Что такое коллайдер?

Текст: Александр Иванчик

Вот-вот в Европе запустят Большой адронный коллайдер, который, еще не начав работать, уже успел наделать много шума. Сложно представить, что же произойдет, когда ученые приступят к обработке первых результатов работы агрегата, — предполагается, что за ними откроются новые горизонты в познании всего нашего Мира. Если, правда, весь мир не пропадет с нажатием кнопки «пуск»

Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider) — это грандиозное сооружение, созданное для исследования элементарных частиц.

Коллайдер представляет собой тоннель в виде кольца, аналогичный городскому метро, напичканный уникальной аппаратурой. Кольцо его (около 27 км в длину и 8,5 км в диаметре) находится на границе Франции и Швейцарии.

На ускорителе работают около 5000 человек персонала и десятки исследовательских институтов, которые входят в коллаборацию с ЦЕРНом (Европейским центром ядерных исследований). Это крупнейший международный проект, ключевые участники которого — страны Евросоюза, а наблюдатели — США, Канада, Россия, Япония и Китай.

Структура коллайдера

Как он работает

В тоннеле коллайдера расположена труба с очень чистым вакуумом (добиться его — уже непростая задача). По всей длине коллайдера расставлены сверхпроводящие магниты: магнитное поле должно будет «заворачивать» ускоряемые протоны по кругу. Их в трубе огромное количество — приблизительно три тысячи сгустков, каждый из которых представляет собой «иголку» из трех миллиардов протонов толщиной в долю микрона и длиной в долю миллиметра. Все это будет гоняться по трубе со скоростью, равной 99,999999% скорости света.

В четырех точках тоннеля (там, где установлены детекторы) встречные пучки протонов будут выводить «лоб в лоб». Сгусток энергии, который при этом возникнет, возмущает физический вакуум, в результате чего возникают и разлетаются взрывным образом во все стороны тысячи частиц. Каждый детектор будет настроен на свой диапазон, свои энергии, свои частицы, которые в нем и будут регистрироваться.

Информация будет обрабатываться тысячами компьютеров и записываться для ЦЕРНа и еще 12 международных центров (среди них, правда, нет ни одного российского). Записываться при этом будет только то, что представляет интерес, а если бы регистрировалось все, то информация заняла бы миллиарды гигабайт, а СD потребовалось бы столько, что можно было бы их потом выложить штабелем и достать до Луны.

Зачем нужен коллайдер

Основная задача — обнаружение бозона Хиггса. Также при столкновении протонов с энергиями, достижимыми на этом коллайдере, ученые надеются восстановить физические условия, которые существовали в первые секунды рождения нашей Вселенной после Большого Взрыва. Главные открытия планируется сделать в течение первых пяти лет работы.

Что может произойти при столкновении двух протонов

Во-первых, существует вероятность образования так называемых первичных, или микроскопических, черных дыр.

Если столкнуть два протона, то они сожмутся до гигантских плотностей, при этом теоретически возможно возникновение черной дыры, которая начнет сперва потихоньку, а потом все быстрей и быстрей засасывать в себя материю. Чем больше она поглощает, тем больше ей хочется. Поглощение будет происходить взрывообразным образом, только вовнутрь: то есть мы взорвемся внутрь черной дыры. Однако для образования черной дыры необходимо, чтобы энергия при столкновении не разлетелась, а, напротив, сфокусировалась, а вероятность такой фокусировки для образования черной дыры — это ноль, запятая и сотни нулей.

Во-вторых, может образоваться кварк-глюонная плазма. Протон состоит из кварков, которые удерживаются глюонами (частички, аналогичные квантам света, только в сильных взаимодействиях, так называемый ядерный свет). Когда протоны столкнутся при больших энергиях, из всего этого образуется каша, которая на физическом языке называется кварк-глюонной плазмой.

До сих пор получить кварк-глюонную плазму в экспериментальных установках не удавалось, поэтому физики-теоретики не знают, как она себя поведет. Одна из теорий катастроф на этом коллайдере как раз и заключается в том, что при столкновении протонов обязательно на очень-очень маленький момент кварк-глюонная плазма возникнет. И если станет устойчивой, то точно так же, как черная дыра, может перевести всю окружающую материю в свою собственную форму.

Столкновение двух протонов

Почему ничего не взорвется

Существует поток частиц, которые постоянно облучают нашу Землю, — так называемое космическое излучение, или космические лучи. В них присутствуют частицы с энергиями гораздо большими (в миллионы раз), чем те, что будут достигнуты в этом коллайдере. Они сталкиваются с Землей, сталкиваются с атмосферой, пронизывают нас, и при этом их энергии намного-намного больше. За 4,6 миллиарда лет существования Земли такого события не произошло ни разу. То есть вероятность такого события чрезвычайно мала.

