Адронный коллайдер появляется каждые 4,5 млрд лет

Большой адронный коллайдер снова в строю. Большой – потому что представляет собой ускоритель частиц общей диной 26 километров 659 метров, залегающий в кольцевом тоннеле на глубине 100 метров. Адронный – потому что ускоряет адроны — частицы, состоящие из кварков. Коллайдер – потому что не только разгоняет их в противоположных направлениях, но и сталкивает. Нужно это для того, чтобы дать ответ на вопрос, как возникла и как развивалась Вселенная

Большой адронный коллайдер снова в строю. Большой – потому что представляет собой ускоритель частиц общей диной 26 километров 659 метров, залегающий в кольцевом тоннеле на глубине 100 метров. Адронный – потому что ускоряет адроны — частицы, состоящие из кварков. Коллайдер – потому что не только разгоняет их в противоположных направлениях, но и сталкивает (от англ. collide – сталкивать). Нужно это для того, чтобы дать ответ на вопрос, как возникла и как развивалась Вселенная.

В прошлом году его уже запускали, но столкнуть он ничего не успел, так как поломался. Ремонт агрегата обошелся в 9,82 млрд долларов и затянулся больше чем на год, хотя первоначально планировали управиться за полгода. Нынешний пуск был пробным, и проводили его для проверки работоспособности ускорителя. Столкнуть же частицы он сможет в начале января будущего года, и этого момента с опасением ожидает все не очень прогрессивное человечество.

Почему? Потому что частицы разгоняются в коллайдере почти до скорости света и при их столкновении высвобождается колоссальная энергия, которая и может привести к концу света. Есть опасения, что в местах столкновения частиц возникнут маленькие «черные дыры», которые утащат в себя сначала сам коллайдер, затем Швейцарию и Францию, на территории которых он расположен, а потом и всю Землю.

На этот счет даже анекдот появился: «Каждые 4,5 миллиарда лет физики всего мира собираются и запускают адронный коллайдер». Имеется в виду время от возникновения планеты Земля до запуска потенциально опасного ускорителя.

Идея коллайдера не нова. Строить ускорители для подобных целей начали еще в первой половине 20-го века. В 1932 году английские физики Дж. Кокрофт и Э. Уолтон из лаборатории Резерфорда разработали каскадный генератор, позволявший получить потоки ускоренных частиц большой энергии. Со временем появлялись новые технологии и материалы (установки для получения сверхнизких температур, сверхпроводящие магниты и многое другое). Ускорители становились все больше и мощнее. Осенью 1983 года на границе Швейцарии и Франции на территории Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) приступили к строительству самого большого ускорителя в мире — Большого электрон-позитронного коллайдера (LEP). Для этого на глубине 100 метров был прорыт кольцевой тоннель длиной 26 км 659 метров и сечением 3 метра. Точность подземных работ была такой высокой, что в 1988 году, когда два конца туннеля соединились, расхождение между ними равнялось всего одному сантиметру. Проработал этот ускоритель с 1989 до 2000 года, после чего эксперименты на нем были завершены, а сам он демонтирован. Освободившийся же подземный туннель стал местом размещения новой установки — Большого адронного коллайдера (Large Hadron Collider, LHC).

От своего предшественника, а также от других больших ускорителей частиц Большой адронный коллайдер отличается своей мощностью. Она на порядок выше, чем у конкурентов. Пучок протонов массой меньше пылинки LHC сможет разогнать до энергии, сопоставимой с кинетической энергией летящего самолета или со 100 килограммами тротила. В год коллайдер будет потреблять столько же энергии, сколько за то же время потребляет город Женева с населением в 185 тысяч человек. Таким образом, на данный момент LHC это самая большая и самая сложная научная машина, из когда-либо созданных человеком.

Главные детали громадной конструкции — ускорительное кольцо, смонтированное в подземном туннеле, и несколько очень массивных детекторов. Ускорительное кольцо состоит двух труб диаметром около 10 сантиметров внутри которых вакуум. По ним в противоположных направлениях с огромной скоростью будут мчаться потоки частиц. Чтобы удерживать их на круговой траектории и препятствовать падению вниз под действием силы тяжести, на частицы будет воздействовать магнитное поле огромной силы. Его будут вырабатывать несколько тысяч сверхпроводящих магнитов (ток в 10 тысяч ампер они проводят практически без сопротивления). Сверхпроводимость магнитов обеспечит криогенная система, которая охладит магниты до температуры –271,25°C. Это лишь на одну десятую градуса теплее абсолютного нуля — самой низкой температуры, которая может быть у физического тела. Вся система охлаждения LHC вмещает в себя 10 тысяч тонн жидкого азота и 60 тонн жидкого гелия.

Однако сам ускоритель выполняет только полдела — сталкивает частицы. Результаты же этих столкновений будут фиксироваться («фотографироваться») в детекторах. Это огромные агрегаты, собранные вокруг четырех точек, где вакуумные трубы ускорителя пересекаются между собой. Основных детекторов четыре — ATLAS, CMS, ALICE и LHCb. Еще два — TOTEM и LHCf — вспомогательные. Для установки самых крупных из них в грунте были вырыты гигантские каверны, ставшие самыми большими искусственными пещерами в мире. Только котлован для CMS потребовал выемки 200 тысяч кубометров породы.

Главными объектами эксперимента в коллайдере станут протоны (в частности, ядра водорода и тяжелые ядра свинца), на которые можно воздействовать электромагнитным полем. Протоны относятся к одному из классов элементарных частиц под названием адроны. Отсюда и слово «адронный» в названии коллайдера.

Принимая во внимание большую энергию протонного пучка, на коллайдере предусмотрены все возможные меры безопасности. К примеру, специальный «аварийный выход»: в случае дестабилизации пучка мощные магниты за доли миллисекунд отведут его по длинному туннелю в бункер, где он поглотится огромным графитовым буфером.

Большинство ученых уверяют, что беспокоиться насчет «черных дыр» не стоит. В течение миллиардов лет Земля непрерывно бомбардируется космическими частицами с энергией на порядок выше той, которую планируется достичь. И ничего страшного не произошло.

Так-то оно так, но там речь идет о бомбардировке, а здесь – о столкновении разнонаправленных потоков. На дороге, например, последствия лобового столкновения автомобилей всегда намного тяжелее любых других аварий. И если бояться нечего, то почему предусмотрены такие впечатляющие меры безопасности?

Так или иначе, мы сможем узнать все это в начале января. Впрочем, если что-нибудь пойдет не так, то никто ничего не успеет сообразить. Просто другие физики соберутся через 4,5 миллиарда лет на другой Земле и запустят новый адронный коллайдер.

Автор: Леонид Рудницкий.