Большой адронный коллайдер: исследования

Большой адронный коллайдер Интересное

Накануне выходных стало известно об очередной попытке запуска Большого адронного коллайдера. О значимости этой установки, а заодно и об основах физики элементарных частиц рассказал физик-теоретик Виктор Хеннер.

Побеседовав с ним, мы не сомневаемся, что запуск БАК никак не скажется на выходе газеты. Появление чёрной дыры в нём невозможно.

Виктор Хеннер, профессор теоретической физики ПГНИУ и Луисвлиллского университета (США)

Виктор Карлович, что сегодня происходит в физике мельчайших частиц?

— Учёные открывают всё больше новых частиц, и в то же время пытаются понять, почему и зачем их так много. Можно ли найти основные, по-настоящему элементарные частицы, из которых устроен весь мир. Ведь всё, что мы видим, к чему прикасаемся, состоит из атомов, а там всего лишь ядра и электроны. Зачем что-то ещё, где и как это искать? Эти поиски продолжают сюжет, связанный с открытием протонов и электронов в начале прошлого века. Тогда думали, что больше ничего нет.

В ядрах атомов протоны, вокруг них вращаются электроны. Но довольно быстро выяснилось, что в большинстве ядер, кроме протонов, должны быть нейтральные частицы — нейтроны. Они были недоступны для лабораторных изучений. Они были только внутри ядер, чтобы их получить на «свободе», ядро нужно «разбомбить» — так появились ускорители, сталкивающие частицы.

После этого простая схема из трёх необходимых для «обычной» материи частиц резко усложнилась. Выяснилось, что нейтроны вне ядер самопроизвольно распадаются. В среднем всего за 10 минут, и исчезают, превращаясь в протон и электрон. А внутри ядер с ними этого не происходит — одна и та же частица на свободе и в ядре ведёт себя совершенно одинаково, это надо было понять. Как и то, почему протоны, которые практически такие же, как нейтроны, не распадаются.

Возникла ещё одна проблема — при измерении скорости улетающих нейтронов выяснилось, что она меньше, чем должна быть по закону сохранения энергии. Ферми предположил, что есть ещё какая-то частица, которую приборы не видят. Её назвали нейтрино, она совершенно другая, чем её «прародитель» нейтрон и партнёры по распаду. После рождения она движется со скоростью света и практически не взаимодействует с обычной материей. Например, может пройти через всю Землю насквозь.

В 1932 году случайно в космических лучах, не в лаборатории, нашли позитроны — они идентичны электронам, но имеют противоположный заряд. Это была первая античастица — соприкасаясь с электроном они исчезают, превращаясь в свет, несущий энергию 2 мс (квадрат). Все эти частицы, кроме позитрона, или являются кирпичиками обычной материи, или ответственны за её распад, как нейтрино.

Затем в открытии частиц была некоторая пауза, но с середины XX века стали обнаруживать всё новые и новые частицы, сейчас их известно порядка 400. Все они живут страшно недолго, и те, распад которых идёт по законам, схожим с распадом нейтрона, могут пролететь за время своей жизни путь в несколько сантиметров, а те, распад которых происходит под действием сильных взаимодействий, не успевают даже вылететь из ядра.

Очевидно, для поиска новых частиц, требуется разрушительное воздействие на атомное ядро, насколько это простая задача?

— Есть всего четыре вида физических взаимодействий: электромагнитное, гравитационное, сильное и слабое. Сильное — удерживает ядро от распада. Оно настолько мощное, что не даёт протонам в ядре разлететься из-за электрического отталкивания. Поэтому для развала ядра его надо бомбардировать другими частицами. При развале тяжёлых ядер нейтронами происходят «обычные» ядерные реакции. Но что будет, если пустить в протон очень быструю частицу, например электрон? Оказывается, что это приводит к рождению новых частиц, но это не просто разные осколки, а частицы с вполне определёнными свойствами.

Для этого и создаются разного рода ускорители частиц (коллайдеры)?

— Да, коллайдеры предназначены для изучения короткоживущих частиц, которые в течение своей жизни никогда не покидают ядра и выбить их из него можно лишь экспериментально. Иными словами, в природе их не увидеть, а только в специальных приборах. И за это время в рамках эксперимента требуется проследить расстояние, которое преодолевает такая частица, оно также является ничтожно малым. Возникает вопрос, как мы можем о них знать, если они не покидают ядра? Всё дело в том, что эти частицы распадаются на те, которые живут подольше и, двигаясь с околосветовой скоростью, за счёт замедления времени на их «внутренних часах» могут долететь до детекторов в конце туннеля. А уж по их скоростям можно реконструировать, кто были его «папа» и «мама».

