Почему коллайдер, который начали строить в ссср в восьмидесятых годах, так и не закончили?

Введение в строение микромира

Итак, начнем с небольшого экскурса в микромир. Благодаря квантовой физике человечеству известно, что пространство вовсе не пустое, как было принято думать. На самом же деле оно содержит бесчисленное множество мельчайших частиц вроде молекул и атомов. Мир вокруг нас состоит из вещества, образованного молекулами и атомами; атомы же состоят из нуклонов и электронов … и все? Постойте, это далеко не конец! Если углубиться еще дальше, а именно в строение составляющих атом протонов, нейтронов и электронов, то можно понять, что атом далеко не мельчайшая частица материи.

Стандартная модель физики элементарных частиц. Источник изображения

Фермионы (кварки и лептоны) дают начало веществу во Вселенной. Кварки являются некими строительными элементами – кирпичиками, складывающимися в целый дом. Бозоны же, в свою очередь, определяют, как материя взаимодействует между собой. К примеру, глюон, относящийся к бозонам, отвечает за сильные взаимодействия между кварками, словно бетон, который скрепляет все кирпичи вместе. Фотон – безмассовая частица света, ответственная за электромагнитные взаимодействия, а W- и Z-бозоны – за ядерные распады.

На рисунке представлены протон и нейтрон. Глюоны – маленькие частички-пружинки, соединяющие кварки нижние (d) и верхние (u). Нейтрон состоит из 2 нижних, 1 верхнего кварков и 3 глюонов, а протон – из 2 верхних, 1 нижнего кварков и 3 глюонов. (рис. 2)

Все частицы образовались в результате Большого Взрыва, произошедшего примерно \(13.8\) млрд лет назад. Спустя \(10^{-36}\) секунд после момента Большого Взрыва все пространство заполнилось некой “кашей”, собранной из кварков и глюонов, – кварк-глюонной плазмой. После этого этапа температура Вселенной упала до значений, при которых стал возможен следующий этап – фазовый переход – бариогенезис. В этот миг заполняющие пространство кварки и глюоны объединились в так называемые барионы – уже всем известные протоны и нейтроны.

Пока материя собиралась из элементарных частиц, параллельно образовывалась антиматерия. Соединяясь, материя и антиматерия взаимоуничтожились, превращаясь в электромагнитное излучение. Все атомы и молекулы, из которых состоит материя, существуют с самого зарождения Вселенной. Они не только застали древнюю Вселенную, но и наблюдали ее расширение и развитие.

Долгие годы исследований вывели человечество на правильный путь понимания того, как сконструирована вся материя во Вселенной. Однако исследования материи продолжаются, подкидывая все новые частички пазла в уже, казалось бы, собранную картину мира.

Детекторы

Вдоль окружности коллайдера расположены 6 секций, в которых производится сбор данных и проводятся эксперименты. Из них 4 детектора основные и 2 меньшего размера.

Самым крупным является ATLAS. Его размеры – 46 х 25 х 25 м. Трекер обнаруживает и анализирует импульс частиц, проходящих через ATLAS. Его окружает калориметр, измеряющий энергию частиц, поглощая их. Ученые могут наблюдать траекторию их движения и экстраполировать информацию о них.

Детектор ATLAS также имеет мюонный спектрометр. Мюоны – это отрицательно заряженные частицы в 200 раз тяжелее электронов. Они единственные способны проходить через калориметр без остановки. Спектрометр измеряет импульс каждого мюона датчиками заряженных частиц. Эти сенсоры могут обнаруживать флуктуации в магнитном поле ATLAS.

Компактный мюонный соленоид (CMS) является детектором общего назначения, который обнаруживает и измеряет субчастицы, высвобождаемые во время столкновений. Прибор находится внутри гигантского соленоидного магнита, который может создать магнитное поле, почти в 100 тысяч раз превышающее магнитное поле Земли.

Детектор ALICE разработан для изучения столкновений ионов железа. Таким образом исследователи надеются воссоздать условия, подобные тем, которые произошли сразу после Большого взрыва. Они ожидают увидеть, как ионы превращаются в смесь кварков и глюонов. Основным компонентом ALICE является камера TPC, служащая для изучения и воссоздания траектории частиц.

