Великий адронний колайдер розміри. Великий адронний колайдер

Багато хто вже, так чи інакше, але чув термін «Великий адронний колайдер». Для простого обивателя цих слів знайоме лише слово «великий». Але що це насправді? Та й чи можна простому смертному освоїти цей термін.

Великий адронний колайдер (БАК) є установкою для дослідів вчених-фізиків з елементарними частинками. За формулюванням, ВАК є прискорювачем заряджених частинок на зустрічних пучках, призначений для розгону важких іонів і протонів та вивчення продуктів зіткнень. Іншими словами, вчені зіштовхують атоми, а потім дивляться, що з цього вийшло.

На даний час - це найбільша експериментальна установка у світі. Розмір цієї установки можна порівняти з містом діаметром, майже 27 кілометрів, яке знаходиться на стометровій глибині. Ця установка знаходиться неподалік Женеви, а на її будівництво пішло 10 мільярдів доларів.

Однією з основних завдань установки ВАК (за твердженням вчених) є пошук бозона Хіггса. Знову ж таки, простими словами – це спроба знайти частинку, яка відповідає за наявність маси.

Паралельно з цим, на колайдері проводяться експерименти з пошуку:

- Часток поза «Стандартної моделі»,

- Магнітних монополів (часток, що володіють магнітним полем),

- Так само, проходить дослідження квантової гравітації та дослідження мікроскопічних дірок.

Ось ці «мікроскопічні чорні дірки»і не дають багатьом спокою. Причому хвилюються не лише ті, для кого знайомство з фізикою закінчилося на шкільній лаві, а й ті, хто продовжує вивчати її на професійному рівні.

Що таке чорна дірка відомо всім і зі шкільної лави та за фантастичними оповіданнями та фільмами. Багато хто (у тому числі й вчені) переживають, що подібні експерименти, частина з яких побудована для спроби відтворення «великого вибуху» (після якого, за теорією виник всесвіт) призведуть до неминучого краху всієї планети.

Вчені заспокоюють, що жодної небезпеки від цих дослідів та експериментів немає. Але є ще один факт, який ніколи не враховує світила науки. Йдеться про зброю.

Кожен нормальний вчений, роблячи відкриття чи щось, винаходячи – робить це з двома цілями. Перша мета допомогти світові жити краще, а друга менш гуманна, але людська – це прославитись.

Але, чомусь усі винаходи (без перебільшень), займають своє місце у створенні знарядь для вбивства того самого людства і прославлених учених. Навіть такі відкриття, які для нас стали обивательськими (радіо, механічні двигуни, супутникове телебачення тощо), не кажучи вже про атомну енергію, міцно посіли своє місце в «оборонці».

У 2016 році, в Підмосков'ї планують запустити установку, подібну до європейського ВАКу. Але тільки російська установка, на відміну від «старшого брата», має насправді відтворити «великий вибух» у малих масштабах.

І хто дасть гарантію, що сусідня Москва (а з нею і Земля), не стане прародителькою нової «чорної дірки» у величезному всесвіті?

Великий адронний колайдер (БАК) - це прискорювач заряджених частинок, за допомогою якого фізики зможуть дізнатися про властивості матерії значно більше, ніж було відомо раніше. Прискорювачі використовують для отримання заряджених елементарних частинок високих енергій. В основі роботи практично будь-якого прискорювача лежить взаємодія заряджених частинок з електричним та магнітним полями. Електричне поле безпосередньо здійснює роботу над часткою, тобто збільшує її енергію, а магнітне поле, створюючи силу Лоренца, тільки відхиляє частинку, не змінюючи її енергії, і задає орбіту, якою рухаються частки.

Колайдер (англ. collide - "зіштовхуватися") - прискорювач на зустрічних пучках, призначений вивчення продуктів їх зіткнень. Дозволяє надати елементарним частинкам речовини високу кінетичну енергію, направити їх назустріч один одному, щоб зробити їхнє зіткнення.

Чому "великий адронний"

Великим колайдером названо, власне, через свої розміри. Довжина основного кільця прискорювача становить 26659 м; адронним - через те, що він прискорює адрони, тобто важкі частинки, що складаються з кварків.

Побудований ВАК у науково-дослідному центрі Європейської ради ядерних досліджень (ЦЕРН), на кордоні Швейцарії та Франції, неподалік Женеви. На сьогоднішній день ВАК є найбільшою експериментальною установкою у світі. Керівником цього масштабного проекту є британський фізик Лін Еванс, а в будівництві та дослідженнях брали та беруть участь понад 10 тис. вчених та інженерів із понад 100 країн.

Невеликий екскурс в історію

Наприкінці 60-х років минулого століття фізиками було розроблено так звану Стандартну модель. Вона поєднує три з чотирьох фундаментальних взаємодій - сильну, слабку та електромагнітну. Гравітаційну взаємодію, як і раніше, описують у термінах загальної теорії відносності. Тобто, на сьогоднішній день фундаментальні взаємодії описуються двома загальноприйнятими теоріями: загальною теорією відносності та стандартною моделлю.

Вважається, що стандартна модель має бути частиною деякої більш глибокої теорії будови мікросвіту, тією частиною, яка видна в експериментах на колайдерах при енергіях нижче приблизно 1 ТеВ (тераелектронвольт). Головне завдання Великого адронного колайдера – отримати хоча б перші натяки на те, що це за глибша теорія.

