Большой адронный коллайдер

Изучение кварк-глюонной плазмы

Ожидается, что примерно один месяц в год будет проходить в ускорителе в режиме ядерных столкновений. Будут происходить не только протон-протонные столкновения, но и столкновения ядер свинца. При неупругом столкновении двух ядер на ультрарелятивистских скоростях на короткое время образуется и затем распадается плотный и очень горячий комок ядерного вещества. Понимание происходящих при этом явлений (переход вещества в состояние кварк-глюонной плазмы и её остывание) нужно для построения более совершенной теории сильных взаимодействий, которая окажется полезной как для ядерной физики, так и для астрофизики.

Поиск суперсимметрии

Первым значительным научным достижением экспериментов на БАК может стать доказательство или опровержение «суперсимметрии» -- теории, гласящей, что любая элементарная частица имеет гораздо более тяжёлого партнера, или «суперчастицу».

Проверка экзотических теорий

Теоретики в конце XX века выдвинули огромное число необычных идей относительно устройства мира, которые все вместе называются «экзотическими моделями». Сюда относятся теории с сильной гравитацией на масштабе энергий порядка 1 ТэВ, модели с большим количеством пространственных измерений, преонные модели, в которых кварки и лептоны являются составными частицами, модели с новыми типами взаимодействия. Дело в том, что накопленных экспериментальных данных оказывается всё ещё недостаточно для создания одной-единственной теории. А сами все эти теории совместимы с имеющимися экспериментальными данными. Поскольку в этих теориях можно сделать конкретные предсказания для БАК, экспериментаторы планируют проверять предсказания и искать следы тех или иных теорий в своих данных. Ожидается, что результаты, полученные на ускорителе, смогут ограничить фантазию теоретиков, закрыв некоторые из предложенных построений.

Другие задачи

Также ожидается обнаружение физических явлений вне рамок Стандартной Модели. Планируется исследование свойств W и Z-бозонов, ядерных взаимодействий при сверхвысоких энергиях, процессов рождения и распадов тяжёлых кварков (b и t).

Начало работы коллайдера

10 сентября 2008 года в БАК  был запущен первый пучок протонов. Планировалось, что через несколько  месяцев на коллайдере будут  осуществлены первые столкновения, однако 19 сентября из-за дефектного соединения двух сверхпроводящих магнитов на БАК произошла авария: магниты были выведены из строя, в тоннель вылилось более 6 тонн жидкого гелия, в трубах ускорителя был нарушен вакуум. Коллайдер пришлось закрыть на ремонт. Несмотря на аварию 21 сентября 2008 года состоялась торжественная церемония введения БАК в строй. Первоначально опыты собирались возобновить уже в декабре 2008 года, однако затем дата повторного запуска была перенесена на сентябрь, а после - на середину ноября 2009 года, при этом первые столкновения планировалось провести лишь в 2010 году. Первые после аварии тестовые запуски пучков ионов свинца и протонов по части кольца БАК были произведены 23 октября 2009 года. 23 ноября в детекторе ATLAS были произведены первые столкновения пучков, а 31 марта 2010 года коллайдер заработал на полную мощность: в тот день было зарегистрировано столкновение пучков протонов на рекордной энергии в 7 ТэВ.

Научные результаты

Поскольку статистика, полученная к настоящему моменту, остаётся весьма небольшой, ни о каких громких открытиях в 2010 году говорить не приходится. Работу детекторов в течение этого времени можно охарактеризовать как «переоткрытие Стандартной модели». Несмотря на это, коллайдер позволил «заглянуть» в недоступную ранее область энергий и получить научные результаты, накладывающие ограничения на ряд теоретических моделей.

Краткий перечень основных научных результатов, полученных в 2010 году:

· при трёх различных энергиях (0,9, 2,36 и 7 ТэВ) изучены основные статистические характеристики протонных столкновений -- количество рождённых адронов, их распределение по быстроте, бозе-эйнштейновские корреляции мезонов, дальние угловые корреляции, вероятность остановки протона;

· показано отсутствие асимметрии протонов и антипротонов;

· обнаружены необычные корреляции протонов, вылетающих в существенно разных направлениях;

· получены ограничения на возможные контактные взаимодействия кварков;

· получены более веские, по сравнению с предыдущими экспериментами, признаки возникновения кварк-глюонной плазмы в ядерных столкновениях;

· исследованы события рождения адронных струй;

· подтверждено существование топ-кварка, ранее наблюдавшегося только на Тэватроне;

· обнаружено два новых канала распада Bs-мезонов.

Также в 2010 году были предприняты попытки обнаружить следующие гипотетические объекты:

· лёгкие чёрные дыры;

· возбуждённые кварки;

· суперсимметричные частицы;

· лептокварки.

Финансирование проекта и международное сотрудничество

Отмечалось, что проект масштаба БАК не под силу создать одной стране. Он создавался усилиями не только 20 государств-участников CERN: в его разработке принимали участие более 10 тысяч ученых из более чем ста стран земного шара. С 2009 года проектом БАК руководит генеральный директор CERN Рольф-Дитер Хойер.

Бюджет проекта по состоянию на ноябрь 2009 года составил 6 млрд долларов. Именно столько было инвестировано в строительство установки, которое продолжалось семь лет. Ускоритель частиц создавался под руководством Европейской организации ядерных исследований. В проекте задействовано 700 специалистов из России. Общая стоимость заказов, которые получили российские предприятия, по некоторым оценкам, достигает 120 млн долларов.

