Спасибо, что вы с нами!

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)

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

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

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

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

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

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