Большой адронный коллайдер: статус и ожидания

http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=5b3e4c85-8e4f-4544-b3c0-869d8b94deb9&print=1
© 2024 Российская академия наук

О Большом адронном коллайдере, истории его создания и ожиданиях учёных, связанных с ним, рассказал профессор Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) Игорь Дрёмин на лекции, состоявшейся 3 марта в Политехническом музее в Москве.

Дрёмин Игорь Михайлович, профессор, доктор физико-математических наук. Главный научный сотрудник «Сектора физики высоких энергий» Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) Главный научный сотрудник «Сектора физики высоких энергий» Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) Дрёмин Игорь Михайлович

Начиная лекцию, профессор Игорь Дрёмин озадачил переполненную аудиторию Политехнического музея вопросом: «Зачем нужны ускорители заряженных частиц?» И сам же продолжил: «К нам из космического пространства летят частицы с очень высокой энергией. Вселенная — это “ускоритель для бедных”, потому что бесплатно нам поставляются частицы очень высоких энергий. Казалось бы, почему просто не использовать космические лучи, не тратя деньги на создание ускорителей, тем более что энергии космических лучей пока не доступны даже Большому адронному коллайдеру (БАК)? К сожалению, в космических лучах интенсивность частиц очень низкая, и при высоких энергиях она не позволяет набрать достаточно статистики для их исследования. Кроме того, до сих пор не известен состав космических лучей: соотношение ядер, протонов и т.д. Поэтому учёные давно уже стали задумываться, как добыть частицы с высокими энергиями прямо в лаборатории».

История создания ускорителей, по словам Дрёмина, началась с циклотрона — небольшого прибора, умещавшегося на столе. Потом появились, в частности, синхротрон и синхрофазотрон. Примечательно, что с 1956 по 1957 год, благодаря работам советского физика В. И. Векслера, в Дубне был построен самый мощный в то время в мире синхрофазотрон с рабочей энергией 10 гигаэлектронвольт. В последующие годы было создано множество ускорителей в разных странах: большой электрон-позитронный коллайдер (LEP) и ускоритель SPS в Швейцарии, ускоритель HERA в Германии, Tevatron и RHIC в США, а также B-фабрики для изучения кварков.

БАК — мощнейший на сегодняшний день ускоритель (Large Hadron Collider — LHC), созданный прежде всего благодаря усилиям итальянского физика, нобелевского лауреата Карло Руббиа (Carlo Rubbia), бывшего директора ЦЕРНа (CERN) — Европейской организации по ядерным исследованиям, на базе которой создан БАК. Коллайдер разработан для исследования столкновений адронов (сильно взаимодействующих частиц) для того, чтобы узнать природу их взаимодействий, лежащих в основе нашего мира. БАК — это кольцо, в котором установлены магниты и идут два потока протонов или ядер навстречу друг другу. Потоки идут параллельно, но в четырёх местах они пересекаются. Именно там установлены детекторы, которые должны регистрировать продукты, рождающиеся в точках взаимодействия частиц. Например, при столкновении двух протонов рождается несколько тысяч частиц. И все эти несколько тысяч частиц в каждом соударении нужно «расшифровать», понять, каковы их характеристики, куда они летят и почему они летят именно так. Эти задачи решают физики-теоретики, в том числе от нашей страны такими расчётами занимается Игорь Дрёмин из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (ФИАН).

БАК расположен на границе Швейцарии и Франции, имеет длину окружности 27 километров. Тоннель проходит на глубине 50-175 метров. В коллайдере установлено 1232 сверхпроводящих магнита длиной 14,3 метра, весом 3,5 тонн. Температура 1,7 К (-271°C — это почти абсолютный ноль, то есть минимальный предел температуры, которую может иметь физическое тело) поддерживается 12 миллионами литров жидкого азота и 700 тысячами литров жидкого гелия, давление — на 10 порядков ниже атмосферного. Внутри тоннеля находятся ниобий-титановые сверхпроводящие кабели длиной 7600 километров, весом 1200 тонн. Внутри кабелей — 6300 проволок длиной 10 астрономических единиц (расстояние от Земли до Солнца) — это 1,5 миллиарда километров.

Рабочая энергия коллайдера 14 ТэВ (14·1012 электронвольт). Однако, в связи с проблемами на БАК, о которых было много публикаций в прессе, в период с 2010 по 2011 года коллайдер будет работать с энергией в 7 ТэВ.

«Какие результаты планируется получить экспериментально? — продолжает профессор Дрёмин. — В 1960 году физиком Питером Хиггсом была теоретически предсказана элементарная частица, названная впоследствии “Бозон Хиггса”. Для чего она нужна? Дело в том, что мы до сих пор не знаем, почему у частиц такая масса. Например, у частицы нейтрино — очень маленькая масса, у топ-кварка — большая. Отношение массы топ-кварка к массе нейтрино – 1014, и мы считаем, что это фундаментальные основы мира. А зачем природе понадобилось такое соотношение масс? Люди, к примеру, бывают в 2-3 раза тяжелее друг друга, но не в 1014! Бозон Хиггса, если мы найдём эту частицу, должна ответить на вопрос формирования массы».

Ответ на другой вопрос, связанный со структурой физического вакуума, учёные также надеются получить благодаря работе Большого адронного коллайдера. Согласно теории, вакуум отнюдь не пуст, и это одна из наиболее загадочных проблем современной физики. Также в связи с экспериментами на БАК обсуждаются такие понятия, как тёмная материя, тёмная энергия и чёрные дыры.

БАК — мощнейший ускоритель (Large Hadron Collider — LHC), созданный прежде всего благодаря усилиям итальянского физика, нобелевского лауреата Карло Руббиа «Оптимисты утверждают, что важные новости могут появиться уже через несколько месяцев стабильной работы БАК, если нам повезёт, и массы частиц окажутся достаточно низкими», — объясняет профессор. 28 февраля 2010 года на сайте ЦЕРНа появилось сообщение о том, что ускоритель вышел на рабочую мощность в 7 ТэВ.

28 февраля этого года на сайте ЦЕРНа появилось сообщение о том, что ускоритель вышел на рабочую мощность в 7 ТэВ Есть ли планы в области физики высоких энергий за пределами возможностей БАК? Безусловно, учёные уже работают над проектированием новых ускорителей. Однако каждый шаг по увеличению их мощности становится всё более дорогостоящим, требует новых инженерных решений и может быть осуществлён только при участии нескольких стран. Один из таких проектов направлен на увеличение светимости БАК (интенсивности столкновения встречных пучков) на порядок. Этот проект носит название Super LHC. По словам профессора Дрёмина, он станет наиболее привлекательным, если в экспериментах на БАК учёные обнаружат проявления Бозона Хиггса. Другой амбициозный проект — Международный линейный коллайдер (ILC). В прямолинейном тоннеле планируется добиться столкновений электронов и позитронов. Такие соударения легче интерпретировать теоретически, потому что электроны и позитроны не обладают столь сложной внутренней структурой как протоны. В числе возможных мест строительства Международного линейного коллайдера рассматривается подмосковный наукоград Дубна. Тем не менее, реализация этих проектов напрямую зависит от результатов экспериментальной работы на Большом адронном коллайдере.