В чём специфика Большого андронного коллайдера (БАК)?

— БАК является самой большой машиной в мире, которая представляет собой окружность длиной в 27 км. Вообще создание такого рода установок — это грандиозная инженерная задача. Их разработчик самостоятельно, уже на этапе проектирования делает сложные расчёты того, какая мощность будет необходима для проведения тех или иных экспериментов. Приходится решать и другие организационные задачи. Достаточно вспомнить строительство первого в мире ядерного реактора в Чикаго в 1942 году Энрико Ферми. Тогда ему приходилось работать ещё и в режиме полной секретности. Для того чтобы её обеспечить, он решил создать реактор на университетском стадионе, привлекая для работ самих студентов-спортсменов, которые даже не понимали, чем занимаются. Они, как и все, думали, что проводятся некие работы по обустройству стадиона. Но сам же Ферми помимо этого провёл все необходимые расчёты для запуска реактора и его последующей работы. В итоге, когда реактор построили, то просто включили рубильник и всё заработало. Заодно для его расчётов был создан первый современный компьютер.

По сути, Нобелевская премия, которая была дана за открытие бозона Хиггса, и является данью уважения разработчикам БАК за их беспрецедентные инженерные решения и огромную организаторскую работу. Думаю, ни на что подобное в мире больше не выделят финансирование, и подобная установка была последней. Хотя в США планировалось строительство аналогичной установки за 7–8 млрд долларов. Но во времена Д. Буша-младшего проект был закрыт, хотя вся подготовительная работа была уже проделана. В физике нет других направлений для изучения, где потребовались бы такие гигантские установки, как БАК.

Вообще первые коллайдеры появились в конце 50-х годов. Сейчас большие машины есть в ЦЕРНе (Европейская организация по ядерным исследованиям), в США, в Китае. Ускоритель в Новосибирском институте ядерной физики продолжает выдавать первостатейные результаты (кстати, там собираются большинство сверхпроводящих магнитов для БАК), есть машины в Серпухове и Дубне.

Что происходит в БАК во время исследований?

— В коллайдере разгоняются навстречу друг другу протоны и антипротоны до скорости, близкой к световой, а потом в определённых точках кольца пучки сводят. Происходит аннигиляция, что-то вроде взрыва с выделением громадной энергии, которая в свою очередь рождает новые частицы. Чем выше скорость сталкивающихся частиц, тем более тяжёлые новые частицы могут возникнуть. Эта энергия громадна в расчёте на одну частицу, но столкновение многих миллионов таких сверхэнергичных частиц не приводит даже к ущербу для приборов.

То, что происходит в коллайдере можно сравнить со столкновением двух автомобилей. Если они движутся медленно, а бамперы очень хорошие, то они отскочат в противоположных направлениях. Затем вы устраиваете столкновение с большей энергией и получаете просто металлолом. В коллайдере сталкиваются лёгкие элементарные частицы, и при таких столкновениях получаются не обломки частиц, а другие частицы.

Это, как если бы при столкновении двух быстро несущихся «жигулёнков» вдруг возникло заранее предсказанное число новеньких «Камазов», BMW, в придачу с ещё десятком велосипедов. Чем выше скорость сталкивающихся частиц, тем более массивные новые частицы, которые предсказывает теория, могут родиться, поэтому и важна мощность коллайдера.

Физика очень усложнилась за последние годы. Для открытия первых поколений элементарных частиц достаточно было одного фотоснимка их инверсионных следов, которые они оставляют после себя, как самолёты.

С новыми частицами так не получится, после столкновений одновременно происходят миллиарды событий, которые невозможно отследить по отдельности, поэтому в течение полугода-года накапливается статистика столкновений.

Затем все эти громадные массивы данных обрабатываются и только после этого публикуются результаты. Исследовательская группа, проводящая эксперимент, работает не более пяти-шести лет. Также рекомендуем читать новости IT, блокчейна и дец. технологий.

Как удаётся получать такие большие деньги на коллайдеры?

— Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН) — это общемировой проект, страны вносят, что могут. Мне легче судить по Америке. В сенате, мягко говоря, люди совсем не учёные, больше анти-интеллектуалов, с ними надо работать.

Властям, прессе можно рассказывать красивые истории, что коллайдеры могут пояснить, как возникла Вселенная, что было в самом начале её формирования, в малую долю первой микросекунды её появления, пока частицы, которые мы открываем в ускорителях, ещё не успели рекомбинировать в обычные протоны и нейтроны — это правда, но всё же для этого ускорители строить не надо. Хорошей приманкой оказался бозон Хиггса, его назвали «частицей Бога». Это был хороший пиар, но в том же ЦЕРНе с гораздо меньшим шумом открыли знаменитые W и Z бозоны, подтвердив совершенно потрясающие теории единых электро-слабых взаимодействий.

Когда стали возрастать мощности коллайдеров, то стали обнаруживать и новые частицы?

— Да. Это случилось до Хиггсов. Когда мощность коллайдеров была повышена до определённого предела, то оказалось, что есть частицы, которые ведут себя совершенно иначе, чем формируемые на основе первых трёх кварков. Комбинируя кварки и антикварки в теории удаётся получить все остальные сильновзаимодействующие частицы (протоны и нейтроны).

Но вскоре появление некоторых частиц невозможно было объяснить комбинацией трёх кварков и антикварков. Поэтому их число расширилось до шести. Кроме того, каждый кварк находится в трёх возможных световых состояниях, т.е. всего их 18. Если удастся найти другие кварки, то это войдёт в противоречие со «стандартной моделью» элементарных частиц. Случится это или нет — неясно.

Почему кварки не включены в периодическую систему Менделеева?

— Потому что получить их в свободном состоянии, вне частиц, которые они образуют, невозможно. Находись они в природе сами по себе, их давно бы обнаружили. Были предположения, что кварки со времён образования Земли ушли глубоко в её недра. Бурились специальные скважины с целью обнаружения их в образцах — ничего не нашли, сейчас ясно, что свободных кварков нет.

Почему кварки так важны?

— Теория кварков хорошо объясняет природу мельчайших частиц, но с учётом того что их не удавалось обнаружить, многие думали, что кварки — это чистая теория и математическая игра, а в реальности их не существует.

Кстати, кварки обладают абсолютно невероятным свойством. Когда кварки расположены близко друг к другу, то их взаимодействие достаточно слабое. Как только расстояние между ними увеличивается, то в отличии от ожидаемого ослабевания связи кварки, наоборот, начинают взаимодействовать всё сильнее. Представьте, что я тяну вас сильно за руку и вдруг эту связь кто-то разрубает. Кварки держит некая «струна», и силы натяжения в ней «поляризуют» вакуум и делают это с такой мощностью, что из «ничего» выбиваются дополнительные кварки.

Результаты, полученные на коллайдере, не вступают в противоречие с существующими представлениями о физике элементарных частиц?

— По всей видимости, необходимого объёма противоречий для отказа от стандартной модели с шестью кварками нет. Стандартная модель учитывает всё, кроме гравитации. Но никто не думает, что есть практическая возможность проверить влияние гравитации на элементарные частицы. Однако теории «больших объединений», конечно, есть, они пытаются описать то, что относится к самым первым мгновениям «Большого взрыва». Когда вся Вселенная имела размеры меньше ядра. Энергия сгустка Вселенной была такая высокая, что кварки не могли объединиться. Но сразу с момента взрыва Вселенная производила электромагнитное излучение, которое сохранилось и сейчас. Оно было зафиксировано первыми радиотелескопами, как некий постоянный фоновый шум. Сначала думали, что это шум от самого оборудования, но оказалось, что он идёт из космоса со всех направлений одинаково.

Получается, что космос шумит?

— Да, это так, и источником шума является не какой-то конкретный объект, а Вселенная в целом. По свойствам этого шума можно судить, что было на самых ранних этапах формирования Вселенной.

Какое прикладное следствие могут иметь эксперименты на БАК?

— Это фундаментальная наука, прямых прикладных следствий здесь быть не может. Что касается теоретического значения… Интересно ведь, как устроен мир. Теперь вместо огня, воды, воздуха и земли, как у древних греков, в качестве базовых элементов мироздания мы рассматриваем мельчайшие частицы. Ясно, что это ещё не конец.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Оцените статью
Пермский Комсомолец
Добавить комментарий

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: