Большой адронный коллайдер: зачем нужен и стоит ли его бояться

Что такое адронный коллайдер

Адронный коллайдер — это ускоритель, который разгоняет высокоэнергетические частицы почти до скорости света с помощью электромагнитных полей. Такое название прибор получил потому, что работает с определенным классом частиц — адронами (составными частицами, подверженными сильному ядерному взаимодействию) — и сталкивается с ними в процессе (англ collider — сталкивает).

Первый в мире адронный коллайдер ISR был запущен в 1971 году Европейской организацией ядерных исследований (ЦЕРН). Аппарат был небольшим — 943 м в длину, а максимальная энергия частиц, до которой он мог их разогнать, составляла 28 ГэВ. В 1980-х работа ИСР была остановлена, а средства, потраченные на его содержание, были направлены на строительство более мощного электрон-позитронного коллайдера. Последний работал до 2001 года, когда его заменил Большой адронный коллайдер, безусловно, самый мощный ускоритель адронов в мире.

БАК расположен на границе Франции и Швейцарии, недалеко от города Женева, в тоннеле длиной 100 м. Длина ускорителя составляет почти 27 км, а максимальная энергия частиц, до которой он может разогнать, составляет 7 ТэВ, что составляет почти в 230 раз больше, чем на первом адронном коллайдере.

Большой адронный коллайдер является крупнейшей экспериментальной установкой в ​​мире — в его строительстве, длившемся почти 10 лет, участвовало более 10 000 ученых и инженеров из 100 стран мира. Стоимость создания БАК оценивается в 4,6 миллиарда евро.

Сотрудники ЦЕРН создали онлайн-карту Большого адронного коллайдера, показав туннель, в котором он расположен, и часть ускорительного кольца.

 

Как проводят эксперименты на коллайдере?

На самом деле, конечно, БАК строился не только ради одного бозона. В экспериментах проводятся сразу десятки и сотни параллельных опытов.

Примерно так выглядит изучение конкретного процесса на современном ускорителе. Акселератор работает 10–20 лет, по несколько месяцев в году. В остальное время его осматривают, ремонтируют, модернизируют. В течение всего этого времени регулярно, с частотой миллионы раз в секунду, сталкиваются груды частиц.

Кстати, пучок (bunch) и пучок (beam) частиц — это не одно и то же. Частицы в кольцевом ускорителе летят по одной и той же траектории, удерживаемой магнитным полем. Весь этот поток частиц образует пучок, точнее, два встречных луча, движущихся по двум различным пересекающимся путям. Но этот пучок не является непрерывным, а делится на компактные пучки — пучки, — которые следуют друг за другом на одинаковом расстоянии.

В результате при пересечении двух встречных лучей частицы сталкиваются не непрерывно, а через строго определенные промежутки времени; и вокруг этой точки стоят многослойные детекторы элементарных частиц, пытающиеся уловить все, что рождается при столкновениях.

Но особенность квантового мира в том, что все процессы, которые в принципе могут в нем происходить, только с разной вероятностью. Поэтому, чтобы заметить очень редкий процесс, необходимо много раз повторить столкновение в одних и тех же условиях. И задача исследователей состоит в том, чтобы среди «шума» информации услышать нужный им сигнал.

Например, рождение бозона Хиггса — не такое уж редкое явление. Но его трудно уловить среди других осколков от столкновения протонов. Поэтому исследователи искали признаки частицы, которая ведет себя точно так же, как бозон Хиггса: она рождается при правильных условиях, распадается на определенные частицы и воздействует на другие частицы точно так же, как и должен бозон Хиггса.

Антиматерию охладили почти до абсолютного нуля лазерным лучом.

Пока мы с вами заняты своими повседневными делами, ученые ЦЕРН охлаждают антивещество почти до абсолютного нуля и фактически находятся на пороге открытия новой физики. А так как в мире нет ничего более интересного, чем тайны мироздания, предлагаю вам на время отложить дела в сторону и погрузиться в удивительный мир физики. Начнем с того, что теория антиматерии была впервые предложена английским физиком-теоретиком, одним из создателей квантовой теории Полем Дираком в 1928 году. Всего через четыре года его теория получила подтверждение.

