Что такое коллайдер и зачем он. Адронный коллайдер зачем нужен? Для чего нужен большой адронный коллайдер

(БАК) - на днях вернулся к работе. После модернизации ускоритель частиц заработал с удвоенной мощностью. Значит ли это, что все страхи, связанные с его первоначальным запуском, возродились в удвоенном количестве?

Хотя этого события ждали по всему миру, есть два человека, которые хранили молчание: Уолтер Вагнер, офицер ядерной безопасности на пенсии, и испанский журналист Луис Санчо. У них есть своя история, связанная с БАК, и, возможно, именно им мы обязаны за все страшилки, связанные с запуском расщепляющей протоны машины.

Еще за несколько месяцев до того, как коллайдер должны были включить впервые в 2008 году, Вагнер и Санчо подали иск против организаций, стоящих за монструозной машиной: Министерство энергетики США, Национальная ускорительная лаборатория Ферми и Национальный научный фонд.

Будет лишним сказать, что потребовалось много мужества и, возможно, немного безумия, чтобы попытаться засудить любую из этих организаций, на которые работают ярчайшие интеллектуалы человечества, не говоря уж о том, чтобы напасть сразу на всех. Особенно после того, как они закончили строительство 30-летнего проекта стоимостью в 6 миллиардов долларов. В защиту мужчин, Вагнер и Санчо пытались спасти мир от неминуемого, как им казалось, уничтожения.

Среди опасений было и то, что БАК может породить миниатюрную черную дыру, которая буквально поглотит Землю. В своем иске они утверждали:

«В конце концов, вся Земля упадет в растущую микрочерную дыру, которая превратит Землю в черную дыру средних размеров, вокруг которой будут продолжать вращаться луна, спутники, МКС и т. п».

Иск был отклонен, потому что мужчины не смогли доказать наличие «реальной угрозы». Впрочем, на Земле и по сей день остаются люди, которые уверены, что БАК приведет человечество к краху. Хотя Санчо и Вагнер ошиблись - Земля на месте, БАК работает несколько лет подряд - важно понять, почему научная подоплека работы БАК не подразумевает никаких угроз. Понять, почему не принесет такого уж катастрофического вреда.

Рождение черной дыры

До сих пор никто не наблюдал и не производил микроскопических черных дыр - даже БАК. Но прежде чем он был включен в первый раз в 2008 году, Вагнер и Санчо опасались, что разгон субатомных частиц до 99,99% скорости света и последующее их столкновение могут создать настолько плотное месиво частиц, что появится черная дыра.

Физики CERN сообщают, что общая теория относительности Эйнштейна предполагает, что на БАК невозможно произвести такое экзотическое явление. Но что, если Эйнштейн ошибался? Этого опасаются Вагнер и Санчо.

Даже если так, другая теория, разработанная известным астрофизиком Стивеном Хокингом, предсказывает, что даже если микроскопическая черная дыра образуется внутри БАК, она мгновенно распадется, не представляя никакой угрозы для существования Земли.

В 1974 году Хокинг предсказал, что черные дыры не просто пожирают материю, но и выплевывают ее в виде чрезвычайно высокоэнергетического излучения Хокинга. Согласно теории, чем меньше черная дыра, тем больше излучения Хокинга она выдает в космос, постепенно сходя на нет. Таким образом, микроскопическая черная дыра, став наименьшей, исчезнет, прежде чем сможет нанести ущерб и уничтожить нас. Возможно, по этой причине мы и не видели микроскопических черных дыр.

Рождение странной материи

Вагнер и Санчо опасаются, что эта странная материя может сливаться с обычной и «может превратить всю Землю в одну большую страпельку». Конечно, опасения Вагнера и Санчо не строятся на их теориях - эти мысли обсуждались в более серьезных научных кругах.

Тем не менее точное поведение странной материи или даже одной страпельки никто не знает; отчасти поэтому страпельки остаются кандидатами на частицы темной материи, которая .

Для поддержки этой теории физики из Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке пытаются создать страпельку в Релятивистском коллайдере тяжелых ионов с начала этого века. Пока ни одной страпельки не видели. Но шансы, конечно, всегда есть.

Если Брукхейвенской национальной лаборатории повезет в поисках, остаются опасения, что страпельки, контактируя с обычной материей, начинают цепную реакцию, которая превратит вас, нас и все остальное на Земле в комок странной материи. Сможем ли мы пережить такую трансформацию и что изменится - можно только догадываться. Но неизвестность пугает.

