Текст уведомления здесь

Ловись, частица новая

Чем занимается Большой адронный коллайдер после открытия бозона Хиггса

Большой адронный коллайдер, он же БАК, он же LHC — пожалуй, один из самых известных научных мегапроектов наших дней. Прошло уже чуть больше пяти лет с того момента, как с его помощью было подтверждено существование бозона Хиггса — частицы, которая завершила Стандартную модель. Но после этого физики не разъехались по домам и работа БАК не закончилась. Прямо сейчас коллайдер готовят к новым столкновениям — в 2018 году заканчивается второй «забег» ускорителя, в 21-м стартует третий. А что, собственно, теперь ищут физики при помощи БАК и что они намерены делать в будущем?
Добавить в закладки
Комментарии

Б — значит большой

Давайте вспомним, что такое коллайдер. Это устройство, которое сначала разгоняет до околосветовой скорости какие-либо частицы (протоны, например), а потом сталкивает их друг с другом «в лоб». По английски to collide и есть «сталкиваться», так что в русском языке БАК мог бы быть БАСом, большим адронным столкновителем.

При столкновении частиц физики наблюдают те процессы, которые в обычных условиях зафиксировать невозможно. Это позволяет разобраться, как устроена наша материя: какие бывают частицы, как они взаимодействуют между собой и каковы их параметры. Бозон Хиггса, например, является не просто каким-то редким объектом, а частицей, ответственной за появление у всех прочих меры инертности, массы; он играет ключевую роль в Стандартной модели, самой полной на сегодня картине устройства мира.

Электронвольт — единица измерения энергии частиц. 1 эВ приобретает электрон под действием электрического поля с разностью потенциалов 1 вольт. Частицы с энергией в 2−3 эВ каждый видит прямо сейчас (2 эВ имеет квант оранжевого света, 3 эВ — фиолетового); в ядерной физике используют МэВ (миллион), ГэВ (миллиард) и даже ТэВ (триллион эВ)
Электронвольт — единица измерения энергии частиц. 1 эВ приобретает электрон под действием электрического поля с разностью потенциалов 1 вольт. Частицы с энергией в 2−3 эВ каждый видит прямо сейчас (2 эВ имеет квант оранжевого света, 3 эВ — фиолетового); в ядерной физике используют МэВ (миллион), ГэВ (миллиард) и даже ТэВ (триллион эВ)

Коллайдеры появились в арсенале ученых еще в 1960-е годы: так, в 1962 году итальянские физики из Национального института ядерной физики построили ADA, Anello Di Accumulazione, «накопительное кольцо». Энергия частиц составляла всего 0,25 ГэВ против 13 000 ГэВ у БАК, а электронов в пучках насчитывалось около десяти миллионов против БАКовских 2808 сгустков по сто миллиардов протонов.

По мере создания новых ускорителей энергия частиц росла и вместе с ней росла такая важнейшая характеристика коллайдера, как светимость. Эта величина не имеет ничего общего с обычным светом и выражается в обратных секундах, умноженных на обратные сантиметры в квадрате.

Последнее сложно звучит, но имеет очень простой смысл: чем больше частиц летит по трубе коллайдера (штук в секунду, отсюда деление на секунду) и чем плотнее они расположены (аналогично, штук на см2), тем больше вероятность увидеть что-то интересное и маловероятное. Для лобового столкновения двух протонов, как правило, нужно, чтобы встречная частица попала в площадку размером в несколько десятков миллибарн (1 мбарн = 10−27 см2), поэтому даже такое «простое» событие можно увидеть лишь при очень плотном сжатии пучка частиц вкупе с большой частотой следования пучков друг за другом. А если событие менее тривиально, то оно, как говорят физики, имеет малое сечение — частицам нужно очень точно попасть друг в друга.