Сегодня мы знаем, что ученые называют антиматерию эфирной противоположностью материи. Частицы идентичны своим материальным аналогам, за исключением их физических свойств: если электрон имеет отрицательный заряд, то его аналог из антивещества, позитрон, имеет положительный заряд. Причина, по которой мы не сталкиваемся с антиматерией так часто, как с обычной материей, заключается в том, что они аннигилируют друг друга при контакте, что чрезвычайно затрудняет хранение и изучение антиматерии в повседневной жизни.

Уничтожит ли коллайдер Вселенную?

Вокруг БАК существует большое количество мифов, среди них есть утверждение, что ускоритель способен уничтожить нашу планету или даже всю Вселенную.

Обоснование этого мифа основано на теории о том, что Вселенная, в которой мы живем, нестабильна, и столкновения на коллайдере могут породить более стабильную версию Вселенной, которая начнет расти и разрушать нашу версию.

Опровергнуть подобные утверждения довольно легко. Ведь во Вселенной постоянно происходят естественные процессы, ускоряющие и сталкивающие бесчисленное количество частиц с энергиями, просто недостижимыми на БАК. И если бы существовала малейшая вероятность того, что такие столкновения приведут к «всемирной катастрофе», то это уже давно бы произошло.

Физики получают все больше доказательств существования новой, неизвестной силы природы.

Ранее в этом году серия экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК) показала удивительные результаты — оказалось, что кварки превращаются в другие частицы под действием неизвестной силы. Другими словами, полученные данные указывают на возможное существование новой фундаментальной силы природы, что ставит под сомнение фундаментальные принципы Стандартной модели — наиболее широко принятой физической теории, описывающей все, что мы знаем о материи, из которой состоит мир вокруг нас.

Но поскольку ученые — люди осторожные, говорить о «ломке стандартной модели» или новой силе природы пока рано — нужны дополнительные исследования и больше доказательств. И все же работа физиков из Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН), предсказавшая скорый конец наших представлений о физике, настолько вдохновила ученых из Кембриджского университета, что они доказали наличие постоянной аномалии в мир мельчайших элементарных частиц: неизвестная сила природы действительно ждет своего часа, чтобы объяснить квантовую гравитацию, Большой взрыв, темную материю и в конечном итоге создать Теорию Всего.

Что делает коллайдер?

Для рассеивания частиц там используются радиочастотные резонаторы. В 27-километровом ускорителе резонаторы в двух местах, электрическое поле постоянно меняется, частица пролетает, получает «пинок», пролетает еще 27 км, снова получает «пинок» и так далее. Он летит почти со скоростью света, поэтому этот процесс происходит 10 тысяч раз в секунду. Даже если она двигается в течение нескольких минут, она уже получает огромную энергию.

Для этого нужны магниты, которые удерживают частицы по кругу. Размер коллайдера зависит от магнитов. Если бы мы могли сделать более сильный магнит, устройство было бы меньше. Но есть и другая причина, по которой нам нужны магниты. Ведь пучок состоит из протонов, которые отталкиваются друг от друга, и их надо сфокусировать, чтобы произошло как можно больше столкновений.

Так работает БАК — там разгоняют сотни известных частиц, чтобы получить новую. Он живет очень недолго, распадаясь на частицы, разлетающиеся в разные стороны со скоростью света. Но как фиксируется новая частица, если она живет так мало?

Обновленный Большой адронный коллайдер поможет ученым обнаружить темную материю.

Когда ускоритель частиц Большой адронный коллайдер (БАК) снова заработает в 2021 году и сможет снова объединить частицы, ученые надеются, что он, наконец, откроет неуловимую темную материю. На протяжении десятилетий физики тщетно пытались обнаружить частицы темной материи, из которых состоит основная часть нашей Вселенной. Однако теперь у исследователей появилась новая цель в поисках: относительно тяжелая и долгоживущая частица, которую можно получить в результате высокоэнергетических столкновений на БАК.

Для чего нужен Большой адронный коллайдер

В физике элементарных частиц есть важный постулат — Стандартная модель. Это теория, которая описывает, как взаимодействуют элементарные частицы в нашем мире: кварки, бозоны, лептоны, барионы. Ученых интересуют эти условия, потому что они могут привести к новым или очень редким элементам, которые плохо или вообще не изучены. Это, в свою очередь, позволит вам узнать больше о мире и его материи.