Физики CERN, однако, утверждают, что если Брукхейвену удастся создать страпельку, шансы на то, что она будет взаимодействовать с обычной материей, весьма невелики:

«При таких высоких температурах, которые производятся на коллайдерах, слепить странную материю вместе сложнее, чем образовать лед в горячей воде», - говорят они.

Рождение магнитных монополей

Спустя более полувека такая частица под названием магнитный монополь никогда не создавалась в природе и не наблюдалась в природе. То есть она сугубо гипотетическая. Но это не помешало Вагнеру предположить, что мощная машина вроде БАК может создать первый в истории магнитный монополь, который может уничтожить Землю.

«У таких частиц может быть способность катализировать распад протонов и атомов, заставляя их превращаться в другие типы материи», - писали он и Санчо.

Теория того, что монополь может уничтожать протоны - субатомные строительные блоки всей материи во Вселенной - спекулятивная в лучшем случае, объясняют физики CERN. Но допустим, эта теория верна. В таком случае эта частица будет обладать массой, которая слишком велика, чтобы БАК мог создать такую частицу.

В общем, мы в безопасности.

«Факт существования Земли и других небесных тел исключает возможность создания опасных пожирающих протоны магнитных монополей с помощью БАК», - говорит физики CERN.

Следующие несколько месяцев физики проведут наращивая мощность БАК, чтобы она превысила в два раза предельную мощность, с которой БАК работал во время первого запуска. Это не отменяет тот факт, что Земля едва ли будет уничтожена микроскопическими черными дырами, страпельками или магнитными монополями.

Немного фактов о Большом адронном коллайдере, как и для чего он создан, какой с него прок и какие потенциальные опасности для человечества он таит.

1. Строительство БАК’а, или Большого адронного коллайдера, задумали еще в 1984 году, а начали только в 2001. Спустя 5 лет, в 2006 году, благодаря усилиям более чем 10-ти тысяч инженеров и ученых из разных государств, строительство Большого адронного коллайдера было завершено.

2. БАК — это самая большая экспериментальная установка в мире.

3. Так почему же Большой адронный коллайдер?
Большим его назвали благодаря его солидным размерам: длина основного кольца, по которому гоняют частицы, составляет порядка 27 км.
Адронным — так как установка ускоряет адроны (частицы, которые состоят из кварков).
Коллайдером — из-за ускоряющихся в противоположном направлении пучков частиц, которые сталкиваются друг с другом в специальных точках.

4. Для чего нужен Большой адронный коллайдер? БАК представляет из себя суперсовременный исследовательский центр, где ученые проводят опыты с атомами, сталкивая между собой на огромной скорости ионы и протоны. Ученые надеются с помощью исследований приоткрыть завесу над тайнами появления Вселенной.

5. Проект обошелся научному сообществу в астрономическую сумму — 6 млрд. долларов. Кстати, Россия делегировала на БАК 700 специалистов, которые работают и по сей день. Заказы для БАК принесли российским предприятиям порядка 120 млн долларов.

6. Без сомнений, главное открытие, сделанное в БАК — открытие в 2012 г. бозона Хиггса, или как его еще называют «частицы Бога». Бозон Хигса — это последнее звено в Стандартной модели. Еще одно значительное событие в Бак’е — достижение рекордного значения энергии столкновений в 2,36 тераэлектронвольта.

7. Некоторые ученые, в том числе и в России, считают, что благодаря масштабным экспериментам в ЦЕРН’е (Европейской организации по ядерным исследованиям, где, собственно, и расположен коллайдер), ученым удастся построить первую в мире машину времени. Однако большинство ученых не разделяют оптимизма коллег.

8. Главные опасения человечества по поводу самого мощного на планете ускорителя основаны на опасности, которая грозит человечеству, в результате образования микроскопических черных дыр, способных к захвату окружающей материи. Есть еще одна потенциальная и крайне опасная угроза — возникновения страпелек (произв. от Странная капелька), которые, гипотетически, способны при столкновении с ядром какого-либо атома, образовывать все новые страпельки, преобразуя материю всей Вселенной. Однако большинство самых авторитетных ученых заявляют, что такой исход маловероятен. Но теоретически возможен

9. В 2008 году на ЦЕРН подали в суд двое жителей штата Гавайи. Они обвинили ЦЕРН в попытке положить конец человечеству из-за халатности, требуя от ученых гарантий на безопасность.

10. Большой адронный коллайдер расположен в Швейцарии недалеко от Женевы. В ЦЕРНе функционирует музей, где посетителям наглядно объясняют о принципах работы коллайдера и для чего он был построен.

