УДК 621.384.6

Большой адронный коллайдер – шаг на пути к «новой физике»

Аввакумова Алиса Александровна – студент Дальневосточного государственного технического рыбохозяйственного университета

Трефилова Анна Андреевна, – студент Дальневосточного государственного технического рыбохозяйственного университета

Аннотация: Большой адронный коллайдер – это ускоритель, использующий электромагнитные поля для ускорения высокоэнергетических частиц почти до скорости света. Многие считают, что он способен уничтожить Землю, создав черные дыры или опасную материю. Важный постулат физики элементарных частиц – Стандартная модель. Теория описывает, как фундаментальные частицы нашего мира: кварки, бозоны, лептоны, барионы взаимодействуют друг с другом. Ученые интересуются этими отношениями, потому что они могут дать новые или очень редкие элементы, которые были изучены практически без исследований. В свою очередь, это позволит больше узнать о мире и его природе. Бозон Хиггса пока единственное открытие на БАК.

Ключевые слова: адронный коллайдер, частицы, материя, бозон Хиггса, ускоритель.

Большой адронный коллайдер (БАК) – самый мощный в мире ускоритель частиц. Большой адронный коллайдер (БАК) был построен Европейской организацией ядерных исследований (англ.ЦЕРН ) в том же 27-километровом (17-мильном) туннеле, где располагался Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP). Туннель имеет круглую форму и расположен на глубине 50–175 метров (165–575 футов) под землей на границе между Францией и Швейцарией. БАК провел свою первую тестовую эксплуатацию 10 сентября 2008 г. Электрическая проблема в системе охлаждения 18 сентября привела к повышению температуры примерно на 100 ° C (180 ° F) в магнитах, которые должны работать при температуре около абсолютный ноль (-273,15 ° C или -459,67 ° F). Ранние оценки того, что БАК скоро будет быстро починен, оказались чрезмерно оптимистичными. Он был перезапущен 20 ноября 2009 г. Вскоре после этого, 30 ноября, он заменил Национальную ускорительную лабораторию Ферми. Коллайдеры используются для того, чтобы заглянуть внутрь частиц и узнать, каким образом ведут себя субатомные элементы.

Одна из целей проекта LHC – понять фундаментальную структуру материи путем воссоздания экстремальных условий, имевших место в первые несколько мгновений существования Вселенной в соответствии с моделью Большого взрыва. В течение десятилетий физики использовали так называемую стандартную модель фундаментальных частиц, которая хорошо работала, но имела недостатки [1].

Стандартная модель позволяет теоретически предсказывать свойства тысяч различных процессов в мире элементарных частиц. В большинстве случаев эти предсказания будут подтверждены экспериментами. Но иногда прогнозы расходятся с полученными данными. Иногда приходится годами бороться, чтобы подтвердить давно выдвинутую гипотезу. Одна из этих гипотез связана с бозоном Хиггса [3].

Важнейшими свойствами ускорителя являются энергия потока и число столкновений на квадратный сантиметр поперечного сечения. Первый параметр особенно важен, поскольку чем выше энергия, тем более массивные частицы образуются после удара. Ученые возлагали надежды на открытия в сверхтяжелом диапазоне, поэтому продолжали увеличивать энергию потока. Первый цикл составлял от 7 до 8 тераэлектронвольт (ТэВ), второй цикл – 13, а теперь он увеличился до 13,6 [5].

Тысячи магнитов различных типов и размеров используются для направления луча вокруг ускорителя. Среди них 1232 15-метровых дипольных магнита для вращения луча и 392 5-7-метровых квадрупольных магнита для фокусировки луча. Непосредственно перед столкновением использовался магнит другого типа, который «сжимает» частицы ближе друг к другу, чтобы увеличить вероятность столкновения. Частицы настолько малы, что заставить их столкнуться – это все равно, что поместить две иголки на расстоянии 10 километров друг от друга точно в том месте, где они встречаются.