LHC служит для поиска доказательств существования антивещества. Он делает это путем поиска частицы, называемой прелестным кварком. Ряд субдетекторов, окружающих точку столкновения, имеет 20 метров в длину. Они могут улавливать очень неустойчивые и быстро распадающиеся частицы прелестных кварков.

Эксперимент ТОТЕМ проводится на участке с одним из малых детекторов. Он измеряет размер протонов и яркость LHC, указывающей на точность создания столкновений.

Эксперимент LHC имитирует космические лучи в контролируемой среде. Его целью является помощь в разработке широкомасштабных исследований реальных космических лучей.

На каждом участке детектирования работает команда исследователей, насчитывающая от нескольких десятков до более тысячи ученых.

История строительства

Файл:Inside the CERN LHC tunnel.jpg

27-километровый подземный туннель, предназначенный для размещения ускорителя LHC

Идея проекта Большого адронного коллайдера родилась в 1984 году и была официально одобрена десятью годами позже. Его строительство началось в 2001 году, после окончания работы предыдущего ускорителя — Большого электрон-позитронного коллайдера.

В ускорителе предполагается сталкивать протоны с суммарной энергией 14 ТэВ (то есть 14 тераэлектронвольт или 14·1012 электронвольт) в системе центра масс налетающих частиц, а также ядра свинца с энергией 5,5 ГэВ (5,5·109 электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов. Таким образом, БАК будет самым высокоэнергичным ускорителем элементарных частиц в мире, на порядок превосходя по энергии своих ближайших конкурентов — протон-антипротонный коллайдер Тэватрон, который в настоящее время работает в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (США), и релятивистский коллайдер тяжёлых ионов RHIC, работающий в Брукхейвенской лаборатории (США).

Ускоритель расположен в том же туннеле, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер. Туннель с длиной окружности 26,7 км проложен на глубине около ста метров под землёй на территории Франции и Швейцарии. Для удержания и коррекции протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км. Последний из них был установлен в туннеле 27 ноября 2006 года. Магниты будут работать при температуре 1,9 K (−271 °C). Строительство специальной криогенной линии для охлаждения магнитов закончено 19 ноября 2006 года.

2008 год

11 августа успешно завершена первая часть предварительных испытаний. Во время испытаний пучок заряженных частиц прошёл чуть более трёх километров по одному из колец БАК. Таким образом, учёным удалось проверить работу синхронизации предварительного ускорителя, так называемого протонного суперсинхротрона (SPS), и системы правой доставки луча. Эта система передаёт в основное кольцо разогнанные пучки таким образом, что они начинают двигаться по кольцу по часовой стрелке. В результате испытаний удалось оптимизировать работу системы.

24 августа прошёл второй этап испытаний. Была протестирована инжекция протонов в ускорительное кольцо БАК в направлении против часовой стрелки.

10 сентября был произведён официальный запуск коллайдера. В 12:24:30 по московскому времени (по официальной информации, в 12:28 по московскому времени) запущенный пучок протонов успешно прошёл весь периметр коллайдера по часовой стрелке. В 17:02 по московскому времени запущенный против часовой стрелки пучок протонов также успешно прошёл весь периметр коллайдера.

12 сентября, примерно в 00:30 по московскому времени, команде БАК удалось запустить и непрерывно удерживать циркулирующий пучок в течение 10 минут. Чуть позже пучок был запущен вновь и циркулировал уже непрерывно, прерываясь лишь в случае необходимости. На этом задача по установлению циркулирующего пучка завершилась, и физики приступили к подробным тестам магнитной системы.

19 сентября, в 14:05 по московскому времени, в ходе тестов магнитной системы сектора 3-4 (34) произошёл инцидент, в результате которого БАК вышел из строя. Согласно данным предварительного расследования, подтверждённым и детализированным позднее, один из электрических контактов между сверхпроводящими магнитами расплавился под действием возникшей из-за увеличения силы тока электрической дуги, которая пробила изоляцию гелиевой системы охлаждения (криогенной системы), что привело к выбросу около 6 тонн жидкого гелия в туннель и, как следствие, резкому росту температуры. Для восстановления криогенной системы потребуется вернуть этот участок ускорителя к комнатной температуре, а после ремонта — охладить его снова до рабочей температуры.

23 сентября официальный представитель ЦЕРНа сообщил, что БАК возобновит работу не раньше весны 2009 года. Торжественная церемония его официального открытия, тем не менее, состоится 21 октября, как и планировалось.