Чтобы открывать новые частицы, нужно проводить эксперименты. В этом коллайдеры помогают исследователям. Установки воспроизводят процессы, реально происходящие в природе, то есть сталкиваются друг с другом заряженные частицы материи — протоны с протонами или электроны с позитронами. Собранные данные затем записываются и передаются на компьютер. У ученых появилась возможность детально изучить результаты взаимодействия заряженных частиц: обнаружить следы распада мюонов, пи- и К-мезонов и других событий, происходивших на коллайдере.

Анатолий Сидорин, заместитель заведующего ускорительным отделом Лаборатории физики высоких энергий им. В.И. Векслера и А.М. Балдина в Дубне, один из ведущих специалистов по кольцевым ускорителям и коллайдерам:

«Строительство Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе привело к закрытию нескольких небольших ускорительных лабораторий почти по всей Европе: в Голландии, в Швеции, во Франции. Но Национальное научное общество пошло на это, потому что это был общеевропейский проект — с тем, чтобы быть лидером Европы в физике высоких энергий.

Прежде всего, Большой адронный коллайдер должен был открыть бозон Хиггса (элементарную частицу с нулевым угловым моментом и нулевым зарядом, играющую важную роль в Стандартной модели, существование которой было предсказано задолго до ее открытия. — Тренды РБК). Но, конечно, не стоило строить его ради одной частицы. Основная серьезная надежда физиков была связана с тем, что БАК откроет нечто неожиданное. Итак, помимо изучения механизма Хиггса, одной из задач стал поиск микроскопических черных дыр. К сожалению, они пока не найдены».

Помимо поиска черных дыр и открытия бозона Хиггса, перед адронным коллайдером стоит еще несколько задач:

• Поиски суперсимметрии, то есть подтверждение теории о том, что каждая элементарная частица во Вселенной имеет суперсимметричного партнера. Если БАК сможет доказать это явление, то будет подтверждено, что Стандартная модель является не единственной теорией строения элементарных частиц, а лишь частью большой системы микромира.
• Изучение топ-кварков — самых тяжелых элементарных частиц. Их свойства недостаточно изучены и поэтому представляют интерес для физиков.
• Изучение кварк-глюонной плазмы, возникающей при столкновении ядер свинца. Изучение этого явления поможет ученым построить более совершенные теории сильных взаимодействий частиц.

Один из секторов тоннеля, где находится БАК (Фото: wikimedia.org)

Сколько энергии потребляет коллайдер?

ЦЕРН потребляет столько же энергии, сколько весь кантон Женева и насчитывает около 50 000 жителей. Около 15 000 инженеров и ученых со всего мира работали на Большом адронном коллайдере.

Это самый дорогой наземный эксперимент человечества. Его превосходит только МКС, которая в несколько раз дороже, но стоимость этого проекта объясняется тем, что доставка в космос очень дорогая. По сравнению с обычными вещами, за стоимость одного коллайдера можно было построить 20 арен «Самара» или 6 арен «Газпром». В то же время коллайдер — штука рабочая, поэтому затраты при эксплуатации возрастают.

Если такие примеры тоже трудно воспринимать, то вот еще один пример. Если стоимость адронного коллайдера разделить на цену Роллтона в 2016 году, то из этого количества пакетов, достигающих Луны, можно построить 13 башен.

Модернизация и долгожданный старт

В декабре 2018 года Большой адронный коллайдер закрылся на плановые профилактические и ремонтные работы, оптимизацию и модернизацию. Запуск изначально планировался на 2021 год, когда начнется период работ с постепенным увеличением яркости, который займет до четырех лет. Однако в декабре 2020 года сотрудники ЦЕРН заявили, что задержки в подготовке основных детекторов CMS и ATLAS, вызванные пандемией коронавируса, задержали третий запуск коллайдера, который в итоге состоялся 22 апреля 2022 года.

В рамках программы по улучшению работы БАК инженерам удалось увеличить мощность инжекторов, отвечающих за подачу пучков ускоренных частиц. Во время второго запуска коллайдера он мог разгонять частицы только до 6,5 тераэлектронвольт, теперь он способен двигать частицы со скоростью до 6,8 тераэлектронвольт (один тераэлектронвольт равен примерно одному триллиону электронвольт).

