Фото: George Grassie/ZUMA Press
Большой адронный коллайдер (БАК) – это не только двадцатисемикилометровое кольцо, пробитое на стометровой глубине в толще горных пород. Между двумя горными массивами – Юрскими горами и Южными Альпами под территорией Швейцарии и Франции расположилась целая цепь ускорителей.
В них последовательно разгоняются частицы почти до скорости света, достигая 11 тысяч оборотов в секунду.
Удерживают частицы в пучке сверхпроводящие магниты ускорителя. Каждый сверхпроводящий диполь – один элементов системы сверхпроводящих магнитов – весит четыре тонны и в длину достигает пятнадцати метров. Он может работать только при сверхнизкой температуре в 1,8˚К, для чего охлаждается жидким гелием. Включаясь в работу, такой сверхпроводящий магнит создает поле величиной более 8 Тесла. А всего диполей в системе магнитов коллайдера – 1236. Эту систему дополняют еще 860 квадруполей и более 6 тысяч корректирующих магнитов.
Тончайшая настройка «глаз» Большого адронного коллайдера – детекторов частиц – позволит разглядеть и сосчитать ускоренные до энергии 10 ТэВ пары сталкивающихся нуклонов (протонов и нейтронов). Такая точность разрешения мгновенного снимка настолько же меньше эффективных размеров атома, насколько яблоко меньше Солнца. Это ли не масштабное чудо научной и инженерной мысли?
Это гигантское масштабное чудо необходимо физикам для исследований свойств элементарных частиц, которые движутся с огромными энергиями. Мощнейший ускоритель со всей его обширной инфраструктурой и позволяет придать элементарным частицам эту огромную энергию.
Во второй половине двадцатого века на разных ускорителях в разных странах были открыты сотни элементарных частиц. Большинство этих частиц оказались вовсе не элементарными, но по традиции их продолжают относить к элементарным.
Изучением внутренней структуры элементарных частиц, закономерностей их образования и взаимодействия этих частиц между собой занимается отдельный большой раздел науки – физика частиц.
Физика частиц изучает так называемые фундаментальные взаимодействия. Это типы взаимодействий элементарных частиц, которые невозможно свести друг к другу. Они различны по силе и радиусу влияния.
На сегодняшний день в нашей Вселенной известны четыре типа фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Поиски других типов взаимодействий упорно продолжаются и на уровне микромира, и в космических масштабах, но все же пока никаких признаков их существования не обнаружено.
Многие свойства частиц проявляются только в высокоэнергетических процессах. То есть в процессах, происходящих при сверхвысоких энергиях. Именно высокие энергии частиц создают условия, при которых образуются новые формы материи, недоступные для наблюдения и исследования при низких энергиях частиц.
Машины для ускорения частиц – ускорители – постоянно совершенствуются, доставая попутно из невода, заброшенного в океан материи, вместе с новыми знаниями новые технологии для бытовой жизни человечества. Но о технологиях отдельный разговор.
Что касается новых знаний, то за последние несколько десятилетий, проанализировав результаты ускорительных экспериментов, ученые сумели глубоко разобраться в закономерностях, которым подчиняется материя в пространстве и времени.
«Накопленные к концу ХХ столетия сведения о фундаментальных свойствах материи радикально изменили все наше мировоззрение в физической науке, – говорит об этом академик РАН Виктор Матвеев, научный руководитель Объединенного института ядерных исследований. – Платформой для анализа и мощным вычислительным инструментом стала квантовая теория поля, описывающая поведение частиц и предсказывающая их свойства, закономерности рождения и распада».
На базе достижений квантовой теории поля и теории элементарных частиц, была сформулирована самая совершенная и самая стройная к нынешнему моменту времени теория фундаментальных частиц и взаимодействия, названная Стандартной моделью. Эта модель с высокой точностью и глубиной описывает всю известную сегодня совокупность экспериментальных данных о фундаментальных взаимодействиях в природе и фактически представляет иерархическую структуру мира частиц, связанных тремя типами их взаимодействий – электромагнитным, слабым и сильным.
Стандартная модель позволяет качественно и количественно объяснить процессы, протекавшие во время эволюции Вселенной, начиная с первых долей секунды после Большого взрыва вплоть да нашей эпохи, возраст которой уже 15 миллиардов лет. В те, первые, мгновения после взрыва начинали формироваться протоны, нейтроны и первые ядра атомных элементов, стартовала эволюция звездного вещества в экстремальных условиях.
«Поразительные возможности Стандартной модели, взятой вместе с теорией гравитации Ньютона (гравитационное взаимодействие физикам пока не удается объединить с остальными типами взаимодействий в единой модели), проявляются в масштабе и диапазоне предсказательной силы. Диапазон расстояний тех явлений, которые описывает Стандартная модель, составляет величину 44-го порядка! – восхищается академик Матвеев. – Так что без всяких преувеличений Стандартную модель можно назвать наивысшим достижением научной мысли прошлого века».
В основание Стандартной модели внесли важнейший вклад советские и российские ученые из научных школ академиков В.А. Фока, Л.Д. Ландау и Н.Н. Боголюбова. Скажем, гипотеза о существовании у кварков дополнительного нового квантового числа, названного впоследствии цветом, лежит в основании наиболее современной теории сильных взаимодействий – квантовой хромодинамики. Эта гипотеза была высказана в работах Н.Н. Боголюбова, Б.В. Струминского и А.Н. Тавхелидзе в 1965 году в Дубне одновременно с М. Ханом и Й. Намбу, опубликовавшими в США свою работу на ту же тему.
Однако, несмотря на достигнутую высокую степень понимания фундаментальных свойств материи, сегодня перед наукой стоит множество заковыристых неразрешенных проблем и загадок. Их можно разделить на две части.
Первая часть под условным названием «загадки Вселенной» объединяет вопросы к объяснению эволюции Вселенной:
- в каком состоянии была материя во Вселенной в первые мгновения после Большого взрыва?
- почему во Вселенной практически отсутствует антиматерия?
- из чего состоит так называемая «темная материя»?
- какова природа «темной энергии»?
- Вторая часть, назовем ее «частицы и взаимодействия», концентрирует проблемы самосогласованности теории частиц и взаимодействий:
- какова природа масс фундаментальных частиц?
- существуют ли дополнительные измерения в пространстве-времени и как они могут быть обнаружены?
- являются ли все известные взаимодействия различными проявлениями единого универсального взаимодействия?
- нарушается ли в природе симметрия между частицами материи и антиматерии?
Во вторую часть загадок Вселенной вошел всем известный бозон Хиггса – частица без спина с массой более 100 ГэВ. Эта частица названа по имени предсказавшего ее существование английского физика Питера Хиггса. Бозон Хиггса и есть часть природного механизма наделения элементарных частиц массой. Но об этом чуть позже. Вернемся к Большому адронному коллайдеру.
Большой адронный коллайдер был задуман своими создателями как фабрика открытий, которые дадут хотя бы часть ответов на обозначенные выше проблемы и загадки Вселенной.
В рекламе Большого адронного коллайдера для мирового общественного мнения упор сделали на поиске бозона Хиггса. Поэтому в сознании простых людей Большой адронный коллайдер связан именно с бозоном Хиггса. На самом деле планы работающих на этом коллайдере ученых намного обширнее.
Продолжение следует
Фрагмент из книги Наталии Теряевой "Элементы жизни"