Большой адронный коллайдер — что это такое и для чего он нужен?

«Самый важный эксперимент» и «самый большой обман» — такие противоположные оценки Большого андронного коллайдера можно услышать как от физиков, так и от людей, не имеющих отношения к науке. Почему так различаются мнения, что на самом деле представляет собой Большой андронный коллайдер и для чего он был создан? Попробуем разобраться.

Что такое Большой андронный коллайдер

БАК расположен под землей, в тоннеле шириной 3,8 метров, на глубине около 100 метров, на границе Швейцарии и Франции.

Сегодня это самая крупная на планете установка, созданная исключительно для проведения экспериментов. Свое название Большой андронный коллайдер (БАК) получил, потому что он:

• Действительно большой – длина основного кольца составляет 26 659 м.
• Работает с андронами – частицами, которые могут удерживаться вместе за счет сильного взаимодействия ядер. Андронами называют целый класс частиц (в основном это тяжелые ионы и протоны).
• Сталкивает андроны (collider в переводе с английского – «сталкиватель»).

Под воздействием магнитных полей, генерируемых устройством, частицы разгоняются почти до скорости света и сталкиваются друг с другом. Ученым интересны, в первую очередь, процессы, которые происходят в результате этих столкновений.

При этом заставить мельчайшие элементарные частицы столкнуться во время движения очень сложно. Для того чтобы получить лишь несколько столкновений, приходится запускать миллионы пучков протонов в секунду на невероятной скорости. Круг коллайдера длиной почти в 27 км протоны пролетают около 11 тыс. раз за секунду.

Весь круг установки поделен на несколько секторов, в них расположены детекторы – своеобразные фотоаппараты, мощные электронные устройства, способные фиксировать движение частиц на огромной скорости. Они снимают пролетающие мимо частицы, их столкновения, реакции на происходящие процессы и явления, которые возникают после столкновений. Кроме того, вокруг БАК расположено несколько тысяч магнитов. Под их воздействием протонные пучки разгоняются внутри кольца и не покидают его. 

БАК работает постоянно, его обслуживает около 1,5 тыс. человек, не считая ученых из разных стран, которые приезжают для изучения данных и проведения исследований. Сведения, полученные детекторами, поступают в информационный центр Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН). Кроме того, существует несколько резервных центров обработки данных, один из них расположен в Дубне Московской области.

История создания

Первый в мире адронный коллайдер, то есть устройство для ускорения частиц, был запущен еще в 1971 году. Однако скорость, до которой он мог разогнать частицы, была почти в 230 раз меньше, чем у БАК, поэтому значимых открытий с помощью этого устройства сделать не удалось.

Идея строительства БАК появилась в 1984 году, работа над проектом была начата десятью годами позже. Запуск БАК состоялся в 2008 году. С 2018 до 2022 года он не работал – это была так называемая технологическая пауза, необходимая для модернизации и увеличения светимости и мощности.

Планируется, что в режиме повышенной светимости устройство будет работать до 2040 года. К этому времени у исследователей будет уже достаточно данных для подробного изучения открытий, сделанных им, в первую очередь, бозона Хиггса. После этого БАК будет остановлен, ЦЕРН приступит к созданию нового коллайдера – еще более мощного. Предполагается, что длина нового тоннеля составит 100 км, а энергия, с которой будут сталкиваться частицы, будет в 7 раз выше, чем в БАК.

Зачем все это нужно?

Главная цель, для которой был создан БАК – исследовать поведение протонов при столкновениях и изучить новые элементы, которые появляются в результате этих столкновений. Данные помогут понять процессы, происходящие в космосе, и получить больше информации о возникновении и развитии Вселенной, которая состоит из таких же частиц.

Пока главное открытие, сделанное с помощью БАК – обнаружение бозона Хиггса, неделимой частицы, основы так называемой Стандартной модели, важнейшего постулата физики элементарных частиц. Его открытие поможет ученым окончательно понять структуру материи. Гипотезу о существовании такой частицы выдвинули физики Хиггс и Энглерт еще в 1970-е годы, но подтверждена она была только в 2012 благодаря БАК. После этого создатели теории получили Нобелевскую премию.

