Интернет, без которого мы уже не представляем наш день, мог и не появиться, если бы в 1989 году Тим Бернерс-Ли из ЦЕРНа не создал концепцию Всемирной паутины. Сегодня главный проект этого центра ― гигантская машина, скрытая под землей на границе Швейцарии и Франции, тоже меняет наше представление о мире.
Речь о Большом адронном коллайдере (БАК), который был запущен ровно 17 лет назад, 10 сентября 2008 года. Чтобы понять, как работает коллайдер, нужно представить, что он не просто тыкает палочкой в тайны Вселенной, а воссоздает первые мгновения после Большого взрыва с помощью труб длиной в десятки километров и мороза холоднее космоса.
Зачем нужен коллайдер
Вам подарили смартфон последней модели, но запретили в него заглядывать. Совсем. Ужасное чувство, не правда ли? Примерно так ощущали себя и ученые, пытаясь понять устройство Вселенной, но не имея под рукой коллайдера.
Любой коллайдер ― это своего рода супермикроскоп для разбора материи. Но его польза не только в генерации Нобелевок по физике. Что узнают ученые, когда работают на коллайдерах? Открывают неизвестные «кирпичики» Вселенной. Самый знаменитый пример ― бозон Хиггса, а еще были пентакварк и тетракварки.
Когда физики не ищут новое, то создают антиматерию или проводят тест-драйвы законов физики: например, проверяют на прочность Стандартную модель. На данный момент это главная теория о строении и взаимодействии элементарных частиц во Вселенной, по сути строения всего сущего в этом мире.
Есть шанс, что с помощью БАК ученые откроют так называемую новую физику, которая объяснит то, в чем мы пока разобраться не можем. А это, в свою очередь, даст ответы на многие вопросы, например, поможет понять темную материю или найти новые измерения.
Еще одна особенность, которую дарят БАК и его сородичи, ― возможность попасть в своего рода машину времени. Пусть и на доли секунды, но эти машины создают состояние материи, которое было сразу после Большого взрыва.
А еще без коллайдеров не было бы… Всемирной паутины. Потому что первый Интернет, отдаленно похожий на сегодняшний, задумали в 1980-х годах в ЦЕРНе. Он был необходим, чтобы ученые могли быстро обмениваться документами, которые располагались на подключенных к Сети компьютерах. Чуть позже такие документы стали называться веб-страницами.
Для Большого адронного коллайдера создают самые инновационные решения и материалы, а также новые подходы к обработке больших данных (big data). Так, распределенные вычисления начали зарождаться сначала в стенах ЦЕРНа, потому что БАК генерирует данные в безумных объемах. Всего этого могло бы и не быть без этого гигантского кольца.
Словом, БАК ― двигатель не только науки, но и технологий в нашей повседневной реальности.
Принцип работы коллайдера простыми словами
Коллайдер ― это одна из разновидностей ускорителя частиц. Если классические ускорители «стреляют» по стоящей на месте мишени, то в коллайдере частицы сталкиваются во встречных потоках. Это необходимо, чтобы энергия была очень высокой (частицы мчатся навстречу друг другу и сталкиваются лоб в лоб). Только в этом случае «микровзрывы» происходят особенно эффектно. БАК в этом смысле ставит мировые рекорды.
Чтобы понять, как это работает, представим гигантскую электромагнитную рогатку. Ее «снаряды» ― пучки частиц, а цель ― не попасть в соседского драчуна, а устроить пучкам частиц «ДТП» на нереальной скорости. Собственно, collide переводится с английского языка как «сталкивать».
- Ключ на старт: ученые используют для экспериментов протоны из атомов водорода (протонный пучок), а также ядра свинца (ионный пучок). Небольшие ускорители устраивают им первый разгон.
- Раскрутка: частицы загоняют в «бустер» ― кольцо небольшого размера. Магниты при этом держат частицы на нужной кольцевой траектории и сжимают пучок, а электрические пушки (резонаторы) разгоняют частицы. Затем частицы отправляют в следующий разгоняющий кольцевой ускоритель, где их дополнительно раскручивают и разгоняют еще больше.
