Почему Большой адронный коллайдер в ЦЕРН – гигантский. Часть 1 Наталия Теряева #Школьник-конструктор Фото: George Grassie/ZUMA Press Большой адронный коллайдер (БАК) – это не только двадцатисемикилометровое кольцо, пробитое на стометровой глубине в толще горных пород. Между двумя горными массивами – Юрскими горами и Южными Альпами под территорией Швейцарии и Франции расположилась целая цепь ускорителей. В них последовательно разгоняются частицы почти до скорости света, достигая 11 тысяч оборотов в секунду. Удерживают частицы в пучке сверхпроводящие магниты ускорителя. Каждый сверхпроводящий диполь – один элементов системы сверхпроводящих магнитов – весит четыре тонны и в длину достигает пятнадцати метров. Он может работать только при сверхнизкой температуре в 1,8˚К, для чего охлаждается жидким гелием. Включаясь в работу, такой сверхпроводящий магнит создает поле величиной более 8 Тесла. А всего диполей в системе магнитов коллайдера – 1236. Эту систему дополняют еще 860 квадруполей и более 6 тысяч корректирующих магнитов. Тончайшая настройка «глаз» Большого адронного коллайдера – детекторов частиц – позволит разглядеть и сосчитать ускоренные до энергии 10 ТэВ пары сталкивающихся нуклонов (протонов и нейтронов). Такая точность разрешения мгновенного снимка настолько же меньше эффективных размеров атома, насколько яблоко меньше Солнца. Это ли не масштабное чудо научной и инженерной мысли? Это гигантское масштабное чудо необходимо физикам для исследований свойств элементарных частиц, которые движутся с огромными энергиями. Мощнейший ускоритель со всей его обширной инфраструктурой и позволяет придать элементарным частицам эту огромную энергию. Во второй половине двадцатого века на разных ускорителях в разных странах были открыты сотни элементарных частиц. Большинство этих частиц оказались вовсе не элементарными, но по традиции их продолжают относить к элементарным. Изучением внутренней структуры элементарных частиц, закономерностей их образования и взаимодействия этих частиц между собой занимается отдельный большой раздел науки – физика частиц. Физика частиц изучает так называемые фундаментальные взаимодействия. Это типы взаимодействий элементарных частиц, которые невозможно свести друг к другу. Они различны по силе и радиусу влияния. На сегодняшний день в нашей Вселенной известны четыре типа фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Поиски других типов взаимодействий упорно продолжаются и на уровне микромира, и в космических масштабах, но все же пока никаких признаков их существования не обнаружено. Многие свойства частиц проявляются только в высокоэнергетических процессах. То есть в процессах, происходящих при сверхвысоких энергиях. Именно высокие энергии частиц создают условия, при которых образуются новые формы материи, недоступные для наблюдения и исследования при низких энергиях частиц. Машины для ускорения частиц – ускорители – постоянно совершенствуются, доставая попутно из невода, заброшенного в океан материи, вместе с новыми знаниями новые технологии для бытовой жизни человечества. Но о технологиях отдельный разговор. Что касается новых знаний, то за последние несколько десятилетий, проанализировав результаты ускорительных экспериментов, ученые сумели глубоко разобраться в закономерностях, которым подчиняется материя в пространстве и времени. «Накопленные к концу ХХ столетия сведения о фундаментальных свойствах материи радикально изменили все наше мировоззрение в физической науке, – говорит об этом академик РАН Виктор Матвеев, научный руководитель Объединенного института ядерных исследований. – Платформой для анализа и мощным вычислительным инструментом стала квантовая теория поля, описывающая поведение частиц и предсказывающая их свойства, закономерности рождения и распада». На базе достижений квантовой теории поля и теории элементарных частиц, была сформулирована самая совершенная и самая стройная к нынешнему моменту времени теория фундаментальных частиц и взаимодействия, названная Стандартной моделью. Эта модель с высокой