Что будет если взорвется коллайдер. Большой адронный коллайдер опасность для планеты. Опасны ли стационарные объекты

Одним из главных опасений является создание коллайдером так называемой «черной дыры». Как известно, чёрная дыра - область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе кванты самого света. Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный размер - гравитационным радиусом.

Так что же будет, если адронный коллайдер создаст микроскопическую черную дыру? Существует мнение, что вся планета Земля провалится в эту дыру, для нас с вами это означает конец всего. Сегодня принято считать, что эти опасения беспочвенны. Во-первых, основная критика шла до первого запуска коллайдера в 2008 году. Он заработал, но Земля все еще на месте. Во-вторых, как утверждает Стивен Хокинг, черная дыра пожирает материю, но извергает «излучение Хокинга», постепенно уменьшаясь.

Так как коллайдер может создать только микроскопическую черную дыру, она «мгновенно» (10^-27 секунд) самоуничтожится, еще не успев поглотить нас.

Высокоэнергетические «странные капельки»

Забавный термин, но на самом деле нам не до смеха. Страпелька («странная капелька»), странглет (от англ. strangelet - strange + droplet) - гипотетический объект, состоящий из «странной материи», либо образованной адронами, содержащими «странные» кварки, либо не разделённым на отдельные адроны кварковым веществом с примерно одинаковым содержанием странных, верхних и нижних кварков. Странная материя рассматривается в космологии как кандидат на роль «тёмной материи». Русскоязычный вариант термина «страпелька» предложен в 2005 году Сергеем Поповым.

Чем опасны страпельки? Их не зря называют капельками-убийцами: по версии ученых, страпельки могут повлиять на привычную нам материю, мгновенно уничтожить тем самым Землю. Но пока никто не видел эти страпельки, и никто еще не смог их синтезировать.

Магнитное монополе

Как мы знаем, у магнита два полюса. Есть старая идея, что может быть и магнитное поле с одним полюсом, вернее, создать частицу под названием «магнитный монополь». Но это никогда никак не подтверждалось. Тем не менее, ученые бьют тревогу и здесь: а вдруг Большой адронный коллайдер создаст такую частицу? Да, он мог бы создать такую частицу, но для уничтожения мира она должна быть огромной, а коллайдер для этого маловат.

Самая крупная в истории человечества установка для физических экспериментов - Большой адронный коллайдер, расположенный 28-километровым подземным кольцом на территории Франции и Швейцарии, продолжает вызывать противоречивые толки. Одни ожидают от нее чудесных путешествий во времени, другие - открытие частицы Бога, недостающей в картине строения физического мира, третьи - страшных последствий имитации Большого взрыва, способных уничтожить нашу планету.

Трейлер дискуссии.

Скачать видео (11.75 МБ)

В чем суть проводящихся в коллайдере экспериментов и действительно ли они могут представлять опасность для всего человечества? Сопоставима ли значимость физического открытия с риском планетарного масштаба, пусть даже допустимым с незначительной вероятностью?

В дебат-шоу "Угол подозрения" проблему обсуждают директор Научно-учебного центра физики частиц и высоких энергий профессор БГУ и независимый исследователь, философ , автор теории "О новой теории происхождения Вселенной и опасности экстремальных экспериментов с материей" .

Полная версия дискуссии.

Внимание! У вас отключен JavaScript, ваш браузер не поддерживает HTML5, или установлена старая версия проигрывателя Adobe Flash Player.

Скачать аудио (25.84 МБ)

Скачать видео

Николай Максимович, какие эксперименты стали возможны с появлением коллайдера?
Коллайдер - это микроскоп (это почти дословная аналогия). Микроскоп нужен, чтобы рассматривать то, что не видно невооруженным глазом. Ускоритель элементарных частиц нужен, чтобы с его помощью рассмотреть более мелкие детали в глубине материи, изучить их. До постройки Большого адронного коллайдера физики с помощью Тэватрона добрались до расстояния 10-18 м, то есть 10-16 см. Размеры атома - 10-10 м, атомного ядра - 10-15 см. То есть физики заглянули в материю на несколько порядков глубже. Большой адронный коллайдер позволил уйти еще дальше в глубину материи и узнать, как она устроена, какие новые частицы порождаются на таких расстояниях и временных промежутках, как ведет себя фундаментальное взаимодействие природы. Все это позволит увидеть какие-то новые явления.

Насколько я знаю, в экспериментах с коллайдером не просто наблюдается природа так, как она есть. Запускаются некие процессы, которые в природе не встречаются или которые сложно наблюдать, когда они происходят в естественном виде. Ведь эксперимент что-то производит с материей, а не просто ее наблюдает. Вы могли бы пояснить этот момент?
На основе проверенных общепринятых теорий, у которых нет ни одного сбоя, ни одного противоречащего факта, мы прогнозируем, какую информацию получим, проводя эти эксперименты. Конечно, могут быть и новые частицы, новые свойства взаимодействия. Но поскольку нет ни одного эксперимента, который противоречил бы теории относительности и квантовой теории поля, которая описывает фундаментальные взаимодействия, наши прогнозы должны оправдаться.

Но при этом общественное мнение с самого начала было взбудоражено. Некоторые физики выступали с заявлениями, что невозможно обеспечить полный контроль над работой коллайдера. То есть никто не может гарантировать полную безопасность. Это так?
Я не знаю таких физиков. Так говорят от недостатка информации.

Первым поднял этот вопрос американский физик Лорен Вагнер, который исследовал космические лучи, а также работал в службе радиационной безопасности. Также был украинский физик Иван Горелик, профессор химии Отто Ресслер, и можно еще найти много фамилий, которые обоснованно поднимают вопрос о непредсказуемости экспериментов.

Когда были первые пресс-конференции накануне запуска, ее организаторы выражали гордость, что впервые в истории науки проводятся эксперименты, которые в принципе непредсказуемы. Они говорили, что сделают открытия, о которых даже не подозревают, и преодолеют барьер, с которым столкнулась сегодня фундаментальная физика. Теоретическая физика находится в кризисе, и теория Большого взрыва - это одна из концепций, которая не дает ответа на многие вопросы и ведет в тупик.

Можете озвучить нерешенные вопросы теории Большого взрыва?
Если произошел Большой взрыв, и с него началась Вселенная, то как можно было в пустом состоянии получить беспричинность этого взрыва? Сам взрыв противоречит известным законам физики (такому базисному закону, как закон сохранения материи и энергии, закон термодинамики). Так произошла Вселенная: неизвестно откуда в пустом беспричинном месте.

Это звучит непрофессионально и абсолютно не имеет отношения к тому, что объясняет физическая теория и что мы сейчас наблюдаем. Мы не знаем до конца модели начала нашей Вселенной, ее фазы и того, что с ней будет дальше. Возможно, Вселенная пульсирует, сжалась в точку, а потом разжалась. Но нельзя представлять, что была пустота, в которой что-то возникло из ничего.

