Новый запуск Большого адронного коллайдера

Все, что вы хо­те­ли узнать, но бо­я­лись спро­сить о самом боль­шом при­бо­ре на Земле — об­нов­лен­ном и вновь за­пу­щен­ном Боль­шом ад­рон­ном кол­лай­де­ре.

Боль­шой ад­рон­ный кол­лай­дер (БАК) — круп­ней­шая ма­ши­на в ис­то­рии че­ло­ве­че­ства. 5 ап­ре­ля он был за­пу­щен после оста­нов­ки, и ожи­да­ет­ся, что неко­то­рые от­кры­тия, сде­лан­ные с его по­мо­щью, из­ме­нят наше пред­став­ле­ние о фи­зи­ке.

Пер­вый за­пуск кол­лай­де­ра в 2012 году по­да­рил нам бозон Хиггса. Фи­зи­ки на­де­ют­ся, что новая улуч­шен­ная вер­сия по­мо­жет найти еще более за­хва­ты­ва­ю­щие ча­сти­цы.

Впер­вые идея кол­лай­де­ра была пред­ло­же­на в 1980-х. Лишь в 2008 году ЦЕРН — Ев­ро­пей­ская ор­га­ни­за­ция ядер­ных ис­сле­до­ва­ний в швей­цар­ской Же­не­ве — за­вер­ши­ла стро­и­тель­ство. БАК — не един­ствен­ный уско­ри­тель эле­мен­тар­ных ча­стиц, по­стро­ен­ный ЦЕРН. Он стал из­ве­стен в 2012 году — после от­кры­тия бо­зо­на Хиггса и до­ку­мен­таль­но­го филь­ма «Стра­сти по ча­сти­цам» (Particle Fever), в ко­то­ром по­дроб­но осве­ща­ет­ся это со­бы­тие. По­втор­ный за­пуск вновь при­влек вни­ма­ние всего мира.

Что же де­ла­ет этот при­бор сто­и­мо­стью 10 млрд дол­ла­ров? И как он вы­гля­дит из­нут­ри?

БАК — это 27-ки­ло­мет­ро­вый под­зем­ный коль­це­вой тон­нель, вдоль ко­то­ро­го тя­нут­ся сверх­про­во­дя­щие маг­ни­ты, трубы уско­ри­те­лей и огром­ные ка­ме­ры, ко­то­рые фик­си­ру­ют столк­но­ве­ния про­тон­ных пуч­ков, дви­жу­щих­ся со ско­ро­стью, близ­кой к све­то­вой. В это коль­цо можно было бы впи­сать весь центр Лон­до­на.

БАК рас­по­ло­жен в Швей­ца­рии, неда­ле­ко от Же­не­вы. Когда в 80-х идея его по­строй­ки была пред­ло­же­на впер­вые, он вы­зва­ла на­смеш­ки — про­ект ка­зал­ся слиш­ком гран­ди­оз­ным. Тем не менее в ко­неч­ном счете он про­бил себе до­ро­гу, и в 2008 году стро­и­тель­ство БАК было за­вер­ше­но.

Ни­че­го по­доб­но­го на Земле нет. В трей­ле­ре «Стра­стей по ча­сти­цам» Мо­ни­ка Дан­форд, физик, ра­бо­та­ю­щая на БАК, го­во­рит: «Помню, уви­дев его впер­вые, я остол­бе­не­ла. Пять эта­жей, за­пол­нен­ных спе­ци­аль­но раз­ра­бо­тан­ной мик­ро­элек­тро­ни­кой, спа­ян­ной вруч­ную».

Боль­шой ад­рон­ный кол­лай­дер — это уско­ри­тель ча­стиц. Он по­сы­ла­ет пучки про­то­нов в про­ти­во­по­лож­ных на­прав­ле­ни­ях вдоль коль­ца. По мере дви­же­ния по коль­цу БАК они раз­го­ня­ют­ся до око­ло­све­то­вой ско­ро­сти, а затем стал­ки­ва­ют­ся, по­рож­дая неболь­шие ка­та­клиз­мы. В ре­зуль­та­те каж­до­го столк­но­ве­ния об­ра­зу­ют­ся об­ла­ка суб­атом­ных ча­стиц, ко­то­рые су­ще­ству­ют в те­че­ние доли се­кун­ды, а затем рас­па­да­ют­ся. Фи­зи­ки изу­ча­ют за­ко­но­мер­но­сти этого рас­па­да и ищут при­зна­ки на­ли­чия новых, неизу­чен­ных ча­стиц.