Опасность механического разрушения трубы

При механическом разрушении трубы, при расфокусировке пучка частицы будут представлять довольно серьезную радиационную опасность. Но пострадать могут только рабочие-инженеры, которые в тот момент будет находиться в тоннеле. Остальные вне опасности, так как коллайдер находится довольно глубоко под землей. И потом, вероятность такого развития событий также очень мала.

Коллайдер повторит то, что происходит на Земле уже 4,6 миллиарда лет

Только более подробно и детально. Частицы здесь будут сталкиваться в заданное время, в заданной точке пространства, и это пространство будет окружено детекторами. Столкновение космического излучения с Землей происходит где-то в верхних слоях атмосферы и с очень маленькой интенсивностью. То есть мы не можем этого сейчас зафиксировать, чтобы устранить это недоразумение, и потому построен коллайдер.

А если бозон не найдут?

Есть небольшая вероятность, что бозон Хиггса не откроют. Это будет означать, что современная теория неверна. Для физиков это стало бы более серьезной катастрофой, чем возникновение черной дыры. Но скорее всего, бозон все-таки найдется.

Что, кроме подтверждения теории, дадут открытия коллайдера

Одно из ключевых открытий XX века в том, что наша Вселенная на 70% состоит из вещества, которое до сих пор нам неизвестно. Поэтому при помощи коллайдера надеются открыть еще так называемые суперсимметричные частицы, именно они являются наиболее вероятными кандидатами на темную материю Вселенной.

О прикладном значении ускорителей

Коллайдеры — слишком дорогие установки, чтобы использовать их в прикладных целях, и они используются только для экспериментов. Но другие ускорители частиц имеют и прикладное значение. Задействованы они в различных научно-прикладных областях, в частности в дефектоскопии, структурном анализе твердого тела и др. Любопытные эксперименты проводятся в медицине. Ускорители могут уничтожать раковые клетки, локально облучая человека потоками частиц. Также с помощью ускорителей создают радиоактивные метки: радиактивный йод и цезий, которые при введении человеку красят больные ткани, что позволяет проводить абсолютно безболезненную, очень точную диагностику, а уровень радиации при таком методе — ничтожен.

Почему о коллайдере так много говорят

Физики-то о нем говорят давно, а вот журналисты заговорили сейчас, видимо, по воле умных пиарщиков из ЦЕРНа, запустивших несколько шикарных уток про черные дыры, которые могут пожрать Францию и Швейцарию. Коллайдер скоро заработает, и ему нужна реклама, а ученым нужны деньги на новые исследования. Уже есть проект строительства линейного коллайдера длиной в 31 км.

Записал Никита Вознесенский

Определения

Адрон. Класс частиц, которые участвуют в сильных (ядерных) взаимодействиях. Протон — это адрон

Черная дыра. Любое тело, обладающее массой, искривляет пространство. Чем больше массы будет сосредоточено в фиксированном объеме, тем сильнее будет искривление. Черная дыра — это гипотетический объект, в котором пространство искривлено настолько, что попасть туда можно, а выйти уже никак. Пропадет любая информация, любые частицы, любой свет. Поэтому этот объект все поглощает и ничего не излучает, и его называют черной дырой

Искривление пространства. Если человек идет и вдруг видит, что мир вокруг него поворачивается, это значит, что он пьян и не может идти прямо. А если он трезв и идет прямо, значит, он движется по кривому пространству. Еще в двадцатых годах прошлого столетия доказали, что вокруг Солнца - массивного гравитационного тела — пространство искривлено. Эксперимент провели так: один и тот же участок неба сфотографировали сначала ночью, а потом днем, во время солнечного затмения. Фотографии наложили друг на друга и увидели, что те звезды, которые были близки к Солнцу, стали от него чуть дальше, это произошло из-за того, что вблизи поверхности Солнца свет распространялся по кривому пространству

Бозон Хиггса. На сегодняшний день существует теория — и она проверена огромным количеством опытов — теория строения вещества, кварк-лептонная структура материи. Теория всем хороша, в ней все уже почти проверено, кроме одного фундаментального кирпичика, который называется бозон Хиггса. Эта частица ответственна за обретение массы таких элементарных частиц, как кварки и электроны. Бозон Хиггса и должен будет зарегистрировать коллайдер

Кварк-глюонная плазма. В школе проходят, что вещество имеет три состояния (умные люди иногда называют четыре): твердая фаза, жидкая, газообразная и — плазма. Пятое состояние вещества мы получим, если возьмем всю нашу материю и сожмем ее: если сжать газ, то он превратится в воду, если воду — она превратится в твердое вещество, если сожмем и твердое тело тоже, оно в конце концов превратится в кварк-глюонную плазму)

Дата публикации:
Категория: Общество
Теги: Высокие технологииНаукаСтепной волк 2009Ученые