Число интересующих событий в секунду = светимость x сечение процесса

Светимость вкупе с энергией были теми преградами, которые не позволяли ученым увидеть бозон Хиггса раньше. Процесс, в котором рождается эта частица, происходит при попадании в площадку площадью 2·10−35 см2 при энергии протонов в тысячи гигаэлектронвольт — достичь этого смогли только в нулевые годы.

Так что теперь?

Если кратко, то теперь физики очень хотят найти что-то не предсказанное Стандартной моделью. Стандартная модель (обозначим ее, пожалуй, СМ для краткости) сама по себе очень хороша, но она не в состоянии описать множество интересных вещей, от темной материи до гравитации; более того, она формально допускает и некоторую свободу в отношении своего содержания.

Как несложно догадаться, для выхода за пределы СМ нужно найти что-то ранее неизвестное. А для этого, в свою очередь, нужна бóльшая светимость и бóльшая энергия частиц, чтобы обеспечить заметное число столкновений частиц с достаточной энергией. В ЦЕРН (Европейский центр ядерных исследований, где расположен БАК) уже приняли принципиальное решение провести на коллайдере еще одну серию экспериментов в 2021—2023 годах (так называемый Run 3), а потом провести капитальную модернизацию ускорителя. Светимость коллайдера после этого может вырасти в десять раз, но и уже к началу Run 3 ее рассчитывают поднять вдвое, достигнув того предела, на который указывают отвечающие за сверхпроводящие магниты инженеры.

Снимок скопления галактик Abell 1689 выглядит так, будто его сделали через лупу — нечто очень тяжелое отклонило лучи света в сторону. Мы видим этот эффект, но пока понятия не имеем, чем является эта масса. Фото: NASA, ESA
Снимок скопления галактик Abell 1689 выглядит так, будто его сделали через лупу — нечто очень тяжелое отклонило лучи света в сторону. Мы видим этот эффект, но пока понятия не имеем, чем является эта масса. Фото: NASA, ESA

Большая светимость позволит проверить, например, ряд гипотез о темной материи. Этой загадочной субстанции во Вселенной намного больше обычного вещества, но мы пока знаем о ней исключительно по косвенным признакам. Просто галактики ведут себя так, будто в них есть еще много чего-то тяжелого, но никто не знает, о чем же, собственно, идет речь. Это должны быть какие-то частицы, которые взаимодействуют с уже известными очень редко: в переводе на физический язык у темной материи малое сечение взаимодействия. Изучая редкие высокоэнергетические процессы, ученые могут напасть на следы этих загадочных частиц. И это — одна из фундаментальных задач БАК на ближайшие годы.

Желтое — кварки. Зеленое — переносчики взаимодействий. Красное — лептоны (легкие частицы, всем известный электрон и еще кое-что). Синий — бозон Хиггса; слева стандартные, а справа — гипотетические суперпартнеры. Иллюстрация: DESY
Желтое — кварки. Зеленое — переносчики взаимодействий. Красное — лептоны (легкие частицы, всем известный электрон и еще кое-что). Синий — бозон Хиггса; слева стандартные, а справа — гипотетические суперпартнеры. Иллюстрация: DESY

Другая большая теория, которая может быть проверена при помощи новых данных, — суперсимметрия. Ее суть заключается в том, что бозоны (ответственные за взаимодействие) и фермионы (кварки, лептоны и нейтрино) на самом деле могут иметь «двойников», причем двойниками известных бозонов будут неизвестные фермионы, а у открытых фермионов найдут бозонную пару. Теория суперсимметрии довольно детально проработана математически, но не подтверждена и не опровергнута на практике.

