Физики из разных стран мира были чрезвычайно возбуждены началом работы самого передового ускорителя заряженных частиц, известного как большой адронный коллайдер. На протяжении десятилетий они терпеливо ожидали, когда это удивительное изобретение совершит революцию в нашем понимании вселенной. Европейская организация ядерных исследований построила большой адронный коллайдер, который был введен в эксплуатацию в сентябре 2008 года после длительного периода строительства. Однако изобретатели понадобилось еще несколько лет для доработки устройства. С тех пор коллайдер помог ученым раскрыть множество тайн вселенной. Недавно Европейская организация ядерных исследований сообщила, что при очередном запуске большого адронного коллайдера с новым уровнем энергии они обнаружили нечто неожиданное и тревожное. Ученые сейчас пытаются выяснить причины этого инцидента, выдвигая различные теории, которые могут быть как правильными, так и ошибочными.
Самый мощный и высокоэнергетичный коллайдер, также известный как "Ускоритель частиц на встречных пучках", строился с 1998 по 2008 год специалистами Европейской организации ядерных исследований при участии более 10 тысяч ученых и сотен университетов и лабораторий из более чем 100 стран мира. Он находится в туннеле длиной 27 километров и глубиной 175 метров под границей Франции и Швейцарии. Первые столкновения в этом коллайдере произошли в 2010 году при энергии 3,5 тераэлектронвольт на пучок, что почти в четыре раза превышало предыдущий мировой рекорд. После модернизации энергия достигла 6,5 тераэлектронвольт на пучок. Коллайдер включает четыре точки пересечения пучков, в которых сталкиваются ускоренные частицы, и семь детекторов, каждый из которых предназначен для регистрации различных явлений.
В основном в большом адронном коллайдере сталкиваются пучки протонов, но он также способен ускорять тяжелые ионы, такие как ядра свинца с протоном. Основная задача коллайдера — дать физикам возможность проверить гипотезы различных теорий физики частиц. Одной из самых важных целей является измерение свойств бозона Хиггса и поиск большого семейства новых частиц, предсказанных теориями суперсимметрии. Термин "адрон" относится к составным субатомным частицам, состоящим из кварков, связанных сильным взаимодействием, аналогичным тому, как атомы и молекулы удерживаются электромагнитными силами. К известным адронам относятся барионы, такие как протоны и нейтроны, а также мезоны, такие как пионы и каоны, впервые обнаруженные в экспериментах с космическими лучами в конце 1940-х и начале 1950-х годов.
Коллайдер — это тип ускорителя частиц, который сталкивает два встречных пучка частиц. Такие коллайдеры сложны в строительстве, но они являются мощным инструментом в физике частиц, так как позволяют достичь гораздо более высоких энергий, чем установки с фиксированной мишенью. Ученые анализируют побочные продукты столкновений в коллайдере, которые дают нам информацию о структуре субатомного мира и законах природы. Многие из таких побочных продуктов образуются только при столкновениях с высокими энергиями и распадаются через очень короткое время, что делает невозможным их изучение другими методами. Коллайдер расположен в круглом туннеле на глубине от 50 до 170 метров под землей, с изменением глубины для уменьшения объема туннеля, проходящего под горами.
Европейская организация ядерных исследований выбрала этот туннель, чтобы избежать затрат на покупку дорогой земли на поверхности и минимизировать влияние на ландшафт. Дополнительным преимуществом было то, что земная кора обеспечивает защиту от фоновой радиации. Туннель шириной 3,8 метра был построен с 1983 по 1988 год и ранее использовался для большого электронно-позитронного коллайдера. Этот туннель пересекает границу между Швейцарией и Францией в четырех местах, причем большая его часть находится на территории Франции. В наземных зданиях расположено вспомогательное оборудование, такое как компрессоры, вентиляция, электроника и холодильные установки. Объем данных, производимых большим адронным коллайдером и связанными симуляциями, оценивается в 15 петабайт в год. Для обработки такого объема данных была создана компьютерная сеть.
Стоимость строительства большого адронного коллайдера составила около 7,5 миллиардов евро, что делает его одним из самых дорогих научных приборов. Строительство было одобрено в 1995 году с бюджетом в 2,6 миллиарда евро и еще 210 миллионов на проведение экспериментов. После запуска 10 сентября 2008 года и первых испытаний, коллайдер был остановлен на 14 месяцев из-за инцидента с гашением магнитов, который повредил более 50 сверхпроводящих магнитов, их крепления и вакуумную трубу. Среди открытий первого запуска коллайдера был бозон Хиггса — частица, которая отвечает за взаимодействие между другими частицами и обладает инертной массой. Первоначальные исследования были направлены на изучение бозона Хиггса, важной части стандартной модели физики, которая была предсказана теорией, но ранее не наблюдалась.