11 . Ну и напоследок немного забавный факт. Судя по запросам в Яндексе, многие люди, которые ищут информацию о Большом адронном коллайдере, не знают как правильно пишется название ускорителя. Например, пишут «аНдронный» (и не только пишут, чего стоят репортажи НТВ с их аНдронным коллайдером), порой пишут «андроидный» (Империя наносит ответный удар). В буржуйском нете тоже не отстают и вместо «hadron» вбивают в поисковик «hardon» (на православном английском hard-on — стояк). Интересен вариант написания на белорусском — «Вялікі гадронны паскаральнік», что переводится как «Большой гадронный ускоритель».

Адронный коллайдер. Фото

Принцип работы Большого адронного коллайдера

Ускоритель БАК будет работать на основе эффекта сверхпроводимости, т.е. способности определенных материалов проводить электричество без сопротивления или потери энергии, обычно при очень низких температурах. Чтобы удержать пучок частиц на его кольцевом треке, необходимы более сильные магнитные поля, чем те, которые использовались ранее в других ускорителях ЦЕРН.

Большой адронный коллайдер - ускоритель протонов, построенный на территории Швейцарии и Франции, не имеет аналогов в мире. Эта кольцевая конструкция протяженностью 27 км сооружена на 100-метровой глубине.

В ней с помощью 120 мощных электромагнитов при температуре, близкой к абсолютному нулю - минус 271,3 градуса по Цельсию, предполагается разогнать до близкой к световой скорости (99,9 процентов) встречные пучки протонов. Однако в ряде мест их маршруты пересекутся, что позволит протонам сталкиваться. Направлять частицы будут несколько тысяч сверхпроводящих магнитов. Когда энергии будет достаточно, частицы столкнутся, тем самым учёные создадут модель Большого взрыва. Тысячи датчиков будут фиксировать моменты столкновения. Последствия столкновения протонов и станет главным предметом изучения мира. [ http://dipland.ru /Кибернетика/Большой_андронный_коллайдер_92988]

Технические характеристики

В ускорителе предполагается сталкивать протоны с суммарной энергией 14 ТэВ (то есть 14 тера электронвольт или 14·1012 электронвольт) в системе центра масс налетающих частиц, а также ядра свинца с энергией 5 ГэВ (5·109электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов . На начало 2010 года БАК уже несколько превзошел по энергии протонов предыдущего рекордсмена - протон-антипротонный коллайдер Тэватрон , который до конца 2011 года работал в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (США ). Несмотря на то, что наладка оборудования растягивается на годы и ещё не завершена, БАК уже стал самым высокоэнергичным ускорителем элементарных частиц в мире, на порядок превосходя по энергии остальные коллайдеры, в том числе и релятивистский коллайдер тяжёлых ионов RHIC , работающий в Брукхейвенской лаборатории (США).

Детекторы

На БАК работают 4 основных и 3 вспомогательных детектора:

· ALICE (A Large Ion Collider Experiment)

ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)

CMS (Compact Muon Solenoid)

LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment)

TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement)

LHCf (The Large Hadron Collider forward)

MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC).

ATLAS, CMS, ALICE, LHCb - большие детекторы, расположенные вокруг точек столкновения пучков. Детекторы TOTEM и LHCf - вспомогательные, находятся на удалении в несколько десятков метров от точек пересечения пучков, занимаемых детекторами CMS и ATLAS соответственно, и будут использоваться попутно с основными.

Детектор CMS

Детекторы ATLAS и CMS - детекторы общего назначения, предназначены для поиска бозона Хиггса и «нестандартной физики», в частности тёмной материи , ALICE - для изучения кварк-глюонной плазмы в столкновениях тяжёлых ионов свинца, LHCb - для исследования физики b -кварков , что позволит лучше понять различия между материей и антиматерией , TOTEM - предназначен для изучения рассеяния частиц на малые углы, таких что происходит при близких пролётах без столкновений (так называемые несталкивающиеся частицы, forward particles), что позволяет точнее измерить размер протонов, а также контролировать светимость коллайдера, и, наконец, LHCf - для исследования космических лучей , моделируемых с помощью тех же несталкивающихся частиц .

С работой БАК связан также седьмой, совсем незначительный в плане бюджета и сложности, детектор (эксперимент) MoEDAL , предназначенный для поиска медленно движущихся тяжёлых частиц.

Во время работы коллайдера столкновения проводятся одновременно во всех четырёх точках пересечения пучков, независимо от типа ускоряемых частиц (протоны или ядра). При этом все детекторы одновременно набирают статистику.

