Большой адронный коллайдер: чудо современной физики
Вначале о терминологии и ее следствиях. Адроны — это элементарные частицы. Конкретно БАК сделан для столкновений пучков протонов, запущенных в кольцо ускорителя на очень больших (меньше скорости света всего на 3 метра в секунду) скоростях. Сталкиваясь, они порождают уйму других частиц. Многие из них живут слишком недолго, чтобы их можно было непосредственно обнаружить. Физики регистрируют продукты их распада, а то и результаты последующих распадов.
Примерно один месяц в году вместо протонов в кольцо БАКа отправляются ионы свинца, которые тоже сталкиваются на приличных скоростях.
Коллайдер — это ускоритель, в котором сталкиваются пучки разогнанных частиц. Возможен и иной вариант — когда эти частицы бомбардируют неподвижную мишень. Нам это сейчас неинтересно, поскольку на БАКе этого нет.
Ну, а «большой» он из-за геометрических размеров. Длина основного кольца — 26 659 м. Сегодня это — самый большой ускоритель в мире.
Немнго истории
Концепция коллайдера рождалась примерно с 1984 года. Спустя десять лет она получила официальное признание и началось проектирование. Для размещения конструкций был использован кольцевой тоннель, прежде занятый Большим электрон-позитронным коллайдером. Последний был демонтирован в 2000 году. Первые устройства БАК были смонтированы в следующем году.
Зачем это все?
Главная задача БАК (иногда используется латинская аббревиатура LHC) — поиск данных, свидетельствующих о том, что реальная физика элементарных частиц отличается от Стандартной модели. Последняя была сформулирована теоретиками во вторую половину XX века и описала взаимосвязь сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий и порождаемые ими последствия в мире элементарных частиц.
«За кадром» осталась гравитация. Она, очевидно, есть, но сформулировать теорию, объединяющую ее с другими взаимодействиями, ученые пока не смогли. Это порождает предположения, что Стандартная модель должна быть частью какой-то более общей концепции. В популярной литературе она условно называется «Новой физикой». Или — что Стандартная модель в принципе неверна и надо все придумывать заново. Последний вариант для большинства физиков даже симпатичнее, поскольку сулит большую свободу для творческой фантазии.
Отдельная тема — опыты со столкновенями ионов свинца, во время которых изучается кварк-глюонная плазма, очень интересный вид материи.
Что из этого вышло?
Да, по-хорошему, ничего. Стандартная модель оказалась очень живучей, за десять лет так и не удалось найти чего-то существенно ставящего ее под сомнение. Было документировано несколько событий, которые не наблюдались ранее, но, в целом, не стали большим сюрпризом. Так, в 2011 году были открыты два новых вида распада Bs-мезонов — частиц, в составе которых есть как «странный кварк» (s-кварк), так и «прелестный кварк» (b-кварк).
Бозон Хиггса
Это самое громкое на сегодня открытие, сделанное на LHC. Частица была предсказана в рамках Стандартной модели еще в середине 60-х годов, но экспериментально ее обнаружить все это время не удавалось — имеющимся ускорителям не хватало мощности. Автор гипотезы британский физик Питер Хиггс неоднократно заявлял, что знаменитый бозон не будет открыт при его жизни. Он не был единственным скептиком — Стивен Хокинг даже выразил готовность заключить пари на небольшую сумму относительно того, что бозон Хиггса на БАКе обнаружен не будет.
Тем не менее, в июле 2012 года коллаборации ATLAS и CMS объявили о нахождении бозона массой 125.3 ± 0.6 ГэВ. Скорее всего, это и есть знаменитый бозон Хиггса, хотя некоторые специалисты в этом по-прежнему не уверены.
Во всяком случае, Питер Хиггс за подтвердившееся предсказание получил Нобелевскую премию 2013 года. Нобелевский комитет очевидно торопился — лауреату было уже хорошо за 80.
Выплатил ли Хокинг свой проигрыш достоверно неизвестно, но можно предполагать, что его гораздо больше огорчило очередное подтверждение Стандартной модели. Как было бы здорово формулировать Новую Физику!
Что дальше?
Большой адронный коллайдер проработает до 2037 года. Что будет следующим шагом в строительстве ускорителей пока не очень понятно. Физиков интересует увеличение светимости, т. е., выражаясь упрощенно, количества детектируемых столкновений. Может быть этого можно достичь на ускорителях традиционной, кольцевой, архитектуры. Все принципы и технологии освоены и изучены, но кольцо получается очень большим и дорогим.
Может быть следующий флагман физики будет линейным ускорителем. Это существенно экономнее по энергии, но тогда нужны новые способы разгона частиц, иначе установка опять оказывается слишком большой — порядка сотен километров.
Может быть речь пойдет об ускорителе на основе иных принципов — фотонном или мюонном, но этих принципов в разработанном виде пока нет.
Отдельная интересная тема — вероятный ускоритель для изучения бозона Хиггса. БАК вполне подошел для его обнаружения, но изучать частицу на нем неудобно. Слишком много посторонних событий, на фоне которых трудно выявить нужное. Напрашивается конструкция, оптимизированная именно под бозон Хиггса, на которой его образование/распад регистрировались бы значительно чаще, чем сейчас и с меньшим количеством помех.
А как же черные дыры?
Это страшилка десятилетней давности: вот запустят свихнувшиеся очкарики свой коллайдер, в нем там возникнет маленькая черная дыра, она скушает вещество вокруг себя, подрастет, скушает еще и т. п. Короче говоря, в итоге поглощена будет вся планета.
Это смешно звучит, но были ведь пылкие люди, педалировавшие эту тему и даже подававшие судебные иски.
Прошло десять лет. Видимо, дыра родилась, поглотила все вокруг, включая нас, а мы этого и не заметили. Так и живем.