Пучки кон­тро­ли­ру­ют­ся сверх­про­во­дя­щи­ми маг­ни­та­ми БАК. На этой 3D-ре­кон­струк­ции они по­ка­за­ны в раз­ре­зе. Тем­пе­ра­ту­ра их ра­бо­ты лишь на несколь­ко гра­ду­сов выше аб­со­лют­но­го нуля. Два пучка про­то­нов, ле­тя­щие в про­ти­во­по­лож­ных на­прав­ле­ни­ях, изоб­ра­же­ны в крас­ном и синем цве­тах.

Когда эти пучки про­то­нов вре­за­ют­ся друг в друга, об­ра­зу­ют­ся го­ря­чие об­ла­ка, со­сто­я­щие из мель­чай­ших ча­стиц. Фи­зи­ки не могут из­ме­рить эти ча­сти­цы непо­сред­ствен­но, по­это­му по по­ка­за­ни­ям де­тек­то­ров сле­дов ча­стиц со­зда­ет­ся ре­кон­струк­ция столк­но­ве­ния, по­хо­жая на изоб­ра­же­ние ниже. По ней фи­зи­ки могут из­ме­рить по­ло­же­ние, ско­рость, за­ря­да, массу и энер­гию ча­сти­цы.

БАК при­ш­лось сде­лать таким боль­шим, чтобы разо­гнать про­то­ны до до­ста­точ­ной ско­ро­сти. Без этого после их столк­но­ве­ния не уда­лось бы по­лу­чить об­ла­ка ча­стиц. Пред­ставь­те, что вы ве­де­те ав­то­мо­биль. Чтобы за­вер­нуть за угол, вам при­хо­дит­ся при­тор­мо­зить. Чтобы из­бе­жать сни­же­ния ско­ро­сти по­ле­та ча­стиц, фи­зи­кам было необ­хо­ди­мо, чтобы их тра­ек­то­рия была как можно ближе к пря­мой линии. Ги­гант­ское коль­цо со­зда­ет очень плав­ную кри­вую, что обес­пе­чи­ва­ет лишь неболь­шое за­мед­ле­ние про­то­нов.

Они летят с такой ско­ро­стью, что пучок де­ла­ет 11 тыс. обо­ро­тов во­круг коль­ца кол­лай­де­ра за се­кун­ду.

По­это­му, когда БАК вый­дет на пол­ную мощ­ность, он будет ге­не­ри­ро­вать цен­ней­шие дан­ные при­мер­но о 100 столк­но­ве­ни­ях в се­кун­ду. За год на­кап­ли­ва­ет­ся такое ко­ли­че­ство дан­ных, что если за­пи­сать их на ком­пакт-дис­ки, можно сло­жить стоп­ку вы­со­той почти 20 ки­ло­мет­ров.

Более 100 тыс. ком­пью­те­ров пы­та­ют­ся из­влечь смысл из этих дан­ных, и на их ос­но­ве ра­бо­та­ют ты­ся­чи уче­ных по всему миру. World Wide Web, то есть то, что мы сей­час на­зы­ва­ем ин­тер­не­том, был со­здан в ЦЕРНе в на­ча­ле 90-х годов для об­ме­на дан­ны­ми между фи­зи­ка­ми, ра­бо­та­ю­щих на раз­ных уско­ри­те­лях.

В 2012 году мир об­ле­те­ла но­вость, что с по­мо­щью БАК фи­зи­ки об­на­ру­жи­ли бозон Хиггса. Это ре­кон­струк­ция столк­но­ве­ния и рас­па­да ча­стиц.

