Коллайдер: большой и маленькие

О Большом адронном коллайдере знает весь мир. А о том, что он не единственный, слышал далеко не каждый. Например, уже три ускорителя частиц построены в новосибирском Академгородке. И даже приносят первые результаты не для фундаментальной науки, а прикладные.

Коллайдер: большой и маленькие

Сейчас в мире действует примерно десяток больших ускорителей. Есть они, например, в Институте физики высоких энергий в Протвино и в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне, где таблицу Менделеева постоянно пополняют новыми элементами. Большинство людей знают, что адронный коллайдер – это очень большое устройство для сталкивания атомов. Он пересекает французско-швейцарскую границу и стоит настолько дорого, что более чем десяти правительственных и неправительственных органов вынуждены были скинуться на его постройку. В проекте задействованы тысячи ученых из сотен стран под руководством Европейского агентства ядерных исследований, CERN.

Большой адронный коллайдер

Сокращенно БАК. Этоускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжелых ионов и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в ЦЕРНе – Европейском совете ядерных исследований, который находится около Женевы, на границе Швейцарии и Франции. БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире.

«Большим» он назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя – 26,5 км; «адронным» – потому, что ускоряет адроны, то есть тяжелые частицы, состоящие из кварков; «коллайдером», от английскогоcollider – «сталкиватель», пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках.

Ускоритель рассчитывался на столкновения протонов с суммарной энергией 14 ТэВ (то есть 14 тераэлектронвольт, или 14·1012 электронвольт) в системе центра масс налетающих частиц, а также на столкновения ядер свинца с энергией 10 ТэВ (10·1012 электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов.

Коллайдер – установка с направленными навстречу друг другу пучками заряженных частиц, предназначенная для изучения взаимодействия этих частиц при столкновениях.

Ускоритель расположен в том же туннеле, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер. Туннель с длиной окружности 26,7 км проложен под землей на территории Франции и Швейцарии. Глубина его залегания – от 50 до 175 м, причем кольцо туннеля наклонено примерно на 1,4 % относительно поверхности земли. Для удержания, коррекции и фокусировки протонных пучков используются более полутора тысяч сверхпроводящих магнитов, их общая длина превышает 22 км. Магниты работают при температуре -271 °C, что немного ниже температуры перехода гелия в сверхтекучее состояние.

Идея проекта Большого адронного коллайдера родилась в 1984 году и была официально одобрена десятью годами позже. Его строительство началось в 2001 году, после окончания работы предыдущего ускорителя – Большого электрон-позитронного коллайдера.

Большой адронный коллайдер еще до своего пуска стал предметом судебного иска. Жители штата Гавайи Уолтер Вагнер и Луис Санчо обратились в федеральный окружной суд с иском против Европейского совета ядерных исследований, а также американских участников проекта – Министерства энергетики, Национального научного фонда и Национальной лаборатории ускорителей имени Э. Ферми. Причина была следующей: американцы опасались, что столкновения имеющих огромную энергию частиц, которые будут проводиться в ускорителе, могут создать объекты, угрожающие существованию Земли. Опасность, по мнению истцов, представляют в первую очередь так называемые черные дыры – физические объекты, которые могут поглотить часть объектов на нашей планете – например, какой-нибудь крупный город. Ученые спешат разуверить всех, кого пугают апокалиптические перспективы работы с коллайдером: чтобы черная дыра поглотила все вокруг, она должна быть огромной. При работе с коллайдером единственное, что можно смоделировать, – это микроскопические подобия черных дыр, которые не просуществуют и долей секунды. Они тут же разрушаются и никакой опасности для человечества не представляют.

Тем не менее БАК уже нашел отражение в современной прозе и киноискусстве. Так, в книге фантаста Макса Острогина «Большая Красная Кнопка» рассказывается о наступлении апокалипсиса после включения на полную мощность коллайдера. В фильме «Конец света» (производство «Би-Би-Си») последним из четырех наиболее вероятных сценариев апокалипсиса являлся взрыв при запуске новейшего ускорителя элементарных частиц, повлекший за собой образование черной дыры. Но приглашенные эксперты утверждают, что вероятность катастрофы раздута желтой прессой, в то время как вероятность образования цунами, падения астероида или смертельной эпидемии гораздо выше.

