23 ноября специалистам удалось, наконец, запустить Большой адронный коллайдер, правда, на половину его мощности. А через неделю он заработал в полную силу, пучки протонов из ядер атомов свинца полетели навстречу друг другу. Физики ждали этого момента годы. А с мая 2009-го ждали буквально со дня на день. Итак, свершилось!

Большой адронный коллайдер: Прорыв в неведомое

Журнал: Тайны 20-го века — №3, январь 2010 года
Рубрика: Высокие технологии
Автор: Владимир Туганов

Решение фантастических задач

Большой адронный коллайдер (БАК) создавался под руководством Европейского центра ядерных исследований учёными из многих стран мира, в том числе из России. Учёные и инженеры из Петербурга тоже приняли в этом участие.
Напомним читателям, что строительство коллайдера началось в 2001 году. Для него был использован 27-километровый подземный туннель другого ускорителя — завершившего работу электрон-позитронного коллайдера LEP. Туннель проходит на глубине около ста метров под землёй на границе Швейцарии и Франции.
Коллайдер (от английского слова collide — сталкиваться) предназначен для столкновения пучков протонов общей энергией 14 ТэВ на скорости всего на миллионные доли процента меньшей скорости света, что значительно превосходит мощности уже работающих ускорителей. Диаметр основной трубы, по которой разгоняются протоны, — около метра. А в том месте, где находится зона их столкновений, и стоят сверхпроводящие магниты и датчики, регистрирующие рождение частиц, труба значительно расширяется. Вакуум во всей системе — порядка 10-13 миллиметров ртутного столба. Таков вакуум межзвёздного пространства. Температура — порядка 2-3 градусов Кельвина, то есть ниже, чем в окружающей нас Вселенной. То, что таких параметров в земных условиях удалось достичь и сохранять длительное время в больших объемах пространства, само по себе является научным и технологическим подвигом. Это лишний раз доказывает, что люди в состоянии решать самые фантастические задачи, когда интеллектуальный и инженерный потенциал человечества объединяются.
Охлаждение сверхпроводящих магнитов до температуры, близкой к абсолютному нулю, шло больше года. Эти магнитыслужат для удержания протонных пучков.

Зачем это нужно?

Нередко в СМИ высказываются опасения, что работа коллайдера может привести к возникновению чёрной дыры, которая поглотит всю нашу планету. Однако столкновения частиц, по мощности сравнимых с процессами в БАК, происходят в природе постоянно, а частицы долетающих до нас космических лучей имеют даже большую энергию, и никаких глобальных катастроф не происходит. Если даже чёрные дыры в ВАКе и появятся, время их жизни будет настолько малым, что они не успеют начать поглощать вещество и энергию.
Сейчас в коллайдере наблюдают столкновения ядер свинца при суммарной энергии свыше 1000000 ГэВ. Появляется возможность смоделировать и изучить условия, которые существовали в течение той самой первой микросекунды, которая последовала за Большим взрывом, зачем это нужно?
Дело в том, что физики до сих пор не могут внятно ответить на целый ряд фундаментальных вопросов. Почему элементарные частицы имеют массу? Почему эти массы различны? Может быть, разные силы природы в действительности есть проявление лишь одной универсальной силы? Почему мы не наблюдаем во Вселенной антивещества?
Процессы, моделируемые в коллайдере, возможно, позволят ответить на эти и некоторые другие вопросы.

Дорогое удовольствие

Больше 6 миллиардов евро стоило создание ВАКа. Можем ли мы сказать, что удовлетворение любопытства физиков обходится слишком дорого? Конечно, нет! Великие открытия в физике начала и середины прошлого века позволили уже в наше время создать множество очень нужных и полезных для людей устройств и приборов. Без этих открытий не было бы современных телевизоров, мобильных телефонов, Интернета, а в области медицины — радиоизотопных методов, томографов и многого другого. А вот с 1980-х годов практически не было крупных, фундаментальных открытий, которые бы подготовили новый технологический прорыв уже в 21-м веке. Одна из причин этого — сложность и высокая стоимость новых установок для более глубокого проникновения в мир атома. И возможно, по этой причине нам до сих пор не удаётся осуществить управляемой термоядерной реакции, что могло бы в недалёком будущем решить энергетические проблемы человечества.

Обнаружить и собрать информацию

Но вернёмся к коллайдеру и его регистрирующим устройствам. Детектор ATLAS будет идентифицировать частицы, полученные при столкновениях «лоб в лоб» двух пучков протонов, определять их энергии и направление движения. Только такие соударения будут регистрироваться. Этот детектор уже начал работать.
Другой детектор «CMS» высокоэффективный прибор общего назначения (если можно назвать махину весом 12,5 тысячи тонн прибором). Одна из его задач — обнаружение и сбор информации о так называемой тёмной материи, которая существует, но нами не наблюдается. Мы знаем о ней только по её воздействию на поля тяготения. Возможно, эта материя (вещество) состоит не из обычных, известных нам частиц, а из их суперпартнёров, существование которых ещё надо доказать. Слои детектора CMS устроены в виде цилиндрических «луковиц», охватывающих пространство, где сталкиваются пучки. Этот прибор имеет 15000000 детекторных каналов, которые контролируются мощными компьютерами. Последние синхронизируют их работу и работу ускорителя.

Изначальный суп всего сущего

В систему БАК входит ещё один детектор — ALICE. Его задача — получение кварк-глюонной плазмы. Предполагается, что на самой ранней стадии образования Вселенной материя имела именно такой вид. Возможно, эта плазма сохранилась в центре нейтронных звёзд. Целый ряд экспериментов, проводившихся с 2000 года на других ускорителях, даёт надежду на то, что эту плазму, «изнаначальный суп всего сущего», можно будет получить в лабораторных условиях. Мощности ВАКа для этого должно хватить. Тогда появится возможность изучать свойства этой плазмы, а там, может быть, и использовать её в практических целях.
Впереди большая работа качественно нового уровня. Этим уже заняты сотни и тысячи высококлассных специалистов многих стран. Будем надеяться, что новые открытия учёных в мире элементарных частиц не только обогатят естествознание, но и положительно скажутся на нашей повседневной жизни.