БАК (Большой адронный коллайдер, LHC) – это самый крупный в мире ускоритель частиц, расположенный на франко-швейцарской границе в Женеве и принадлежащий концерну CERN. Основной задачей строительства Большого адронного коллайдера был поиск бозона Хиггса, неуловимой частицы, последнего элемента Стандартной модели. Задачу коллайдер выполнил: физики действительно обнаружили элементарную частицу на предсказанных энергиях. Далее БАК будет вести работу в этом диапазоне светимости и работать, как обычно функционируют спецобъекты: по желанию ученых. Вспомните, полуторамесячная миссия марсохода «Оппортьюнити» затянулась на 10 лет.

Большой адронный коллайдер – ускоритель частиц, благодаря которому физики смогут проникнуть так глубоко внутрь материи, как никогда ранее. Суть работ на коллайдере заключается в изучении столкновения двух пучков протонов с суммарной энергией 14 ТэВ на один протон. Эта энергия в миллионы раз больше, чем энергия, выделяемая в единичном акте термоядерного синтеза. Кроме того, будут проводиться эксперименты с ядрами свинца, сталкивающимися при энергии 1150 ТэВ.

Ускоритель БАК обеспечит новую ступень в ряду открытий частиц, которые начались столетие назад. Тогда ученые еще только обнаружили всевозможные виды таинственных лучей: рентгеновские, катодное излучение. Откуда они возникают, одинаковой ли природы их происхождение и, если да, то какова она?

Сегодня мы имеем ответы на вопросы, позволяющие гораздо лучше понять происхождение Вселенной. Однако в самом начале XXI века перед нами стоят новые вопросы, ответы на которые ученые надеются получить с помощью ускорителя БАК. И кто знает, развитие каких новых областей человеческих знаний повлекут за собой предстоящие исследования. А пока же наши знания о Вселенной недостаточны.

Физики смогут понять, в каком направлении надо двигаться, чтобы построить более красивую и более Общую теорию физики, которая будет эквивалентна таким малым пространственно-временным интервалам. Те процессы, которые там изучаются, воспроизводят по сути процесс образования Вселенной, как говорят, «в момент Большого Взрыва». Конечно, это для тех, кто верит в эту теорию о том, что Вселенная создавалась таким образом: взрыв, затем процессы при супервысоких энергиях. Оговариваемое путешествие во времени может оказаться связанным с этим Большим Взрывом. Как бы там ни было, БАК – это достаточно серьезное продвижение в глубь микромира. Поэтому могут открыться совершенно неожиданные вещи.

В реальности, коллайдер – это несколько очень больших петель, выстроенных в порядке усиления мощности. Получается, что ускоренные частицы вроде протона требуют разное оборудование для достижения нужной скорости. Магниты могут разогнать частицу с 99% до 99.9999% скорости света, но это совсем не те магниты, что разгоняют частицу с 1% до 15% скорости света. Как таковой, коллайдер питается ускорителями частиц, работающих в последовательности, чтобы достичь финального разгона в 7 тера-электрон-вольт (ТэВ) и более.

Первый – это линейный ускоритель частиц (LINAC 2), который производит какие-то жалкие 50 мега-электрон-вольт (МэВ) и передает экспериментальные протоны на первый из цепи замкнутых акселераторов, протонный синхротронный ускоритель (Pb). Петля Pb быстро разгоняет частицы до 2 ГэВ, и передает их на протонный синхротрон, который продолжает ускорение до 28 ГэВ. Оттуда, протонный синхротрон передает частицу на... суперпротонный синхротрон, который может достигать энергии в 400 ГэВ и выше. Физики практически предложили улучшить СПС до супер-СПС (да, супер-суперпротонный синхротрон), чтобы протоны могли достигать ТэВ перед тем, как выйти на последний круг самого коллайдера.

Эти частицы движутся со скоростью, очень близкой к скорости света, перед тем, как перейти к самому коллайдеру. Но разгон протона на эти несколько последних процентов становится решающим для современных физических экспериментов. Разбивать протоны на кварки это одно, но коллайдер может сталкивать частицы с такой силой, что в точке столкновения будет искажаться пространство, открывая бесконечно краткое окно в истинно квантовый мир. Это не так-то просто, и далеко не дешево.

Обратите внимание, что кольцо коллайдера это не эксперимент сам по себе, но инструмент для их проведения при помощи определенного ресурса – сверхзаряженных частиц. Как именно эти сверхзаряженные частицы должны использоваться описано во время самих экспериментов, которые проводятся в разных участках кольца и с разными целями. Есть всего семь экспериментов, но внимание стоит уделить всего четырем: ATLAS, ALICE, CMS, и LHCb.

ATLAS, вероятно, самый популярный из всех экспериментов коллайдера. Именно из него CERN получила необходимые данные для исследования бозона Хиггса. Название расшифровывается как A Toroidal LHC ApparatuS (тодориальный аппарат большого адронного коллайдера), и его диаметр более 80 футов. ATLAS был разработан как универсальный детектор 40 миллионов пересечений лучей в секунду, и собирает столько информации об этих пересечениях, сколько вообще возможно.

CMS, или Compact Muon Solenoid (компактный мюонный соленоид) – это попытка достичь того же результата, что и ATLAS, но иными средствами. Еще «детектор общего назначения» CMS меньше, но более магнитно концентрирован, чем ATLAS. Он разработан для наблюдения за тем же феноменом, что и ATLAS, но допускает чуть больше компромиссов в процессе. CMS также внес вклад в поиски бозона Хиггса, но не так популярен в СМИ.

ALICE, с другой стороны, более специализирован. Названный A Large Ion Collider Experiment (эксперимент большого адронного коллайдера), он не ставит себе целью разогнать частицы до предела, так как он измеряет эффекты «тяжелых ядер», например, свинца, которому нужно 2-3 ТэВ для столкновения. Это создает уровень деструктивной энергии, которая может подтолкнуть атомы к формированию кварк-глюонной плазмы, где они могут свободно перемещаться, и их можно исследовать в этом состоянии. Это означает, что ALICE разработан для наблюдения за концепцией под названием квантовая хромидинамика (QCD), и он улучшает научное понимание этого принципа еще с момента первого запуска в 2010 году.

Потому есть и Large Hadron Collider beauty (красота большого адронного коллайдера), который недавно подтвердил частицу собственного открытия: пентакварк. LHCb разработан для исследования экзотического поведения материи и, собственно, природы антиматериально-материальной асимметрии Вселенной. Основной вопрос этого эксперимента – почему вообще во Вселенной есть материя? Теория гласит, что в начале Вселенной, большой взрыв должен был создать равное количество материи и антиматерии. Эти два материала уничтожают друг друга при взаимодействии, так как так получилось, что на текущем этапе так много материи, и так мало антиматерии? LHCb разработан как раз для ответа на этот вопрос.

Мысли о следующем большом шаге для науки частиц, вероятно, остаются в коллайдере еще на некоторое время. И вместо создания нового проекта, ученые озабочены более сильным разгоном в существующем коллайдере. Ускоритель снова распахнул свои двери после длительной серии модернизаций. Никто не говорит, как много раз еще можно толкнуть физику в этом направлении до следующего совершенно нового проекта настолько же масштабного.

Строительство БАК’а, или Большого адронного коллайдера, задумали еще в 1984 году, а начали только в 2001. Спустя 5 лет, в 2006 году, благодаря усилиям более чем 10-ти тысяч инженеров и ученых из разных государств, строительство Большого адронного коллайдера было завершено.

БАК представляет из себя суперсовременный исследовательский центр, где ученые проводят опыты с атомами, сталкивая между собой на огромной скорости ионы и протоны. Без сомнений, главное открытие, сделанное в БАК – открытие в 2012 году бозона Хиггса, или как его еще называют «частицы Бога». Бозон Хигса – это последнее звено в Стандартной модели. Еще одно значительное событие в БАК’е – достижение рекордного значения энергии столкновений в 2,36 тераэлектронвольта.

Некоторые ученые, в том числе и в России, считают, что благодаря масштабным экспериментам в ЦЕРН’е (Европейской организации по ядерным исследованиям, где, собственно, и расположен коллайдер), ученым удастся построить первую в мире машину времени. Однако большинство ученых не разделяют оптимизма коллег.

Главные опасения человечества по поводу самого мощного на планете ускорителя основаны на опасности, которая грозит человечеству, в результате образования микроскопических черных дыр, способных к захвату окружающей материи. Есть еще одна потенциальная и крайне опасная угроза – возникновения страпелек (произв. от Странная капелька), которые, гипотетически, способны при столкновении с ядром какого-либо атома, образовывать все новые страпельки, преобразуя материю всей Вселенной. Однако большинство самых авторитетных ученых заявляют, что такой исход маловероятен. Но теоретически возможен.

С самого начала, как только политики и ученые решили построить Большой Адронный Коллайдер, весь мир не перестают сотрясать сенсации. А всего-то навсего, ученые захотели просто разобраться, кто же все-таки был прав: Эйнштейн со своей Общей Теорией Относительности или квантовая механика, ведь обе эти теории существовать не могут, потому что противоречат друг другу.

На сегодня БАК является самой большой экспериментальной площадкой в мире. Длина главного кольца почти 27 метров, поэтому его и назвали Большим, а остальные слова расшифровываются еще проще: Адронный – ускоряет адроны или тяжелые частицы, а Коллайдер – просто сталкиватель (collider с англ.) частиц.

Кстати, для прокладки ускорителя не пришлось строить новый тоннель, как полагают многие обыватели. Для него просто использовали уже готовый туннель, который проходит на территории Франции и Швейцарии, его глубина в разных местах от 50 метров до 175 метров. А вот с магнитами, которые используются для фокусировки протонов, пришлось повозиться. Их изготовили 1624 штуки и для их работы нужна температура в -271 градус по Цельсию.

