Пока не случился БАК: Популярно об ускорителе

Все, что вы хотели знать о Большом Адронном Коллайдере, но боялись спросить. Все, что стоит знать об одном из самых грандиозных проектов в истории человечества — цифры, наука и песни о самом экстремальном месте в Солнечной системе.
1
28762
  • Схема расположения ускорителей и важнейших детекторов БАКа
    Схема расположения ускорителей и важнейших детекторов БАКа
  • Компьютерная симуляция картинки, которую должны получить детекторы БАКа в ходе столкновения пучков протонов
    Компьютерная симуляция картинки, которую должны получить детекторы БАКа в ходе столкновения пучков протонов
  • Детектор ATLAS в ходе монтажа
    Детектор ATLAS в ходе монтажа
  • Установка детектора CMS
    Установка детектора CMS
  • 27-километровый туннель копался одновременно с двух сторон, и точность работ была такой, что при встрече отклонение составило менее 1 см
    27-километровый туннель копался одновременно с двух сторон, и точность работ была такой, что при встрече отклонение составило менее 1 см
  • Специально для БАКа были изготовлены сверхпроводящие ниобиево-титановые провода, каждый из них лишь 0,007 мм толщиной — вдесятеро тоньше человеческого волоса. Зато в длину их набирается многие миллионы километров — можно было бы пять раз покрыть расстояние до Солнца и обратно
    Специально для БАКа были изготовлены сверхпроводящие ниобиево-титановые провода, каждый из них лишь 0,007 мм толщиной — вдесятеро тоньше человеческого волоса. Зато в длину их набирается многие миллионы километров — можно было бы пять раз покрыть расстояние до Солнца и обратно
  • Протоны для пучков вырабатываются из обычного водорода. В день БАК будет потреблять его лишь 2 нанограмма — а чтобы разогнать до таких скоростей 1 грамм водорода, потребуется миллион лет работы ускорителя
    Протоны для пучков вырабатываются из обычного водорода. В день БАК будет потреблять его лишь 2 нанограмма — а чтобы разогнать до таких скоростей 1 грамм водорода, потребуется миллион лет работы ускорителя
  • Оцените размерчик: окружность ускорителя с высоты птичьего полета
    Оцените размерчик: окружность ускорителя с высоты птичьего полета
  • В центре управления
    В центре управления
  • Пока что увидеть бозон Хиггса можно только в виде мягкой игрушки, которая продается в интернет-магазине Particle Zoo
    Пока что увидеть бозон Хиггса можно только в виде мягкой игрушки, которая продается в интернет-магазине Particle Zoo

Конструкция

Колоссальное сооружение возведено в горах на границе Франции и Швейцарии, туннель ускорителя проходит под землей, на глубине от 50 до 175 м. Бетонированная труба диаметром около 3,8 м начала строиться еще в 1983 г. Конечно, на поверхность выходят многочисленные обслуживающие строения — вентиляторы, компрессоры, энергетические подстанции, контролирующие вычислительные центры.

Понятно, что возведение подобного «прибора» представляло собой сложнейшую инженерную проблему, в сравнении с которой даже самые невероятные конструкции современности, о которых мы рассказывали в статье «18 мегапроектов», можно назвать детскими игрушками.

Точные размеры окружности ускорителя — 26,659 км, внутри него установлено 1232 мощных электромагнита на сверхпроводниках, которые обеспечивают движение пучков по круговой траектории. Еще 392 электромагнита обеспечивают фокусирование этих пучков. Их задача — добиться столкновения частиц в четырех заранее определенных точках. Каждый из электромагнитов весит более 27 тонн.

Самый экстремальный инструмент

Установка, охлаждающая всю эту систему, считается самым большим холодильником в мире. Дело в том, что магниты необходимо предварительно остудить до -193,2ОС (80 К) с помощью жидкого азота, и лишь затем довести температуру до нужных -271,3ОС (1,9 К), для чего требуется 96 тонн жидкого гелия. Такие температуры нечасто встречаются даже в космосе!

БАК станет не только самым холодным, но и самым пустым местом в Солнечной системе. Чтобы избежать нежелательных столкновений с частицами воздуха, в ускорителе создан ультра-глубокий вакуум, давление в нем не будет превышать 10−13 атмосфер (вдесятеро ниже, чем давление газа у поверхности Луны). Как ни парадоксально, но ускоритель станет при этом и крайне горячим местом. В момент столкновения пучков протонов в месте «катастрофы» произойдет такой выброс энергии, что температура на краткое время в 100 тыс. раз превысит температуру в недрах Солнца.