До основних завдань колайдера входить також відкриття і підтвердження Бозона Хіггса. Це відкриття підтвердило б Стандартну Модель виникнення елементарних атомних частинок та стандартної матерії. Під час запуску колайдера на повну потужність цілісність стандартної моделі буде зруйнована. Елементарні частинки, властивості яких ми розуміємо лише частково, неспроможні підтримувати свою структурну цілісність. Стандартна модель має верхню межу енергії 1 ТеВ, при збільшенні якої частка розпадається. При енергії в 7 ТеВ могли б бути створені частинки з масами, вдесятеро більшими за нині відомі.

Технічні характеристики

Передбачається зіштовхувати в прискорювачі протони з сумарною енергією 14 ТеВ (тобто 14 тераелектронвольт або 14 1012 електронвольт) в системі центру мас налітаючих частинок, а також ядра свинцю з енергією 5 ГеВ (5 109 електронвольт) на кожну.

Світимість ВАК під час перших тижнів роботи пробігу була трохи більше 1029 частинок/см²·с, проте вона продовжує постійно підвищуватися. Метою є досягнення номінальної світності в 1,7 · 1034 частинок/см² · с, що по порядку величини відповідає світимостей BaBar (SLAC, США) та Belle (KEK, Японія).

Прискорювач розташований у тому самому тунелі, який раніше займав Великий електрон-позитронний колайдер, під землею на території Франції та Швейцарії. Глибина залягання тунелю - від 50 до 175 метрів, причому кільце тунелю нахилено приблизно на 1,4% щодо поверхні землі. Для утримання, корекції та фокусування протонних пучків використовуються 1624 надпровідні магніти, загальна довжина яких перевищує 22 км. Магніти працюють при температурі 1,9 K (−271 °C), що трохи нижче температури переходу гелію в надплинний стан.

Детектори ВАК

На ВАК працюють 4 основні та 3 допоміжні детектори:

ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)
CMS (Compact Muon Solenoid)
LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment)
TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement)
LHCf (The Large Hadron Collider forward)
MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC).

Перший з них налаштований на дослідження зіткнень важких іонів. Температура і щільність енергії утвореної у своїй ядерної матерії достатньої народження глюонної плазми. Внутрішня система стеження (ITS) в ALICE складається з шести циліндричних шарів кремнієвих датчиків, що оточують пункт зіткнення і вимірюють властивості і точні положення частинок, що з'являються. Таким чином, можуть бути легко виявлені частинки, що містять важкий кварк.

Другий призначений для дослідження зіткнень між протонами. Довжина ATLAS – 44 метри, 25 метрів у діаметрі та вага приблизно 7000 тонн. У центрі тунелю зіштовхуються промені протонів, це найбільший і найскладніший з коли-небудь побудованих датчиків такого типу. Датчик фіксує все, що відбувається під час та після зіткнення протонів. Метою проекту є виявлення частинок, до цього не зареєстрованих і не виявлених у нашому всесвіті.

CMS - один із двох величезних універсальних детекторів елементарних частинок на ВАК. Близько 3600 учених із 183 лабораторій та університетів 38 країн підтримують роботу CMS (На малюнку - пристрій CMS).

Найвнутрішній шар - заснований на кремнії трекер. Трекер – найбільший у світі кремнієвий датчик. Це має 205 m2 кремнієвих датчиків (приблизно область тенісного корту), що включають 76 мільйонів каналів. Трекер дозволяє вимірювати сліди заряджених частинок електромагнітному полі.

На другому рівні знаходиться електромагнітний калориметр. Адронний калориметр, що знаходиться на наступному рівні, вимірює енергію окремих адронів, вироблених у кожному випадку.

Наступний шар CMS Великого Адронного Колайдера – величезний магніт. Великий Соленоїдний Магніт складає 13 метрів у довжину та має 6-метровий діаметр. Складається він з котушок, що охолоджуються, зроблених з ніобію і титану. Цей великий соленоїдний магніт працює на повну силу, щоб максимізувати час існування частинок соленоїдний магніт.

П'ятий шар - мюонні детектори та ярмо повернення. CMS призначений для дослідження різних типів фізики, які можуть бути виявлені в енергійних зіткненнях LHC. Деякі з цих досліджень полягають у підтвердженні або покращених вимірах параметрів Стандартної Моделі, тоді як багато інших - у пошуках нової фізики.

Про Великого адронного колайдера можна розповідати багато і довго. Сподіваємося, що наша стаття допомогла розібратися в тому, що таке ВАК і для чого він необхідний вченим.

Цього року вчені планують відтворити в ядерній лабораторії ті далекі первозданні умови, коли ще не було протонів та нейтронів, а існувала суцільна кварк-глюонна плазма. Іншими словами, дослідники сподіваються побачити світ елементарних частинок у тому вигляді, яким він був лише через частки мікросекунд після Великого вибуху, тобто після утворення Всесвіту. Програма називається "Як усе почалося". Крім того, вже понад 30 років у науковому світі вишиковуються теорії, що пояснюють наявність маси у елементарних частинок. Один із них передбачає існування бозона Хіггса. Цю елементарну частинку називають ще божественною. Як сказав один із співробітників ЦЕРН, «піймавши сліди Хіггс-бозона, я прийду до власної бабусі і скажу: подивися, будь ласка, - через цю маленьку штучку в тебе стільки зайвих кілограмів». Але експериментально існування бозона поки що не підтверджено: всі надії – на прискорювач LHC.