Во время второго длительного простоя объекты подверглись серьезной модернизации. Сам БАК был усилен и теперь будет работать на большей мощности, а благодаря доработкам инжекторного комплекса он будет передавать гораздо больше данных для новых экспериментов на БАК

Майк Ламонт, директор CERN Accelerators and Technology

Основные цели модернизации были сосредоточены вокруг способности БАК производить больше столкновений частиц за меньшее время, увеличивая шансы создания и обнаружения новых редких частиц. Кроме того, усовершенствованы системы приема и обработки данных.

После проделанной работы детекторы коллайдера способны собирать данные со скоростью 30 миллионов раз в секунду. Программное обеспечение LHC также было обновлено — теперь оно может автоматически находить полученные данные, идентифицировать и хранить информацию, которая может представлять потенциальный интерес для исследователей, для анализа с использованием новейших методов искусственного интеллекта.

Послепусковые испытания с пучками частиц показали положительные результаты, но основные исследовательские работы начнутся через пару месяцев.

Первые столкновения показали успешный перезапуск ракеты-носителя после длительного простоя. Эти пучки циркулировали с энергией инжекции и содержали относительно небольшое количество протонов. Бои высокой интенсивности пройдут через пару месяцев

Родри Джонс, глава отдела CERN Beam

Что еще было открыто на БАК?

 

По сути, эксперименты позволили понять, что происходит в особых случаях Стандартной модели, в очень экзотических условиях. Например, для изучения свойств кварк-глюонной плазмы — состояния вещества, достигаемого при очень высоких энергиях (и, как полагают, заполнявшего Вселенную в первые моменты ее жизни).

Кроме того, эксперименты помогли лучше понять строение элементарных частиц. Затем в 2015 году физики получили пентакварки — частицы, состоящие из пяти кварков вместо обычных двух (мезоны) или трех (барионы). Кварки — это строительные блоки, из которых состоят все известные нам элементарные частицы. Их существование предполагалось еще в 1990-х годах учеными Санкт-Петербургского института ядерной физики, но получить их экспериментально не удалось.

выяснение того, как на самом деле устроены пентакварки, являются ли они составными или интегрированными, поможет лучше понять принципы строения материи. Это приближает ученых к решению фундаментальной загадки: почему в природе не существует стабильных мультикварковых частиц. Очевидной причины невозможности образования аналога протона — скажем, из шести кварков — теоретики назвать пока не могут.

Большой Адронный Коллайдер будет… обогревать дома.

Большой адронный коллайдер (БАК) — очень важная установка для проведения экспериментов в области изучения элементарных частиц. Но недавно ученые выяснили, как получить максимальную отдачу от БАК. При этом он не имеет ничего общего с поиском темной материи или с другими экспериментами. Объем установки гораздо более приземленный. С ее помощью хотят обогреть близлежащие дома.

Зачем это нужно?

Чтобы объяснить важность адронного коллайдера, давайте сначала посмотрим, из чего мы сделаны как материя и что нас окружает. Все это состоит из атомов, сверхплотной материи внутри атома и электронов. В картине, по которой мы привыкли изучать эти структуры в школе, есть большой изъян. Это вопрос масштаба: представьте, что атомное ядро ​​имеет размер ногтя большого пальца. Тогда электрон должен вращаться от него на расстоянии 100 км. То есть все мы пустоты.

Но почему не распадается атом, почему не распадается все, из чего мы состоим? Все дело в электромагнитных взаимодействиях: если есть два одноименных заряда, то они отталкиваются, если два противоположных заряда, то притягиваются. Но почему? С точки зрения современной физики эти притяжения и отталкивания объясняются обменом другими частицами. Вот почему мы не распадаемся: потому что электронная оболочка и атомы, взаимодействующие с другими атомами и обменивающиеся фотонами, связаны.

Атомная структура

Атом состоит из электронов и ядра, которые обмениваются фотонами, поэтому они связаны друг с другом. Ядро состоит из нейтронов и протонов. Почему ядро ​​не разрушается? Потому что протоны заряжены положительно и отталкиваются друг от друга, а нейтроны незаряжены. Это значит, что внутри ядра у них тоже есть какое-то взаимодействие — оно называется сильным. Сильное взаимодействие — это обмен глюонами. На изображении ниже показаны все типы взаимодействий, которые существуют в принципе.