Но это еще не все. Плотность потока информации, которую будут получать детекторы, по оценке ученых, будет составлять 300 гигабайт в секунду, и даже после отфильтровывания только самых «интересных» данных останется 300 мегабайт в секунду. Ежедневно планируется собирать 27 терабайт необработанной информации, плюс 10 терабайт вспомогательных данных. Для сохранения данных, собранных в ходе каждого эксперимента на БАКе, потребуется примерно 100 тыс. DVD в год (объем их оценивается в 10−15 петабайт).

Чтобы мировое научное сообщество могло достойно обработать все эти массивы информации в течение ближайших 15 лет (расчетное время работы ускорителя), будет использоваться самый мощный суперкомпьютер в мире. Он не будет единой цельной установкой, а представит собой систему распределенных вычислений LHC Computing Grid, объединяющую десятки тысяч удаленных компьютеров. Первичную обработку будет проводить установленный прямо на БАК мощный суперкомпьютер. Затем данные по высокоскоростному оптическому кабелю будут передаваться на 11 суперкомпьютеров, расположенных в различных вузах мира. И только отсюда определенные порции информации отправятся на компьютеры отдельных лабораторий и исследователей. Кстати, вы сами можете поучаствовать в обработке данных БАКа, подключив свой домашний компьютер к проекту LHC At Home.

Как это работает

Два пучка субатомных частиц-адронов будут разгоняться по окружности туннеля в противоположных направлениях, с каждым кругом двигаясь все быстрее и набирая все большую энергию. В определенный момент физики столкнут их лоб в лоб, создав в локальной точке пространства условия с такими высокими энергиями, которые существовали в первые мгновения после Большого Взрыва. От этого столкновения и могут появиться самые разные образования, от знакомых давно элементарных частиц до всякого рода субатомной экзотики. Как правило, бегущими по кругу «рабочими лошадками» будут выступать протоны, однако примерно месяц в году ученые намерены отводить на изучение результатов столкновения более тяжелых частиц — ядер свинца.

Прежде чем попасть непосредственно в 27-километровый ускоритель БАК, частицы придется «подготовить», предварительно разогнав до менее экстремальных скоростей. Для этого к круговому туннелю подведены более мелкие ускорители (1 линейный и 3 круговых), последовательно повышающие энергию движущихся протонов до 50 МэВ, затем до 1,4 ГэВ, до 26 ГэВ и, наконец, 450 ГэВ. Весь этот процесс занимает около 20 минут, и лишь затем частицы попадают в основной ускоритель БАК. Здесь максимальная энергия этих пучков достигнет 7 ТэВ (то есть, энергия их столкновения будет составлять 14 ТэВ). Это цифры для протонов, а более тяжелые ядра свинца будут сталкиваться с энергией примерно 1,15 ТэВ.

Итак, когда БАК наберет полную мощность, триллионы протонов будут нестись по ускорителю, делая полный круг по его «треку» за 90 мкс — на скорости, близкой к световой. Энергия каждого пучка протонов на такой скорости эквивалентна взрыву 173 кг тротила, или кинетической энергии поезда, мчащегося со скоростью 222 км/ч. Это особенно поразительно, если принять во внимание мизерные доли материи, несущие такую энергию: при нормальных условиях работы в каждом пучке будет содержаться 2808 пучков протонов примерно по 115 млрд частиц в каждом — то есть, всю эту энергию будет нести вещество массой порядка 10−9 грамм!

Что ищут?

Теоретически, в ходе экспериментов на БАК может быть обнаружена такая легендарная частица как бозон Хиггса. Считается, что именно эта субэлементарная частица, предсказанная теоретически еще в 1960-х гг., наделяет остальные частицы (а с ними — и всю Вселенную) такой фундаментальной характеристикой, как масса. Гипотеза о его существовании настолько логично укладывается в существующие физические теории, что несмотря на то, что «поймать» бозон Хиггса (пока) никак не удается, ученые уверены в его существовании в рамках Стандартной Модели — одной из базовых концепций современной физики. Подробнее об этой частице мы рассказывали в статье «В поисках бозона Хиггса».

Интересно, что если сам Питер Хиггс уверен в том, что «его» частица будет обнаружена на БАКе, его знаменитый коллега Стивен Хокинг даже поставил 100 долларов на то, что это не удастся, и физиками придется снова пересматривать существующие модели мироздания.