Великий адронний колайдер – прискорювач частинок, завдяки якому фізики зможуть проникнути так глибоко всередину матерії, як ніколи раніше. Суть робіт на колайдері полягає у вивченні зіткнення двох пучків протонів із сумарною енергією 14 ТеВ на один протон. Ця енергія в мільйони разів більша, ніж енергія, що виділяється в одиничному акті термоядерного синтезу. Крім того, проводитимуться експерименти з ядрами свинцю, що стикаються при енергії 1150 ТЕВ.

Прискорювач ВАК забезпечить новий ступінь у низці відкриттів частинок, що почалися сторіччя тому. Тоді вчені ще тільки виявили різні види таємничих променів: рентгенівські, катодне випромінювання. Звідки вони виникають, чи однакової природи їхнє походження і, якщо так, то яка вона?
Сьогодні ми маємо відповіді на питання, що дозволяють набагато краще зрозуміти походження Всесвіту. Проте на початку XXI століття перед нами стоять нові питання, відповіді на які вчені сподіваються отримати за допомогою прискорювача ВАК. І хто знає, розвиток яких нових галузей людських знань спричинять майбутні дослідження. А поки що наші знання про Всесвіт недостатні.

Коментує член-кореспондент РАН з Інституту фізики високих енергій Сергій Денисов:
- У цьому колайдері бере участь багато російських фізиків, які пов'язують певні надії із відкриттями, які можуть там відбутися. Основна подія, яка може статися, - це відкриття так званої гіпотетичної частки Хіггса (Пітер Хіггс - видатний шотландський фізик.). Роль цієї частки є надзвичайно важливою. Вона відповідальна за утворення багатьох інших елементарних частинок. Якщо таку частинку відкриють, це буде найбільшим відкриттям. Воно підтвердило б так звану Стандартну модель, яка зараз широко використовується для опису всіх процесів у мікросвіті. Поки ця частка не буде відкрита, цю модель не можна вважати повністю обґрунтованою та підтвердженою. Це, звичайно, найперше, чого вчені очікують від цього колайдера (LHC).
Хоча, взагалі кажучи, ніхто не вважає цю Стандартну модель істиною в останній інстанції. І, швидше за все, на думку більшості теоретиків, вона є наближенням або, іноді кажуть, «низькоенергетичним наближенням» до більш загальної теорії, яка описує світ на відстанях у мільйон разів менших за розмір ядер. Це приблизно теорія Ньютона є «низькоенергетичним наближенням» до теорії Ейнштейна – теорії відносності. Друге важливе завдання, пов'язане з колайдером – це спробувати перейти за межі цієї стандартної моделі, тобто здійснити перехід до нових просторово-часових інтервалів.

Фізики зможуть зрозуміти, в якому напрямку треба рухатися, щоб побудувати більш красиву і загальну теорію фізики, яка буде еквівалентна таким малим просторово-часовим інтервалам. Ті процеси, які там вивчаються, відтворюють по суті процес утворення Всесвіту, як то кажуть, «у момент Великого Вибуху». Звичайно, це для тих, хто вірить у цю теорію про те, що Всесвіт створювався таким чином: вибух, потім процеси за супервисоких енергій. Подорож у часі, що обумовлюється, може виявитися пов'язаною з цим Великим Вибухом.
Як би там не було, ВАК – це досить серйозне просування в глиб мікросвіту. Тому можуть відкритися несподівані речі. Скажу одне, що на ВАК можуть бути відкриті абсолютно нові властивості простору і часу. В якому напрямку вони будуть відкриті – зараз важко сказати. Головне – прориватися далі та далі.

Довідка

Європейська організація ядерних досліджень (ЦЕРН) – найбільший у світі науково-дослідний центр у галузі фізики частинок. На цей час кількість країн-учасниць зросла до 20. Близько 7000 вчених, які представляють 500 наукових центрів та університетів, користуються експериментальним обладнанням ЦЕРН. До речі, у роботі над Великим адронним колайдером брав безпосередню участь російський Інститут ядерної фізики СО РАН. Наші фахівці зараз зайняті монтажем та тестуванням обладнання, яке розроблено та вироблено в Росії для цього прискорювача. Очікується, що Великий адронний колайдер буде запущено у травні 2008 року. Як висловився Лін Еванс, голова проекту, прискорювачеві не вистачає лише однієї деталі – великої червоної кнопки.

Найпотужніший у світі прискорювач заряджених частинок на зустрічних пучках

Найпотужніший у світі прискорювач заряджених частинок на зустрічних пучках, збудований Європейським центром з ядерних досліджень (CERN) у підземному тунелі завдовжки 27 кілометрів на глибині 50-175 метрів на кордоні Швейцарії та Франції. ВАК було запущено восени 2008 року, проте через аварію експерименти на ньому почалися лише у листопаді 2009 року, а на проектну потужність він вийшов у березні 2010 року. Запуск колайдера привернув увагу не лише фізиків, а й простих обивателів, оскільки у ЗМІ висловлювалися побоювання, що експерименти на колайдері можуть призвести до кінця світу. У липні 2012 року було оголошено про виявлення за допомогою ВАК частинки, яка з високою ймовірністю була бозоном Хіггса - його існування підтверджувало правильність Стандартної моделі будови речовини.