16 октября ЦЕРН распространил пресс-релиз, в котором описываются промежуточные результаты расследования инцидента, произошедшего 19 сентября. Подробная техническая информация представлена в четырёхстраничном отчёте.

На следующем этапе испытаний будут производиться одновременные запуски пучков навстречу друг другу, чтобы наблюдать, что происходит при их «лобовых» столкновениях. Затем частицы будут сталкиваться на более высоких энергиях. Выход на энергию 14 ТэВ протон-протонного столкновения намечен на начало 2009 года.

Для чего нужен Адронный коллайдер?

В попытке понять нашу Вселенную, ее функционирование и фактическую структуру, ученые предложили теорию, называемую стандартной моделью. В ней предпринята попытка определить и объяснить фундаментальные частицы, которые делают мир таким, каким он есть. Модель объединяет элементы теории относительности Эйнштейна с квантовой теорией. В ней также учтены 3 из 4 основных сил Вселенной: сильные и слабые ядерные взаимодействия и электромагнетизм. Теория не касается 4-й фундаментальной силы – силы тяжести.

Стандартная модель дала несколько предсказаний о Вселенной, которые согласуются с различными экспериментами. Но есть и другие ее аспекты, которые требовали подтверждения. Один из них – теоретическая частица, называемая бозоном Хиггса.

Его открытие дает ответ на вопросы о массе. Почему материя ею обладает? Ученые идентифицировали частицы, у которых нет массы, например, нейтрино. Почему у одних она есть, а у других – нет? Физики предложили много объяснений.

Самое простое из них – механизм Хиггса. Эта теория гласит, что существует частица и соответствующая ей сила, которая объясняет наличие массы. Ранее она никогда не наблюдалась, поэтому события, создаваемые LHC, должны были либо доказать существование бозона Хиггса, либо дать новую информацию.

Еще один вопрос, которым задаются ученые, связан с зарождением Вселенной. Тогда материя и энергия были одним целым. После их разделения частицы вещества и антиматерии уничтожили друг друга. Если бы количество их было равным, то ничего бы не осталось.

Но, к счастью для нас, во Вселенной материи было больше. Ученые надеются наблюдать антивещество во время работы LHC. Это могло бы помочь понять причину разницы в количестве материи и антиматерии, когда началась Вселенная.

Не бозоном единым

Поиск бозона Хиггса – не самоцель гигантского проекта. Для ученых также важен поиск новых видов частиц, позволяющих судить о едином взаимодействии природы на ранней стадии существования Вселенной. Сейчас ученые различают четыре фундаментальных взаимодействия природы: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Теория предполагает, что на начальной стадии Вселенной, возможно, существовало единое взаимодействие. Если новые частицы будут открыты, то подтвердится эта версия.

Физиков также волнует вопрос о загадочном происхождении массы частиц. Почему частицы вообще имеют массу? И почему они имеют такие массы, а не другие? Попутно здесь всегда имеется в виду формула Е=mc². В любом материальном объекте есть энергия. Вопрос в том, как ее высвободить. Как создать такие технологии, которые позволили бы высвобождать ее из вещества с максимальным коэффициентом полезного действия? На сегодня это основной вопрос энергетики.

Иными словами, проект Большого адронного коллайдера поможет ученым найти ответы на фундаментальные вопросы и расширить знания о микромире и, таким образом, – о происхождении и развитии Вселенной.

Технические характеристики

Файл:CERN Atlas Caverne.jpg

Подземный зал, в котором смонтирован детектор ATLAS (октябрь 2004 года)

Файл:CERN-20060225-13.jpg

Детектор ATLAS в процессе сборки (февраль 2006 года)

Светимость БАК во время первого пробега составит всего 1029 частиц/см²·с. Это весьма скромная величина. Однако, после запуска БАК для экспериментальных исследований, светимость будет постепенно повышаться от начальной 5·1032 до номинальной 1,7·1034 частиц/см²·с, что по порядку величины соответствует светимостям современных B-фабрик BaBar (SLAC, США) и Belle (KEK, Япония). Выход на номинальную светимость планируется в 2010 году.

На БАК будут работать шесть детекторов: 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) и LHCf (The Large Hadron Collider forward). Детекторы ATLAS и CMS 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 — для изучения несталкивающихся частиц (forward particles), что позволит точнее измерить размер протонов, а также контролировать светимость коллайдера, и, наконец, LHCf — для исследования космических лучей, моделируемых с помощью тех же несталкивающихся частиц.

