это возможно.

В целом БАК представляет собой огромную трубу с окружностью 27 км, по которой с помощью электромагнитов разгоняются в вакууме элементарные частицы. В ходе эксперимента два пучка частиц направляют навстречу друг другу. Когда они достигают максимальных скоростей, им позволяют столкнуться. В специальных местах на окружности расположены четыре главных детектора, которые и фиксируют эти столкновения. Для этого у них есть специальные камеры, способные в реальном времени передать процесс разлёта новых частиц и определить, что именно образовалось в результате удара.

БАК сталкивает два пучка материи почти на скорости света и позволяет увидеть, из чего они состоят

Проще говоря, БАК сталкивает два пучка материи почти на скорости света и позволяет увидеть, из чего они состоят. Со временем учёные продвигаются дальше и, возможно, вскоре скажут, что лежит в основе мироздания.

По словам профессора Гэвина Салама, который исследует элементарные частицы в CERN, опыты на БАКе идут в двух основных направлениях – астрономия и физика элементарных частиц. В астрономии учёные получат ответы на вопросы, что такое тёмная материя и как она работает или при каких условиях образовываются чёрные дыры. В физике коллайдер даёт ответы на вопросы, из чего создана наша Вселенная и какой она была в самом начале существования.

Наконец, многие задают вопрос, зачем нужно было строить огромный ускоритель стоимостью € 4,6 млрд. Большинство учёных, которых опросил Корреспондент, считают, что ускоритель является инструментом, позволяющим совершить больше открытий в физике, чем раньше, чтобы найти новые виды энергии, а главное, попытаться связать две основные современные научные гипотезы - теорию относительности и квантовую механику.

Всё это можно сделать только с помощью экспериментов на сверхвысоких скоростях. Если же это удастся, то можно будет создать единую теорию Вселенной, которая даст человечеству возможность сделать значительный шаг вперёд. Салам напоминает, что в XIXвеке мало кто понимал, зачем нужны опыты с электричеством, но сейчас им пользуются все.

«Если ещё проще, то именно в CERN был создан интернет, без которого многие сейчас не представляют свою жизнь», – поясняет учёный.

Корреспондент подобрал самые важные рекорды, уже установленные БАКом, ожидания от ускорителя, а также страхи, которые крутятся вокруг него.

Рекорды

Самая высокая температура – 5,5 трлн ºС 

В августе 2012-го, разогнав два пучка ионов свинца, учёные получили плазму, которая имела наибольшую температуру, когда-либо зафиксированную на Земле. Учёные проводят такие эксперименты, чтобы понять, в каком состоянии находилась Вселенная через несколько секунд после Большого взрыва, когда материя только начала формироваться. В обновлённом коллайдере хотят начать разгон ионов золота, обладающих большим потенциалом для образования плазмы. Эксперименты начнутся сразу после запуска БАКа на полную мощность.

Открытие новой элементарной частицы – бозона Хиггса

Британский физик Питер Хиггс постулировал открытие этой частицы ещё в 1964 году. Но тогда было невозможно провести нужные эксперименты для подтверждения теории. В 2012-м на БАКе была достигнута нужная скорость, показавшая, что существует частица с нулевым спином, масса которой составляет 125 ГэВ/с. Она стала последним фундаментальным открытием в физике элементарных частиц и ещё раз подтвердила теорию относительности. На обновлённом коллайдере хотят поставить эксперимент по обнаружению частиц с ещё меньшей массой.

Самый большой показатель энергии – 1 трлн эВ

Через несколько месяцев после запуска БАКа в Швейцарии сообщили, что удалось разогнать пучок протонов до невиданных ранее показателей энергии. До этого рекорд был в несколько раз меньше, его установили на ускорителе элементарных частиц в Чикаго. Обновлённый БАК должен достигать более высоких энергий, для этого электромагниты прошли модернизацию и теперь могут создавать более напряжённое поле, которое и будет разгонять частицы.

Ожидания

Подтверждение теории суперсимметрии

В 2010 году в CERNзаявили, что простая теория суперсимметрии пока не нашла экспериментального подтверждения. При этом обновлённые детекторы, как предполагают учёные, найдут связь между бозонами и фермионами в природе. Если эта идея будет подтверждена, то станет ясно, что любая частица в природе связана с более тяжелыми частицами, и эту связь удастся установить. Тогда станет более понятной система строения Вселенной и почему частицы действуют именно так в разных ситуациях, когда на них не влияют другие поля и частицы.

Поиск тёмной материи

Эти исследования вплотную связаны с суперсимметрией. Сейчас астрономы постулировали, что более 22% Вселенной заполнено тёмной материей, которая не вступает ни в одно из известных взаимодействий. Кроме того, это вещество не излучает электромагнитного поля, и поэтому его невозможно увидеть или зафиксировать. О его существовании астрономы могут только догадываться по странному поведению галактик. На БАКе хотят повторить процесс образования Вселенной в микромасштабе и посмотреть, будут ли созданы частицы тёмной материи. А потом исследовать их на специальных детекторах.     

Создание новой физики

По словам Шармы, современная теория элементарных частиц является только частью большой и неизвестной пока науки, способной досконально объяснить, из чего создана материя. Но пока экспериментально не удалось подтвердить это. Необходимо заглянуть гораздо дальше вглубь атомов, чем позволяет современная наука. Потому на БАКе собираются поставить ряд опытов по обнаружению новых частиц и взаимодействий. При этом эксперименты должны подтвердить или опровергнуть теории супергравитации, петлевой гравитации и теории струн.

Страхи

Появление чёрной дыры

Это основной постулат критики CERN. В ходе столкновений пучков элементарных частиц на скоростях, близких к световым, могут возникать небольшие чёрные дыры. Критики заявляют, что такие дыры способны вызывать цепную реакцию и засасывать внутрь материю. Сами физики признают, что образование микроскопических чёрных дыр возможно, но на энергиях, которые в десятки раз превышают скорости ускорителя. Тем более что они будут настолько малы, что их невозможно будет заметить без специальных детекторов.

Образование «кротовой норы»

В теории, если достичь сверхсветовых скоростей, то элементарные частицы могут образовать разрыв в трёхмерном пространстве-времени и создать «кротовую нору» в прошлое или будущее. Такой объект будет очень неустойчивым и при разрушении может привести к катастрофе. Физики утверждают, что теоретически это возможно, только если сильно превысить скорость света, а пока это нереально даже для элементарных частиц. Поэтому угроза образования «кротовых нор», или червоточин, измеряется примерно в 10-31.

Превращение всей материи на Земле в железо

Одним из направлений работы на БАКе остаётся создание кварк-глюонной плазмы, которая достигает огромных температур и должна показать, в каком виде существовала Вселенная сразу после Большого взрыва. Критики считают, что цепная реакция этой плазмы может превратить всю материю на планете в железо, кобальт или никель. Но физики отмечают, что эта теория не была подтверждена экспериментально даже в масштабе микромира, так что опасения беспочвенны.

***

Этот материал опубликован в №14 журнала Корреспондент от 10 апреля 2015 года. Перепечатка публикаций журнала Корреспондент в полном объеме запрещена. С правилами использования материалов журнала Корреспондент, опубликованных на сайте Корреспондент.net, можно ознакомиться здесь.