Важнейший момент для БАК наступил в 2012 году с открытием бозона Хиггса. Несмотря на то, что его часто называют «частицей Бога», на самом деле он сам по себе не так уж удивителен, как можно было бы предположить из этого названия. Его огромное значение было связано с тем, что это было последнее предсказание Стандартной модели, которое еще не было доказано. Но бозон Хиггса – далеко не единственное открытие БАК.

В июле 2021 года физики Большого адронного коллайдера объявили об открытии странного тетракварка Tcc+, новой формы материи. Тетракварк Tcс+ является единственной известной частицей, состоящей из четырех кварков, два из которых являются шарм-кварками (c-кварками), но не включают очарованные кварки [4].

Бак также обнаружил около 60 ранее неизвестных адронов, которые представляют собой сложные частицы, состоящие из различных комбинаций кварков, сообщает физический журнал CERN Courier. Однако все эти новые частицы все еще находятся в рамках Стандартной модели, которую БАК пытается превзойти, к большому разочарованию многих ученых, работающих над альтернативными теориями [2].

БАК был закрыт в декабре 2018 года, чтобы пройти двухлетнюю модернизацию и ремонт. По данным CERN, план перезапуска объекта был отложен из-за начала пандемии COVID-19. Наконец, 22 апреля 2022 года БАК начал готовиться к новым исследованиям в области физики элементарных частиц. Гигантское коллайдерное кольцо заработало после трехлетнего сна и теперь стало более мощным, чем когда-либо, сообщает Live Science. Ускоритель сможет сталкивать атомы вместе с небольшим увеличением энергии, но с удвоенным числом столкновений в секунду.

Данные предыдущих запусков БАК были использованы для того, чтобы впервые обнаружить призрачные нейтрино внутри машины, загадочные первобытные частицы «X» с незапамятных времен и странный паттерн, который не может быть объяснен нашим нынешним пониманием.

В новом запуске под названием Run 3 будут запущены два новых эксперимента: FASER и SND@LHC. С этими экспериментами внутри БАК физики будут искать физику «за пределами Стандартной модели». Кроме того, специальные столкновения протонов с гелием покажут, как часто образуются антипротоны, чтобы объяснить, почему материя захватила Вселенную; столкновения с участием ионов кислорода должны пролить свет на космические лучи и состояние вещества, называемое кварк-глюонной плазмой, которое, как считается, существовало сразу после Большого взрыва.

На реализацию проекта ушло четверть века; планирование началось в 1984 г., а окончательное решение было получено в 1994 г. Тысячи ученых и инженеров из десятков стран участвовали в проектировании, планировании и строительстве БАК, а затраты на материалы и рабочую силу составили почти 5 миллиардов долларов; это не включает стоимость проведения экспериментов и компьютеров.

И, конечно же, уже идут разговоры о еще более мощном ускорителе частиц, который придет ему на смену и будет располагаться в том же районе, но в четыре раза больше БАК. На строительство гигантской замены может уйти 20 лет и 27 миллиардов долларов [6].

Список литературы

1. Большой адронный коллайдер [Электронный ресурс] // britannica. – URL: https://www.britannica.com/technology/Large-Hadron-Collider (дата обращения 20.08.2023)
2. Большой адронный коллайдер: внутри ускорителя атомов ЦЕРН [Электронный ресурс] // space. – URL: https://www.space.com/large-hadron-collider-particle-accelerator (дата обращения 19.08.2023)
3. Большой адронный коллайдер: какие открытия он принес и чего ждать от перезапуска? [Электронный ресурс] // nauka. – URL: https://nauka.tass.ru/nauka/14545981 (дата обращения 17.08.2023)
4. Большой адронный коллайдер снова запустили: что ученые надеются в нем найти? [Электронный ресурс] // lenta. – URL: https://lenta.ru/articles/2022/05/16/largehadroncollider/ (дата обращения 17.08.2023)
5. Ловушка для антивещества [Электронный ресурс] // ria. – URL: https://ria.ru/20220704/lhc-1798484897.html (дата обращения 16.08.2023)
6. Что такое большой адронный коллайдер? [Электронный ресурс] // livescience. – URL: https://www.livescience.com/64623-large-hadron-collider.html (дата обращения 13.08.2023).