Россия принимает активное участие как в строительстве БАК, так и в создании всех детекторов, которые должны работать на коллайдере.

Процесс ускорения частиц в коллайдере

Скорость частиц в БАК на встречных пучках близка к скорости света в вакууме. Разгон частиц до таких больших скоростей достигается в несколько этапов. На первом этапе низкоэнергетичные линейные ускорители Linac 2 и Linac 3 производят инжекцию протонов и ионов свинца для дальнейшего ускорения. Затем частицы попадают в PS-бустер и далее в сам PS (протонный синхротрон), приобретая энергию в 28 ГэВ. После этого ускорение частиц продолжается в SPS (протонный суперсинхротрон), где энергия частиц достигает 450 ГэВ. Затем пучок направляют в главное 26,7-километровое кольцо и в точках столкновения детекторы фиксируют происходящие события.

Потребление энергии

Во время работы коллайдера расчётное потребление энергии составит 180 МВт. Предположительные энергозатраты всего CERNа 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 CERN не производит энергию, имея лишь резервные дизельные генераторы.

Практическая польза Большого адронного коллайдера и фундаментальной науки

Прежде всего, следует отметить, что фундаментальные исследования привносят вклад в фундаментальную науку. Применением же этих знаний занимается прикладная наука. Сегмент общества, не осведомленный в пользе фундаментальной науки зачастую не воспринимает открытие бозона Хиггса или создание кварк-глюонной плазмы, как нечто значимое. Связь подобных исследований с жизнью рядового человека – неочевидно. Рассмотрим краткий пример с атомной энергетикой:

В 1896-м году французский физик Антуан Анри Беккерель открыл явление радиоактивности. Долгое время считалось, что к ее промышленному использованию человечество перейдет нескоро. Всего за пять лет до запуска первого в истории ядерного реактора великий физик Эрнест Резерфорд, собственно открывший атомное ядро в 1911-м году, говорил, что атомная энергия никогда не найдет своего применения. Переосмыслить свое отношение к энергии, заключенной в ядре атома, специалистам удалось в 1939 году, когда немецкие ученые Лиза Мейтнер и Отто Ган обнаружили, что ядра урана при облучении их нейтронами делятся на две части с выделением огромного количества энергии — ядерной энергии.

И лишь после этого последнего звенья ряда фундаментальных исследований в игру вступила прикладная наука, которая на основе этих открытий изобрела устройство для получения ядерной энергии – атомный реактор. Масштаб открытия можно оценить, ознакомившись с долей выработки электроэнергии атомными реакторами. Так в Украине, например, на АЭС выпадает 56% выработки электроэнергии, а во Франции и вовсе – 76%.

Все новые технологии основываются на тех или иных фундаментальных знаниях. Приведем еще пару кратких примеров:

• В 1895-м году Вильгельм Конрад Рентген заметил, что под действием рентгеновского излучения фотопластинка затемняется. Сегодня рентгенография – одно из наиболее применяемых исследований в медицине, позволяющая изучить состояние внутренних органов и обнаружить инфекции и опухали.
• В 1915-м году Альберт Эйнштейн предложил свою Общую теорию относительности. Сегодня эта теория учитывается при работе GPS спутников, которые определяют местоположение объекта с точностью до пары метров. GPS применяется в сотовой связи, картографии, мониторинге транспорта, но в первую очередь – в навигации. Погрешность спутника, не учитывающего ОТО, с момента запуска росла бы на 10 километров в день! И если пешеход может воспользоваться разумом и бумажной картой, то пилоты авиалайнера попадут в затруднительную ситуацию, так как ориентироваться по облакам – невозможно.

Схема работы спутника с учетом ОТО

Если сегодня практическое применение открытиям, произошедшим на LHC еще не найдено – это не значит, что ученые «возятся на коллайдере зря». Как известно, человек разумный всегда намеревается получить максимум практического применения из имеющихся знаний, а потому знания о природе, накопленные в процессе исследования на БАК, определенно найдут свое применение, рано или поздно. Как уже было продемонстрировано выше – связь фундаментальных открытий и использующих их технологий иногда может быть совсем не очевидна.