Бозон Хиггса — основная цель этого колоссального проекта, но некоторые ученые надеются, что БАК поможет обнаружить и другие теоретически предсказанные экзотические образования. Могут появиться и микроскопические черные дыры (размерами порядка планковских), и магнитные монополи (гипотетические носители магнитного заряда).

Еще одним важным предметом поисков являются сверхтяжелые суперсимметричные партнеры известных субатомных частиц. Их открытие позволит подтвердить теорию суперсимметрии, объясняющую превращение материи в излучение и обратно.

В общем, вся штука в том, что две базовые теории современной физики — Общая Теория Относительности и Квантовая теория поля — описывают процессы, протекающие на принципиально разных уровнях. ОТО оперирует движениями массивных тел и гравитационных полей, структурой пространства-времени, тогда как квантовая теория связана с атомными и субатомными частицами.

Однако при попытках совместить их одну с другой оказывается, что они плохо «стыкуются», а зачастую и просто противоречат друг другу. А в некоторых случаях совмещать их приходится — например, для описания процессов, происходящих в недрах черных дыр. С этими сложностями безуспешно пытался разобраться еще сам Альберт Эйнштейн.

Основная гипотеза Квантовой теории поля — Стандартная Модель — прекрасно описывает три из четырех известных базовых взаимодействий (электромагнитное, сильное и слабое), но вот четвертое — гравитационное — в нее совершенно не укладывается. Это и послужило толчком к попыткам создания новой универсальной «теории всего», в том числе теории суперструн (об этой удивительной версии строения мироздания читайте: «Струнный концерт для Вселенной«) и теории бран. Каждая из них имеет свои преимущества, но ни одна до сих пор не получила никакого достоверного подтверждения на практике.

И основная сложность состоит в том, что энергии, необходимые для проведения соответствующих экспериментов, требуются колоссальные. Считается, что опыты на БАК могут помочь разобраться во всех этих запутанных проблемах. К примеру, обнаружение суперсимметричных пар и подтверждение гипотезы суперсимметрии станет серьезной косвенной «уликой» в поддержку теории суперструн, и серьезным же ударом по ее соперникам.

Эксперименты

На ускорителе смонтированы 6 детекторов, 2 из которых «общего назначения», а остальные предназначены для решения строго определенных узких задач. Расскажем о самых важных из них.

ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS). Один из двух важнейших и крупнейших детекторов, установленных на БАК: 46 м в длину, 25 м в диаметре, вес 7 тыс. тонн, создан при участии 2 тыс. ученых и инженеров из 165 вузов 25 стран мира. При столкновении пучков протонов может образовываться широкий спектр частиц, попадающих на центр детектора, и обнаружить максимум из них — его задача. ATLAS не сфокусирован на определенном узком процессе и разработан как раз для того, чтобы работать с максимально разнообразным набором частиц. Именно на ATLAS планируется обнаружить бозон Хиггса, изучить взаимодействия частиц с античастицами, уточнить массы кварков и поискать суперсимметричные пары частиц.

CMS (Compact Muon Solenoid). Как и ATLAS, это детектор «широкого профиля», и самый масштабный. 21-метровое устройство весом 12,5 тонн стало результатом сотрудничества 2,6 тыс. ученых из 180 вузов. Его задачи также аналогичны ATLAS — все, что происходит с частицами при экстремальных энергиях.

ALICE (A Large Ion Collider Experiment). Этот детектор займется столкновениями ядер атомов свинца. В ходе этого процесса должна появляться кварк-глюонная плазма, особое состояние вещества, которое наблюдается только при экстремально высоких значениях температуры и давления — и считается, что именно оно доминировало в первые мгновения после Большого Взрыва. Свойства кварк-глюонной плазмы и позволит уточнить ALICE.

Случится ли Апокалипсис?

Так называемая «широкая общественность» не раз высказывала опасения в том, что есть некоторая вероятность выхода этих экспериментов из-под контроля. Особенно ретивые граждане даже подали на ученых в суд, о чем мы рассказывали в заметке «Суд над частицами». Они считают, что теоретически такие опыты могут привести к гибели всей нашей планеты и даже расшифровывают аббревиатуру LHC, как Last Hadron Collider (Последний Адронный Коллайдер). Шутки шутками, но буквально несколько дней назад 16-летняя Мадхья Прадеш (Madhya Pradesh) из Индии покончила с собой, насмотревшись по телевизору пугалок о грядущем из БАКа конце света. Попробуем спокойно разобраться с двумя наиболее распространенными «сценариями катастрофы».