Круг — это то, из чего мы сделаны. Протоны и нейтроны состоят из двух типов кварков. Они соединены гелионами — синими буквами. Они образовали протоны и нейтроны, потом к ним должны прицепиться электроны, они цепляются с помощью фотонов. И еще частицы нейтрино, даже миллиарды частиц в секунду проходят сквозь мой палец. Для их обнаружения строятся огромные детекторы частиц. Например, один из них находится в Японии — там есть огромная шахта, наполненная водой, где нейтрино можно улавливать по отдельности.

Есть и другие типы частиц, которые не окружают нас тем, что они нестабильны, недолговечны и тяжелее, не распадаются на более легкие частицы.

Бозон Хиггса: портал в «темный мир»?

Теперь, когда ученые нашли бозон Хиггса, Большой адронный коллайдер будет искать еще более неуловимую цель: темную материю. Нас окружает темная материя и темная энергия — невидимые субстанции, связывающие галактики, но не дающие себя. В новой статье описывается инновационный метод поиска темной материи с помощью Большого адронного коллайдера, использующий относительно низкую скорость потенциальной частицы.

Как работает Большой адронный коллайдер

Большой адронный коллайдер представляет собой ускорительное кольцо окружностью 27 км, оснащенное большим количеством установок, каждая из которых выполняет свою функцию. Кольцо ускорения можно условно разделить на восемь секторов, через которые проходят пучки частиц.

Пучки частиц поступают в Большой адронный коллайдер из предварительного ускорителя SPS, протонного суперсинхротрона, который формирует их, а затем вводит в специальную камеру на БАК. Внутри коллайдера протоны начинают циркулировать в противоположных направлениях по двум вакуумным трубкам. При движении они пролетают через следующие настройки кольца акселератора:

• Разгонный раздел. Пучки протонов инжектируются в БАК с энергией 0,45 ТэВ и уже внутри коллайдера ускоряются до 7 ТэВ. За каждый новый оборот через секцию ускорителя протоны получают дополнительную энергию.
• Система сброса луча. Эта установка останавливает и удаляет пучок протонов из БАК, если он отклоняется от заданного пути.
• Взрывная очистка. Когда пучок протонов проходит через вакуумную трубку, некоторые частицы могут отклоняться. Система очистки струи отсекает их, не касаясь основной части струи.
• Детекторы. Основная задача этих установок — зафиксировать результат взаимодействия между частицами и передать соответствующую информацию в цифровом виде в центр управления ЦЕРН.

Блок LHC (на схеме обозначен как LHC — Большой адронный коллайдер

Анатолий Сидорин:

«Детектор — это огромное количество электроники, по сигналам которой можно отслеживать типы частиц, образующихся при столкновении протонных пучков, а также их параметры: энергию, направление движения и так далее.

Все данные принимаются в виде потока информации — примерно 20 ГБ в секунду. Хранить такое количество информации просто так невозможно, поэтому есть дополнительная сортировка. Из всего объема информации, поступающей от электроники детектора, выбираются только те сигналы, по которым можно реконструировать события — появление частиц.

Кроме того, вся информация записывается на диск. Весь объем данных, поступающих с Большого адронного коллайдера, хранится в вычислительном центре CERN. Есть еще 12 центров более низкого уровня, где хранятся резервные копии этих данных, например здесь, в Дубне. Это означает, что данные распространяются по всему миру».

Чтобы удержать пучки протонов внутри ускорителя, на них должно воздействовать магнитное поле. Для этого на Большом адронном коллайдере установлено несколько тысяч мощных магнитов.

Один из поворотных магнитов опускают в шахту для установки на БАК (Фото: home.cern)

Кто обслуживает Большой адронный коллайдер

Все элементы управления LHC расположены в центре управления CERN. Постоянный штат составляет около 1,5 тыс человек: инженерно-научный персонал, обеспечивающий работу ускорительного комплекса, сотрудники, занимающиеся разработкой, ремонтом и модернизацией установки и так далее.

Еще одной категорией сотрудников БАК являются приглашенные группы исследователей, которые проводят эксперименты. Они прибывают в определенное время и изучают данные, полученные с детектора. Кроме того, физики из других стран помогают контролировать работу БАК: они по очереди следят за приборами и системами.