Однако исследователи считают, что благодаря БАК можно совершить и другие важные открытия. В частности, есть надежда, что с помощью коллайдера удастся расширить Стандартную модель. Она успешно используется для объяснения частиц, из которых состоит весь мир вокруг нас, и окружающих явлений. Но многие физики уверены, что Стандартная модель перестала справляться со своей задачей, и чем больше человек изучает космос, тем очевиднее, что существует много явлений, не укладывающихся в стандартную модель. Найти объяснение им – главная задач БАК. Среди таких загадок:

• Суперсимметрия. Существует теория, что у каждой элементарной частицы есть суперпартнер, появившийся во время образования Вселенной, то есть после Большого взрыва. Если эта гипотеза подтвердится, число элементарных частиц, известных науке, может увеличиться минимум вдвое. 
• Темная материя. Ученые считают, что из нее состоит почти 80% Вселенной, однако точных доказательств существования этой загадочной материи у исследователей пока нет. Пока в распоряжении науки есть информация о некоторых необычных частицах, обнаруженных в космосе, и об их странном поведении, но найти доказательства существования темной материи пока никому не удалось.
• Темная энергия – такое же неуловимое и недоказанное явление, как и темная материя, но имеющее иную природу. Это сила, ускоряющая расширение нашей Вселенной, а ее обнаружение поможет предсказать дальнейший ход этого расширения.
• Открытие вимпов и аксионов – еще одного вида гипотетических элементарных частиц, выходящих за пределы Стандартной модели. Исследователи считают, что именно из вимпов может состоять темная материя.

В целом, Большой андронный коллайдер считают инструментом так называемой «новой физики». Это физика, которая выходит за рамки используемой сегодня Стандартной модели и объединяет взгляды и теории, не укладывающиеся в старые парадигмы. Вероятно, именно ее законы должны стать ключом к пониманию истинного устройства Вселенной.

Критика БАК, мифы и теория заговора

Работу БАК сопровождает немало мифов и страхов. Самые популярные среди них:

• При столкновении протонов внутри коллайдера могут появиться небольшие, но быстро увеличивающиеся черные дыры. Они могут распасться, но если этого не случится, то способны поглотить Землю. Исследователи, однако, уверяют, что такой сценарий исключен. В БАК происходят те же процессы, что и в природе, только на меньшей площади – а значит, черные дыры, которых так боятся некоторые обыватели, уже давно появились бы.
• Во время работы коллайдера могут образоваться страпельки. Этим словом называют гипотетические частицы, являющиеся частью «странной материи». Если они попадут в состав обычной материи, из которой состоит предположениям, наша планета, то она превратится в странную, и Земля может оказаться непригодной для жизни. Однако до сих пор подобные опасения не нашли подтверждения, и ни одной страпельки за все годы работы БАК обнаружено не было.
• БАК может производить магнитные монополи. Это еще один вид гипотетических элементарных частиц, существование которых не доказано. Некоторые ученые опасаются, что магнитные монополи, произведенные коллайдером, будут разрушать протоны – а значит, уничтожат нашу Вселенную. Однако в ЦЕРН доказали, что даже в том случае, если монополи существуют в реальности, их размер слишком велик для БАК.

Высказываются и совсем невероятные теории о возможностях Большого андронного коллайдера, не имеющие ничего общего с наукой. Например, кто-то считает, что БАК – это таинственный мост между двумя мирами или между разными измерениями. Пока сторонники подобных предположений ищут доказательства своих гипотез, БАК продолжает работать и прокладывать ученым путь к пониманию многих тайн Вселенной, не открытых до сих пор.

Несколько интересных фактов о Большом андронном коллайдере

Перечислим лишь несколько цифр, которые помогут осознать мощь БАК и понять, какое количество ресурсов вложено в его разработку, создание и поддержание работы:

• Затраты на создание БАК составили почти 4,6 млрд. евро. 
• Для поддержания нужной температуры в тоннеле используется около 120 тонн жидкого гелия, который охлаждается азотом. Коллайдер – это самая большая в мире криогенная установка.
• Скорость, до которой разгоняются протоны, составляет 0,999999991 скорости света. Это единственное устройство на Земле, демонстрирующее подобную скорость. Выше она быть не может – ничто не способно двигаться быстрее, чем свет.
• Один пучок нейронов – это более 2800 протоновых сгустков. В каждом таком сгустке – около 115 млрд. протонов.
• Компьютерная сеть, которая собирает и обрабатывает данные, поступающие с БАК – самая крупная в мире. За время работы БАК было обработано больше информации, чем содержат все книги, когда-либо написанные.
• Магнитные катушки БАК состоят из кабелей, общая длина которых превышает 270 тыс. км. Это более чем в 6 раз больше окружности нашей планеты. Если все эти кабели распустить, можно было бы 5 раз протянуть их до Солнца и затем обратно.

Все, кому интересно устройство самой большой и мощной экспериментальной установки в мире, могут совершить виртуальную прогулку по тоннелю, в котором расположен Большой андронный коллайдер. Найти виртуальный тур можно на официальном сайте ЦЕРН.