В конце 2017 года стало известно, что Большой адронный коллайдер достиг рекордной светимости. Теперь она в два раза больше проектной.

Первый в мире проект ускорителя заряженных частиц разработал норвежский школьник. В 1923 году Рольф Видероэ придумал устройство, разгоняющее частицы с помощью электрического поля. Впрочем воплотить проект «в железе» не удалось из-за эффектов, не учтенных юным исследователем.

В планах очередное улучшение установки. После маленького апгрейда в конце 2017 года коллайдер проработает до середины 2018 года, а потом остановится на полтора года. За это время энергию частиц планируется поднять до 14 тераэлектронвольт, а светимость увеличить в два раза по сравнению с проектной.

Но и это не предел. В 2022 году стартует новый проект – HL-LHC. За два года работ планируется поднять светимость в 5–7, а возможно, и в 10 раз по сравнению с номинальной. И тогда очень редкие события перестанут быть такими уж редкими.

В Академгородке

В начале 2018 года сообщили, что в Новосибирске появится третий коллайдер. Как и предыдущие два, его построят на базе Института ядерной физики. На проектирование новой установки сибирские ученые получили деньги от Министерства образования и науки России.

«Этот проект послужит неким развитием всей той ускорительной школы, ускорительной науки и не только, это и физика встречных пучков, и физика высоких – это комплекс такой большой будет», ‒ рассказал заместитель директора Института ядерной физики имени Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН Дмитрий Беркаев.

Проект получил название «Суперчарм-тау фабрика». Сложное словосочетание для физиков расшифровывается просто – производство огромного количества тау-лептонов, или чарм-кварков. Именно они и должны помочь постичь тайну возникновения Вселенной.

«В тот момент, когда наша Вселенная создавалась, образовалось равное количество материи и антиматерии, но потом что-то пошло не так. Антиматерии в нашей Вселенной нет вообще, только можно получать в лаборатории искусственным образом, а из материи мы состоим и вся Вселенная. Куда делась антиматерия?» ‒ говорит заместитель директора по научной работе Института ядерной физики имени Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН Евгений Левичев.

Это и предстоит выяснить ученым с помощью нового коллайдера. В Институте ядерной физики, глубоко под землей, уже строят помещения для его оборудования. При строительстве коридоров использована точно такая же технология, как при возведении новосибирского метро. Они представляют собой кольцо, и предполагается, что при условии непрерывного финансирования через шесть лет коллайдер заработает. Проект этот дорогостоящий, деньги идут из разных источников. Сам институт по условиям конкурса должен вложить 20 % от суммы.

«Сегодняшняя наука кардинально отличается от того, что было 50 лет назад. Первый ускоритель, который был построен Лоуренсом, стоил $25. Сейчас ускорители стоят примерно $10 млрд», ‒ отметил заместитель директора по научной работе Института ядерной физики имени Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН Юрий Тихонов.

Над проектом работают полсотни новосибирских ученых, конструкторов и инженеров. Но коллайдером уже заинтересовались физики из Азии, Европы и Америки.

Коллайдер способен не только помочь в изучении устройства Вселенной, но и в решении прикладных вопросов. Например, ученые увеличили срок хранения холодных пресервов сельди в 4 раза с помощью ускорителя электронов. Селедку просто положили в промышленный ускоритель частиц ИЛУ-10 и нашли способ холодной пастеризации рыбы без добавления консервантов и соли. Процесс проходит без нагревания продукта и убивает 99,9 % разлагающих бактерий.

«Отдельная задача исследований – электронное облучение полуфабрикатов и продуктов в герметичной упаковке и готовых к употреблению. Сейчас мы экспериментируем со специальным мясным фаршем, и метод уже работает так же эффективно. Наша технология может обезопасить от микробов военные пайки, пищу для космонавтов, диетические продукты для больных со сниженным иммунитетом и прочее», – сообщил завлабораторией ВНИИ радиологии и агроэкологии ИЯФ СО РАН Владимир Кобялко.

Комментарии (0)

Оставить комментарий

Вы комментируете как Гость.

Важное