Физики откровенно говорят, что не знают причины, по которой произошел Большой взрыв, но однозначно нет конкурирующих теорий, которые были бы подтверждены наблюдательными фактами. Я имею в виду реликтовое излучение, закон Хаббла (расширение галактик), а сейчас еще и ускоренное расширение нашей Вселенной. Мы пришли к понятию темной материи и темной энергии, которая составляет 96% массы нашей Вселенной. Теория Большого взрыва - наиболее достоверная модель, и я не знаю других моделей, которые могли бы с такой степенью наблюдательной обоснованности конкурировать с ней.

Вначале она что-то объясняла, а когда начали разбираться, оказалось, что из этой теории вытекает всего 5% материи. Тогда совершенно бездоказательно ввели новые сущности - темную материю и темную энергию.

По второму закону Ньютона, ускорение невозможно без силы. Сила связана с энергией, значит, расширяться с ускорением Вселенная может за счет энергии. Эту энергию, которую мы видим, но о которой пока ничего не знаем, мы сопоставляем с параметром, которым можно определить ускорение. И мы говорим, что она составляет примерно 74% массы Вселенной. Еще 22% оценено как темная материя. Это неизвестные нейтральные (незаряженные) частицы. Одним из них может быть хиггсовский бозон, который будет открыт в результате экспериментов с коллайдером.

Есть другие теории, которые объясняют то, что не объясняет теория Большого взрыва. И они делают это, не вводя недоказуемых постулатов в виде темной материи.

Какая именно теория альтернативна теории Большого взрыва?
Есть два взгляда на происхождение Вселенной. По одной версии она произошла из мельчайшей точки в результате Большого взрыва. Этой теории даже нобелевские лауреаты дают нелестные оценки. По другой - материя во Вселенной возникла не от взрыва, а из вакуума. Эта теория решает все вопросы, причем в рамках всех законов физики, не привлекая дополнительных сущностей.

Люди вольны измышлять гипотезы, такова их природа. Нобелевские премии по физике, особенно последние десятилетия, были получены как раз за подтверждение теории Большого взрыва. Самый тяжелый вопрос в физике - "почему?". Сначала физики отвечают на вопросы "что?" и "как?", а вопросы "почему?" решаются потом.

Коллайдер может помочь ответить на вопрос "почему"?
Безусловно. Почему заряды электронов и протонов равны по модулю? Это загадка природы.

Чем опасен коллайдер на основании вашей теории?
Если мы исходим из того, что мир вышел из пустоты, которая рождает частицы, мы можем побудить процесс аннигиляции.

Это абсолютно ничем не обоснованные домыслы.

Были ли в работе коллайдера примеры, которые могли бы хоть как-то подтвердить эти домыслы? Возникли ли какие-то неуправляемые процессы?
Нет, конечно! В 2008 году директор ЦЕРНа уходил с поста и хотел, чтобы коллайдер был запущен еще при нем. Поэтому все немного поспешили, не проверили элементарные вещи - соединения проводов с резервуарами с жидким гелием. Когда начали поднимать напряжение и наращивать мощности, повысилась сила тока, и один контакт расплавился. Капли расплавленного металла прожгли дырку в резервуаре с жидким гелием, и, естественно, он рванул. Вот и все, что произошло. Через полтора года все было вычищено, и была обеспечена полная безопасность. Эта машина сейчас надежнее всех атомных электростанций и космических кораблей.

Из-за этого процессы не пошли в какое-то неуправляемое русло?
Взорвался резервуар с жидким гелием, ударная волна была 320 м, автоматически выдвинулись заслонки, и сработала система защиты.

Опасность коллайдера не в технических сбоях, а в непредсказуемости явления. Впервые выполнены экспериментальные установки, которые воздействуют на частицы материи на порядок выше, чем при взрыве термоядерной бомбы! Можно породить процесс, который вызовет аннигиляцию вещества планеты. Николай Максимович сказал, что коллайдер надежнее, чем атомная станция. Но на "Фукусиме" причина была в человеческом факторе: надо было учесть возможность цунами.

Были эксперименты по аннигиляции вещества? Производился ли этот процесс в маленьком, контролируемом масштабе?
Ускоритель Тэватрон в США - ускоритель протонов и антипротонов. Они сталкиваются и аннигилируют, потому что это частица и античастица.

Но при этом не происходит изменения материи вокруг, цепной реакции?
Нет, это обычная ядерная реакция столкновения элементарных частиц.

Недавно ЦЕРН объявил об открытии частицы, подобной бозону Хиггса, которая была предсказана Питером Хиггсом в 1964 году. Как это открытие может повлиять на состояние современной физической теории? Может ли работа с этой частицей быть рискованной?
Сразу отвечу на последний вопрос - нет, конечно. Это важно, потому что мы не знали, откуда берется масса. Основой теории, которая описывает фундаментальное взаимодействие частиц, является принцип симметрии. Сначала частицы получаются без массы, но в реальности они массивны. Поэтому была изобретена теория спонтанного нарушения симметрии равноправной и безмассовой частицы. Ученые возложили ответственность за возникновение массы на дополнительное скалярное поле и на частицу Хиггса как квант этого поля.

Предполагается, что это поле пронизывает всю Вселенную. Преодоление его изначально безмассовыми частицами придает им массу. Чем больше преодоление поля Хиггса, тем больше масса частиц. Происхождение самой массы остается необъяснимым: пока трудно понять, откуда она берется у самого бозона Хиггса. Открытие бозона - это факт громадной значимости, который позволит объяснить происхождение массы, основной характеристики всего сущего во Вселенной.

Полтора века назад известный австрийский физик и философ Эрнст Мах объяснил эффект массы яснее, чем ЦЕРН с бозоном и коллайдером. "Каждая частица имеет какое-то поле. Совокупность частиц образует тела, которые имеют какое-то поле. Совокупность тел, излучающих звезд, галактик тоже имеет свои электромагнитные, энергетические, гравитационные поля, которые образуют совокупное поле Вселенной. В нем каждая частица, которая имеет свое поле, взаимодействует с веществом Вселенной, тормозится, ускоряется".

Красивые слова без единой формулы и математического утверждения.

Неужели не смешнее сказать, что есть частица, которая отвечает за массу всего во Вселенной?

В основе всего сущего лежит считанное количество частиц. Фактически то, что нас окружает, это два кварка, электрон, электронное и ионное нейтрино. Бозоны заставляют взаимодействовать названные частицы. Все остальные частицы рождаются в экспериментах, столкновениях частиц, при столкновении космических лучей. Теория, которая объясняет такое простое устройства мира, это калибровочная теория фундаментальных взаимодействий. Но за эту красоту приходится платить тем, что все частицы получаются безмассовыми. Единственным математически обоснованным и физически подкрепленным объяснением является механизм спонтанного нарушения калибровочной симметрии, который приводит к существованию бозона Хиггса.

Слово "поле" не устраивает современную физику?
Любой частице соответствует поле, с помощью которого описывается взаимодействие частиц.

Вы ссылаетесь на новую сущность, которая введена бездоказательным постулированием. Кварки - это бездоказательная идея, она построена на чистой математической абстракции: если мы допустим дробные заряды, сложатся протоны и нейтроны.

Это установлено экспериментально многочисленными неопровержимыми фактами. Эффекты, которые вызваны кварками, ничем другим объяснить нельзя. Мы не можем зарегистрировать свободный кварк, видим только его след, струи вторичных частиц. Люди никак не могут с этим смириться, но такова реальность. Когда-то Эйнштейн не принимал квантовую механику, потому что говорил, что Бог не играет в кости. Но ведь от этого никто не отменил квантовую механику, и все поняли, что она не наглядна. Кто может представить, что частица - одновременно волна? Такие процессы никогда не будут наглядны, но это не значит, что их нет.

Но и не значит, что есть. Это недоказанное допущение.

Махово положение чем-то доказано?
У каждого есть разум, человек может анализировать и делать собственные выводы.

Здесь делается то же самое. Бозон Хиггса почему-то называют частицей Бога. Почему именно так?
Есть разные мнения. Нобелевский лауреат Леон Ледерман сказал, что бозон Хиггса - God particle. Но перевод оказался неточным. Мне кажется, что бозон образно можно назвать частицей Бога, потому что он отличается от всех других частиц тем, что очень слабо взаимодействует с другими частицами. Только благодаря рекордно высокой энергии, плотности пучков удалось обнаружить всего 8 событий с бозоном Хиггса. Статистика пока маленькая, но эксперименты будут продолжаться, и будут сотни и тысячи событий. Это исключительно редкое явление, которое обеспечивает массу всего сущего, поэтому образно ее можно назвать частицей Бога.

Какие ближайшие планы у экспериментаторов? Будут нарастать мощности или будут более детально исследоваться уже открытые частицы?
Это только начало, предстоит установить свойства этой частицы. Нужно установить - это бозон Хиггса стандартной модели или что-то другое? Будут говорить о новых явлениях, выходить за пределы стандартной модели. В марте 2013 года планируется остановка коллайдера, и в течение 1 года и 8 месяцев он будет модернизироваться. Коллайдер выйдет с энергией 14 ТэВ в системе центра и с повышенной светимостью - 1034. Потом остановка коллайдера планируется в 2018 году на полтора года, и будет в 2 раза повышена светимость. Если к тому времени инженеры решат кое-какие вопросы, то и в 5 раз. Планируется набор статистики, поиск новых и уточнение уже известных явлений, различных параметров, чтобы сделать стандартную модель более точной. Работа ускорителя и установок запланирована до 2030 года.

(или БАК) - на данный момент самый большой и мощный ускоритель частиц в мире. Эта махина была запущена в 2008 году, но долго работала на пониженных мощностях. Разберемся, что это такое и зачем нужен большой адронный коллайдер.

История, мифы и факты

Идея создания коллайдера была озвучена в 1984 году. А сам проект на строительство коллайдера был одобрен и принят аж в 1995 году. Разработка принадлежит Европейскому центру ядерных исследований (CERN). Вообще запуск коллайдера привлек к себе большое внимание не только ученых, но и простых людей со всего мира. Говорили о всевозможных страхах и ужасах, связанных с запуском коллайдера.

Впрочем, кто-то и сейчас, вполне возможно, ждет апокалипсиса, связанного с работой БАК и тресется от одной мысли о том, что будет, если ч взорвется большой адронный коллайдер. Хотя, в первую очередь все боялись черной дыры, которая, сначала будучи микроскопической, разрастется и благополучно поглотит сначала сам коллайдер, а за ним Швейцарию и весь остальной мир. Также большую панику вызывала аннигиляционная катастрофа. Группа ученых даже подала в суд, пытаясь остановить строительство. В заявлении говорилось, что сгустки антиматерии, которые могут быть получены в коллайдере, начнут аннигилировать с материей, начнется цепная реакция и вся Вселенная будет уничтожена. Как говорил известный персонаж из «Назад в Будущее»:

Вся Вселенная, конечно, в самом худшем случае. В лучшем – только наша галактика. Доктор Эмет Браун.

А теперь попытаемся понять, почему он адронный? Дело в том, что он работает с адронами, точнее разгоняет, ускоряет и сталкивает адроны.

Адроны – класс элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию. Адроны состоят из кварков.

Адроны делятся на барионы и мезоны. Чтобы было проще, скажем, что из барионов состоит почти все известное нам вещество. Упростим еще больше и скажем, что барионы - это нуклоны (протоны и нейтроны, составляющие атомное ядро).

Как работает большой адронный коллайдер

Масштаб очень впечатляет. Коллайдер представляет собой кольцевой туннель, залегающий под землей на глубине ста метров. Длина большого адронного коллайдера составялет 26 659 метров. Протоны, разогнанные до скоростей близких к скорости света, пролетают в подземном круге по территории Франции и Швейцарии. Если говорить точно, то глубина залегания туннеля лежит в пределах от 50 до 175 метров. Для фокусировки и удержания пучков летящих протонов используются сверхпроводящие магниты, их общая длина составляет около 22 километров, а работают они при температуре -271 градусов по Цельсию.

В составе коллайдера 4 гигантских детектора: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb. Помимо основных больших детекторов, есть еще и вспомогательные. Детекторы предназначены для фиксации результатов столкновений частиц. То есть после того, как на околосветовых скоростях сталкиваются два протона, никто не знает чего ожидать. Чтобы «увидеть», что получилось, куда отскочило и как далеко улетело, и существуют детекторы, напичканные всевозможными датчиками.

Результаты работы большого адронного коллайдера.

Зачем нужен коллайдер? Ну уж точно не для того, чтобы уничтожить Землю. Казалось бы, какой смысл сталкивать частицы? Дело в том, что вопросов без ответов в современной физике очень много, и изучение мира с помощью разогнанных частиц может в буквальном смысле открыть новый пласт реальности, понять устройство мира, а может быть даже ответить на главный вопрос «смысла жизни, Вселенной и вообще».

Какие открытия уже совершили на БАК? Самое знаменитое – это открытие бозона Хиггса (ему мы посвятим отдельную статью). Помимо того были открыты 5 новых частиц , получены первые данные столкновений на рекордных энергиях , показано отсутствие асимметрии протонов и антипротонов , обнаружены необычные корреляции протонов . Список можно продолжать долго. А вот микроскопических черных дыр, которые наводили страх на домохозяек, обнаружить не удалось.

И это при том, что коллайдер еще не разогнали до его максимальной мощности. Сейчас максимальная энергия большого адронного коллайдера – 13 ТэВ (тера электрон-Вольт). Однако, после соответствующей подготовки протоны планируют разогнать до 14 ТэВ . Для сравнения, в ускорителях- предшественниках БАК максимально полученные энергии не превышали 1 ТэВ . Так разгонять частицы мог американский ускоритель Тэватрон из штата Иллинойс. Энергия, достигнутая в коллайдере - далеко не самая Большая в мире. Так, энергия космических лучей, зафиксированных на Земле, превышает энергию частицы, разогнанной в коллайдере в миллиард раз! Так что, опасность большого адронного коллайдера минимальна. Вполне вероятно, что после того, как все ответы будут получены с помощью БАК, человечеству придется строить еще один коллайдер по-мощнее.

Друзья, любите науку, и она обязательно полюбит Вас! А помочь Вам полюбить науку легко смогут . Обращайтесь за помощью, и пусть учеба приносит радость!