Большой адронный коллайдер работает круглосуточно — его нельзя выключить. Это связано с тем, что он постоянно использует большое количество энергии, в основном для поддержания низкой температуры. Также приходится постоянно следить за коллайдером, поэтому день делится как минимум на три рабочие смены.

Физики открыли новую элементарную частицу – тетракварк.

 

Известно, что Большой адронный коллайдер — невероятно сложная машина. Среди основных задач ускорителя заряженных частиц — ускорение протонов и тяжелых ионов и исследование продуктов их столкновения. Так что, когда говорят, что «эти ученые-волшебники разбивают материю на атомы», это все правда, за исключением того, что ученые, конечно, не волшебники.

Новое исследование, результаты которого были представлены в ходе международной научной конференции по физике, подтвердило существование ранее неизвестной частицы, которой является тетракварк — экзотический адрон, содержащий два кварка и два антикварка. Это самая долгоживущая частица экзотической материи, которую когда-либо обнаруживали исследователи, и первая, содержащая два тяжелых кварка и два легких антикварка.

И прежде чем вы запутаетесь, вспомните, что кварки — это основные строительные блоки, из которых построена материя. При объединении эти субатомные частицы образуют адроны, группу, в которую входят знакомые протоны и нейтроны (другими словами, кварки меньше, чем просто крошечные). Протоны и нейтроны состоят из трех кварков, но недавно открытая адронная частица состоит из из четырех, что делает его разновидностью тетракварка — совершенно новой частицей.

Читайте также: Перл-Харбор

На Большом адронном коллайдере обнаружены экзотические Х-частицы. Почему это важно?

 

Наша история началась с Большого взрыва около 14 миллиардов лет назад. Согласно теории, на миллионную долю секунды после рождения Вселенная представляла собой плазму элементарных частиц — глюонов и кварков. Затем за очень короткое время эта плазма остыла, и из частиц образовались известные нам протоны и нейтроны. Их сопровождали различные нестабильные частицы неизвестной структуры — так называемые Х-частицы, о существовании которых мир узнал в 2003 году.

Тогда японский коллайдер Belle предоставил первые доказательства существования Х-частиц. Однако эти частицы слишком быстро распадались, поэтому физики не смогли изучить их структуру. Теперь ученые смогли воссоздать материю с первых мгновений жизни Вселенной и, наконец, открыли загадочные частицы. Это здорово, не так ли? Но малоизученные частицы не вписываются в существующие модели образования материи.

Что открыли на Большом адронном коллайдере

На сегодняшний день бозон Хиггса — единственный, обнаруженный на Большом адронном коллайдере. Эта элементарная частица понадобилась ученым для объяснения нарушения электрослабой симметрии, в результате которого другие частицы, изначально ничего не весившие, набирали массу.

Чтобы объяснить нарушение симметрии, Питер Хиггс и несколько других исследователей в 1970-х годах выдвинули теорию о том, что Вселенную пронизывает некое поле, при взаимодействии с которым частицы приобретают массу. Позже его назвали полем Хиггса. Для подтверждения теории ученым нужно было найти и доказать существование бозона Хиггса, основы материи поля Хиггса.

В течение десятилетий Франсуа Энглер и Питер Хиггс пытались открыть бозон Хиггса с помощью экспериментов, но безуспешно. Эту частицу трудно увидеть, потому что она нестабильна, а когда появляется, сразу распадается — нужна была мощная аппаратура, которая могла бы уловить следы распада. Однако с помощью экспериментов на электрон-позитронном коллайдере ученым удалось определить примерную массу бозона Хиггса, что значительно облегчило поиски.

Работа была продолжена на Большом адронном коллайдере, и в 2012 году экспериментаторы объявили, что каждый из них наблюдал новую частицу, которая по своей массе и другим свойствам похожа на бозон Хиггса. В 2013 году открытие ученых было официально признано, а Франсуа Энглер и Питер Хиггс получили за свои открытия Нобелевскую премию.

Почему открытие бозона Хиггса стало событием?

Бозон Хиггса, который журналисты называют «частицей Бога», пожалуй, самая известная из всех частиц, обнаруженных детекторами БАК. Открытие было одной из основных целей при возведении всей конструкции. И наконец он был достигнут в 2012 году. Но почему он так важен?