- Выход на трек: сильно ускоренные протоны и ядра свинца вбрасывают в главное кольцо БАКа длиной 27 км.
- Тапка в пол: в основном кольце сверхмощные магниты (охлажденные жидким гелием до температуры −271,3 °C, то есть практически до абсолютного нуля) не дают частицам свернуть с намеченного учеными трека. Тем временем электропушки (резонаторы) разгоняют их с каждым кругом почти до скорости света.
- Фокусировка: магниты сжимают пучок протонов до «пятна» тоньше человеческого волоса. В противном случае частицы были бы слишком сильно распределены в пространстве и не смогли бы столкнуться на следующем этапе с мчащимися навстречу им другими частицами.
- Взрыв: в четырех точках на протяжении кольца БАК пучки сталкивают лоб в лоб. Энергия удара чудовищная, поэтому в нем рождаются новые частицы.
- Фиксация: момент лобового столкновения, который занимает доли секунды, снимают гигантские детекторы размером с многоэтажный дом. Они собирают информацию о последствиях «ДТП» со всех ракурсов. И это самые быстрые и сложные «камеры» в мире.
- Анализ: данные, а их собирается петабайты в секунду, разбирают на компьютерах по всему миру. Ученые ищут редкие события ― следы новых частиц, а порой и новых для науки явлений.
Из чего состоит коллайдер: ключевые компоненты и их функции
Коллайдер ― это не просто гигантское кольцо с тоннами дорогостоящей аппаратуры. Это настоящий технологический город. Каждому прибору определена задача.
Вакуумная труба
Нужна, чтобы протоны летели, не врезаясь в молекулы воздуха. Вакуум тут глубже, чем в космосе.
Сверхмощные дипольные и квадрупольные магниты
Сверхмощные дипольные, словно рельсы, гнут траекторию протонов в кольцо, а квадрупольные, как линзы, фокусируют пучок в точку значительно тоньше диаметра волоса (несколько долей миллиметра). Магниты сверхпроводящие, что позволяет им создавать магнитное поле значительно сильнее земного. Охлаждают магниты тем самым жидким гелием.
Вбрасывающие и сбрасывающие пучок магниты
Они включаются всего за три микросекунды, когда нужно быстрее чем мгновенно ввести пучок в главное кольцо БАК или вывести из него.
Врезка: Каждый дипольный магнит размером примерно с пятиэтажное здание и весит примерно 35 т. А вакуумная труба имеет диаметр всего 5 см, и ни одна частица не должна врезаться в ее стенки.
Ускоряющие резонаторы
Очень точно подталкивают «пакеты» частиц вперед мощным электрическим полем на каждом круге. Ни один протон не отстанет и не улетит вперед своей группы. Без них не удалось бы развить такие скорости. Также работают при «сверхпроводящих» температурах (-268,7 °C), чтобы избежать потерь энергии в виде тепла.
Детекторы
Фиксируют все «осколки» столкновений. Они многослойны: одни слои записывают траектории частиц, другие измеряют их энергию, третьи ловят «проныр», таких как почти неуловимые мюоны. Разные детекторы «ловят» разные процессы и разные частицы.
Система охлаждения
«Замораживает» магниты и резонаторы до сверхпроводящего состояния. Один из самых сложных инженерных узлов БАК.
Центр сбора данных
Контролирует все процессы, следит за безопасностью, питает установку мегаваттами энергии, обрабатывает петабайты данных.
Типы коллайдеров: какими бывают и чем отличаются
Коллайдеры ― это семейство самых разных машин. Почти все они загнуты в кольцо, так как такая форма удобнее для экспериментов, но были в истории и коллайдеры, представляющие собой прямую линию.
