Форум Боевых Леопардов

Большой адро́нный колла́йдер (англ. Large Hadron Collider, LHC) — ускоритель, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов и строящийся в настоящее время в исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire).

Цели

Одной из основных целей проекта LHC является экспериментальное доказательство существования бозона Хиггса — частицы из Стандартной Модели (СМ), — а также обнаружение физических явлений вне рамок СМ. Также, планируется исследование свойств W и Z-бозонов, ядерных взаимодействий при сверхвысоких энергиях, процессов рождения и распадов тяжёлых кварков (b и t). Первым значительным научным достижением этого эксперимента может стать доказательство или опровержение «суперсимметрии» — теории, гласящей, что любая субатомная частица имеет гораздо более тяжёлого партнера, или «суперчастицу».

В начале XX века в физике появились две основополагающие теории — общая теория относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна, которая описывает Вселенную на уровне макро-, и квантовая теория поля, которая описывает Вселенную на уровне микро-. Проблема в том, что эти теории несовместимы друг с другом. Например, для адекватного описания происходящего в чёрных дырах нужны обе теории, а они вступают в противоречие. Однако, даже если не рассматривать такие «экстремальные» условия, некоторые физики чувствуют неудовлетворённость.

Ещё Эйнштейн в последние годы жизни хотел разработать Единую Теорию Поля, но количество эмпирического материала была тогда недостаточно. Во второй трети XX века физикам удалось разработать Стандартную Модель, которая объединяла три из четырёх фундаментальных взаимодействий — сильное, слабое и электромагнитное.

В конце XX века физики начали разрабатывать теорию, которая смогла бы объединить все четыре взаимодействия. Оказалось, однако, чрезвычайно трудно добавить гравитационное взаимодействие в Стандартную Модель. Таким образом, в настоящее время фундаментальные взаимодействия описываются двумя общепринятыми теориями: ОТО и Стандартной Моделью. Их объединения пока достичь не удалось из-за трудностей создания теории квантовой гравитации. Для дальнейшего объединения фундаментальных взаимодействий используются различные подходы: теория струн, теория бран, а также перспективная М-теория.

Некоторые из них имеют проблемы внутри себя, и ни у одной из них нет экспериментального подтверждения. Проблема в том, что для проведения соответствующих экспериментов нужны энергии, недостижимые на современных ускорителях заряженных частиц.

Большой адронный коллайдер позволит провести эксперименты, которые ранее было невозможно провести и, вероятно, подтвердит или опровергнет часть этих теорий. Так, существует целый спектр физических теорий с размерностями больше четырёх, которые предполагают существование «суперсимметрии» — например, теория суперструн. Подтверждение существования «суперсимметрии», таким образом, будет косвенным подтверждением истинности этих теорий.

История строительства

Идея проекта Большого адронного коллайдера (БАК) родилась в 1984 году и была официально одобрена десятью годами позже. Его строительство началось в 2001 году, после окончания работы предыдущего большого ускорителя CERN — электрон-позитронного коллайдера LEP (Large Electron-Positron Collider).

На БАК предполагается сталкивать протоны с суммарной энергией 14 ТэВ (то есть 14 тераэлектронвольт или 14·1012 электронвольт) в системе центра масс налетающих частиц, а также ядра свинца с энергией 5,5 ГэВ (5,5·109 электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов.

БАК строится в туннеле, который прежде занимал LEP. Туннель с длиной окружности 26,7 км проложен на глубине около ста метров под землёй на территории Франции и Швейцарии. Для удержания и коррекции протонных пучков используются 1 624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км. Последний из них был установлен в туннеле 27 ноября 2006 года. Магниты будут работать при температуре −271 °C. Строительство специальной криогенной линии для охлаждения магнитов закончено 19 ноября 2006 года.

Информация о запуске БАК 8 июля 2008 года, появившаяся на некоторых сайтах, не соответствует действительности. Большинство СМИ ссылались на размещённый в интернете счётчик, источник информации которого неизвестен. На официальном сайте БАК дата запуска коллайдера не указана,[1] однако 8 июля в вечерней программе «Время» на Первом канале была объявлена ориентировочная дата тестового запуска коллайдера — октябрь 2008 года. В официальном коротком техническом отчёте CERN упоминается о том, что не все сектора охлаждены до нужной температуры и что пробная циркуляция пучков начнётся не раньше сентября 2008 года.

