Что такое коллайдер и зачем он нужен

“Коллайдер” (collider) с английского можно перевести как “сталкиватель”, “организатор столкновений”. Так назвали прибор, в котором разгоняются и сталкиваются встречные пучки элементарных частиц: электронов, протонов, тяжелых ионов.

Если упростить, коллайдер состоит из труб, в которых под действием магнитного поля движутся и ускоряются пучки протонов, электронов или ионов. Как источник протонов используют обычно водород, как источник ионов — ионизированный свинец и некоторые другие металлы. Когда элементарные частицы достигнут нужной скорости, магнитное поле от огромных электромагнитов направляет их в место столкновения, где установлены супер-чувствительные детекторы. Частицы сталкиваются, рождаются новые: фотоны, нейтроны, кварки, глюоны, мюоны, бозоны. Датчики фотографируют, но не сами частицы, а их следы (треки), по которым можно судить о массе, заряде и энергии частиц.

Хотя масса задействованного в коллайдере вещества очень мала (порядка нанограммов), энергия столкновений сравнима с кинетической энергией реактивного самолета в полете. Однако она тут же расходуется на дальнейшие преобразования частиц.

Какие бывают коллайдеры

В зависимости от типа частиц коллайдеры делятся на электрон-позитронные, электрон-протонные и адронные (протон-протонные, протон-антипротонные, ядерные) коллайдеры.

Кроме того, коллайдеры могут быть линейными и кольцевыми. Линейный был всего один, сейчас он уже не работает, а второй — только в проекте. Чтобы разогнать пучки элементарных частиц до нужной скорости, требуется время, поэтому логично закольцевать их треки и заставить бегать по кругу, как машины на гонках Формулы-1.

Зачем нужны коллайдеры?

Коллайдеры используются для изучения свойств элементарных частиц, и шире — для изучения свойств материи, строения и происхождения Вселенной. Все это задачи теоретической науки.

Коллайдеры очень дороги в производстве и обслуживании. Бюджет БАК — 2 млрд евро в год. Поэтому их могут себе позволить только государства или международные государственные консорциумы. Практическое применение открытий, совершенных с помощью коллайдеров, пока что довольно узкое и является скорее побочным эффектом, чем целью (в частности, в ЦЕРН изобрели метод позитронно-эмиссионной томографии, очень точное медицинское обследование). Однако то же самое можно сказать о любых открытиях в фундаментальной науке: их практическое приложение может обнаружиться лишь через десятки лет. Например, явление сверхпроводимости было открыто в 1911 году, а в промышленности сверхпроводники начали применять только в XXI веке.

Сколько коллайдеров в мире?

Первый коллайдер начал работу в лаборатории итальянского Национального института ядерной физики во Фраскати, недалеко от Рима, в 1961 году.

В данный момент функционируют 7 коллайдеров, все они кольцевые. Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider, LHC) на границе Швейцарии и Франции, принадлежащий Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN); релятивистский коллайдер тяжелых ионов в Брукхейвенской национальной лаборатории в США; остальные коллайдеры электрон-позитронные: DAFNE во Фраскати; SuperKEKB в Японии; ВЕРС в Пекине: два коллайдера в Новосибирске (Россия).

Также в данный момент еще шесть коллайдеров находятся на стадии проекта. Причем в Японии, например, все проектные работы для линейного коллайдера ILC давно выполнены, но пока что не достигнуты международные договоренности по финансированию строительства, а Япония не жаждет в одиночку начинать работы, требующие миллиардных расходов.

25 коллайдеров, функционировавших ранее, с 1961 по 2008 годы, выведены из строя и прекратили свое существование. Надо заметить, что большинство новых коллайдеров сооружают на месте старых, потому что для них уже построены здания и\или прорыты тоннели и готова другая инфраструктура.

Самый знаменитый коллайдер — БАК

Название “Большой адронный коллайдер” слышали даже те, кто ничего не помнит из школьного курса физики. Самый большой и мощный на данный момент коллайдер LHC находится на границе Швейцарии и Франции, в долине Женевского озера. Кольцевой туннель длиной 27 километров и диаметром около 4 м прокладывали одновременно с французской и швейцарской стороны. Кроме основного кольца, есть еще несколько тоннелей, которые используются для предварительного ускорения — линейные и маленький кольцевой.

На большом кольце находятся четыре главных детекторных установки, на которых проводятся разные, отдельные друг от друга эксперименты по столкновению элементарных частиц. Детектор ATLAS, самый большой, имеет размеры 43 на 22 метра и весит около 7 тысяч тонн. Другой детектор, CMS, по размеру меньше, но весит 15 тысяч тонн.

Сама лаборатория ЦЕРН  находится на территории Швейцарии, возле Женевы. В лаборатории работают ученые из разных стран мира, не только членов и наблюдателей CERN. Но чтобы получать данные экспериментов, проводящихся на БАК, не обязательно находиться в Швейцарии. Данные с детекторов поступают на суперкомпьютер ЦЕРН, а потом распределяются по 170 компьютерным центрам в 40 странах мира, где их хранят, анализируют и обрабатывают. Эта система называется Grid, она обеспечивает 13 тысячам ученых из 100 разных стран бесперебойный доступ к данным и их обработке

Зачем нужен Большой адронный коллайдер? Его (и ЦЕРН) главная задача — раздвигать рамки современных представлений о том, как устроена Вселенная. Если точнее, то здесь пытаются найти отклонения от так называемой Стандартной модели, описывающей взаимодействия элементарных частиц. Пока получили только подтверждения — в том числе открыли в 2012 году предсказанный ранее теоретически бозон Хиггса. 

Опасен ли Большой адронный коллайдер?

С начала строительства БАК в конце 90-х годов и до настоящего времени в научной среде и в обществе периодически поднимались вопросы его безопасности. В частности, Ден Браун в книге «Ангелы и демоны» (2000 г) описал кражу антивещества из Большого адронного коллайдера с целью взорвать с его помощью Ватикан. В испанском сериале «Ковчег» из-за взрыва на коллайдере ушли под воду все материки. СМИ тоже пророчили Апокалипсис после запуска коллайдера.

Фантазия разыгралась не только у журналистов или писателей. Некоторые ученые обсуждали вероятность возникновения черных дыр, «странной материии» и так называемых «кротовых нор» — туннелей сквозь пространство и время. Все эти гипотетические побочные явления экспериментов могли бы уничтожить планету.

Опасения не совсем беспочвенны — ведь эксперименты такого рода раньше на Земле не проводились. Температуры и энергии, которые регистрируются в Большом адронном коллайдере, не имеют аналогов в существующей Вселенной. Подобные процессы, как считается в современной науке, происходили во время Большого взрыва или вскоре после него.

Однако на данный момент большинство ведущих специалистов в области физики элементарных частиц сходятся в том, что коллайдер не представляет опасности большей, чем все предыдущие аналоги. И беспроблемная работа в течение 11 лет это подтвердила.

Что касается радиации, которая в Большом адронном коллайдере присутствует, то ее уровень вне тоннеля и экспериментальных установок очень низкий.

С 2018 года Большой адронный коллайдер остановлен на два года для реконструкции детекторов, планируется, что он начнет работу снова в 2021 году. В целом БАК планируют использовать до 2034 года, а затем разобрать и построить на его месте новый.

Читайте также:

Большой адронный коллайдер: путешествие к началу Вселенной

Китай построит самый большой коллайдер в мире