В этой статье мы говорим о протонах, однако ускоритель может сталкивать и целые ядра атомов. Это позволяет получать микроскопические сгустки вещества, в котором кварки и склеивающие их вместе глюоны формируют единое целое, кварк-глюонную плазму. Изучение ее свойств проливает свет на эволюцию ранней Вселенной. Изображение: Mc Cauley, Thomas / CERN
В этой статье мы говорим о протонах, однако ускоритель может сталкивать и целые ядра атомов. Это позволяет получать микроскопические сгустки вещества, в котором кварки и склеивающие их вместе глюоны формируют единое целое, кварк-глюонную плазму. Изучение ее свойств проливает свет на эволюцию ранней Вселенной. Изображение: Mc Cauley, Thomas / CERN

Кроме того, ряд теорий предсказывает новые долгоживущие частицы. Правда, слово «долгоживущие» следует понимать с поправкой на реалии физики частиц высоких энергий: то, что успеет на околосветовой скорости пролететь несколько метров, уже признается «долгожителем». Практического смысла во всех этих теориях пока немного, однако когда-то и расщеплением атома занимались исключительно в рамках фундаментальной науки.

Инженерный шедевр

Обеспечить сочетание «много частиц — высокие энергии» крайне сложно и перед инженерами ЦЕРН стоит целый ряд задач. Поместить в коллайдер возможно большое число сгустков протонов, направить частицы с большой энергией в нужное место, собрать и обработать всю информацию о столкновениях, найти безопасный способ быстро избавиться при необходимости от пучка с энергией летящего самолета — все это требует времени и сил. А ведь БАК уже, без преувеличения, настоящий шедевр инженерного искусства, одна из сложнейших технических систем в истории человечества.

Достичь заявленного роста параметров можно, лишь усовершенствовав целый комплекс устройств, и в первую очередь речь идет об отклоняющих частицы магнитах.

Некоторые узлы для модернизации коллайдера уже отрабатываются — например, в январе этого года ЦЕРН опубликовал фото новых сверхпроводящих магнитов. Снимок: Maximilien Brice / CERN

Некоторые узлы для модернизации коллайдера уже отрабатываются — например, в январе этого года ЦЕРН опубликовал фото новых сверхпроводящих магнитов. Снимок: Maximilien Brice / CERN

Кроме того, существующее оборудование потихоньку изнашивается из-за облучения отклонившимися от основного пучка частицами. Магниты, управляющие движением протонов, к концу Run 3 получат дозу в 30 миллионов грей (смертельная для человека — несколько грей). Даже для металла это не очень хорошо, поэтому после 2023 года коллайдер в любом случае надо будет ремонтировать.

Изготовление сверхпроводящего кабеля. Сверхпроводящий материал при охлаждении утрачивает электрическое сопротивление и позволяет пропускать большой ток. Чем больше ток, тем сильнее будет магнитное поле и тем больше может быть энергия отклоняемых частиц. Показанный на фото станок из цехов ЦЕРН — единственный в Европе из пригодных для подобной задачи. Снимок: Maximilien Brice / CERN

Изготовление сверхпроводящего кабеля. Сверхпроводящий материал при охлаждении утрачивает электрическое сопротивление и позволяет пропускать большой ток. Чем больше ток, тем сильнее будет магнитное поле и тем больше может быть энергия отклоняемых частиц. Показанный на фото станок из цехов ЦЕРН — единственный в Европе из пригодных для подобной задачи. Снимок: Maximilien Brice / CERN

Модернизация коллайдера затрагивает и детекторы, то есть установки, внутри которых происходят столкновения частиц (таких точек в БАК всего несколько, и только там траектории пучков пересекаются). Каждый детектор устроен по принципу слоеного пирога или рулета: в центре проходит вакуумная труба с летящими частицами, далее вокруг места пересечения пучков частиц выстраивается несколько слоев разных сенсоров. Такая схема позволяет поймать большую часть вылетевших при столкновении протонов, измерить их энергии, определить направление движения и таким образом добыть информацию о том процессе, который и породил эти частицы.

Всего в БАК семь детекторов, из которых три специализированных и четыре больших, предназначенных для решения сразу нескольких задач. Большие — это ALICE, ATLAS, CMS и LHCb, они позволяют получать основные научные данные. Чтобы приспособить ATLAS и CMS к работе с большой светимостью, инженеры запланировали прокладку двух новых тоннелей длиной по 300 метров, сооружение десяти дополнительных зданий на поверхности и двух шахт, связывающих подземные залы коллайдера с поверхностью.

Решение всех этих задач может помочь не только физикам. Работа над сложнейшими системами сбора и анализа данных, создание сверхмощных магнитов, разработка датчиков для обнаружения частиц — все это приводит к появлению новых технологий. Достаточно сказать, что сами ускорители, бывшие когда-то сугубо научными инструментами, сегодня применяются по большей части в прикладных целях. Ими выжигают раковые опухоли, их используют для синтеза радионуклидов (опять-таки лучевая терапия и диагностика), с их помощью изготавливают микросхемы и проводят химические анализы. Модифицированные детекторы для элементарных частиц стали основой противопожарной сигнализации, ну, а компьютерная сеть ЦЕРН подарила миру технологию World Wide Web — интернет в привычном нам виде. То ли еще будет.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы

Обмазывая стены

Неандертальцев назвали первыми художниками Земли

Антропологам пришлось вновь пересмотреть свои взгляды на возможности Homo neanderthalensis. Ранее считалось, что искусство было недоступно неандертальцам в силу недостаточной развитости мозга.
Добавить в закладки
Комментарии

Группа европейских археологов провела уран-ториевый анализ изображений из ряда пещер каменного века и пришла к выводу, что они оставлены неандертальцами. Это радикально меняет представления об этих родственниках людей, некогда скрещивавшихся с современными европейцами и азиатами.

До сих пор считалось, что они были неспособны создавать произведения изобразительного искусства. Ученые предполагали, что для этого необходимо пространственное мышление, плохо развитое у Homo neanderthalensis, но хорошо — у Homo sapiens. Оно требуется не только в рисовании, но и на войне и охоте. Поэтому его отсутствие считалось одной из ключевых причин вытеснения неандертальцев людьми современного типа. Новые данные полностью опровергают эту точку зрения и заставляют вновь поднять вопрос о том, как наш вид взял верх над коренным населением Евразии. Соответствующие статьи опубликованы в Science и Science Advances.

Ла-Пасьега, секция C. Рисунки, сделанные неандертальцами. Фото: P. Saura
Ла-Пасьега, секция C. Рисунки, сделанные неандертальцами. Фото: P. Saura

Уран-ториевой датировке подвергся материал из 53 изображений в пещерах Ла-Пасьега, Мальтравьесо и Ардалес (Иберийский полуостров). С помощью этого метода сравнивается количество урана-234 и получающегося при его распаде тория-230 в карбонатных породах. По тому, сколько урана превратилось в торий, вычисляется время, на протяжении которого образец был изолирован от поступления урана-234 из окружающей среды. Благодаря тому, что торий-230 нерастворим в воде и не может быть случайно вынесен ею из образца породы, этот метод датировки считается весьма точным. [ ... ]

Читать полностью

Клеточные трагедии

Часть VII: цена бессмертия

Внутренняя жизнь клетки насыщена событиями не меньше, чем человеческая. Она полна страстей, опасностей и тоже заканчивается неизбежной смертью. Полина Лосева разбирается в том, какие сюжеты встречаются в судьбах клеток и как их развитие сказывается на нас с вами. Наконец, мы подошли к последней, самой драматичной истории — о клетках, которые решают бросить вызов своей судьбе и движутся к бессмертию, сметая все на своем пути. Пришло время поговорить про рак.
Добавить в закладки
Комментарии
Изображение: Ольга Степанюк

Изображение: Ольга Степанюк

«Клеточные трагедии» — это большой цикл статей о клетках, который продолжает пополняться. Почитайте и другие тексты о нелегкой жизни клеток: в них рассказывается о самоубийствах, стрессе, шоке, самоопределении, старости и — новой молодости.

Самый страшный враг для любого сообщества — внутренний. Тот, от которого невозможно отгородиться стеной. Тот, который практически неотличим от добропорядочных граждан. Тот, кто разрушает государство постепенно, не ведя открытой войны. Такими скрытыми вредителями являются для организма раковые клетки. Мы не будем здесь рассказывать о том, как с ними бороться. Нас больше интересует, откуда берутся эти «общественно опасные элементы», что ими движет и как они действуют. Бороться с врагом можно, только зная его в лицо.

В течение семи статей этой серии мы говорили о разных эпизодах из жизни клеток в организме. Какими бы разными они ни были, все они живут по строгому алгоритму, своеобразному колесу клеточного бытия. Выйти из него можно только двумя способами: трудиться на пользу общества (дифференцироваться) или погибнуть (апоптоз). Большинство клеток организма делятся только на ранних стадиях своего развития, а потом «взрослеют» и начинают работать на благо себе и окружающим. Раковые же клетки — это те, кто взрослеть передумал и решил навеки остаться молодым. [ ... ]

Читать полностью

Человек в одиночестве и вокруг него

Почему одиночество — общественно значимая проблема и как ее решать

В январе 2018 года министр спорта и гражданского общества Великобритании Трейси Крауч обзавелась новой обязанностью, став «министром по вопросам одиночества», чтобы решать проблему, выросшую до масштабов страны. Впрочем, проблему ли? Экономисты, социологи, психологи, биологи — все видят в одиночестве что-то свое. Корреспондент «Чердака» разобралась, нормально ли страдать от одиночества человеку, обществу и всему виду Homo sapiens.
Добавить в закладки
Комментарии

Мы говорим: «Мне одиноко», говоря о своем переживании. Мы говорим: «Он одинок» — о том, кто живет или любит быть один, но не подразумеваем автоматически, что этому «одинокому» одиноко. Иногда на одиночество жалуются те, кто, казалось бы, не обделен социальными связями. И наоборот, отшельник, живущий в глухой тайге, может быть доволен жизнью и не страдать от отсутствия контактов с себе подобными.

Чтобы не запутаться во всех этих нюансах, в социальных науках выделяют несколько разновидностей одиночества. Если человек не контактирует или мало контактирует с другими, говорят о социальной изоляции. Если человек контактирует с окружающими достаточно, но все равно ощущает себя всеми покинутым, это отчуждение. А если он просто живет один или чувствует себя превосходно независимо от количества контактов — это уединенность.

Британских политиков тревожат первые две разновидности одиночества. «Правда в том, что это не единичная проблема: она касается всех возрастных групп, людей с инвалидностью и без нее, молодых мам, беженцев, людей с близкими семейными связями и без них. Тут нет единственного или простого решения…» — написала Крауч в своем фейсбуке после того, как стало известно о ее новом статусе. По данным британского Красного Креста, в Великобритании от одиночества страдает девять миллионов, или каждый седьмой житель страны. Общественность США беспокоит изоляция и сопутствующее этому снижение качества жизни пожилых людей: треть из них сообщают о своем одиночестве. Проблема актуальна и в скандинавских странах. Можно было бы подумать, что в деле замешан свойственный западной культуре индивидуализм. Но нет, о тяготах одиночества сообщают молодые люди и в азиатских странах, таких как Индонезия, Непал или Мальдивы.

В России централизованных исследований социальной изоляции и одиночества пока не проводилось. Можно лишь косвенно судить о количестве людей, которые могли бы чувствовать себя одиноко. Согласно данным переписи 2010 года, всего частных домохозяйств, состоящих из одного человека, в стране было 14 018 754 (что составляет около 26% от числа частных домохозяйств вообще). О душевном состоянии этих людей и числе их социальных контактов статистика умалчивает. Так что пока тема российского одиночества представлена в основном в публицистике — например, в контексте обсуждения пресловутой «женской доли» в рунете. Давайте посмотрим, что говорят об этом феномене научные исследования и заодно разберемся, почему британцы решили всерьез заняться своим одиночеством. [ ... ]

Читать полностью