Ловись частица новая

Б — значит большойДавайте вспомним, что такое коллайдер. Это устройство, которое сначала разгоняет до околосветовой скорости какие-либо частицы (протоны, например), а потом сталкивает их друг с другом «в лоб». По английски to collide и есть «сталкиваться», так что в русском языке БАК мог бы быть БАС-ом, большим адронным столкновителем. При столкновении частиц физики наблюдают те процессы, которые в обычных условиях зафиксировать невозможно. Это позволяет разобраться как устроена наша материя: какие бывают частицы, как они взаимодействуют между собой и каковы их параметры. Бозон Хиггса, например, является не просто каким-то редким объектом, а частицей, ответственной за появление у всех прочих меры инертности, массы; он играет ключевую роль в Стандартной модели, самой полной на сегодня картине устройства мира. Коллайдеры появились в арсенале учёных ещё в 1960-е годы: так, в 1962 году итальянские физики из Национального института ядерной физики построили ADA, Anello Di Accumulazione, «накопительное кольцо». Энергия частиц составляла всего 0,25 ГэВ против 13 000 ГэВ у БАК, а электронов в пучках насчитывалось около десяти миллионов против БАК-овских 2808 сгустков по сто миллиардов протонов. По мере создания новых ускорителей энергия частиц росла и вместе с ней росла такая важнейшая характеристика коллайдера, как светимость. Эта величина не имеет ничего общего с обычным светом и выражается в обратных секундах, умноженных на обратные сантиметры в квадрате. Так что теперь?Если кратко — то теперь физики очень хотят найти что-то не предсказанное Стандартной моделью. Стандартная модель (обозначим её, пожалуй, СМ для краткости) сама по себе очень хороша, но она не в состоянии описать множество интересных вещей, от тёмной материи до гравитации; более того, она формально допускает и некоторую свободу в отношении своего содержания.Как несложно догадаться, для выхода за пределы СМ нужно найти что-то ранее неизвестное. А для этого, в свою очередь, нужна бóльшая светимость и бóльшая энергия частиц — чтобы обеспечить заметное число столкновений частиц с достаточной энергией. В ЦЕРНе (Европейский центр ядерных исследований, где расположен БАК) уже приняли принципиальное решение провести на коллайдере ещё одну серию экспериментов в 2021—2023 годах (так называемый Run 3), а потом провести капитальную модернизацию ускорителя. Светимость коллайдера после этого может вырасти в десять раз, но и уже к началу Run 3 её рассчитывают поднять вдвое, достигнув того предела, на который указывают отвечающие за сверхпроводящие магниты инженеры. Большая светимость позволит проверить, например, ряд гипотез о тёмной материи. Этой загадочной субстанции во Вселенной намного больше обычного вещества, но мы пока знаем о ней исключительно по косвенным признакам. Просто галактики ведут себя так, будто в них есть ещё много чего-то тяжёлого — но никто не знает, о чём же, собственно, идёт речь. Это должны быть какие-то частицы, которые взаимодействуют с уже известными очень редко: в переводе на физический язык у тёмной материи малое сечение взаимодействия. Изучая редкие высокоэнергетические процессы, учёные могут напасть на следы этих загадочных частиц. И это — одна из фундаментальных задач БАК на ближайшие годы. Другая большая теория, которая может быть проверена при помощи новых данных — суперсимметрия. Её суть заключается в том, что бозоны (ответственные за взаимодействие) и фермионы (кварки, лептоны и нейтрино) на самом деле могут иметь «двойников», причём двойниками известных бозонов будут неизвестные фермионы, а у открытых фермионов найдут бозонную пару. Теория суперсимметрии довольно детально проработана математически, но не подтверждена и не опровергнута на практике. Кроме того, ряд теорий предсказывает новые долгоживущие частицы. Правда, слово «долгоживущие» следует понимать с поправкой на реалии физики частиц высоких энергий: то, что успеет на околосветовой скорости пролететь несколько метров, уже признаётся «долгожителем». Практического смысла во всех этих теориях пока немного, однако когда-то и расщеплением атома занимались исключительно в рамках фундаментальной науки.Инженерный шедеврОбеспечить сочетание «много частиц — высокие энергии» крайне сложно и перед инженерами ЦЕРН стоит целый ряд задач. Поместить в коллайдер возможно большое число сгустков протонов, направить частицы с большой энергией в нужное место, собрать и обработать всю информацию о столкновениях, найти безопасный способ быстро избавиться при необходимости от пучка с энергией летящего самолёта: всё это требует времени и сил. А ведь БАК уже, без преувеличения, настоящий шедевр инженерного искусства, одна из сложнейших технических систем в истории человечества.Достичь заявленного роста параметров можно лишь усовершенствовав целый комплекс устройств: и в первую очередь речь идёт об отклоняющих частицы магнитах. Кроме того, существующее оборудование потихоньку изнашивается из-за облучения отклонившимися от основного пучка частицами. Магниты, управляющие движением протонов, к концу Run 3 получат дозу в 30 миллионов грей (смертельная для человека — несколько грей). Даже для металла это не очень хорошо, поэтому после 2023 года коллайдер в любом случае надо будет ремонтировать. Модернизация коллайдера затрагивает и детекторы, то есть установки, внутри которых происходят столкновения частиц (таких точек в БАК всего несколько и только там траектории пучков пересекаются). Каждый детектор устроен по принципу слоёного пирога или рулета: в центре проходит вакуумная труба с летящими частицами, далее вокруг места пересечения пучков частиц выстраивается несколько слоёв разных сенсоров. Такая схема позволяет поймать большую часть вылетевших при столкновении протонов, измерить их энергии, определить направление движения и таким образом добыть информацию о том процессе, который и породил эти частицы. Всего в БАК семь детекторов — из которых три специализированных и четыре больших, предназначенных для решения сразу нескольких задач. Большие это ALICE, ATLAS, CMS и LHCb, они позволяют получать основные научные данные. Чтобы приспособить ATLAS и CMS к работе с большой светимостью, инженеры запланировали прокладку двух новых тоннелей длиной по 300 метров, сооружение десяти дополнительных зданий на поверхности и двух шахт, связывающих подземные залы коллайдера с поверхностью. Решение всех этих задач может помочь не только физикам. Работа над сложнейшими системами сбора и анализа данных, создание сверхмощных магнитов, разработка датчиков для обнаружения частиц — всё это приводит к появлению новых технологий. Достаточно сказать, что сами ускорители, бывшие когда-то сугубо научными инструментами, сегодня применяются по большей части в прикладных целях. Ими выжигают раковые опухоли, их используют для синтеза радионуклидов (опять-таки лучевая терапия и диагностика), с их помощью изготавливают микросхемы и проводят химические анализы. Модифицированные детекторы для элементарных частиц стали основой противопожарной сигнализации, ну, а компьютерная сеть ЦЕРНа подарила миру технологию World Wide Web — интернет в привычном нам виде. То ли ещё будет.