Какой коллайдер выбрать? Представим, что мы ученые, и этот вопрос для нас вовсе не праздный. Положим, мы одни из тех физиков, которые обладают бюджетом в миллиарды в любой валюте мира. Как же выбрать параметры мегамашины? На какие ключевые особенности смотрят ученые? Все зависит от задачи и сталкиваемых частиц. «ДТП» ученые устраивали электронам, позитронам (античастица электрона), протонам и антипротонам (античастицам протонов), ионам.
В будущем главными «игроками» на поле физики высоких энергий могут стать мюонные коллайдеры. Эти частицы (мюоны) потенциально смогут давать большие энергии столкновений даже при более компактных размерах самих машин.
- Высокие энергии позволяют физикам разбить материю на все более «мелкие» составляющие.
- Чем выше энергия, тем больше столкновений происходит на одном и том же отрезке времени (как говорят ученые, повышается светимость пучков).
- Чем больше столкновений «в секунду», тем больше вероятность отыскать в результатах «ДТП» редкие события, а также уверенно зарегистрировать неуловимые процессы (набрать необходимую статистику, получить нужную достоверность этих событий, исключить погрешности в данных).
- Также столкновения на высокой скорости позволяют получить состояния материи, которые существуют только в экстремальных условиях (как при Большом взрыве).
Век больших открытий только начался
Большой адронный коллайдер будет собирать данные примерно до 2040 года. После этого ученые будут расшифровывать то, что удалось зафиксировать и наверняка сделают еще немало открытий.
После окончания работы БАК в Европе начнется строительство новой научной машины ― коллайдера FCC (диаметр его кольца будет доходить почти до 100 км).
Каждый новый коллайдер ― фантастическая инженерная сложность и соответствующая цена. Создание FCC оценивается примерно в 20 млрд евро. Для сравнения: БАК обошелся миру в 5 млрд евро.
Если все пойдет по плану, FCC начнет работать примерно в 2070-х годах. Рекорд энергии столкновений сдвинется с сегодняшних 14 ТэВ до 100 ТэВ. Многие молодые физики, которые сегодня только начинают путь в профессии, могут не дожить до торжественного открытия нового научного гиганта.
Столкновений будет еще больше, и, вполне возможно, обработка накопленных данных потребует новых прорывов в информационных технологиях, например, подключения к расчетам гибридных квантово-суперкомпьютерных систем вычислений.
Тем временем в России на проектные мощности выходит коллайдер NICA в Дубне. На нем ученые будут сжимать материю до невероятных плотностей, таких которые можно найти в нейтронных и сверхновых звездах.
Российский коллайдер будет сталкивать тяжелые ионы, чтобы воссоздать и изучить состояние вещества в первые секунды после Большого взрыва. Новые данные помогут понять, как из первичного «супа» из кварков и глюонов образовались привычные нам протоны и нейтроны. Мы тоже состоим из них.
Коллайдер ― это окно в самое сердце материи
Появление Большого адронного коллайдера изменило мир. Физики получили возможность заглянуть во времена Большого взрыва, где был рожден мир таким, каким мы его знаем. Ученые уже пересматривают представления о Вселенной и даже некоторые выведенные ранее законы физики.
Но коллайдеры становятся мощнейшими двигателями прогресса и в обычной жизни, а их реальная магия состоит в технологиях, которые они порождают.
- Интернет, без которого вы бы сейчас не читали эту статью, родился в ЦЕРНе.
- Медицинские изображения, спасающие жизни, также стали побочным продуктом ускорительной физики.
- Технологии создания сверхпроводящих магнитов для поездов на магнитной подушке или будущих термоядерных реакторов тоже были отработаны на коллайдерах.
- Распределенные вычисления (сегодня используются, например, для поиска жизни во Вселенной), впервые придуманные для анализа огромных объемов данных на обширной сети компьютеров, также были созданы для ЦЕРНа.
И тем не менее коллайдер ― это прежде всего инженерный шедевр, позволяющий понять, как устроен мир на фундаментальном уровне.