Потребление энергии

Во время работы коллайдера расчётное потребление энергии составит 180 М Вт . Предположительные энергозатраты всего ЦЕРН на 2009 год с учётом работающего коллайдера - 1000 ГВт·ч, из которых 700 ГВт·ч придётся на долю ускорителя. Эти энергозатраты - около 10 % от суммарного годового энергопотребления кантона Женева . Сам ЦЕРН не производит энергию, имея лишь резервные дизельные генераторы .[ http://ru.wikipedia.org/wiki/ ]

Возможно, через какие-то несколько лет интернет уступит место новой, более глубокой интеграции удаленных компьютеров, позволяющей не только удаленно передавать информацию, локализованную в разных концах света, но и автоматически использовать удаленные вычислительные ресурсы. В связи с запуском Большого адронного коллайдера CERN уже несколько лет работает над созданием такой сети.

То, что интернет (или то, что обозначается термином web) был изобретен в Европейской организации ядерных исследований (CERN), давно уже стало хрестоматийным фактом. Вокруг таблички «В этих коридорах была создана всемирная сеть» в одном из обычных коридоров обычного здания CERN во время дня открытых дверей всегда толпятся зеваки. Сейчас интернет используют для своих практических нужд люди по всему миру, а изначально он был создан для того, чтобы ученые, работающие на одном проекте, но находящиеся в разных концах планеты, могли общаться между собой, делиться данными, публиковать информацию, к которой можно было бы получить доступ удаленно.

Разрабатываемая в CERN система GRID (по-английски grid - решётка, сеть ) - это еще один шаг вперед, новая ступень интеграции пользователей компьютеров.

Он дает не только возможность публиковать данные, которые находятся где-то в другой точке планеты, но и использовать удаленные машинные ресурсы, не сходя со своего места.

Конечно, обычные компьютеры не играют особой роли в обеспечении вычислительных мощностей, поэтому первый этап интеграции - это соединение мировых суперкомпьютерных центров.

Создание этой системы спровоцировал Большой адронный коллайдер. Хотя уже сейчас GRID используется для массы других задач, без коллайдера его бы не было, и наоборот, без GRID обработка результатов коллайдера невозможна.

Люди, которые работают в коллаборациях БАК, находятся в разных концах планеты. Известно, что над этим прибором работают не только европейцы, а и все 20 стран - официальных участниц CERN, всего же порядка 35 стран. Теоретически для обеспечения работы БАК существовала альтернатива GRID - расширение собственных вычислительных ресурсов компьютерного центра CERN. Но тех ресурсов, что были на момент постановки задачи, было совершенно недостаточно для моделирования работы ускорителя, хранения информации его экспериментов и ее научной обработки. Поэтому компьютерный центр нужно было бы очень значительно перестраивать и модернизировать, закупать больше компьютеров и средств для хранения данных. Но это бы означало, что все финансирование будет сосредоточено в CERN. Это было не очень приемлемо для стран, находящихся далеко от CERN. Конечно, они не были заинтересованы в спонсировании ресурсов, которыми очень сложно будет воспользоваться и скорее склонны были наращивать свой вычислительный, машинный потенциал. Поэтому родилась идея использовать ресурсы там, где они находятся.

Не пытаться все сосредоточить в одном месте, а объединить то, что уже есть в разных уголках планеты.

В этом вопросе (и ему подобных) любопытно появление слов «на самом деле» – как будто есть некая скрытая от непосвящённых суть, охраняемая «жрецами науки» от обывателей, тайна, которую нужно раскрыть. Однако при взгляде изнутри науки тайна исчезает и места этим словам нет – вопрос «зачем нужен адронный коллайдер» ничем принципиально не отличается от вопроса «зачем нужна линейка (или весы, или часы и т.д.)». То, что коллайдер – штука большая, дорогая и по любым меркам сложная – дела не меняет.