Опасность первая: страпельки. Это частицы, состоящие из «странной материи», то есть кварков, не объединенных в адроны, как это имеет место в обычной материи. Существует гипотеза, что взаимодействие страпелек с «нормальным» ядром вызывает его превращение в странную материю и сопровождается выбросом энергии — такая реакция становится цепной. Впрочем, само по себе появление страпелек в БАКе практически невероятно: энергии все-таки будет недостаточно.

Опасность вторая: микроскопические черные дыры. Подробно о ней мы не будем распространяться, поскольку рассказали все на этот счет в отдельной заметке: «Большой Адронный Безопасный».

Однако главный аргумент ученых в пользу безопасности БАКа — сама природа. Во Вселенной наблюдаются «естественные» ускорители, энергия которых намного выше, чем в этом созданном человеком коллайдере (один из них был открыт совсем недавно в Крабовидной туманности: «Крабовидный ускоритель«). Более того, в непосредственной близости от нас существует постоянный источник частиц гораздо более энергетических, чем все то, что может появиться в БАКе — космические лучи, врезающиеся в верхние слои земной атмосферы. Однако все это разнообразие потенциально опасных частиц до сих пор ничуть нам не навредило.

Сроки и затраты

В проекте задействованы десятки тысяч ученых и специалистов из 25-ти стран (в том числе, конечно, и России). С точки зрения энергии весь комплекс только в 2009 г. потребит 700 ГВт*ч. Точную же финансовую стоимость проекта, растянувшегося на десятки лет, довольно сложно назвать. Приблизительно она оценивается в величину от 3,2 до 6,4 млрд евро.

К слову, изначально планировалось потратить на строительство около 1,6 млрд, плюс еще 140 млн на сами эксперименты. Что и сказать, значительное превышение бюджета! Впрочем, это смотря как посмотреть. В Интернете мы наткнулись на интересный подсчет, в котором показано, что за эти деньги в Москве можно было бы построить… лишь около 13 км будущего Четвертого транспортного кольца.

Сама идея возведения этого инструмента впервые появилась еще в начале 1980-х. Одобрение Европейской организации ядерных исследований (CERN) он получил в конце 1994 г., а инженерные работы стартовали в апреле 1998 г. Первые тестовые запуски частиц состоялись в начале августа 2008 г., а первый пучок описал полный круг по большому ускорителю БАК неделю назад — 10 сентября. Первое столкновение состоится 21 октября — ждать осталось совсем недолго.

Осталось сказать, что БАК уже вдохновил музыкантов и писателей, став героем целого ряда фантастических произведений разной степени мрачности. Кинофильмов о нем не снято, но это, видимо, дело времени. Зато по Интернету гуляет масса песенок, спетых об этом поразительном инструменте. Если у вас настроение подходящее — послушайте парочку.

«Большой Адронный Рэп» (Large Hadron Rap)

«Коллайдер» (Collider)

Рекомендуем также заглянуть на страницу с двумя веб-камерами — внутри туннеля БАК и снаружи возле него.

Официальная страница Большого Адронного Коллайдера.

Русский след

  • Международный Линейный Коллайдер может быть возведен в Дубне
    Международный Линейный Коллайдер может быть возведен в Дубне

Россия не является членом CERN, но еще со времен СССР постоянно и успешно сотрудничает с европейцами. Не обошлось без наших и в этом проекте. При российском финансовом и техническом участии собирались и ускорители, и детекторы БАКа.

По словам Юрия Зайцева, действительного академического советника Академии инженерных наук РФ, «наша доля» в детекторах — около 5%, в ускорителях — 3%. Российские предприятия выполнили связанных с возведением БАКа заказов на общую сумму около 120 млн долларов. В проекте задействованы сотни российских ученых, причем уже при запуске коллайдера в Швейцарии присутствовали около 200 наших специалистов.

Впрочем, ученые смотрят еще дальше — и присматриваются к еще более циклопическому проекту Международного Линейного Коллайдера (ILC). Этот сверхмощный ускоритель сумеет работать даже с легкими частицами — электронами и позитронами, — что позволит глубже изучить темную материю. Среди прочих, раздаются голоса и за то, чтобы это возвести сооружение в подмосковной Дубне, где находится знаменитый Объединенный институт ядерных исследований. Ну а подробней о проекте ILC и других ускорителях мы уже рассказывали в статье «Левиафаны науки».

Комментарии

1 комментарий