В создании БАК принимает участие и Россия как член-наблюдатель CERN: в 2008 году на Большом адронном коллайдере работало около 700 российских ученых, в их числе были сотрудники ИФВЭ. Россия принимает активное участие как в строительстве БАК, так и в создании всех детекторов, которые должны работать на коллайдере.

Слухи об опасности

В последнее время LHC приобрел широкую известность из-за выступлений средств массовой информации и некоторых исследователей о возможности глобальных катастрофических последствий пуска коллайдера. Они основаны на предположениях о возможности рождения на LHC некоторых гипотетических объектов: микроскопических черных дыр (ЧД), «зародышей» новых вакуумов, «червоточин» пространства-времени, магнитных монополей и гиперустойчивых ядер с примесью странных кварков («страпелек»). Далее к этим предположениям присоединяются новые о возможности катастрофического влияния этих объектов на Землю. Все перечисленные «опасности» трудно признать реалистичными. Даже возможность существования этих объектов до сих пор не установлена. Кроме того, масштаб энергий LHC не является «критическим» для их рождения. Например, типичные энергии, которые требуются (согласно большинству из теорий, допускающих такие события) для рождения микрочерных дыр, «зародышей» и «червоточин» превосходят энергии LHC в 1015 (миллион миллиардов) раз, магнитных монополей - в 1012 раз. Поэтому вероятность рождения этих объектов катастрофически мала даже с точки зрения теорий, допускающих их существование. В теориях, где такая вероятность несколько выше (но все равно очень мала с «житейской» точки зрения), эти объекты обычно очень нестабильны и исчезают, не успев причинить никакого вреда. Для рождения стабильных страпелек энергии LHC напротив, слишком большие. Суммируя сказанное, можно сделать вывод о том, что аккуратный теоретический анализ не дает оснований хоть какую-нибудь из «опасностей» считать серьезной. Помимо теоретических, есть и практические причины не верить катастрофическим ожиданиям. В самом деле, энергии, достигнутые на уже существующих установках (например, «Тэватрон» лаборатории имени Э.Ферми и релятивистский коллайдер тяжелых ионов Брукхейвенской лаборатории), лишь на порядок уступают энергиям LHC. Эта разница существенна с точки зрения поиска бозона Хиггса или изучения свойств топ-кварка, но не является очень существенной для упоминающихся «опасных» событий. Если бы они могли происходить на LHC, физики бы обязательно увидели хоть какие-нибудь их проявления в статистике событий этих установок. Однако ничего похожего не наблюдалось. Кроме того, в просторах видимой части Вселенной немало астрофизических объектов, генерирующих пучки частиц с энергиями, о которых земные экспериментаторы даже и не мечтают. К тому же плотность потока частиц в этих пучках существенно превосходят все, что есть на Земле. Частицы с энергиями, превышающими энергии LHC, присутствуют в космических лучах, попадающих в атмосферу Земли. Наблюдения за всеми этими явлениями также не обнаруживают признаков рождения катастрофически опасных частиц

Ученые неоднократно заявляли о том, что вероятность конца света ничтожно мала. Была даже собрана специальная Группа оценки безопасности БАК, которая провела анализ и выступила с отчетом о вероятности катастроф, к которым могут привести эксперименты на БАК. Как сообщили ученые, столкновения протонов на БАК будут не опаснее, чем столкновения космических лучей со скафандрами космонавтов: они имеют иногда даже большую энергию, чем та, что может быть достигнута в БАК. А что касается гипотетических черных дыр, то они "рассосутся", не долетев даже до стенок коллайдера.

Впрочем, слухи о возможных катастрофах все равно держали общественность в напряжении. На создателей коллайдера даже подавали в суд: самые известные иски принадлежали американскому юристу и врачу Вальтеру Вагнеру и профессору химии из Германии Отто Ресслеру . Они обвиняли CERN в том, что своим экспериментом организация подвергают опасности человечество и нарушают гарантированное Конвенцией по правам человека "право на жизнь", однако иски были отклонены. Пресса сообщала, что из-за слухов о скором конце света после запуска БАК в Индии покончила с собой 16-летняя девушка.

Будущие проекты

В 2013 году CERN планирует модернизировать БАК, установив на него более мощные детекторы и увеличив общую мощность коллайдера. Проект модернизации называют Супер большим адронным коллайдером (Super Large Hadron Collider, SLHC). Также планируется строительство Международного линейного коллайдера (International Linear Collider, ILC). Его труба будет длиной в несколько десятков километров, и он должен быть дешевле БАК за счет того, что в его конструкции не требуется применять дорогостоящие сверхпроводящие магниты. Строить ILC, возможно, будут в Дубне.

Также некоторые специалисты CERN и ученые США и Японии предлагали после окончания работы БАК начать работу над новым Очень большим адронным коллайдером (Very Large Hadron Collider, VLHC).

Заключение

Человечество сейчас сталкивается с целым рядом проблем, каждая из которых грозит глобальной катастрофой: экологические кризисы, нарастающая нестабильность мира по отношению к социальным, военным и техногенным катастрофам, процессы деградации в морально-этической сфере. Вряд ли стоит концентрировать свое внимание на проблемах надуманных - полезнее заняться решением реальных.