Согласно стандартной модели, все элементарные частицы делятся на фермионы, составляющие материю, и бозоны, обеспечивающие взаимодействия между фермионами. Без бозонов нейтроны, протоны и электроны просто летали бы по Вселенной, не образуя атомов.

Еще одним важным компонентом теории является симметрия. Она определяет поведение частиц и действие воздействующих на них сил. Например, в силу симметрии электромагнитное и слабое взаимодействия выступают проявлениями одной и той же силы — электрослабой. Но эта теоретически красивая идея могла бы работать только в том случае, если бы частицы не имели массы.

Считается, что в ранней Вселенной частицы были безмассовыми и соблюдалась симметрия. Но затем симметрия начала самопроизвольно нарушаться. При этом одни частицы вели себя как массивные, а другие как безмассовые. С этим процессом была связана одна из главных загадок стандартной модели: почему происходит спонтанное нарушение симметрии.

Физик Питер Хиггс предположил, что масса частиц возникает под действием особого поля. В современном представлении частицы — это не сферы, а колеблющиеся «биты» (кванты) поля. Например, электроны — это колебания электронного поля, а фотоны — электромагнитные. Бозон Хиггса тоже квант. Некоторые частицы, проходя через поле Хиггса, «цепляются» за него и набирают массу.

Бозон Хиггса был последним отсутствующим элементом стандартной модели. Если бы она не была найдена, пришлось бы искать другие объяснения нарушения симметрии. Однако сам механизм Хиггса также до конца не изучен, и поэтому сама Стандартная модель является лишь частным случаем более общей теории, которую еще предстоит установить.

Ученые из ЦЕРН стоят на пороге открытия «новой физики».

В 2008 году в Европе был запущен гигантский ускоритель заряженных частиц Большого адронного коллайдера (БАК). Тогда мир словно сошел с ума. Но не из радости за достижения современной науки, а из страха перед неизвестностью — молниеносно распространились слухи о том, что запуск БАК приведет к созданию черной дыры и неминуемому концу света. И сколько бы физики ни объясняли, что коллайдер разгоняет элементарные частицы до околосветовых скоростей и сталкивает их друг с другом и этот процесс не может привести к апокалипсису, правоверные все равно говорят, что коллайдер — это начало конца.

Это может показаться удивительным, но в чем-то они, вероятно, были правы. Новая работа исследователей из Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) предсказывает конец нашего понимания физики: результаты указывают на новую силу в природе за пределами Стандартной модели, которую ученые не понимают.

Почему люди боятся Большого адронного коллайдера

БАК и микроскопические черные дыры

Согласно одной из теорий, черные дыры могут образоваться при столкновении протонов на Большом адронном коллайдере. Если они будут стабильны и не распадутся, они упадут в центр Земли, поглотят материю и уничтожат планету. Начало этим предположениям положил гаваец Вальтер Вагнер — он подал иск с требованием остановить строительство БАК и провести дополнительные испытания, чтобы доказать безопасность установки. После суда другие начали волноваться. Тогда группа неизвестных пригрозила ученым, работавшим на БАК, расправой.

Но этот ужасающий сценарий невозможен. То, что происходит в БАК, происходит и в природе, только в гораздо большем масштабе и с огромными силами. Это означает, что микроскопические черные дыры должны были образоваться давным-давно. Кроме того, согласно теории относительности Эйнштейна, микроскопические черные дыры не могут образовываться на БАК, потому что частицы, которые могут их образовать, мгновенно распадаются.

Футурология Черные дыры: почему они черные, как их находят и при чем тут квазары

Анатолий Сидорин:

«Если на Большом адронном коллайдере будут обнаружены микроскопические черные дыры, это будет революцией в науке. Какова их судьба? Чтобы ответить на этот вопрос, надо вспомнить механизм Хокинга, описывающий принцип испарения черных дыр: чем меньше масса черной дыры, тем быстрее она исчезает. Микроскопическая черная дыра будет жить микроскопическое время — судя по ее виду, она тут же испарится».