Передісторія

Вперше прискорювачі часток стали використовуватися в науці наприкінці 20-х років XX століття для вивчення властивостей матерії. Перший кільцевий прискорювач, циклотрон, було створено 1931 року американським фізиком Ернестом Лоуренсом (Ernest Lawrence). У 1932 році англієць Джон Кокрофт (John Cockcroft) та ірландець Ернест Уолтон (Ernest Walton) за допомогою помножувача напруги та першого у світі прискорювача протонів зуміли вперше здійснити штучне розщеплення ядра атома: при бомбардуванні літію протонами було отримано гелій. Прискорювачі частинок працюють за рахунок електричних полів, які використовуються для прискорення (у багатьох випадках до швидкостей, наближених до швидкості світла) та утримання на заданій траєкторії заряджених частинок (наприклад, електронів, протонів або важчих іонів). Найпростіший побутовий приклад прискорювачів - це телевізори з електронною променевою трубкою,,,,,.

Прискорювачі використовуються для різноманітних експериментів, у тому числі для отримання надважких елементів. Для дослідження елементарних частинок також використовуються колайдери (від collide - "зіткнення") - прискорювачі заряджених частинок на зустрічних пучках, призначені для вивчення продуктів їх зіткнень. Вчені надають пучкам великих кінетичних енергії. При зіткненнях можуть утворитися нові, невідомі раніше частинки. Спеціальні детектори покликані вловити їхню появу. На початок 1990-х років найбільш потужні колайдери діяли в США та Швейцарії. У 1987 році в США неподалік Чикаго був запущений колайдер Теватрон (Tevatron) з максимальною енергією пучка 980 гігаелектронвольт (ГеВ). Він є підземним кільцем довжиною 6,3 кілометра , , . У 1989 році у Швейцарії під егідою Європейського центру з ядерних досліджень (CERN) було введено в експлуатацію Великий електрон-позитронний колайдер (LEP). Для нього на глибині 50-175 метрів у долині Женевського озера був побудований кільцевий тунель довжиною 26,7 кілометра, в 2000 році на ньому вдалося досягти енергії пучка в 209 ГеВ , , , .

У СРСР у 1980-і роки було створено проект Прискорювально-накопичувального комплексу (УНК) – надпровідного протон-протонного колайдера в Інституті фізики високих енергій (ІФВЕ) у Протвіно. Він перевершував би за більшістю параметрів LEP і Теватрон і повинен був дозволити розганяти пучки елементарних частинок з енергією 3 тераелектронвольта (ТеВ). Його основне кільце завдовжки 21 кілометр було побудовано під землею у 1994 році, проте через брак коштів проект у 1998 році був заморожений, збудований у Протвиному тунель – законсервований (були добудовані лише елементи розгінного комплексу), а головний інженер проекту Геннадій Дуров виїхав на роботу в США , , , , , , , . На думку деяких російських учених, якби УНК був добудований і введений в дію, не було б необхідності у створенні більш потужних колайдерів, : висловлювалося припущення, що для отримання нових даних про фізичні основи світоустрою достатньо було подолати на прискорювачах поріг енергії в 1 ТеВ , . Заступник директора НДІ ядерної фізики МДУ та координатор участі російських інститутів у проекті створення Великого адронного колайдера Віктор Саврін, згадуючи про УНК, стверджував: "Ну три тераелектронвольти або сім. А там три тераелектронвольти можна було довести до п'яти потім". Втім, США теж відмовилися від будівництва власного надпровідного суперколайдера (SSC) в 1993 році, причому з фінансових міркувань.

Замість будівництва власних колайдерів фізики різних країн вирішили об'єднатися у рамках міжнародного проекту, ідея створення якого зародилася ще у 1980-х роках. Після закінчення експериментів на швейцарському LEP його обладнання було демонтовано, і на його місці розпочато будівництво Великого адронного колайдера (БАК, Large Hadron Collider, LHC) - найпотужнішого у світі кільцевого прискорювача заряджених частинок на зустрічних пучках, на якому зіштовхуватимуться пучки протонів. зіткнення до 14 ТеВ та іони свинцю з енергіями зіткнення до 1150 ТеВ , , , , , .

Цілі експерименту

Основною метою будівництва ВАК було уточнення або спростування Стандартної моделі - теоретичної конструкції у фізиці, що описує елементарні частинки та три з чотирьох фундаментальних взаємодії: сильна, слабка та електромагнітна, за винятком гравітаційного . Формування Стандартної моделі було завершено в 1960-1970-х роках, і всі зроблені відтоді відкриття, на думку вчених, описувалися природними розширеннями цієї теорії. При цьому Стандартна модель пояснювала, як взаємодіють елементарні частинки, але не відповідала на питання, чому саме так, а не інакше.

Вчені зазначали, що якби на ВАК не вдалося домогтися відкриття бозона Хіггса (у пресі його іноді називали "часткою бога" , , ) - це поставило б під питання всю Стандартну модель, що вимагало б повного перегляду існуючих уявлень про елементарні частинки , , , , . У той самий час у разі підтвердження Стандартної моделі деякі області фізики вимагали подальшої експериментальної перевірки: зокрема, потрібно було довести існування "гравітонів" - гіпотетичних частинок, що відповідали за гравітацію , .