Наиболее близкой аналогией, позволяющей понять, «зачем это нужно», является, на мой взгляд, линза. Человечество знакомо со свойствами линз с незапамятных времён, однако только в середине прошлого тысячелетия было понято, что определённые комбинации линз могут быть использованы как приборы, позволяющие рассматривать очень маленькие либо очень далёкие объекты – речь идёт, конечно, о микроскопе и телескопе. Нет никаких сомнений, что вопрос, зачем всё это нужно, неоднократно задавался при появлении этих новых для современников конструкций. Однако он снялся с повестки дня сам собой, по мере того, как ширились области научного и прикладного применения и того, и другого устройства. Заметим, что, вообще говоря, это разные приборы – рассматривать звёзды в перевёрнутый микроскоп не получится. Большой адронный коллайдер же, парадоксальным образом, объединяет их в себе, и может с полным основанием рассматриваться как высшая достигнутая человечеством точка эволюции как микроскопов, так и телескопов за прошедшие века. Это утверждение может показаться странным, и, разумеется, его не следует понимать буквально – в ускорителе нет линз (по крайней мере, оптических). Но по сути дела это именно так. В своей «микроскопной» ипостаси коллайдер позволяет изучать структуру и свойства объектов на уровне 10-19 метров (напомню, что размер атома водорода – примерно 10-10 метра). Ещё интереснее обстоит дело в «телескопной» части. Каждый телескоп – самая настоящая машина времени, так как наблюдаемая в нём картина соответствует тому, каким был объект наблюдения в прошлом, а именно то время назад, которое необходимо электромагнитному излучению, чтобы дойти от этого объекта до наблюдателя. Это время может составлять восемь с небольшим минут в случае наблюдения Солнца с Земли и до миллиардов лет при наблюдении далёких квазаров. Внутри Большого адронного коллайдера создаются условия, которые существовали во Вселенной через ничтожную долю секунды после Большого взрыва. Таким образом, мы получаем возможность заглянуть в прошлое почти на 14 миллиардов лет, к самому началу нашего мира. Обычные земные и орбитальные телескопы (по крайней мере, те, которые регистрируют электромагнитное излучение), обретают «зрение» лишь после эры рекомбинации, когда Вселенная стала оптически прозрачной – это произошло по современным представлениям через 380 тысяч лет после Большого взрыва.

Дальше нам предстоит решать – что делать с этим знанием: как об устройстве материи на малых масштабах, так и об её свойствах при рождении Вселенной, и именно это в конечном итоге вернёт тайну, о которой шла речь в начале, и определит, зачем же коллайдер был нужен «на самом деле». Но это решение человека, коллайдер же, с помощью которого было получено это знание, останется всего лишь прибором – возможно, самой изощрённой системой «линз», которую когда-либо видел мир.

Ею является поиск путей объединения двух фундаментальных теорий – ОТО (о гравитационном ) и СМ (стандартной модели, объединяющей три фундаментальных физических взаимодействия – электромагнитного, сильного и слабого). Нахождению решения до создания БАКа препятствовали трудности при создании теории квантовой гравитации.

Построение этой гипотезы включает в себя соединение двух физических теорий – квантовой механики и общей теории относительности.

Для этого были использованы сразу несколько популярных и нужных в современной подходов – струнная теория, теория бран, теория супергравитации, а также теория квантовой гравитации. До построения колайдера главной проблемой проведения необходимых экспериментов являлось отсутствие энергии, которую нельзя достичь на других современных ускорителях заряженных частиц.

Женевский БАК дал ученым возможность проведения ранее неосуществимых экспериментов. Считается, что уже в скором будущем при помощи аппарата будут подтверждены или опровергнуты многие физические теории. Одной из самых проблемных является суперсимметрия или теория струн, которая долгое время разделяла физическое на два лагеря – «струнщиков» и их соперников.

Другие фундаментальные эксперименты, проводимые в рамках работы БАК

Интересны и изыскания ученых в области изучения топ- , являющихся самыми кварками и наиболее тяжелыми (173,1 ± 1,3 ГэВ/c²) из всех известных в настоящее время элементарных частиц.

Из-за этого свойства и до создания БАКа, ученые могли наблюдать кварки только на ускорителе «Тэватрон», так как прочие устройства просто не обладали достаточной мощностью и энергией. В свою очередь, теория кварков представляет собой важный элемент нашумевшей гипотезы о бозоне Хиггса.

Все научные изыскания по созданию и изучению свойств кварков ученые производят в топ-кварк-антикварковой паровой в БАКе.

Важной целью женевского проекта также является процесс изучения механизма электрослабой симметрии, которая также связана с экспериментальным доказательством существования бозона Хиггса. Если обозначить проблематику еще точнее, то предметом изучения является не столько сам бозон, сколько предсказанный Питером Хиггсом механизм нарушения симметрии электрослабого взаимодействия.

В рамках БАКа также проводятся эксперименты по поиску суперсимметрии – причем желаемым результатом станет и доказательство теории о том, что любая элементарная частица всегда сопровождается более тяжелым партнером, и ее опровержение.