Недав­но БАК был мо­дер­ни­зи­ро­ван, и через несколь­ко ме­ся­цев он снова нач­нет вы­да­вать дан­ные. Это одна из точек до­сту­па в под­зем­ный тон­нель БАК. Бли­жай­шая сле­ду­ю­щая — в трех ки­ло­мет­рах.

Тех­ни­ки пе­ре­дви­га­ют­ся по тон­не­лю на ве­ло­си­пе­дах.

На коль­це кол­лай­де­ра есть че­ты­ре точки столк­но­ве­ния про­то­нов. В каж­дой из этих точек уста­нов­лен ги­гант­ский де­тек­тор. Они ори­ен­ти­ро­ва­ны на ре­ги­стра­цию раз­ных типов ча­стиц. Эти че­ты­ре де­тек­то­ра на­зы­ва­ет­ся ALICE, ATLAS, CMS, и LHCb.

Де­тек­тор ALICE более 15 мет­ров вы­со­той. Он весит боль­ше Эй­фе­ле­вой башни.

В ALICE ис­поль­зу­ет­ся самый боль­шой в мире «теп­лый» (то есть обыч­ный, не сверх­про­во­дя­щий) маг­нит. Он ра­бо­та­ет при силе тока в 30 тыс. ампер — эк­ви­ва­лент сред­ней мол­нии.

В дис­пет­чер­ской ALICE над по­сту­па­ю­щи­ми дан­ны­ми ра­бо­та­ют пол­то­ры ты­ся­чи уче­ных и ин­же­не­ров.

ALICE спе­ци­а­ли­зи­ру­ет­ся на об­на­ру­же­нии плаз­мы опре­де­лен­но­го типа, воз­ни­ка­ю­щей при про­тон-про­тон­ных столк­но­ве­ни­ях. Фи­зи­ки по­до­зре­ва­ют, что по­доб­ные про­цес­сы про­ис­хо­ди­ли во время Боль­шо­го взры­ва. Воз­мож­но, бла­го­да­ря ALICE ста­нет по­нят­нее, как устро­е­на ма­те­рия и что удер­жи­ва­ет атомы вме­сте.

Вто­рой де­тек­тор на­зы­ва­ет­ся ATLAS. Че­ло­век на пе­ред­нем плане дает пред­став­ле­ние о мас­шта­бе.

Это де­тек­тор об­ще­го на­зна­че­ния. Он ре­ги­стри­ру­ет при­зна­ки самых раз­ных яв­ле­ний: от до­пол­ни­тель­ных из­ме­ре­ний до ча­стиц тем­ной ма­те­рии.

Тре­тий де­тек­тор — CMS. Это тоже при­бор об­ще­го на­зна­че­ния, как и ATLAS. Его сверх­про­во­дя­щая ка­туш­ка ге­не­ри­ру­ет маг­нит­ное поле в 100 тысяч раз мощ­нее маг­нит­но­го поля Земли.

CMS боль­ше 15 мет­ров в вы­со­ту, а его вес пре­вы­ша­ет 12 тыс. тонн. Он ис­поль­зу­ет­ся для по­ис­ка су­пер­сим­мет­рич­ных ча­стиц и ча­стиц тем­ной ма­те­рии.

Чет­вер­тый де­тек­тор на­зы­ва­ет­ся LHCb. Он весит 4,5 тыс. тонн.

С по­мо­щью LHCb уче­ные пы­та­ют­ся по­нять, по­че­му во все­лен­ной на­столь­ко боль­ше ма­те­рии, чем ан­ти­ма­те­рии.

5 ап­ре­ля после двух­лет­не­го пе­ре­ры­ва БАК за­ра­бо­та­ет снова. «Про­грев» зай­мет несколь­ко ме­ся­цев, но в итоге БАК смо­жет при­да­вать пуч­кам на 60% боль­ше энер­гии, чем до мо­дер­ни­за­ции. Фи­зи­ки счи­та­ют, что об­нов­лен­ный кол­лай­дер по­мо­жет раз­ре­шить еще несколь­ко за­га­док.