Технічні особливості

ВАК розташовується в тунелі, побудованому для LEP. Велика його частина лежить під територією Франції. Тунель містить дві труби, які майже на всій своїй протяжності йдуть паралельно і перетинаються в місцях розташування детекторів, в яких здійснюватимуться зіткнення адронів - частинок, що складаються з кварків (для зіткнень будуть використовуватися іони свинцю та протони). Розганятися протони починають над самому ВАК, а допоміжних прискорювачах. Пучки протонів "стартують" у лінійному прискорювачі LINAC2, потім у прискорювачі PS, після чого вони потрапляють у кільце супер протонного синхротрону (SPS) довжиною 6,9 кілометра і вже після цього опиняються в одній із труб ВАК, де ще протягом 20 хвилин їм буде надано енергію до 7 ТеВ. Експерименти з іонами свинцю розпочинатимуть у лінійному прискорювачі LINAC3. Пучки утримуються на траєкторії 1600 надпровідними магнітами, багато з яких важать до 27 тонн. Ці магніти охолоджуються рідким гелієм до наднизької температури: 1,9 градуси вище за абсолютного нуля, холодніше відкритого космосу , , , , , , , .

На швидкості в 99,9999991 відсотка швидкості світла, здійснюючи понад 11 тисяч кіл по кільцю колайдера в секунду, протони стикаються в одному з чотирьох детекторів - найбільш складних систем ВАК , , , , , . Детектор ATLAS призначений для пошуку нових невідомих частинок, які можуть підказати вченим шлях пошуку "нової фізики", відмінної від Стандартної моделі. Детектор CMS призначений для отримання бозона Хіггса та дослідження темної матерії. Детектор ALICE призначений для досліджень матерії після Великого Вибуху та пошуку кварк-глюонної плазми, а детектор LHCb досліджуватиме причину превалювання матерії над антиматерією та досліджувати фізику b-кварків, . У майбутньому планується ввести в дію ще три детектори: TOTEM, LHCf і MoEDAL, .

Для обробки результатів експериментів на БАК використовуватиметься виділена розподілена комп'ютерна мережа GRID, здатна передавати до 10 гігабіт інформації в секунду в 11 обчислювальних центрів по всьому світу. Щороку з детекторів зчитуватиметься більше 15 петабайт (15 тисяч терабайт) інформації: сумарний потік даних чотирьох експериментів може досягати 700 мегабайт в секунду , , , , . У вересні 2008 року хакерам вдалося зламати веб-сторінку CERN і, за їхніми заявами, отримати доступ до управління колайдером. Проте співробітники CERN пояснили, що система управління ВАК ізольована від інтернету. У жовтні 2009 року за підозрою у співпраці з терористами був заарештований Адлен Ішор, який був одним із вчених, які працювали над експериментом LHCb на ВАК. Втім, як повідомило керівництво CERN, Ішор не мав доступу до підземних приміщень колайдера і не займався нічим, що могло зацікавити терористів. У травні 2012 року Ішора було засуджено на п'ять років в'язниці .

Вартість та історія будівництва

У 1995 році вартість створення ВАК оцінювалася в 2,6 мільярда швейцарських франків без урахування вартості проведення експериментів. Планувалося, що експерименти повинні будуть розпочатися через 10 років – у 2005 році. У 2001 році бюджет CERN був скорочений, а до вартості будівництва було додано 480 мільйонів франків (загальна вартість проекту на той час складала близько 3 мільярдів франків), і це призвело до того, що запуск колайдера було відкладено до 2007 року. У 2005 році під час будівництва ВАК загинув інженер: причиною трагедії стало падіння вантажу з крана.

Запуск ВАК переносився не лише через проблеми з фінансуванням. У 2007 році з'ясувалося, що поставлені Fermilab деталі для надпровідних магнітів не задовольняли конструкційним вимогам, через що запуск колайдера було перенесено на рік.

10 вересня 2008 року в ВАК було запущено перший пучок протонів. Планувалося, що через кілька місяців на колайдері будуть здійснені перші зіткнення, проте 19 вересня через дефектне з'єднання двох надпровідних магнітів на ВАК сталася аварія: магніти були виведені з ладу, в тунель вилилося більше 6 тонн рідкого гелію, у трубах прискорювача було порушено вакуум . Колайдеру довелося закрити на ремонт. Незважаючи на аварію 21 вересня 2008 року відбулася урочиста церемонія введення ВАК у дію. Спочатку досліди збиралися відновити вже в грудні 2008 року, проте потім дата повторного запуску була перенесена на вересень, а після - на середину листопада 2009 року, при цьому перші зіткнення планувалося провести лише у 2010 році. Перші після аварії тестові запуски пучків іонів свинцю та протонів у частині кільця ВАК були здійснені 23 жовтня 2009 року. 23 листопада в детекторі ATLAS було зроблено перші зіткнення пучків, а 31 березня 2010 року колайдер запрацював на повну потужність: того дня було зареєстровано зіткнення пучків протонів на рекордній енергії в 7 ТеВ. У квітні 2012 року було зафіксовано ще більшу енергію зіткнень протонів - 8 ТеВ .

У 2009 році вартість ВАК оцінювалася від 3,2 до 6,4 мільярда євро, що робило його найдорожчим науковим експериментом в історії людства.

