Большой адронный коллайдер

Большой адронный коллайдер

Большой адронный коллайдер (БАК) представляет собой циклический ускоритель элементарных частиц на встречных пучках. Его назначение – разгон пучков протонов и тяжёлых ионов и изучение продуктов их столкновений.

Большим его называют из-за гигантских размеров. Длина его основного кольца (кольцевого туннеля) составляет 26 659 м2. Сам туннель расположен на глубине от 50 до 175 метров. А почему адронный? Потому что протоны и тяжёлые ядра атомов являются адронами, частицами, состоящими из кварков. Ну а коллайдер (collider) в переводе с английского означает сталкиватель. Внутри коллайдера 2 встречных пучка сталкиваются в специальных местах столкновения, которые называются детекторами элементарных частиц.

Проект БАК был разработан Европейским центром ядерных исследований (CERN) в 1995 г., хотя сама идея его создания появилась ещё в 1984 г. ЦЕРН находится недалеко от Женевы, на границе Швейцарии и Франции.

Для чего нужен Большой адронный коллайдер

Большой адронный коллайдер

Питер Хиггс

Во-первых, для того чтобы создать условия для рождения элементарных частиц.

Во-вторых, для того чтобы открывать новые элементарные частицы и изучать их свойства.

В-третьих, и это, пожалуй, самое главное, объединить две теории: ОТО и СМ.

Науке известны 4 фундаментальных воздействия: сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное. Первые три объединяет Стандартная модель (СМ), созданная в конце 70-х годов прошлого столетия. А вот четвёртое, гравитационное, описывает общая теория относительности (ОТО), открытая в начале ХХ века Альбертом Эйнштейном. И объединить их до сих пор не удалось.

В Стандартной модели фермионы, частицы с полуцелым спином, считаются «кирпичиками» материи, а взаимодействие между ними переносят калибровочные бозоны – частицы с целым спином. Их 12: восемь глюонов, 3 калибровочных бозона (W+, W- и Z0) – для слабого взаимодействия и один фотон – для электромагнитного взаимодействия. Одиннадцать из них учёные уже смогли наблюдать. Двенадцатая - бозон поля Хиггса, того самого, которое придаёт массу частицам, которые обладать ею не должны.

Доказать существование бозона Хиггса было равнозначно доказательству существования самого поля Хиггса. И это стало одной из основных задач, решить которую надеялись с помощью Большого адронного коллайдера. 

Ускорение частиц в Большом адронном коллайдере

Большой адронный коллайдер

Схема БАК

Что же происходит в БАК?

Частицы в нём разгоняются почти до скорости света в вакууме. Делается это в несколько этапов.

На первом этапе с помощью линейных ускорителей  Linac 2 и Linac 3 происходит инжекция (впрыскивание) протонов и ионов свинца, которые попадают в  PS-ускоритель и далее в PS (протонный синхротрон), где происходит их дальнейшее ускорение. Здесь они получают энергию в 28 ГэВ, и их скорость уже приближается к скорости света. В дальнейшем они ускоряются в  протонном суперсинхротроне SPS (Super Proton Synchrotron), а их энергия возрастает до 450 ГэВ. После этого сгусток протонов направляется в основное ускорительное кольцо, в котором его энергия доводится до максимального значения 7 ТэВ. В этом кольце и происходят столкновения встречных пучков. Кольцо разделено на 8 секторов. Движение пучка протонов в каждом из них управляют мощные магниты, стоящие в ряд. Длина одного магнита почти 15 м, а его вес более 27 тонн. Благодаря этому частицы, получая ускорение, не вылетают за пределы кольца, а остаются внутри него.

Сгустки частиц сталкиваются в специальных точках ускорительного кольца. В четырёх из них установлены детекторы частиц, предназначенные для изучения и измерения параметров элементарных частиц, рождающихся в результате столкновения.

Открытия, совершённые в БАК

Большой адронный коллайдер

Рождение бозона Хиггса

В июле 2012 года в результате экспериментов на БАК была открыта новая частица с массой около 125—126 ГэВ. Так как её четность и измеренные вероятности распадов совпадали с параметрами предсказанного бозона Хиггса, то физики пришли к выводу, что открытая ими частица и есть тот самый бозон, последняя найденная частица Стандартной модели. В декабре 2013 года были зафиксированы следы распада бозона Хиггса на тау-лептоны и пары b-кварк и b-антикварк.

В 2015 году на БАК была экспериментально открыта новая частица пентакварк.

БАК – это самое сложное экспериментальное сооружение, когда-либо созданное учёными. В настоящее время – это крупнейший международный научный проект. Учёные из 85 стран мира изучают картины субатомного мира, тёмной материи и тёмной энергии, что позволит узнать о свойствах материи гораздо больше, чем было известно ранее.

В 2018 г. Большой адронный коллайдер отпраздновал своё 10-летие.  И хотя его довольно часто ремонтируют, планируется, что работать он будет до 2040 года.