точностью и глубиной описывает всю известную сегодня совокупность экспериментальных данных о фундаментальных взаимодействиях в природе и фактически представляет иерархическую структуру мира частиц, связанных тремя типами их взаимодействий – электромагнитным, слабым и сильным. Стандартная модель позволяет качественно и количественно объяснить процессы, протекавшие во время эволюции Вселенной, начиная с первых долей секунды после Большого взрыва вплоть да нашей эпохи, возраст которой уже 15 миллиардов лет. В те, первые, мгновения после взрыва начинали формироваться протоны, нейтроны и первые ядра атомных элементов, стартовала эволюция звездного вещества в экстремальных условиях. «Поразительные возможности Стандартной модели, взятой вместе с теорией гравитации Ньютона (гравитационное взаимодействие физикам пока не удается объединить с остальными типами взаимодействий в единой модели), проявляются в масштабе и диапазоне предсказательной силы. Диапазон расстояний тех явлений, которые описывает Стандартная модель, составляет величину 44-го порядка! – восхищается академик Матвеев. – Так что без всяких преувеличений Стандартную модель можно назвать наивысшим достижением научной мысли прошлого века». В основание Стандартной модели внесли важнейший вклад советские и российские ученые из научных школ академиков В.А. Фока, Л.Д. Ландау и Н.Н. Боголюбова. Скажем, гипотеза о существовании у кварков дополнительного нового квантового числа, названного впоследствии цветом, лежит в основании наиболее современной теории сильных взаимодействий – квантовой хромодинамики. Эта гипотеза была высказана в работах Н.Н. Боголюбова, Б.В. Струминского и А.Н. Тавхелидзе в 1965 году в Дубне одновременно с М. Ханом и Й. Намбу, опубликовавшими в США свою работу на ту же тему. Однако, несмотря на достигнутую высокую степень понимания фундаментальных свойств материи, сегодня перед наукой стоит множество заковыристых неразрешенных проблем и загадок. Их можно разделить на две части. Первая часть под условным названием «загадки Вселенной» объединяет вопросы к объяснению эволюции Вселенной: в каком состоянии была материя во Вселенной в первые мгновения после Большого взрыва? почему во Вселенной практически отсутствует антиматерия? из чего состоит так называемая «темная материя»? какова природа «темной энергии»? Вторая часть, назовем ее «частицы и взаимодействия», концентрирует проблемы самосогласованности теории частиц и взаимодействий: какова природа масс фундаментальных частиц? существуют ли дополнительные измерения в пространстве-времени и как они могут быть обнаружены? являются ли все известные взаимодействия различными проявлениями единого универсального взаимодействия? нарушается ли в природе симметрия между частицами материи и антиматерии? Во вторую часть загадок Вселенной вошел всем известный бозон Хиггса – частица без спина с массой более 100 ГэВ. Эта частица названа по имени предсказавшего ее существование английского физика Питера Хиггса. Бозон Хиггса и есть часть природного механизма наделения элементарных частиц массой. Но об этом чуть позже. Вернемся к Большому адронному коллайдеру. Большой адронный коллайдер был задуман своими создателями как фабрика открытий, которые дадут хотя бы часть ответов на обозначенные выше проблемы и загадки Вселенной. В рекламе Большого адронного коллайдера для мирового общественного мнения упор сделали на поиске бозона Хиггса. Поэтому в сознании простых людей Большой адронный коллайдер связан именно с бозоном Хиггса. На самом деле планы работающих на этом коллайдере ученых намного обширнее. Продолжение следует Фрагмент из книги Наталии Теряевой "Элементы жизни" Поделиться новостью Добавить комментарий Комментарии не должны оскорблять автора текста и других комментаторов. Содержание комментария должно быть конкретным, написанным в вежливой форме и относящимся исключительно к комментируемому тексту. Имя (обязательное) Source: https://open-dubna.ru/shkolnik-konstruktor/24353-pochemu-bolshoj-adronnyj-kollajder-v-tsern-gigantskij-chast-1