Міжнародна співпраця

Зазначалося, що проект масштабу ВАК не під силу створити одній країні. Він створювався зусиллями не лише 20 держав-учасниць CERN: у його розробці брали участь понад 10 тисяч вчених із понад ста країн земної кулі. З 2009 року проектом ВАК керує генеральний директор CERN Рольф-Дітер Хойєр (Rolf-Dieter Heuer). У створенні ВАК бере участь і Росія як член-спостерігач CERN: у 2008 році на Великому адронному колайдері працювало близько 700 російських вчених, у тому числі були співробітники ІФВЕ.

Тим часом вчені однієї з європейських країн ледь не втратили можливість взяти участь в експериментах на ВАК. У травні 2009 року міністр науки Австрії Йоханнес Хан (Johannes Hahn) заявив про вихід країни з CERN з 2010 року, пояснивши це тим, що членство в CERN і участь у програмі створення ВАК є надто затратним і не приносить відчутної віддачі науці та університетам Австрії. Йшлося про можливу щорічну економію приблизно 20 мільйонів євро, що становило 2,2 відсотка бюджету CERN і близько 70 відсотків коштів, що виділяються на австрійським урядом на участь у міжнародних дослідницьких організаціях. Остаточне рішення про вихід Австрія пообіцяла ухвалити восени 2009 року. Втім, згодом австрійський канцлер Вернер Файман (Werner Faymann) заявив, що його країна не збирається залишати проект і CERN.

Чутки про небезпеку

У пресі циркулювали чутки про те, що ВАК становить небезпеку для людства, оскільки його запуск може призвести до кінця світу. Приводом стали заяви вчених про те, що в результаті зіткнень у колайдері можуть утворитися мікроскопічні чорні дірки: відразу з'явилися думки про те, що в них може "засмоктати" всю Землю, і тому ВАК є справжньою "скринею Пандори", , , . Також висловлювалися думки про те, що виявлення бозона Хіггса призведе до безконтрольного зростання маси у Всесвіті, а експерименти з пошуку "темної матерії" можуть призвести до появи "страпелячок" (strangelets, переклад терміну на російську мову належить астроному Сергію Попову) - "дивній матерії" ", яка при зіткненні зі звичайною матерією може перетворити її на "страпельку". При цьому наводилося порівняння з романом Курта Воннегута (Kurt Vonnegut) "Колиска для кішки", де вигаданий матеріал "лід-дев'ять" знищив життя на планеті. Деякі видання, посилаючись на думки окремих учених, заявляли також про те, що експерименти на ВАК можуть призвести до появ "червоточин" (wormholes) у часі, через які в наш світ з майбутнього можуть перенестися частинки або навіть живі істоти. Втім, виявилося, що слова вчених були спотворені і неправильно інтерпретовані журналістами: спочатку йшлося "про мікроскопічні машини часу, за допомогою яких мандрувати в минуле зможуть лише окремі елементарні частинки", .

Вчені неодноразово заявляли, що ймовірність подібних подій мізерно мала. Було навіть зібрано спеціальну Групу оцінки безпеки ВАК, яка провела аналіз та виступила зі звітом про ймовірність катастроф, до яких можуть привести експерименти на ВАК. Як повідомили вчені, зіткнення протонів на ВАК будуть не небезпечнішими, ніж зіткнення космічних променів зі скафандрами космонавтів: вони мають іноді навіть більшу енергію, ніж та, що може бути досягнуто в ВАК. А що стосується гіпотетичних чорних дірок, то вони "розсмокчуться", не долетівши навіть до стінок колайдера,,,,,,.

Втім, чутки про можливі катастрофи все одно тримали громадськість у напрузі. На творців колайдера навіть подавали до суду: найвідоміші позови належали американському юристу та лікарю Вальтеру Вагнеру (Walter Wagner) та професору хімії з Німеччини Отто Ресслеру (Otto Rossler). Вони звинувачували CERN в тому, що своїм експериментом організація наражають на небезпеку людство і порушують гарантоване Конвенцією з прав людини "право на життя", проте позови були відхилені , , , , . Преса повідомляла, що через чутки про швидкий кінець світу після запуску ВАК в Індії наклала на себе руки 16-річна дівчина.

У російській блогосфері з'явився мем "скоріше колайдер", який можна перекласти як "скоріше б кінець світу, неможливо більше дивитися на це неподобство". Популярністю користувався анекдот "Фізики мають традицію - один раз на 14 мільярдів років збиратися і запускати колайдер".

Наукові результати

Перші дані експериментів на ВАК були опубліковані в грудні 2009 року. 13 грудня 2011 року фахівці CERN заявили, що в результаті досліджень на ВАК їм вдалося звузити межі ймовірної маси бозона Хіггса до 115,5-127 ГеВ і виявити ознаки існування частки, що шукається, з масою близько 126 ГеВ, . У тому ж місяці було вперше оголошено про відкриття в ході експериментів на ВАК нової частинки, яка не була бозоном Хіггса і отримала назву b (3P), .

4 липня 2012 року керівництво CERN офіційно заявило про виявлення з ймовірністю 99,99995 відсотка нової частки в області мас близько 126 ГеВ, яка, за припущеннями вчених, найімовірніше була бозоном Хіггса. Цей результат керівник однієї з двох наукових колаборацій, що працювали на ВАК, Джо Інкандела (Joe Incandela) назвав "одним із найбільших спостережень у цій галузі науки за останні 30-40 років", а сам Пітер Хіггс оголосив виявлення частки "кінцем цілої ери у фізиці" " , , .