Скорость, на которой приходят пучки протонов к столкновению равна скорости света в вакууме! При этом кинетическая энергия частиц, которые не весят даже нанограмм, равна кинетической энергии реактивного самолета, и все из-за огромной скорости. Сам Коллайдер во время одного эксперимента потребляет 180 МВт электроэнергии. Если это сравнить с городом Церн, то из каждых 1000 ГВт в час потребляемых городом, на долю БАКа приходится 700 ГВт в час.

На строительство и обслуживание БАКа в течение семи лет потрачено 6 млрд. долларов и то только благодаря тому, что в Церне уже существовала готовая инфраструктура, да и очень большой опыт с готовыми наработками. А вот если ученые сейчас прекратят все эксперименты и больше уже не будут использовать БАК, то и тогда, чтобы просчитать все результаты исследований понадобится почти 20 лет. В этом конечно можно увидеть большой положительный момент – ученым будет чем заняться.

А вот самыми, пожалуй, интересными новостями с момента начала работы Коллайдера были первые сообщения: «Завтра запуск Большого Адронного Коллайдера, наступит конец человеческой цивилизации, нас всех засосет в черную дыру». Сегодня уже истерия по поводу экспериментов на БАКе не такая большая, но все равно бывает очень интересно. Например, жительница Цюриха потребовала, чтобы представители Германии добились остановки экспериментов и тем самым спасли всех людей от гибели. Однако Конституционный суд ФРГ жалобу отклонил, в связи с тем, что истица не представила веских аргументов в пользу «конца света». Но женщина не останавливается в своем намерении спасти мир и продолжает борьбу в судах, идя во все более высшие инстанции.

А на самом Коллайдере работа бьет ключом, группа музыкантов и ученые решили, что в ходе экспериментов можно и не все увидеть, поэтому необходимо превратить все данные исследований в музыку. Тогда чуткое человеческое ухо обязательно различит новый звук (инстинкт самосохранения), ведь именно на этом основан принцип счетчика Гейгера. Задача состоит в том, чтобы создать музыкальное звучание экспериментов в реальном времени.

Туннель БАК наклонен относительно горизонтали на 1,4%, чтобы поместить возможно большую его часть в монолитной скале. Он находится на глубине около 50 метров со стороны Женевского озера, противоположная часть залегает на глубине 175 метров. В полнолуние, во время прилива, земля вблизи от Женевы поднимается на 25 сантиметров, увеличивая протяженность БАК на 1 миллиметр и изменяя энергию пучка на 0,02%. Экспериментаторы должны учитывать этот эффект: необходимо контролировать энергию пучка с точностью до 0,002%.

Туннель БАК фактически имеет форму восьмиугольника с четырьмя дугами, соединенными короткими прямыми секциями, в которых располагаются экспериментальные установки (детекторы) и системы управления пучком. Магнитная система содержит около 10 000 тонн железа, это больше железа, чем количество металла, которое использовалось для создания Эйфелевой башни. Каждую секунду, более 600 миллионов столкновений осуществляются внутри БАК, и протоны сталкиваются на полной энергии 14 ТэВ.

БАК можно назвать самым большим холодильником в мире, потому что тысячи магнитов внутри ускорителя предварительно охлаждают до -193,2 °C , используя 10 080 тонн жидкого азота, после чего они заполнены более чем 60 тоннами жидкого гелия для дополнительного охлаждения их до -271,3 °C. Детекторы, установленные внутри БАК, имеют сложные электронные системы, которые способны измерять время прохождения частицы в точности в области несколько миллиардных долей секунды.

Пространство внутри БАК является сверхвысоким вакуумом, как в космосе. Это делается для того, что протоны не сталкивались с молекулами газа. Внутреннее давление 10-13 атмосфер, что в 10 раз меньше, чем давление на Луне!

Экспериментальные данные, полученные в БАК, анализируют с помощью суперкомпьютерной системы, известной как Грид, которая является самой мощной в своем роде в мире. Это огромная сеть, что включает в себя десятки тысяч соединенных между собой компьютеров из разных регионов мира. Ускоритель частиц имеет 7 детекторов и 9300 магнитов внутри него.

В 2010 году состоялось столкновение протонов с суммарной энергией 7 ТэВ, в результате этого температура внутри коллайдера превысила температуру ядра Солнца в несколько сотен тысяч раз.

Большой адронный коллайдер (БАК) был сконструирован Европейской организацией ядерных исследований, чтобы раскрыть секреты формирования Вселенной. Другой важной целью является проверка предсказаний различных теорий физики элементарных частиц, и бросить больше света на темную материю, существование дополнительных измерений и явления суперсимметрии. С его помощью ученые и физики добились успеха в воссоздании условий, которые существовали непосредственно после Большого Взрыва.

Многие люди были того мнения, что БАК приведет к концу света. Тем не менее, эти опасения не подтвердились. Правда в том, что БАК действительно является чудом научного гения. На данный момент и ближайшие, как минимум, лет 100 Коллайдер будет самым сложным устройством, когда-либо созданным человеком. А вообще, конечно, можно только поражаться гениальности человеческой мысли и многогранности таланта ученых, которые создали такое чудо техники, причем создали это красиво.