Трейлер дискуссии.

Скачать видео (11.75 МБ)

В дебат-шоу "Угол подозрения" проблему обсуждают директор Научно-учебного центра физики частиц и высоких энергий профессор БГУ Николай Шумейко и независимый исследователь, философ Евгений Довгель , автор теории "О новой теории происхождения Вселенной и опасности экстремальных экспериментов с материей" .

Полная версия дискуссии.

Внимание! У вас отключен JavaScript, ваш браузер не поддерживает HTML5, или установлена старая версия проигрывателя Adobe Flash Player.
Скачать аудио (25.84 МБ)

Внимание! У вас отключен JavaScript, ваш браузер не поддерживает HTML5, или установлена старая версия проигрывателя Adobe Flash Player.
Скачать видео

Николай Максимович, какие эксперименты стали возможны с появлением коллайдера?
Николай Шумейко: Коллайдер - это микроскоп (это почти дословная аналогия). Микроскоп нужен, чтобы рассматривать то, что не видно невооруженным глазом. Ускоритель элементарных частиц нужен, чтобы с его помощью рассмотреть более мелкие детали в глубине материи, изучить их. До постройки Большого адронного коллайдера физики с помощью Тэватрона добрались до расстояния 10-18 м, то есть 10-16 см. Размеры атома - 10-10 м, атомного ядра - 10-15 см. То есть физики заглянули в материю на несколько порядков глубже. Большой адронный коллайдер позволил уйти еще дальше в глубину материи и узнать, как она устроена, какие новые частицы порождаются на таких расстояниях и временных промежутках, как ведет себя фундаментальное взаимодействие природы. Все это позволит увидеть какие-то новые явления.

Насколько я знаю, в экспериментах с коллайдером не просто наблюдается природа так, как она есть. Запускаются некие процессы, которые в природе не встречаются или которые сложно наблюдать, когда они происходят в естественном виде. Ведь эксперимент что-то производит с материей, а не просто ее наблюдает. Вы могли бы пояснить этот момент?
Николай Шумейко: На основе проверенных общепринятых теорий, у которых нет ни одного сбоя, ни одного противоречащего факта, мы прогнозируем, какую информацию получим, проводя эти эксперименты. Конечно, могут быть и новые частицы, новые свойства взаимодействия. Но поскольку нет ни одного эксперимента, который противоречил бы теории относительности и квантовой теории поля, которая описывает фундаментальные взаимодействия, наши прогнозы должны оправдаться.

Но при этом общественное мнение с самого начала было взбудоражено. Некоторые физики выступали с заявлениями, что невозможно обеспечить полный контроль над работой коллайдера. То есть никто не может гарантировать полную безопасность. Это так?
Николай Шумейко: Я не знаю таких физиков. Так говорят от недостатка информации.

Евгений Довгель: Первым поднял этот вопрос американский физик Лорен Вагнер, который исследовал космические лучи, а также работал в службе радиационной безопасности. Также был украинский физик Иван Горелик, профессор химии Отто Ресслер, и можно еще найти много фамилий, которые обоснованно поднимают вопрос о непредсказуемости экспериментов.

Можете озвучить нерешенные вопросы теории Большого взрыва?
Евгений Довгель: Если произошел Большой взрыв, и с него началась Вселенная, то как можно было в пустом состоянии получить беспричинность этого взрыва? Сам взрыв противоречит известным законам физики (такому базисному закону, как закон сохранения материи и энергии, закон термодинамики). Так произошла Вселенная: неизвестно откуда в пустом беспричинном месте.

Николай Шумейко: Это звучит непрофессионально и абсолютно не имеет отношения к тому, что объясняет физическая теория и что мы сейчас наблюдаем. Мы не знаем до конца модели начала нашей Вселенной, ее фазы и того, что с ней будет дальше. Возможно, Вселенная пульсирует, сжалась в точку, а потом разжалась. Но нельзя представлять, что была пустота, в которой что-то возникло из ничего.

Евгений Довгель: Вначале она что-то объясняла, а когда начали разбираться, оказалось, что из этой теории вытекает всего 5% материи. Тогда совершенно бездоказательно ввели новые сущности - темную материю и темную энергию.

Николай Шумейко: По второму закону Ньютона, ускорение невозможно без силы. Сила связана с энергией, значит, расширяться с ускорением Вселенная может за счет энергии. Эту энергию, которую мы видим, но о которой пока ничего не знаем, мы сопоставляем с параметром, которым можно определить ускорение. И мы говорим, что она составляет примерно 74% массы Вселенной. Еще 22% оценено как темная материя. Это неизвестные нейтральные (незаряженные) частицы. Одним из них может быть хиггсовский бозон, который будет открыт в результате экспериментов с коллайдером.

Евгений Довгель: Есть другие теории, которые объясняют то, что не объясняет теория Большого взрыва. И они делают это, не вводя недоказуемых постулатов в виде темной материи.

Какая именно теория альтернативна теории Большого взрыва?
Евгений Довгель: Есть два взгляда на происхождение Вселенной. По одной она произошла из мельчайшей точки в результате Большого взрыва. Этой теории даже нобелевские лауреаты дают нелестные оценки. По другой версии материя во Вселенной возникла не от взрыва, а из вакуума. Эта теория решает все вопросы, причем в рамках всех законов физики, не привлекая дополнительных сущностей.

Николай Шумейко: Люди вольны измышлять гипотезы, такова их природа. Нобелевские премии по физике, особенно последние десятилетия, были получены как раз за подтверждение теории Большого взрыва. Самый тяжелый вопрос в физике - "почему?". Сначала физики отвечают на вопросы "что?" и "как?", а вопросы "почему?" решаются потом.

Коллайдер может помочь ответить на вопрос "почему"?
Николай Шумейко: Безусловно. Почему заряды электронов и протонов равны по модулю? Это загадка природы.

Чем опасен коллайдер на основании вашей теории?
Евгений Довгель: Если мы исходим из того, что мир вышел из пустоты, которая рождает частицы, мы можем побудить процесс аннигиляции.

Николай Шумейко: Это абсолютно ничем не обоснованные домыслы.

Были ли в работе коллайдера примеры, которые могли бы хоть как-то подтвердить эти домыслы? Возникли ли какие-то неуправляемые процессы?
Николай Шумейко: Нет, конечно! В 2008 году директор ЦЕРНа уходил с поста и хотел, чтобы коллайдер был запущен еще при нем. Поэтому все немного поспешили, не проверили элементарные вещи - соединения проводов с резервуарами с жидким гелием. Когда начали поднимать напряжение и наращивать мощности, повысилась сила тока, и один контакт расплавился. Капли расплавленного металла прожгли дырку в резервуаре с жидким гелием, и, естественно, он рванул. Вот и все, что произошло. Через полтора года все было вычищено, и была обеспечена полная безопасность. Эта машина сейчас надежнее всех атомных электростанций и космических кораблей.

Из-за этого процессы не пошли в какое-то неуправляемое русло?
Николай Шумейко: Взорвался резервуар с жидким гелием, ударная волна была 320 м, автоматически выдвинулись заслонки, и сработала система защиты.

Евгений Довгель: Опасность коллайдера не в технических сбоях, а в непредсказуемости явления. Впервые выполнены экспериментальные установки, которые воздействуют на частицы материи на порядок выше, чем при взрыве термоядерной бомбы! Можно породить процесс, который вызовет аннигиляцию вещества планеты. Николай Максимович сказал, что коллайдер надежнее, чем атомная станция. Но на "Фукусиме" причина была в человеческом факторе: надо было учесть возможность цунами.

Были эксперименты по аннигиляции вещества? Производился ли этот процесс в маленьком, контролируемом масштабе?
Николай Шумейко: Ускоритель Тэватрон в США - ускоритель протонов и антипротонов. Они сталкиваются и аннигилируют, потому что это частица и античастица.

Но при этом не происходит изменения материи вокруг, цепной реакции?
Николай Шумейко: Нет, это обычная ядерная реакция столкновения элементарных частиц.

Недавно ЦЕРН объявил об открытии частицы, подобной бозону Хиггса, которая была предсказана Питером Хиггсом в 1964 году. Как это открытие может повлиять на состояние современной физической теории? Может ли работа с этой частицей быть рискованной?
Николай Шумейко: Сразу отвечу на последний вопрос - нет, конечно. Это важно, потому что мы не знали, откуда берется масса. Основой теории, которая описывает фундаментальное взаимодействие частиц, является принцип симметрии. Сначала частицы получаются без массы, но в реальности они массивны. Поэтому была изобретена теория спонтанного нарушения симметрии равноправной и безмассовой частицы. Ученые возложили ответственность за возникновение массы на дополнительное скалярное поле и на частицу Хиггса как квант этого поля.

Евгений Довгель: Полтора века назад известный австрийский физик и философ Эрнст Мах объяснил эффект массы яснее, чем ЦЕРН с бозоном и коллайдером. "Каждая частица имеет какое-то поле. Совокупность частиц образует тела, которые имеют какое-то поле. Совокупность тел, излучающих звезд, галактик тоже имеет свои электромагнитные, энергетические, гравитационные поля, которые образуют совокупное поле Вселенной. В нем каждая частица, которая имеет свое поле, взаимодействует с веществом Вселенной, тормозится, ускоряется".

Николай Шумейко: Красивые слова без единой формулы и математического утверждения.

Евгений Довгель: Неужели не смешнее сказать, что есть частица, которая отвечает за массу всего во Вселенной?

Николай Шумейко: В основе всего сущего лежит считанное количество частиц. Фактически то, что нас окружает, это два кварка, электрон, электронное и ионное нейтрино. Бозоны заставляют взаимодействовать названные частицы. Все остальные частицы рождаются в экспериментах, столкновениях частиц, при столкновении космических лучей. Теория, которая объясняет такое простое устройства мира, это калибровочная теория фундаментальных взаимодействий. Но за эту красоту приходится платить тем, что все частицы получаются безмассовыми. Единственным математически обоснованным и физически подкрепленным объяснением является механизм спонтанного нарушения калибровочной симметрии, который приводит к существованию бозона Хиггса.

Слово поле не устраивает современную физику?
Николай Шумейко: Любой частице соответствует поле, с помощью которого описывается взаимодействие частиц.

Евгений Довгель: Вы ссылаетесь на новую сущность, которая введена бездоказательным постулированием. Кварки - это бездоказательная идея, она построена на чистой математической абстракции: если мы допустим дробные заряды, сложатся протоны и нейтроны.

Николай Шумейко: Это установлено экспериментально многочисленными неопровержимыми фактами. Эффекты, которые вызваны кварками, ничем другим объяснить нельзя. Мы не можем зарегистрировать свободный кварк, видим только его след, струи вторичных частиц. Люди никак не могут с этим смириться, но такова реальность. Когда-то Эйнштейн не принимал квантовую механику, потому что говорил, что бог не играет в кости. Но ведь от этого никто не отменил квантовую механику, и все поняли, что она не наглядна. Кто может представить, что частица одновременно волна? Такие процессы никогда не будут наглядны, но это не значит, что их нет.

Евгений Довгель: Но и не значит, что есть. Это недоказанное допущение.

Махово положение чем-то доказано?
Евгений Довгель: У каждого есть разум, человек может анализировать и делать собственные выводы.

Здесь делается то же самое. Бозон Хиггса почему-то называют частицей Бога. Почему именно так?
Николай Шумейко: Есть разные мнения. Нобелевский лауреат Леон Ледерман сказал, что бозон Хиггса - God particle. Но перевод оказался неточным. Мне кажется, что бозон образно можно назвать частицей Бога, потому что он отличается от всех других частиц тем, что очень слабо взаимодействует с другими частицами. Только благодаря рекордно высокой энергии, плотности пучков удалось обнаружить всего 8 событий с бозоном Хиггса. Статистика пока маленькая, но эксперименты будут продолжаться, и будет сотни и тысячи событий. Это исключительно редкое явление, которое обеспечивает массу всего сущего, поэтому образно ее можно назвать частицей Бога.

Какие ближайшие планы у экспериментаторов? Будут нарастать мощности или будут более детально исследоваться уже открытые частицы?
Николай Шумейко: Это только начало, предстоит установить свойства этой частицы. Нужно установить - это бозон Хиггса стандартной модели или что-то другое? Будут говорить о новых явлениях, выходить за пределы стандартной модели. В марте 2013 года планируется остановка коллайдера, и в течение 1 года и 8 месяцев он будет модернизироваться. Коллайдер выйдет с энергией 14 ТэВ в системе центра и с повышенной светимостью - 1034. Потом остановка коллайдера планируется в 2018 году на полтора года, и будет в 2 раза повышена светимость. Если к тому времени инженеры решат кое-какие вопросы, то и в 5 раз. Планируется набор статистики, поиск новых и уточнение уже известных явлений, различных параметров, чтобы сделать стандартную модель более точной. Работа ускорителя и установок запланирована до 2030 года.

Словосочетание «Большой адронный коллайдер» настолько глубоко осело в массмедиа, что о данной установке знает подавляющее количество людей, в числе которых и те, чья деятельность никоим образом не связано с физикой элементарных частиц, и с наукой вообще.

Действительно, столь масштабный и дорогой проект не мог обойти стороной СМИ – кольцевая установка длиной почти в 27 километров, ценою в десяток миллиардов долларов, с которой работает несколько тысяч научных сотрудников со всего мира. Немалую лепту в популярность коллайдера внесла так называемая «частица Бога» или бозон Хиггса, который был успешно разрекламирован, и за который Питер Хиггс получил нобелевскую премию по физике в 2013-м году.

Прежде всего следует отметить, что Большой адронный коллаейдер не строился с нуля, а возник на месте своего предшественника — Большого электрон-позитронного коллайдера (Large Electron-Positron collider или LEP). Работа над 27-микилометровом тоннелем началась в 1983-м году, где в дальнейшем планировалось расположить ускоритель, который будет осуществлять столкновение электроном и позитронов. В 1988-м году кольцевой тоннель сомкнулся, при этом рабочие подошли к проведению тоннеля столь тщательно, что расхождение между двумя концами тоннеля составило всего 1 сантиметр.

Ускоритель проработал до конца 2000-го года, когда достиг своего пика – энергии в 209 ГэВ. После этого начался его демонтаж. За одиннадцать лет своей работы LEP принес физике ряд открытий, в числе которых – открытие W и Z бозонов и их дальнейшие исследования. На основе результатов этих исследований был сделан вывод о сходстве механизмов электромагнитного и слабого взаимодействий, вследствие чего начались теоретические работы по объединению этих взаимодействий в электрослабое.

В 2001-м году на месте электрон-позитронного ускорителя началась постройка Большого адронного коллайдера. Строительство нового ускорителя завершилось в конце 2007-го года. Он располагался на месте LEP – на границе между Францией и Швейцарией, в долине Женевского озера (в 15 км от Женевы), на глубине ста метров. В августе 2008-го года начались испытания коллайдера, а 10-го сентября произошел официальный запуск БАКа. Как и в случае с предыдущим ускорителем, строительство и работа с установкой возглавляется Европейской организацией по ядерным исследованиям – ЦЕРН.

ЦЕРН

Вкратце стоит сказать об организации CERN (Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire). Данная организация выступает в роли крупнейшей мировой лаборатории в области физики высоких энергий. Включает три тысячи постоянных сотрудников, и еще несколько тысяч исследователей и ученых из 80 стран принимают участие в проектах ЦЕРНа.

На данный момент участниками проекта является 22 страны: Бельгия, Дания, Франция, Германия, Греция, Италия, Нидерланды, Норвегия, Швеция, Швейцария, Великобритания – учредители, Австрия, Испания, Португалия, Финляндия, Польша, Венгрия, Чехия, Словакия, Болгария и Румыния – присоединившиеся. Однако, как уже было сказано выше – еще несколько десятков стран так или иначе принимают участие в работе организации, и в частности – на Большом адронном коллайдере.

Как работает Большой адронный коллайдер?

Что такое Большой адронный коллайдер и как он работает – основные вопросы, интересующие общественность. Рассмотрим эти вопросы далее.

Коллайдер (collider) – в переводе с английского означает «тот, кто сталкивает». Задача такой установки состоит в столкновении частиц. В случае с адроннмы коллайдером, в роли частиц выступают адроны – частицы, участвующие в сильном взаимодействии. Таковыми являются протоны.

Получение протонов

Долгий путь протонов берет свое начало в дуоплазматроне – первой ступени ускорителя, куда поступает водород в виде газа. Дуоплазматрон представляет собой разрядную камеру, где через газ проводится электрический разряд. Так водород, состоящий всего из одного электрона и одного протона, теряет свой электрон. Таким образом образуется плазма – вещество, состоящее из заряженных частиц – протонов. Конечно, получить чистую протонную плазму сложно, поэтому далее образованная плазма, включающая также облако молекулярных ионов и электронов, проходит фильтрацию для выделения облака протонов. Под действием магнитов протонная плазма сбивается в пучок.

Предварительный разгон частиц

Новообразованный пучок протонов начинает свой путь в линейном ускорителе LINAC 2, который представляет собой 30-тиметровое кольцо, последовательно увешенное несколькими полыми цилиндрическими электродами (проводниками). Создаваемое внутри ускорителя электростатическое поле градуировано таким образом, что частицы между полыми цилиндрами всегда испытывают ускоряющую силу в направлении следующего электрода. Не углубляясь целиком в механизм разгона протонов на данном этапе, отметим лишь, что на выходе с LINAC 2 физики получают пучок протонов с энергией 50 МэВ, которые уже достигают 31% скорости света. Примечательно, что при этом масса частиц возрастает на 5%.

К 2019-2020-му году планируется замена LINAC 2 на LINAC 4, который будет разгонять протоны до 160 МэВ.

Стоит отметить, что на коллайдере также разгоняют ионы свинца, которые позволят изучить кварк-глюонную плазму. Их разгоняют в кольце LINAC 3, аналогичном LINAC 2. В дальнейшем также планируются эксперименты с аргоном и ксеноном.

Далее пакеты протонов поступают в протон-синхронный бустер (PSB). Он состоит из четырех наложенных колец диаметром 50 метров, в которых располагаются электромагнитные резонаторы. Создаваемое ими электромагнитное поле имеет высокую напряженность, и проходящая через него частица получает ускорение в результате разности потенциалов поля. Так спустя всего 1,2 секунды частицы разгоняются в PSB до 91% скорости света и достигают энергии в 1,4 ГэВ, после чего поступают в протонный-синхротрон (PS). Диаметр PS составляет 628 метров и оснащен 27 магнитами, направляющими пучок частиц по круговой орбите. Здесь частиц протоны достигают 26 ГэВ.

Предпоследним кольцом для разгона протонов служит Суперпротонный-синхротрон (SPS), длина окружности которого достигает 7 километров. Будучи оснащенным 1317-ю магнитами SPS разгоняет частицы до энергии в 450 ГэВ. Спустя примерно 20 минут пучок протонов попадает в основное кольцо – Большой адронный коллайдер (LHC).

Разгон и столкновение частиц в LHC

Переходы между кольцами ускорителей происходят посредством электромагнитных полей, создаваемых мощными магнитами. Основное кольцо коллайдеро состоит из двух параллельных линий, в которых частицы движутся по кольцевой орбите в противоположном направлении. За сохранение круговой траектории частиц и направление их в точки столкновения отвечают около 10 000 магнитов, масса некоторых из них достигает 27 тонн. Во избежание перегрева магнитов используется контур гелия-4, по которому протекает примерно 96 тонн вещества при температуре -271,25 ° С (1,9 К). Протоны достигают энергии в 6,5 ТэВ (то есть энергия столкновения – 13 ТэВ), при этом их скорость на 11 км/ч меньше скорости света. Таким образом за секунду пучок протонов проходит большое кольцо коллайдера 11 000 раз. Прежде, чем произойдет столкновение частиц, они будут циркулировать по кольцу от 5 до 24 часов.

Столкновение частиц происходит в четырех точках основного кольца LHC, в которых располагаются четыре детектора: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb.

Детекторы Большого адронного коллайдера

ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)

— является одним из двух детекторов общего назначения на Большом адронном коллайдере (LHC). Он исследует широкий спектр физики: от поиска бозона Хиггса до частиц, которые могут составлять темную материю. Хотя он имеет те же научные цели, что и эксперимент CMS, ATLAS использует иные технические решения и другую конструкцию магнитной системы.

Пучки частиц из LHC сталкиваются в центре детектора ATLAS, образуя встречные обломки в виде новых частиц, которые вылетают из точки столкновения во всех направлениях. Шесть различных детектирующих подсистем, расположенных в слоях вокруг точки столкновения, записывают пути, импульс и энергию частиц, позволяя их индивидуально идентифицировать. Огромная система магнитов искривляет пути заряженных частиц, так что их импульсы можно измерить.

Взаимодействия в детекторе ATLAS создают огромный поток данных. Чтобы обработать эти данные, ATLAS использует расширенную «триггерную» систему, позволяющую сообщать детектору, какие события записывать, а какие игнорировать. Затем для анализа зарегистрированных событий столкновения используются сложные системы сбора данных и вычисления.

Детектор имеет высоту 46 метров и ширину – 25 метров, при этом его масса составляет 7 000 тонн. Эти параметры делает ATLAS самым большим детектором частиц, когда-либо созданным. Он находится в тоннеле на глубине в 100 м вблизи главного объекта ЦЕРН, недалеко от деревни Мейрин в Швейцарии. Установка состоит из 4 основных компонентов:

Внутренний детектор имеет цилиндрическую форму, внутреннее кольцо находится всего в нескольких сантиметрах от оси проходящего пучка частиц, а внешнее кольцо имеет диаметр в 2,1 метра и длину 6,2 метра. Он состоит из трех различных систем датчиков, погруженных в магнитное поле. Внутренний детектор измеряет направление, импульс и заряд электрически заряженных частиц, образующихся при каждом протон-протонном столкновении. Основные элементы внутреннего детектора: пиксельный детектор (Pixel Detector), полупроводниковая система слежения (Semi-Conductor Tracker, SCT) и трековый детектор переходного излучения (Transition radiation tracker, TRT).

Калориметры измеряют энергию, которую частица теряет, когда проходит через детектор. Он поглощает частицы, возникающие при столкновении, тем самым фиксирую их энергию. Калориметры состоят из слоев «поглощающего» материала с высокой плотностью — свинца, чередующегося со слоями «активной среды» — жидкого аргона. Электромагнитные калориметры измеряют энергию электронов и фотонов при взаимодействии с веществом. Адронные калориметры измеряют энергию адронов при взаимодействии с атомными ядрами. Калориметры могут останавливать большинство известных частиц, кроме мюонов и нейтрино.

LAr (Liquid Argon Calorimeter) — калориметр ATLAS

Мюонный спектрометр – состоит из 4000 индивидуальных мюонных камер, использующих четыре различные технологи, позволяющие, идентифицировать мюоны и измерить их импульсы. Мюоны обычно проходят через внутренний детектор и калориметр, а потому требуется наличие мюонного спектрометра.

Магнитная система ATLAS изгибает частицы вокруг различных слоев детекторных систем, что упрощает отслеживание треков частиц.

В эксперименте ATLAS (февраль 2012 г.) работают более 3 000 ученых из 174 институтов из 38 стран.

CMS (Compact Muon Solenoid)

— является детектором общего назначения на Большом адронном коллайдере (LHC). Как и ATLAS, имеет широкую физическую программу, начиная от изучения стандартной модели (включая бозон Хиггса) до поиска частиц, которые могут составлять темную материю. Хотя он имеет те же научные цели, что и эксперимент ATLAS, CMS использует иные технические решения и другую конструкцию магнитной системы.

Детектор CMS построен вокруг огромного магнита соленоида. Представляет собой цилиндрическую катушку сверхпроводящего кабеля, которая генерирует поле в 4 тесла, примерно в 100 000 раз превышающее магнитное поле Земли. Поле ограничено стальным «хамутом», который является массивнейшим компонентом детектора, масса которого — 14 000 тонн. Полный детектор имеет длину — 21 м, ширину — 15 м и высоту — 15 м. Установка состоит из 4 основных компонентов:

Магнит соленоида – крупнейший магнит в мире, который служит для изгиба траектории заряженных частиц, вылетающих из точки столкновения. Искажение траектории позволяет различить положительно и отрицательно заряженные частицы (т.к. они изгибаются в противоположных направлениях), а также измерить импульс, величина которого зависит от кривизны траектории. Огромные размеры соленоида позволяют расположить трекер и калориметры внутри катушки.
Кремниевый трекер — состоит из 75 миллионов отдельных электронных датчиков, расположенных в концентрических слоях. Когда заряженная частица пролетает через слои трекера, она передает часть энергии каждому слою, объединение этих точек столкновения частицы с различными слоями позволяет в дальнейшем определить ее траекторию.
Калориметры – электронный и адронный см. калориметры ATLAS.
Саб-детекторы – позволяют детектировать мюоны. Представлены 1 400 мюонными камерами, которые слоями располагаются вне катушки, чередуясь с металлическими пластинами «хамута».

Эксперимент CMS является одним из крупнейших международных научных исследований в истории, в котором принимают участие 4300 человек: физики в области элементарных частиц, инженеры и техники, студенты и вспомогательный персонал из 182 институтов, 42 стран (февраль 2014 года).

ALICE (A Large Ion Collider Experiment)

— представляет собой детектор тяжелых ионов на кольцах большого адронного коллайдера (LHC). Он предназначен для изучения физики сильно взаимодействующего вещества при экстремальных плотностях энергии, где образуется фаза вещества, называемая кварк-глюонной плазмой.

Вся обычная материя в сегодняшней вселенной состоит из атомов. Каждый атом содержит ядро, состоящее из протонов и нейтронов (кроме водорода, не имеющего нейтронов), окруженного облаком электронов. Протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из кварков, связанных вместе с другими частицами, называемыми глюонами. Никакой кварк никогда не наблюдался изолированно: кварки, а также глюоны, по-видимому, постоянно связаны вместе и ограничены внутри составных частиц, таких как протоны и нейтроны. Это называется конфайнментом.

Столкновения в LHC создают температуры более чем в 100 000 раз более горячее, чем в центре Солнца. Колллайдер обеспечивает столкновения между свинцовыми ионами, воссоздавая условия, аналогичные тем, которые имели место сразу после Большого Взрыва. В этих экстремальных условиях протоны и нейтроны «расплавляются», освобождая кварки от их связей с глюонами. Это и есть кварк-глюонная плазма.

В эксперименте ALICE используется детектор ALICE массой 10 000 тонн, 26 м в длину, 16 м в высоту и 16 м в ширину. Устройство состоит из трех основных комплектов компонентов: трэкинговых устройств, калориметров и детекторов-идентификаторов частиц. Также его разделяют на 18 модулей. Детектор находится в тоннеле на глубине 56 м под, недалеко от деревни Сент-Денис-Пуйи во Франции.

Эксперимент насчитывает более 1 000 ученых из более чем 100 институтов физики в 30 странах.

LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment)

– в рамках эксперимента проводится исследование небольших различий между веществом и антиматерией, изучая тип частицы, называемый «бьюти-кварк» или «b-кварк».

Вместо того, чтобы окружать всю точку столкновения с помощью закрытого детектора, как ATLAS и CMS, эксперимент LHCb использует серию сабдетекторов для обнаружения преимущественно передних частиц — тех, которые были направлены вперед в результате столкновения в одном направлении. Первый сабдетектор установлен близко к точке столкновения, а остальные — один за другим на расстоянии 20 метров.

На LHC создается большое изобилие различных типов кварков, прежде чем они быстро распадаются на другие формы. Чтобы поймать b-кварки, для LHCb были разработаны сложные движущиеся следящие детекторы, расположенные вблизи движения пучка частиц по коллайдеру.

5600-тонный детектор LHCb состоит из прямого спектрометра и плоских детекторов. Это 21 метр в длину, 10 метров в высоту и 13 метров в ширину, он находится на глубине 100 метров под землей. Около 700 ученых из 66 различных институтов и университетов вовлечены в эксперимент LHCb (октябрь 2013 г.).

Другие эксперименты на коллайдере

Помимо вышеперечисленных экспериментов на Большом адронном коллайдере есть другие два эксперимента с установками:

LHCf (Large Hadron Collider forward) — изучает частицы, выброшенные вперед после столкновения пучков частиц. Они имитируют космические лучи, исследованием которых и занимаются ученые в рамках эксперимента. Космические лучи — это естественные заряженные частицы из космического пространства, которые постоянно бомбардируют земную атмосферу. Они сталкиваются с ядрами в верхней атмосфере, вызывая каскад частиц, которые достигают уровня земли. Изучение того, как столкновения внутри LHC вызывают подобные каскады частиц, поможет физикам интерпретировать и откалибровать крупномасштабные эксперименты с космическими лучами, которые могут охватывать тысячи километров.

LHCf состоит из двух детекторов, которые расположены вдоль LHC, на расстоянии 140 метров с обеих сторон он точки столкновения ATLAS. Каждый из двух детекторов весит всего 40 килограммов и имеет размеры 30 см в длину, 80 см в высоту и 10 см в ширину. В эксперименте LHCf участвуют 30 ученых из 9 институтов в 5 странах (ноябрь 2012 г.).

TOTEM (Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation) – эксперимент с самой длинной установкой на коллайдере. Его задачей является исследование самих протонов, путем точного измерения протонов, возникающих при столкновениях под малыми углами. Эта область известна как «прямое» направление и недоступна другим экспериментам LHC. Детекторы TOTEM распространяются почти на полкилометра вокруг точки взаимодействия CMS. TOTEM имеет почти 3 000 кг оборудования, в том числе четыре ядерных телескопа, а также 26 детекторов типа «римский горшок». Последний тип позволяет расположить детекторы максимально близко к пучку частиц. Эксперимент TOTEM включает около 100 ученых из 16 институтов в 8 странах (август 2014 года).

Зачем нужен Большой адронный коллайдер?

Крупнейшая международная научная установка исследует широкий спектр физических задач:

Изучение топ-кварков. Данная частица является не только самым тяжелым кварком, но и самой тяжелой элементарной частицей. Исследование свойств топ-кварка также имеет смысл, потому что он является инструментом для исследования .
Поиск и изучение бозона Хиггса. Хотя ЦЕРН утверждает, что бозон Хиггса был уже обнаружен (в 2012-м году), пока о его природе известно совсем немного и дальнейшие исследования могли бы внести большую ясность в механизм его работы.

Изучение кварк-глюонной плазмы. При столкновениях ядер свинца на больших скоростях – в коллайдере образуется . Ее исследование может принести результаты, полезные как для ядерной физики (улучшение теории сильных взаимодействий), так и для астрофизики (изучение Вселенной в ее первые моменты существования).
Поиск суперсимметрии. Это исследование направлено на опровержение или доказательство «суперсимметрии» — теории, согласно которой любая элементарная частица имеет более тяжелого партнера, называемого «суперчастицей».
Исследование фотон-фотонных и фотон-адронных столкновений. Позволит улучшить понимание механизмов процессов подобных столкновений.
Проверка экзотических теорий. К этой категории задач относятся самые нетрадиционные – «экзотические», например, поиск параллельных вселенных посредством создания мини-черных дыр.

Кроме этих задач, существует еще множество других, решение которых также позволит человечеству понимать природу и окружающий нас мир на более качественном уровне, что в свою очередь откроет возможности для создания новых технологий.

Практическая польза Большого адронного коллайдера и фундаментальной науки

Прежде всего, следует отметить, что фундаментальные исследования привносят вклад в фундаментальную науку. Применением же этих знаний занимается прикладная наука. Сегмент общества, не осведомленный в пользе фундаментальной науки зачастую не воспринимает открытие бозона Хиггса или создание кварк-глюонной плазмы, как нечто значимое. Связь подобных исследований с жизнью рядового человека – неочевидно. Рассмотрим краткий пример с атомной энергетикой:

В 1896-м году французский физик Антуан Анри Беккерель открыл явление радиоактивности. Долгое время считалось, что к ее промышленному использованию человечество перейдет нескоро. Всего за пять лет до запуска первого в истории ядерного реактора великий физик Эрнест Резерфорд, собственно открывший атомное ядро в 1911-м году, говорил, что атомная энергия никогда не найдет своего применения. Переосмыслить свое отношение к энергии, заключенной в ядре атома, специалистам удалось в 1939 году, когда немецкие ученые Лиза Мейтнер и Отто Ган обнаружили, что ядра урана при облучении их нейтронами делятся на две части с выделением огромного количества энергии - ядерной энергии.

И лишь после этого последнего звенья ряда фундаментальных исследований в игру вступила прикладная наука, которая на основе этих открытий изобрела устройство для получения ядерной энергии – атомный реактор. Масштаб открытия можно оценить, ознакомившись с долей выработки электроэнергии атомными реакторами. Так в Украине, например, на АЭС выпадает 56% выработки электроэнергии, а во Франции и вовсе – 76%.

Все новые технологии основываются на тех или иных фундаментальных знаниях. Приведем еще пару кратких примеров:

В 1895-м году Вильгельм Конрад Рентген заметил, что под действием рентгеновского излучения фотопластинка затемняется. Сегодня рентгенография – одно из наиболее применяемых исследований в медицине, позволяющая изучить состояние внутренних органов и обнаружить инфекции и опухали.
В 1915-м году Альберт Эйнштейн предложил свою . Сегодня эта теория учитывается при работе GPS спутников, которые определяют местоположение объекта с точностью до пары метров. GPS применяется в сотовой связи, картографии, мониторинге транспорта, но в первую очередь – в навигации. Погрешность спутника, не учитывающего ОТО, с момента запуска росла бы на 10 километров в день! И если пешеход может воспользоваться разумом и бумажной картой, то пилоты авиалайнера попадут в затруднительную ситуацию, так как ориентироваться по облакам – невозможно.

Если сегодня практическое применение открытиям, произошедшим на LHC еще не найдено – это не значит, что ученые «возятся на коллайдере зря». Как известно, человек разумный всегда намеревается получить максимум практического применения из имеющихся знаний, а потому знания о природе, накопленные в процессе исследования на БАК, определенно найдут свое применение, рано или поздно. Как уже было продемонстрировано выше – связь фундаментальных открытий и использующих их технологий иногда может быть совсем не очевидна.

Напоследок, отметим так называемые косвенные открытия, которые не ставятся как изначальные цели исследования. Они встречаются довольно часто, так как для совершения фундаментального открытия, обычно, требуется внедрение и использование новых технологий. Так развитие оптики получило толчок от фундаментальных исследований космоса, строящихся на наблюдениях астрономов через телескоп. В случае с ЦЕРН – так возникла повсеместно применяемая технология – Интернет, проект, предложенный Тимом Бернерсом-Ли в 1989-м году для облегчения поиска данных организации ЦЕРН.