Майбутні проекти

У 2013 році CERN планує модернізувати ВАК, встановивши на нього потужніші детектори та збільшивши загальну потужність колайдера. Проект модернізації називають Супер великим адронним колайдером (Super Large Hadron Collider, SLHC). Також планується будівництво Міжнародного лінійного колайдера (International Linear Collider, ILC). Його труба буде довжиною в кілька десятків кілометрів, і він повинен бути дешевше за БАК за рахунок того, що в його конструкції не потрібно застосовувати дорогі надпровідні магніти. Будувати ILC, можливо, будуть в Дубні , , .

Також деякі фахівці CERN та вчені США та Японії пропонували після закінчення роботи ВАК розпочати роботу над новим Дуже великим адронним колайдером (Very Large Hadron Collider, VLHC), .

Використані матеріали

Chris Wickham, Robert Evans. "It"s a boson:" Higgs quest bears new particle. Reuters, 05.07.2012

Lucy Christie, Marie Noelle Blessig. Physique: decouverte de la "particule de Dieu"? - Agence France-Presse, 04.07.2012

Dennis Overbye. Physicists Find Elusive Particle Seen є Key to Universe. - The New York Times, 04.07.2012

Adlene Hicheur condamne a 5 ans de prison, dont un avec sursis. - L"Express, 04.05.2012

Particle collider escalates quest to explore universe. - Agence France-Presse, 06.04.2012

Jonathan Amos. LHC reports discovery of its first new particle. - BBC News, 22.12.2011

Леонід Попов. На ВАК спіймана перша нова частка. - Membrana, 22.12.2011

Stephen Shankland. CERN physicists find hint of Higgs boson. - CNET, 13.12.2011

Paul Rincon. LHC: Higgs boson "має бути глухий". - BBC News, 13.12.2011

Yes, we did it! - CERN Bulletin, 31.03.2010

Richard Webb. Physicists race to publish перші результати від LHC. - New Scientist, 21.12.2009

Press Release. Дві циркуляційні композиції при перших collisions в LHC. - CERN (cern.ch), 23.11.2009

Particles є back in the LHC! - CERN (cern.ch), 26.10.2009

First lead ions в LHC. - LHC Injection Tests (lhc-injection-test.web.cern.ch), 26.10.2009

Charles Bremner, Adam Sage. Hadron Collider physicist Adlene Hicheur charged with terrorism. - The Times, 13.10.2009

Dennis Overbye. French Investigate Scientist у Формальному Terrorism Inquiry. - The New York Times, 13.10.2009

What's left of the Superconducting Super Collider? The Physics Today, 06.10.2009

LHC to run at 3.5 TeV for early part of 2009-2010 run rising later. - CERN (cern.ch), 06.08.2009

LHC Experiments Committee. - CERN (cern.ch), 30.06.2009

Де знаходиться великий адронний колайдер?

У 2008 році CERN (Європейська рада ядерних досліджень) завершила будівництво надпотужного прискорювача частинок, названого Великий адронний колайдер. Англійською: LHC – Large Hadron Collider. CERN – міжнародна міжурядова наукова організація, утворена у 1955 році. По суті, це головна лабораторія світу в галузях високих енергій, фізики частинок та сонячної енергетики. Членами організації є близько 20 країн.

Навіщо потрібний великий адронний колайдер?

На околицях Женеви в 27-кілометровому (26 659 м) круговому бетонному тунелі створено кільце надпровідних магнітів для розгону протонів. Передбачається, що прискорювач допоможе не тільки проникнути в таємниці мікроструктури матерії, а й дозволить просунутися у пошуках відповіді на питання про нові джерела енергії в глибині матерії.

З цією метою одночасно з будівництвом самого прискорювача (вартістю понад 2 млрд доларів) створено чотири детектори частинок. З них два великі універсальні (CMS і ATLAS) і два – більш спеціалізовані. Загальна вартість детекторів наближається також до 2 млрд. доларів. У кожному з великих проектів CMS та ATLAS взяли участь понад 150 інститутів із 50 країн, у тому числі російських та білоруських.

Полювання за невловимим бозоном Хіггса

Як працює прискорювач адронний колайдер? Колайдер - це найбільший прискорювач протонів, що працює на зустрічних пучках. В результаті прискорення кожен з пучків матиме енергію в лабораторній системі 7 тераелектрон-вольт (ТеВ), тобто 7x1012 електрон-вольт. При зіткненні протонів утворюється безліч нових частинок, які реєструватимуться детекторами. Після аналізу вторинних частинок отримані дані допоможуть відповісти на фундаментальні питання, що хвилюють вчених, які займаються фізикою мікросвіту та астрофізикою. Серед головних питань – експериментальне виявлення бозона Хіггса.

Бозон Хіггса, що став «знаменитим», - гіпотетична частка, що є одним з головних компонентів так званої стандартної, класичної моделі елементарних частинок. Названий на ім'я британського теоретика Пітера Хіггса, який передбачив його існування в 1964 році. Вважається, що хіггсівські бозони, будучи квантами поля Хіггса, мають відношення до фундаментальних питань фізики. Зокрема до концепції походження мас елементарних частинок.

