Владимир Шевченко /

/ Москва

9853просмотра

Что нам даст Большой адронный коллайдер

Больше 20 лет тысячи ученых из разных стран мира разрабатывают адронный коллайдер. Объяснить неспециалистам, зачем они это делают, берется Владимир Шевченко

+T -
Что нам даст Большой адронный коллайдер
От редакции
Поделиться:

Большой адронный коллайдер для современной физики

Момент возникновения идеи проекта Большого адронного коллайдера (LHC) от его первого запуска отделяло больше 20 лет. В современной физике эксперименты продолжаются десятилетиями — время, сопоставимое с длиной человеческой жизни. Так что неудача этого проекта (если на нем будет открыто только то, что ожидается — бозон Хиггса) будет катастрофой и для этого сообщества людей, и для всей физики высоких энергий. Неизвестно, получится ли снова собрать людей, которые захотят положить 20 лет своей жизни на новый проект. Поэтому мы очень надеемся, что коллайдер преподнесет сюрпризы.

Поиск того, из чего состоит мир

Общей логике, в которой развивается современная физика элементарных частиц, больше двух тысяч лет: это поиск элементарных кирпичиков, из которых устроен наш мир. Желательно, чтобы таких кирпичиков было мало, чтобы все остальное делалось из них естественно, и чтобы за этим лежала какая-то красивая математическая структура. Первым здесь был Демокрит с его атомистической картиной мира — то есть идеей о том, что в основе мироздания лежат неделимые проточастички. В этой же логике находится представление о четырех фундаментальных элементах (земле, воде, огне и воздухе) и пять платоновых тел.

Демокрит, Лавуазье и Дальтон сформулировали атомную гипотезу: все тела состоят из мельчайших неделимых частичек, которые непрерывно колеблются. Затем Менделеев записал периодическую таблицу, в которую включил 63 элемента, считавшихся тогда элементарными. В конце XIX – начале XX века были открыты субатомные частицы: электрон, протон и нейтрон.

Следующий прорыв произошел в 1950-е годы, когда были открыты новые частицы, существующие внутри атомного ядра. Все вместе они получили название «адроны». Аналог периодической системы для адронов под названием «восьмеричный путь» предложил в 1961 году английский физик Мюррей Гелл-Манн, и вскоре после этого была сформулирована кварковая картина — представление о том, что адроны, в свою очередь, состоят из кварков.

Стандартная модель

Сегодня таблица элементарных частиц — стандартная модель — включает в себя шестнадцать граф. При этом в нашем мире можно найти только те частицы, которые входят в ее первую колонку (четвертая колонка — это частицы-переносчики взаимодействия, в отличие от всех остальных фундаментальных частиц, составляющих вещество). Зачем с точки зрения нашего бытия нужны вторая и третья колонки — или второе и третье поколения фундаментальных частиц — мы не знаем.

Основные прорывы в физической науке заключались в осознании различных явлений как сходных. Максвелл открыл, что электричество и магнетизм — проявления одной электромагнитной силы. Ньютон понял, что небесная гравитация, управляющая движением светил, и земная гравитация, управляющая падением тел на Землю — это одно и то же явление. В XX веке была построена «электрослабая теория»: согласно ей так называемое слабое взаимодействие (обусловливающее некоторые реакции радиоактивного распада) тесно связано с электромагнитным взаимодействием. Стандартная модель связала сильное взаимодействие (связывающее протоны внутри ядра друг с другом и с нейтронами) с электрослабой теорией.

На сегодняшний день не существует теории, которая связала бы стандартную модель с силой гравитации. Что будет дальше — неизвестно: возможно, мы придем к единой универсальной конструкции. Может быть, все наши построения распадутся. Но мы знаем точно, что стандартная модель не является окончательной теорией. Об этом говорит, например, следующий экспериментально обнаруженный астрофизиками факт: все известные нам частицы, входящие в стандартную модель, дают около 5% полной энергии, составляющей Вселенную. Про остальные 95% мы знаем только, что они существуют.

Античастицы

Основными характеристиками частиц являются масса, заряд и спин. У каждой частицы есть античастица, то есть частица с теми же массой и спином, но с противоположным зарядом.

Вопросы к коллайдеру

Физики ищут ответы на следующие вопросы:

Откуда берется масса кварков? Как устроено их взаимодействие? Существуют ли частицы, кроме уже известных? Почему наш мир построен только из частиц — куда делись античастицы?

Как выглядит коллайдер

Большой адронный коллайдер — это 27-километровое кольцо под землей, в долине недалеко от Женевы, на границе Швейцарии и Франции. По кольцу со скоростью, очень близкой к скорости света, навстречу друг другу бегут пучки протонов. В пучках протоны не размазаны равномерно, а объединены в сгустки или банчи — до 2808 сгустков в пучке. Энергия протонов примерно равна энергии летящего комара. Но в комаре эта энергия распределена между всеми протонами и нейтронами, которые находятся в его теле, а в коллайдере всю ее несет каждый протон. Поэтому правильнее говорить не о высоких энергиях, а о высоких плотностях энергий. Полная энергия в пучке — 100 килограммов в тротиловом эквиваленте.

Пучки разгоняются и сводятся под очень маленьким углом в четырех точках столкновения. Эти зоны обложены большим количеством электронных приборов. За одну секунду в коллайдере происходит 600 миллионов столкновений. Обрабатываются они не все — но важно не упустить столкновения, из которых рождается что-то интересное.

Эксперименты Большого адронного коллайдера

Приборы, работающие в зонах столкновений, называются детекторами или экспериментами. Основных детекторов четыре. ATLAS (кстати, самое крупное невоенное сооружение в мире) и CMS ищут все, что попадется. LHCb посвящен задачам, связанным с изучением физики одного из шести известных кварков — b-кварка. Четвертый детектор, ALICE заработает позже. Он будет изучать физику, связанную со столкновением ядер, а не протонов, например, свинца, золота или меди.

Что сейчас делает коллайдер

Сейчас коллайдер ничего не открывает, а занимается переоткрытием того, что известно: таким образом набираются данные и калибруются системы. Например, в результате одного из столкновений были получены две частицы, известные как мю-мезоны: одна частица попала в одну точку, другая — в другую. После этого ученые обсуждают, чем была частица, которая распалась в эти два мю-мезона. Это тоже известная частица — но такое исследование является необходимым предисловием к дальнейшим открытиям.

Каким может быть результат

Существует три варианта дальнейшего развития событий. Самый лучший — если ATLAS и CMS откроют Новую физику (например, новые тяжелые частицы), а LHCb «увидит» какие-то отклонения от предсказаний стандартной модели. Второй вариант — если два эксперимента что-то увидят, а третий — нет (или наоборот). Непонятно, что это будет значить, но что-то очень интересное. А третий сценарий — кошмарный: это если первые два эксперимента откроют бозон Хиггса, а больше ничего не произойдет.

Комментировать Всего 3 комментария

Огромное спасибо! Замечательная лекция. Мне как физиологу, хотя у учившемуся когда-то в Протвинской группе МФТИ, было почти всё понятно, но главное интересно...

Спасибо! А для вас,  что  до лекции было неясно с Коллайдером? 

Спасибо за лекцию, очень интересно!

 

Новости наших партнеров