Напоследок, отметим так называемые косвенные открытия, которые не ставятся как изначальные цели исследования. Они встречаются довольно часто, так как для совершения фундаментального открытия, обычно, требуется внедрение и использование новых технологий. Так развитие оптики получило толчок от фундаментальных исследований космоса, строящихся на наблюдениях астрономов через телескоп. В случае с ЦЕРН – так возникла повсеместно применяемая технология – Интернет, проект, предложенный Тимом Бернерсом-Ли в 1989-м году для облегчения поиска данных организации ЦЕРН.

Опасность адронного коллайдера

В целом людям свойственно боятся вещей, которые они не понимают. Именно это иллюстрирует отношение к адроному коллайдеру и различные опасения, с ним связанные. Самые радикальные из них, высказывались, что в случае возможного взрыва адронного коллайдера может погибнуть, не много, не мало, а все человечество вместе с планетой Землей, которую поглотит образовавшаяся после взрыва черная дыра. Разумеется, первые же опыты показали, что подобные опасения не более чем детская страшилка.

А вот некоторые серьезные опасения относительно работы коллайдера были высказаны недавно умершим английским ученым Стивеном Хокингом. Причем опасения Хокинга связаны не столько с самим коллайдером, сколько с полученным с его помощью бозоном Хиггса. По мнению ученого этот бозон является крайне не стабильным материалом и в результате определенного стечения обстоятельств может привести к распаду вакуума и полному исчезновению таких понятий как пространство и время. Но не все так страшно, так согласно Хокингу, для того, чтобы произошло нечто подобное необходим коллайдер величиной с целую планету.

Необычные теории

Если теоретические частицы, антиматерия и темная энергия, не являются достаточно экзотичными, некоторые ученые считают, что LHC может предоставить доказательства существования других измерений. Принято считать, что мир является четырехмерным (трехмерное пространство и время). Но физики предполагают, что могут существовать и другие измерения, которые люди не могут воспринимать. Например, одна версия теории струн требует наличия не менее 11 измерений.

Адепты этой теории надеются, что LHC предоставит доказательства предлагаемой ими модели Вселенной. По их мнению, фундаментальными строительными кирпичиками являются не частицы, а струны. Они могут быть открытыми или закрытыми, и вибрировать подобно гитарным. Различие в колебаниях делает струны разными. Одни проявляют себя в виде электронов, а другие реализуются как нейтрино.

Результаты работы большого адронного коллайдера.

Зачем нужен коллайдер? Ну уж точно не для того, чтобы уничтожить Землю. Казалось бы, какой смысл сталкивать частицы? Дело в том, что вопросов без ответов в современной физике очень много, и изучение мира с помощью разогнанных частиц может в буквальном смысле открыть новый пласт реальности, понять устройство мира, а может быть даже ответить на главный вопрос «смысла жизни, Вселенной и вообще».

Какие открытия уже совершили на БАК? Самое знаменитое – это открытие бозона Хиггса (ему мы посвятим отдельную статью). Помимо того были открыты 5 новых частиц, получены первые данные столкновений на рекордных энергиях, показано отсутствие асимметрии протонов и антипротонов, обнаружены необычные корреляции протонов. Список можно продолжать долго. А вот микроскопических черных дыр, которые наводили страх на домохозяек, обнаружить не удалось.

Большой адронный коллайдер

И это при том, что коллайдер еще не разогнали до его максимальной мощности. Сейчас максимальная энергия большого адронного коллайдера – 13 ТэВ (тера электрон-Вольт). Однако, после соответствующей подготовки протоны планируют разогнать до 14 ТэВ. Для сравнения, в ускорителях- предшественниках БАК максимально полученные энергии не превышали 1 ТэВ. Так разгонять частицы мог американский ускоритель Тэватрон из штата Иллинойс. Энергия, достигнутая в коллайдере — далеко не самая Большая в мире. Так, энергия космических лучей, зафиксированных на Земле, превышает энергию частицы, разогнанной в коллайдере в миллиард раз! Так что, опасность большого адронного коллайдера минимальна. Вполне вероятно, что после того, как все ответы будут получены с помощью БАК, человечеству придется строить еще один коллайдер по-мощнее.

Друзья, любите науку, и она обязательно полюбит Вас! А помочь Вам полюбить науку легко смогут наши авторы. Обращайтесь за помощью, и пусть учеба приносит радость!

Как совершенствуют коллайдер?

Для изучения столкновений частиц необходимо колоссальное количество энергии для их разгона, и иногда в коллайдере может попросту не хватить этой энергии. Любые погрешности и неточности чреваты неточностями в данных, где отклонения в тысячные доли могут существенно повлиять на конечный результат. Поэтому в ближайшее время инженеры БАКа планируют установить дополнительные \(130\) сверхпроводящих магнитов из оловянно-ниобиевого сплава (\(Nb_3Sn\)) для увеличения энергии, скорости и количество частиц, а также улучшения светимости коллайдера. Минуточку, что же такое светимость?

Светимость – это параметр ускорителя, который характеризует интенсивность столкновений частиц с определенной мишенью. Для повышения светимости БАК инженеры устанавливают “крабовые резонаторы” (рис. \(5\)), используемые в коллайдерах, чтобы обеспечивать необходимый разворот частиц для увеличения светимости. Также эта схема помогает свести к минимуму лишние и ненужные столкновения встречных пучков частиц. На большом адронном коллайдере планируется установить \(15\) “крабовых резонаторов”, что заметно повысит его эффективность. На данный момент светимость коллайдера составляет всего лишь \(1029 \frac{частиц}{см^2\cdot с}\), но в будущем после улучшения коллайдера ученые хотят довести светимость до небывалых \(1700 \frac{частиц}{см^2\cdot с}\). Совершенствование коллайдера необходимо для повышения точности получаемой информации, которую мы используем для изучения устройства Вселенной.

Специалист CERN настраивает “крабовые резонаторы” / CERN

От кинескопа до коллайдера

Простейший ускоритель состоит из… одного-единственного кристалла, обладающего пироэлектрическими свойствами, то есть способного электризоваться при нагреве. В некоторых кристаллах, например LiTaO3, удается достичь разности потенциалов до ста тысяч вольт. Находящиеся поблизости свободные электроны и ионы под действием электрического поля разгоняются до энергий порядка 100 кэВ — этого уже достаточно для изучения некоторых ядерных процессов. Например, в 2005 году исследовательская группа из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе сумела запустить на этом природном мини-ускорителе реакцию термоядерного синтеза. Правда, для энергетики эта схема не представляет интереса из-за чрезвычайно низкого КПД.

Пироэлектрические кристаллы — скорее курьез, но этот пример иллюстрируют главную идею, лежащую в основе всех ускорителей: заряженные частицы ускоряются электрическим полем. И потому современные ускорители — это в первую очередь результат развития электротехники в сочетании, конечно, с достижениями других разделов физики, применяемых для решения возникающих проблем.

Стартовой точкой ускорителя является источник заряженных частиц. Например, источником электронов может служить любой нагретый кусок металла, из которого постоянно выскакивают электроны и тут же возвращаются обратно. Если рядом поместить проволочную сетку и приложить к ней напряжение, эти электроны потянутся к ней и, пролетев насквозь, устремятся к экрану-аноду, образовав пучок частиц невысокой энергии. Именно так работает «домашний ускоритель на 10 кэВ» — электронно-лучевая трубка в старых телевизорах.

10 кэВ — это очень небольшая энергия, для изучения ядерных явлений ее недостаточно. Поэтому эру ускорительной техники физики отсчитывают от начала 1930-х годов, когда появились сразу две схемы ускорения частиц до энергий около 1 МэВ. В 1932 году Джон Дуглас Кокрофт и Эренст Уолтон в Кембридже сконструировали каскадный 800-киловольтный генератор постоянного напряжения, который открыл новую эру в экспериментальной ядерной физике. Уже в первом своем эксперименте они направили пучок ускоренных протонов на мишень из лития-7 и наблюдали самую настоящую ядерную реакцию: ядро лития захватывало протон и затем разваливалось на две альфа-частицы.

Создать разность потенциалов в десятки мегавольт очень непросто, но быстро выяснилось, что это и не обязательно. Вместо этого можно свернуть ускоритель в кольцо, поместив его в магнитное поле. В отличие от электрического, магнитное поле не ускоряет частицы, а лишь искривляет их траекторию. В частности, в однородном магнитном поле траектория заряженной частицы замыкается в окружность. Если теперь частицу время от времени подталкивать вперед электрическим полем, она будет набирать энергию, постепенно увеличивая радиус траектории. При этом автоматически решаются две задачи: частицы можно удерживать на орбите столько времени, сколько нужно, а ускоряющее электрическое поле не обязательно должно быть большим (тысяча проходов через разность потенциалов в один киловольт эквивалентна мегавольтному линейному генератору).

Провернуть фарш на 14 млрд лет назад

В народе говорят, что «фарш невозможно провернуть назад». Но ученые из ОИЯИ собираются сделать именно это — отмотать время на 14 млрд лет назад, чтобы заглянуть в первую микросекунду рождения мира. Физики уже хорошо и подробно изучили, как расширялась Вселенная с самой первой секунды, но они до сих пор не могут понять, что было раньше и было ли вообще. Коллайдер NICA должен стать эдакой научной «машиной времени», которая отправит нас к началу Вселенной и поможет ответить на так называемые «проклятые вопросы науки».

Один из них звучит парадоксально: почему вообще хоть что-то, кроме чистого света, существует в нашей Вселенной? В теории физики точно знают, что любое разделение симметрично. Всегда есть лево и право, плюс и минус, прошлое и будущее, и, согласно расчетам ученых, при рождении любой частицы неизбежно возникает симметричная ей античастица. Но где она? Как ее поймать? Что она собой представляет? Ученые ждут ответов от коллайдера NICA.

«Когда-то Вселенная была заполнена частицами и античастицами практически поровну, — объясняет ведущий канала «Наука», д. ф-м. н., завлабораторией теории фундаментальных взаимодействий Физического института им. Лебедева РАН Алексей Семихатов. — На 1 млрд античастиц приходилась 1 млрд и 1 частица. Только одна лишняя частица на миллиард! Со временем каждая частица нашла свою античастицу, они проаннигилировали, то есть превратились в излучение, исчезли. И все, что мы видим сейчас, то, чем заполнен мир, — это как раз тот остаток, вот эта одна миллиардная. Но откуда она взялась — загадка. Слава богу, что она откуда-то взялась! Если бы этого исходного нарушения между частицами и античастицами не было бы, то не было бы и нас с вами просто, потому что не из чего было бы сложить мир». По-научному эта проблема называется «барионная асимметрия Вселенной».

Схема ускорительного комплекса мегапроекта NICAФото: NikitaSidorov/wikipedia

В коллайдере NICA тяжелые ионы металлов будут сталкиваться друг с другом с тщательно подобранными энергиями, чтобы не разбиться вдребезги, а на мгновения «слипнуться». Ученые предполагают, что именно так удастся получить ту самую сверхплотную кварк-глюонную плазму, из которой, согласно гипотезам, состояла наша Вселенная в первую микросекунду мироздания. Если в кварк-глюонной плазме Большого взрыва проявилась асимметрия, то и в малом взрыве плазмы в коллайдере произойдет что-нибудь подобное — именно на это надеются физики.

Когда NIСА заработает, мы заодно узнаем, что творится внутри нейтронных звезд. Кварк-глюонная материя в них может образовываться под действием огромной гравитации. Вещество там просто раздавливает само себя: сначала отрицательно заряженные электроны вдавливаются в положительно заряженные протоны, и получаются нейтральные частицы — нейтроны. А если силы тяжести достаточно, нейтроны могут тоже не выдержать и раздавиться в холодную плотную кварк-глюонную плазму. Пока на Земле создать это уникальное состояние материи невозможно. Плотность глубоких слоев нейтронной звезды — не меньше 20 млрд тонн на 1 см³. Это все равно что озеро Байкал спрессовать в чайную ложку. Оценить плотность кварк-глюонной материи в каких-то привычных для нас осязаемых единицах ученые даже не берутся.

«Ускоритель NICA настроен на то, чтобы воссоздать, что творится при больших плотностях энергии, какие, возможно, существовали в начальных стадиях образования Вселенной, — рассказал каналу «Наука» Дмитрий Казаков, директор лаборатории теоретической физики ОИЯИ, д. ф-м. н., член-корреспондент РАН. — Мы хотим увидеть, что происходит там, где очень большие плотности материи. Нас интересуют большие плотности ядерной материи — больше, чем в обычных ядрах. Такая материя в обычной природе нам почти незнакома, мы с ней не сталкиваемся. Возможно, она есть в нейтронных звездах. Но нейтронные звезды — это тоже объект не каждого дня».

От: admin

Эта тема закрыта для публикации ответов.