2-4 липня 2012 року ряд експериментів на колайдері виявили якусь частинку, яку можна співвіднести з бозоном Хіггса. Причому дані підтвердилися при вимірюванні і системою ATLAS, і системою CMS. Досі точаться суперечки, чи справді відкритий горезвісний бозон Хіггса, чи це інша частка. Факт у тому, що виявлений бозон – найважчий із тих, що раніше фіксувалися. Для вирішення фундаментального питання були запрошені провідні фізики світу: Джеральд Гуральник, Карл Хаген, Франсуа Енглер і сам Пітер Хіггс, який теоретично обґрунтував у далекому 1964 існування бозона, названого на його честь. Після аналізу масиву даних, учасники дослідження схильні вважати, що бозон Хігса дійсно виявлений.

Багато фізиків сподівалися, що при дослідженні бозона Хіггса виявляться «аномалії», які змусили б говорити про так звану «Нову фізику». Однак до кінця 2014 року оброблено майже весь масив даних, накопичений за три попередні роки в результаті експериментів на ВАК, та інтригуючих відхилень (за винятком окремих випадків) не виявлено. Насправді виявилося, що двофотонний розпад горезвісного бозона Хіггса виявився, за словами дослідників, «занадто стандартним». Втім, намічені на весну 2015 експерименти можуть здивувати науковий світ новими відкриттями.

Не бозоном єдиним

Пошук бозона Хіггса – не самоціль гігантського проекту. Для вчених також важливим є пошук нових видів частинок, що дозволяють судити про єдину взаємодію природи на ранній стадії існування Всесвіту. Нині вчені розрізняють чотири фундаментальні взаємодії природи: сильну, електромагнітну, слабку та гравітаційну. Теорія передбачає, що у початковій стадії Всесвіту, можливо, існувало єдине взаємодія. Якщо нові частинки будуть відкриті, підтвердиться ця версія.

Фізиков також турбує питання про загадкове походження маси частинок. Чому частинки взагалі мають масу? І чому вони мають такі маси, а чи не інші? Принагідно тут завжди мається на увазі формула Е=mc². У будь-якому матеріальному об'єкті є енергія. Питання у тому, як її звільнити. Як створити такі технології, які б дозволили вивільняти її з речовини з максимальним коефіцієнтом корисної дії? На сьогодні це головне питання енергетики.

Іншими словами, проект Великого адронного колайдера допоможе вченим знайти відповіді на фундаментальні питання та розширити знання про мікросвіт і, таким чином, про походження та розвиток Всесвіту.

Внесок білоруських та російських вчених та інженерів у створення ВАК

На етапі будівництва європейські партнери з CERN звернулися до групи білоруських учених, які мають серйозні напрацювання у цій галузі, взяти участь у створенні детекторів для LHC із самого початку проекту. У свою чергу білоруські вчені запросили до співпраці колег Об'єднаного інституту ядерних досліджень з наукограда Дубна та інших російських інститутів. Фахівці єдиною командою розпочали роботу над так званим детектором CMS – «Компактним мюонним соленоїдом». Він складається з багатьох найскладніших підсистем, кожна з яких сконструйована так, щоб виконувались специфічні завдання, при цьому спільно вони забезпечують ідентифікацію та точне вимір енергій та кутів вильоту всіх частинок, що народжуються в момент протонних зіткнень у ВАК.

Білорусько-російські фахівці також брали участь у створенні детектора ATLAS. Це встановлення висотою 20 м, здатне виміряти траєкторії частинок з високою точністю: до 0,01 мм. Чутливі датчики всередині детектора містять близько 10 млрд. транзисторів. Пріоритетна мета експерименту ATLAS полягає у виявленні бозона Хіггса, вивченні його властивостей.

Без перебільшення, наші вчені зробили значний внесок у створення детекторів CMS та ATLAS. Деякі важливі компоненти виготовлено на мінському Машинобудівному заводі ім. Жовтневої революції (МОЗОР). Зокрема торцеві адронні калориметри для експерименту CMS. Крім того, завод зробив дуже складні елементи магнітної системи детектора ATLAS. Це великогабаритні вироби, що вимагають володіння спеціальними технологіями обробки металів та надточної обробки. За оцінкою техніків CERN, замовлення було виконано блискуче.

Не можна недооцінювати і «внесок особистостей у історію». Наприклад, інженер кандидат технічних наук Роман Стефанович відповідальний у проекті CMS за надточну механіку. Жартома навіть кажуть, що без нього CMS не був би зібраний. Але якщо серйозно, то можна цілком виразно стверджувати: без нього терміни складання та налагодження при потрібній якості не були б витримані. Інший наш інженер-електронник Володимир Чеховський, пройшовши досить складний конкурс, сьогодні налагоджує електроніку детектора CMS та його мюонних камер.

Наші вчені беруть участь як у запуску детекторів, так і в лабораторній частині, їх експлуатації, підтримці та оновленні. Вчені з Дубни та їхні білоруські колеги повноправно займають свої місця у міжнародному фізичному співтоваристві CERN, яке працює задля отримання нової інформації про глибинні властивості та будову матерії.

Відео

Огляд від каналу Проста наука, що наочно показує принцип дії прискорювача:

Огляд від уаналу Галілео:

Адронний колайдер запуск 2015: