Что такое коллайдер?
Когда люди говорят о Большом адронном коллайдере (БАК), первое, что приходит им в голову, — то, что это самый крупный эксперимент в истории человечества. Ведь это 27-километровое кольцо в предгорье швейцарских альп. На картинке ниже — то, как он выглядел бы на поверхности. Но на самом деле это кольцо, опущенное в туннель от 50 до 150 м под землей.
Устройство ускоряет протоны и ядра свинца до скоростей лишь на несколько метров в секунду меньше скорости света. Обладая такой скоростью, протон преодолевает эти 27 км 10 000 раз в секунду. Потом он их сталкивает — внутри устройства частицы вращаются как по часовой, так и против часовой стрелки. В четырех точках эти пучки пересекаются и происходит столкновение, достигается огромная температура и мы исследуем, как Вселенная вела себя в первые минуты после Большого взрыва.
Другой интересный факт про БАК — там зарегистрирована самая высокая температура в истории человечества. Это примерно 40 тыс. млрд градусов Цельсия. Именно такая температура достигается в момент столкновения частиц с огромной энергией. И если рассматривать то, как развивалась Вселенная, — это будет соответствовать первым микросекундам после Большого взрыва.
Одновременно с этим в коллайдере — самая низкая температура во Вселенной. Например, в Антарктиде зарегистрирована температура –95 °C, в открытом космосе –270 °C. А температура жидкого гелия внутри адронного коллайдера –273,3 °C. Она нужна для того, чтобы магниты, из которых состоит 27-километровое кольцо, находились в состоянии сверхпроводимости. Чтобы можно было пропускать огромное количество тока, но все работало и не перегревалось.
Сколько энергии потребляет коллайдер?
ЦЕРН потребляет столько же энергии, сколько весь кантон Женевы, там живет примерно 50 тыс. жителей. На Большом адронном коллайдере же трудились примерно 15 тыс. инженеров и ученых со всего мира.
Это самый дорогой наземный эксперимент человечества. Его обгоняет только МКС, которая в несколько раз дороже, но расходы на этот проект объясняется тем, что доставка в космос очень дорогая. Если сравнивать с обыденными вещами, то за стоимость коллайдера можно было построить 20 «Самара Арен» или 6 «Газпром Арен». При этом коллайдер — работающая вещь, поэтому стоимость растет во время эксплуатации.
Если такие примеры тоже сложно воспринимать, то вот еще один пример. Если стоимость адронного коллайдера разделить на цену «Роллтона» на 2016 год, то из этого количества упаковок можно построить 13 башен, которые дотянутся до Луны.
Зачем это нужно?
Чтобы объяснить важность адронного коллайдера, сначала обратимся к тому, из чего мы состоим как материя и что нас окружает. Все это состоит из атомов, сверхплотного вещества внутри атома и электронов. На картинке, по которой мы привыкли изучать эти структуры в школе, есть большая ошибка. Дело в масштабе: представьте, что атомное ядро размером с ноготь на большом пальце. Тогда электрон должен вращаться от него на расстоянии 100 км. То есть мы все — пустое место.
Но почему атом не разваливается, почему все, из чего мы состоим, не распадается? Все дело в электромагнитных взаимодействиях: если есть два одноименных заряда, — они отталкиваются, если два разноименных, — они притягивается. Но почему? С точки зрения современной физики эти притяжения и отталкивания объясняются обменом другими частицами. Поэтому мы не распадаемся: потому что электронная оболочка и атомы, которые взаимодействуют с другими атомами и обмениваются фотонами, они связаны.
Атом состоит из электронов и ядра, которые обмениваются фотонами, поэтому они связаны вместе. А ядро — из нейтронов и протонов. А почему ядро не разваливается? Потому что протоны положительно заряжены и отталкиваются, а нейтроны не заряжены. Значит, у них тоже есть какое-то взаимодействие в пределах ядра, — оно называется сильным. Сильное взаимодействие — это обмен глюонами. На картинке ниже представлены все виды взаимодействия, которые существуют в принципе.
Обведенное — это та материя, из которой мы состоим. Протоны и нейтроны состоят из двух типов кварков. Они связаны между собой гелионами — голубые буквы. Они образовали протоны и нейтроны, потом на них надо нацепить электроны, они цепляются с помощью фотонов. А еще есть частицы нейтрино, даже через палец моей руки проходят миллиарды частиц в секунду. Чтобы их поймать строят огромные детекторы элементарных частиц. Например, один из них находится в Японии — это огромная шахта, заполненная водой, где нейтрино можно ловить поштучно.
Есть и другие типы частиц, которые нас не окружают в том, что они нестабильные, короткоживущие и тяжелее, не распадаются на более легкие частицы.
Как работает энергия?
Чтобы понимать работу БАК, также нужно знать, как работает энергия. В школьной программе объясняется, что тело обладает энергией, когда может совершать работу. Я бы сказал, что тело обладает энергией, когда оно может что-то сделать. Например, если я уроню предмет, то, падая, он может развалиться — это и есть работа, порвались электромагнитные связи, он обладает потенциальной энергией, когда я его подкину. Еще важно, что есть закон сохранения энергии — если я подкидываю предмет, то даю ему кинетическую энергию, в максимуме она переходит в потенциальную энергию, а потом переходит назад.
Тепловая энергия — это тоже кинетическая энергия. Если потереть руку — она станет теплее, то есть кинетическая энергия передается в тепловую, молекула начинает двигаться быстрее и тем самым кинетическая энергия переходит опять же в кинетическую энергию молекул моей руки.
Но потом пришел Эйнштейн и с помощью своей знаменитой формулы сказал, что масса — это энергия. Это открыло огромные возможности, оказалось, что кинетическую энергию можно перегонять в энергию массы и обратно. Если мы разгоним частицы до огромных энергий и столкнем их, то запасенная кинетическая энергия может перейти в рождение новых частиц. Так и устроен адронный коллайдер.
Ускорители нужны именно поэтому: там разгоняют частицы протонов до кинетической энергии, которая в 10 тыс. раз выше, чем его энергия массы и в момент столкновения рождаются новые частицы, которые нас не окружают. Поэтому с точки зрения физиков БАК нужен, чтобы создавать новые частицы. Например, Бозон Хиггса именно так и был открыт.
Что делает коллайдер?
Для того, чтобы разогнать частицы, там используются радиочастотные резонаторы. В 27-километровом ускорителе в двух местах стоят резонаторы, постоянно меняется электрическое поле, частица пролетает, получает «пинок», пролетает еще 27 км, затем снова получает «пинок» и так далее. Она летает почти со скоростью света, поэтому этот процесс происходит 10 тыс. раз в секунду. Даже двигаясь несколько минут, она уже получает огромную энергию.
При этом нужны магниты, которые удерживают частицы в окружности. Размер коллайдера зависит от магнитов. Если бы мы могли сделать более мощный магнит, устройство было бы меньше. Но есть еще одна причина, почему нам нужны магниты. Ведь пучок состоит из протонов, которые отталкиваются друг от друга, и их нужно сфокусировать, чтобы произошло как можно больше столкновений.
Так устроен БАК — там разгоняют сотни известных частиц, чтобы получить одну новую. Она проживает очень маленький промежуток времени, разваливается на частицы, которые разлетаются в разные стороны со скоростью света. Но как зафиксировать новую частицу, если она так мало живет?
Как зафиксировать открытие?
Для фиксации ученым нужен очень хороший фотоаппарат. В этой роли используется огромный детектор элементарных частиц, он снимает каждое столкновение протонов и ядер свинца. На БАК таких детекторов четыре. Один из них, ALICE, весит 10 тыс. тонн, как Эйфелева башня. Самый тяжелый детектор — CMS, его масса около 18 тыс. тонн, и именно он открыл Бозон Хиггса.
Вот так выглядит снимок столкновения протонов на Большом адронном коллайдере. Каждая линия здесь — это след рожденной частицы. Это реальная фотография, слева можно увидеть, что он сделан 4 июля 2016 года в 16 часов 18 минут 25 секунд. Таких столкновений происходит до 100 млн в секунду.
Как сделать открытие?
Для простоты допустим, что есть новая частица, которая распадается на известные нам частицы. Например, когда искали Бозон Хиггса, ученые уже предполагали, что он должен распадаться на два фотона. Это означает, что детектор должен не просто понимать, куда и с какой траекторией разлетелись частицы, но и какими они были.
Этим обусловлены размеры детектора и их структура — это так называемая структура матрешки. Первые слои детекторов — пиксельные, по технологии они похожи на пиксели, которые есть в камерах смартфонов, но они ловят не фотоны, а частицы. Допустим, заряженная частица пролетает и пиксели зажигаются — потом можно увидеть их траекторию, а если следа нет, значит, частица была незаряженной.
Затем идут калориметр, который уничтожает частицы, после чего остаются «ливни», по их размеру можно определить энергию частицы. А по траектории можно понять импульс протона, калибраторы могут определить их энергию, после этого можно понять массу частиц.
Как появился Бозон Хиггса?
Представим, что есть столкновение, в котором рождаются только фотоны. Значит, мы можем ловить их, и они будут появляться в разных процессах.
Теперь предполагаем, что в этих же процессах очень редко рождается Бозон Хиггса. Он обладает массой, распадается на два фотона, и в этом процессе должен соблюдаться закон сохранения импульса и энергии. Как эти два фотона будут отличаться от фотонов, которые появляются в других процессах? Законами сохранения — Бозон Хиггса обладает определенной массой и импульсом. И если мы посчитаем так называемую инвариантную массу, то есть их суммарный импульс и энергию, то сможем посчитать массу бозона.
Но есть огромный фон — миллиард огромных фотонов. Чтобы отделить одни фотоны от других, мы предполагаем, что все они родились из бозонов Хиггса, получаем гладкое распределение и смотрим на неоднородности. Так можно увидеть, что как-то пар фотонов чуть больше, чем других. Значит, именно там родилась частица, которая распадаются на фотоны с конкретными характеристиками. Так и выглядит открытие бозона Хиггса.
Для чего еще нужен БАК?
Во Вселенной еще много неизвестных процессов, чьи принципы работы нам непонятны. Например, Вселенная существует, а, согласно современным теориям, количество материи и антиматерии должно быть одинаковым. Если в столкновении частиц на коллайдере родилось пять кварков, то родилось и пять антикварков. Но если бы это выполнялось и после Большого взрыва, — нас не должно было существовать, Вселенная была бы пустой, наполненной фотонами.
Есть другая цель — заглянуть в прошлое Вселенной. Скорость света ограничена, и когда мы смотрим в телескоп, то видим галактики в прошлом. Но у метода есть предел — 400 тыс. лет после Большого взрыва, когда Вселенная была непрозрачной. Единственный способ туда заглянуть — это ускорители элементарных частиц.
Перед учеными стоят и другие задачи — например, определить состав Вселенных, которые нас окружают. На этот вопрос тоже пытается ответить БАК, есть фабрика производства антиматерии, где ученые роняют антиатомы и смотрят, как они падают, и смотрят как на них влияет гравитация. Или сталкивают частицы, чтобы попробовать создать частицу антиматерии. Но для этого надо апгрейдить БАК, чтобы он производил еще больше столкновений.
Сейчас обсуждается строительство 100-километрового коллайдера в ЦЕРН, его энергия будет в 10 раз выше, чем на современном коллайдере. Он будет называться Future Circular Collider, циркулярный коллайдер будущего. Он должен появиться в 2050-е годы. Бюджет проекта — $20 млрд.
Для чего БАК нужен не физикам?
У большинства этих исследований нет практического применения. Но все, что там делается, — происходит впервые, поэтому это данные для неожиданных открытий. В будущем они могут стать технологиями, которыми мы пользуемся — например, интернет придумали в ЦЕРНе 30 лет назад, там же загрузили первую гифку.
Из-за ускорителей, например, сделали первую систему GRID — это сеть вычислительных мощностей по всей планете. Она нужна была для хранения огромного количества данных, которые коллайдер производит каждую секунду.
В начале 70-х в ЦЕРНе придумали сенсорный экран. Но пришлось потратить еще 40 лет, прежде чем вышел первый айфон и сделал революцию в обыденности.
Есть много медицинских технологий, которые изначально придумали для ускорителей. Например, ПЭТ — метод, которым, например обнаруживают раковые опухоли. По факту, это детектор элементарных частиц, куда засовывают человека, впрыскивают малую дозу радиоактивного вещества, из раковой опухоли начинают вылетать фотоны, которые дают понять, что у человека опухоль. Или есть специальная методика по удалению раковых опухолей — адронная терапия. Где с помощью пучка удаляют опухоль, до которой сложно добраться хирургически.
Так что ответ на этот вопрос о том, зачем нужен БАК, зависит от того, у кого вы спросите. С его помощью можно узнать, как устроена Вселенная, политик скажет, что с его помощью можно развивать науку, а экономист — что он может приносить прибыль.
Читать далее:
Физики нашли универсальные «часы» в космосе: они точнее атомных
Археологи нашли рисунки жутких людей с огромными головами: кем они были
Телескоп «Джеймс Уэбб» сделал первый снимок Юпитера: на нем сразу 9 двигающихся целей