После запуска, БАК будет самым высокоэнергичным ускорителем элементарных частиц в мире, почти на порядок превосходя по энергии своих ближайших конкурентов — протон-антипротонный коллайдер Tevatron, который в настоящее время работает в Национальной ускорительной лаборатории им. Э. Ферми (США), и релятивистский коллайдер тяжёлых ионов RHIC, работающий в Брукхейвенской лаборатории (США).

Испытания

11 августа 2008 года успешно завершена первая часть предварительных испытаний. Во время испытаний пучок заряженных частиц прошёл чуть более трёх километров по одному из колец БАКа. Таким образом, учёным удалось проверить работу синхронизации предварительного ускорителя, так называемого супер протонного синхротрона (SPS), и системы правой доставки луча. Эта система передаёт в основное кольцо разогнанные пучки таким образом, что они начинают двигаться по кольцу по часовой стрелке. В результате испытаний удалось оптимизировать работу системы.

Второй этап испытаний запланирован на 22 августа 2008 года. Учёные будут проверять систему левой доставки луча, которая запускает пучок против часовой стрелки по кольцу БАКа.

Следующее испытание назначено на 10 сентября. Тестовый запуск будет транслироваться в прямом эфире телеканала «Евроньюс». Энергия сталкивающихся пучков во время Commission Run будет в два раза ниже, чем энергия в системе центра масс на коллайдере Tevatron. В конце 2008 года планируется выход на энергию 7 ТэВ, затем коллайдер закроют на зимний период, в течение которого его постараются оптимизировать. Весной 2009 года ускоритель заработает на полную энергию (14 ТэВ) и будет постепенно повышать светимость.

Аргументы в пользу катастрофического сценария

По мнению сторонников катастрофического сценария, существует принципиальная разница между бомбардировкой Земли космическими частицами и экспериментами на ускорителе. В первом случае сталкиваются прилетающие из космоса ультрарелятивистские (летящие со скоростью, близкой к скорости света) элементарные частицы с элементарными частицами на Земле, скорость которых мала. Образующиеся частицы также являются ультрарелятивистскими и улетают в космическое пространство, не успев причинить Земле никакого вреда. В коллайдере же сталкиваются пучки элементарных частиц, летящие с ультрарелятивистскими скоростями в противоположных направлениях. Образующиеся микроскопические чёрные дыры и другие опасные частицы могут вылетать с любыми скоростями. Некоторые из них будут настолько медленными, что не смогут покинуть Землю.

Общая теория относительности в виде, предложенном Эйнштейном, не допускает возникновения микроскопических чёрных дыр в коллайдере. Однако они будут возникать, если верны теории с дополнительными пространственными измерениями. По мнению сторонников катастрофического сценария, хотя такие теории и умозрительны, вероятность того, что они верны, составляет десятки процентов. Излучение Хокинга, приводящее к испарению чёрных дыр, также является гипотетическим — оно никогда не было экспериментально подтверждено. Поэтому есть достаточно большая вероятность того, что оно не действует.

Кроме того, высока вероятность образования страпелек.

Аргументы противников катастрофического сценария

Сравнение с природными скоростями и энергиями

Коллайдер предназначен для ускорения и сталкивания частиц (адронов, атомарных ядер). Однако, существуют природные источники частиц, скорость и энергия которых значительно выше, чем в коллайдере[13] (см.: Зэватрон). Такие природные частицы обнаруживают в космических лучах. Поверхность планеты Земля частично защищена от этих лучей, но, проходя через атмосферу, частицы космических лучей сталкиваются с атомами и молекулами воздуха. В результате этих природных столкновений в атмосфере Земли рождается множество стабильных и нестабильных частиц. В результате, на планете уже в течении многих миллионов лет присутствует естественный радиационный фон.

Летом 2008 года учёные обнаружили в районе Крабовидной туманности природный ускоритель заряженных частиц.

То же самое (сталкивание элементарных частиц и атомов) будет происходить и в БАК, однако с меньшими скоростями и энергиями, и в гораздо меньшем количестве.