БАК и страпельки

Сторонники другой теории предполагают, что во время работы БАК могут появиться страпельки — кусочки странной материи, состоящие из странных кварков. Если эти частицы попадут в обычную материю, начнется цепная реакция и вся планета превратится в комок странной материи, непригодной для жизни.

Все осложняется тем, что странная материя еще плохо изучена, и никто из ученых не может сказать, как она себя поведет (отсюда и название).

Однако многолетние эксперименты показали, что за весь период работы БАК в нем не появилось ни одной звезды. Физики из Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке также пытались найти эти детали на другом коллайдере, но поиски, начатые еще в 2000 году, пока не дали результатов.

БАК и магнитные монополи

Магнитные монополи — это гипотетически существующие частицы с одним магнитным зарядом: либо северным, либо южным. Согласно некоторым теориям, если эти элементы действительно существуют, они могут вызвать распад протонов — одной из основных частиц материи — и, как следствие, разрушение материи и мира.

Люди опасаются, что на БАК могут быть созданы магнитные монополи. Но это не так: специалисты ЦЕРНа доказали, что монополи если и существуют, то у них слишком большая масса — даже для БАК. Но даже при весе, подходящем для ускорителя, они появились бы давно: космические лучи, входящие в атмосферу Земли, произвели бы их гораздо раньше.

Футурология Загадочные частицы: что ученые знают о космических лучах

Анатолий Сидорин:

«Мифы о Большом адронном коллайдере возникают из-за гипертрофированного антропоцентризма. Многие считают, что человек — самая мощная сила на планете, и он может уничтожить планету. На самом деле это не так.

Все действующие ускорители производят в тысячи, если не миллионы раз меньше событий, чем космическое излучение, падающее на Землю. Все, что сталкивается, происходит с гораздо большей частотой в течение всего времени существования планеты в атмосфере и на поверхности Земли.

Поэтому все мифы о том, что во время работы коллайдера может произойти что-то, что уничтожит Землю, — это просто переоценка возможностей человечества, таких возможностей у него нет».

Как появился Бозон Хиггса?

Представьте, что происходит столкновение, при котором рождаются только фотоны. Это означает, что мы можем их поймать, и они будут появляться в различных процессах.

Теперь предположим, что бозон Хиггса очень редко образуется в одних и тех же процессах. Он имеет массу, распадается на два фотона, и в этом процессе должен соблюдаться закон сохранения импульса и энергии. Чем эти два фотона будут отличаться от фотонов, возникающих в других процессах? Законы сохранения — Бозон Хиггса имеет определенную массу и скорость. А если вычислить так называемую инвариантную массу, то есть их суммарный импульс и энергию, то можно вычислить и массу бозона.

Но есть огромный фон — миллиард огромных фотонов. Чтобы отличить один фотон от другого, предположим, что все они родились из бозонов Хиггса, получим равномерное распределение и посмотрим на неоднородности. Итак, вы можете видеть, что пар фотонов каким-то образом немного больше, чем других. Это означает, что именно там родилась частица, которая распадается на фотоны с определенными свойствами. Так выглядит открытие бозона Хиггса.

Как захватываются уникальные фотоны

Большие надежды

Третий запуск LHC, названный Run 3, позволит исследовать беспрецедентное количество столкновений, помогая физикам всего мира детально изучить бозон Хиггса и проверить Стандартную модель в двух новых экспериментах, FASER и SND@LHC. К ним относятся столкновения протонов с гелием для измерения производства аналогов протонов из антивещества и столкновения ионов кислорода для изучения физики космических лучей и кварк-глюонной плазмы.

Фото: Денис Балибуз/Reuters

FASER будет использовать детектор, расположенный в 480 метрах от места удара, для улавливания неизвестных экзотических частиц, которые могут пролетать большие расстояния, прежде чем распасться на интересующие ученых частицы — например, потенциально слабо взаимодействующие массивные частицы, которые практически не взаимодействуют с материей и могут быть темной материей.

Физиков волнует и ответ на вопрос: почему все обнаруженные нейтрино были левосторонними, то есть их закрутка была направлена ​​в сторону движения. Теоретически правые нейтрино должны существовать, но пока они не обнаружены.

Персонал Большого адронного коллайдера будет круглосуточно работать над постепенным перезапуском машины и безопасным увеличением мощности до 2024 года, когда произойдет еще одно запланированное отключение.