Европейская организация ядерных исследований предполагала, что коллайдер будет производить несколько бозонов Хиггса каждую минуту, что позволит физикам подтвердить или опровергнуть существование этой частицы. Кроме того, коллайдер дал возможность исследовать суперсимметричные и другие гипотетические частицы. Первый рабочий цикл продолжался с 2009 по 2013 год, после чего была длительная остановка для модернизации до 2015 года. Второй цикл продолжался с 2015 по 2018 год, после чего была еще одна остановка до 2022 года. В апреле 2022 года коллайдер снова заработал с новой максимальной энергией пучка в 6,8 тераэлектронвольт. Ожидается, что эта программа продлится до 2026 года.
Во время одного из запусков ученые были озадачены, обнаружив, что 7 июля в магнитном поле Земли появилась трещина. Она оставалась открытой 14 часов, что позволило солнечному ветру проникнуть и вызвать мощные геомагнитные бури, создавшие впечатляющие авроры. Это вызвало волну интереса у любителей научной фантастики, которые предположили, что через трещину в наш мир мог проникнуть Векна, злодей из "Stranger Things". Однако это всего лишь фантазия фанатов. Геомагнитная буря привела к появлению красивой авроры, но не вызвала никаких отключений радиосвязи или электричества. Трещина в магнитном поле Земли была вызвана редким явлением, называемым областью совместного вращения Солнца, которое представляет собой крупномасштабные плазменные структуры, генерируемые в гелиосфере при взаимодействии потоков солнечного ветра. Эти области могут содержать ударные волны и сжатые магнитные поля, вызывающие космическую погоду, проявляющуюся в виде полярных сияний.
Трещина в магнитном поле Земли появилась утром 7 июля и вызвала геомагнитную бурю класса G1. Такие трещины являются нормальным явлением. Магнитное поле Земли действует как щит, защищающий нас от солнечных бурь, и хотя раньше считалось, что трещины быстро закрываются, теперь известно, что они могут оставаться открытыми часами. Как объяснил в 2003 году Харальд Фрей, ведущий автор исследования этого явления, магнитный щит Земли действует как дом с открытым окном во время шторма — он отражает большую часть бури, но часть энергии проникает через трещины, что иногда вызывает проблемы со спутниками, радиосвязью и энергосистемами. В этот раз не было отключений радиосвязи или электричества, но жители Канады и США насладились великолепным полярным сиянием. Солнце приближается к своему наиболее активному периоду в солнечном цикле, который ожидается в июле 2025 года, и уже сейчас проявляет необычную активность.
Ваши шансы увидеть полярное сияние уже достаточно высоки прямо сейчас, и они будут расти в течение ближайших трёх лет. Эта трещина в магнитном поле Земли — не единственное открытие, сделанное большим адронным коллайдером недавно. В июле 2017 года общественности представили результаты многочисленных анализов, основанных на большом массиве данных, собранных в 2016 году. Эти исследования позволили глубже изучить свойства бозона Хиггса и улучшить точность ряда других измерений. С марта 2021 года эксперименты на коллайдере привели к открытию около 59 новых адронов, данные о которых были собраны в ходе первых двух запусков коллайдера. 5 июля 2022 года было объявлено, что при анализе распадов заряженных бемезонов был обнаружен новый тип пентакварка, состоящий из очарованного кварка, очарованного антикварка, а также восходящего, нисходящего и странного кварка. Каждый эксперимент в физике частиц со временем начинает страдать от уменьшения результатов после нескольких лет работы.
Поскольку основные результаты, достигаемые прибором, начинают достигаться в более поздние годы, пропорционально уменьшается количество новых открытий. Самым простым решением этой проблемы является модернизация соответствующих устройств, особенно в отношении светимости энергии столкновений и улучшенных детекторов. Помимо возможного увеличения энергии столкновений до 14 ТэВ, в июне 2018 года началась модернизация светимости большого адронного коллайдера, названная большим адронным коллайдером на высокой светимости, которая должна повысить потенциал ускорителя для новых открытий, начиная с 2027 года. Эта модернизация направлена на увеличение светимости машины, чтобы повысить вероятность обнаружения редких процессов и улучшить статистические и предельные измерения. Третий запуск рассматривается как промежуточный этап в программе большого адронного коллайдера. Главным событием первого запуска стало открытие долгожданного бозона Хиггса, а основными достижениями второго запуска стали исследования правил распада бозона Хиггса.
Эти открытия подтверждают, что эта частица действительно является источником массы, по крайней мере, для всех относительно более тяжёлых известных элементарных частиц. Европейская организация ядерных исследований надеется, что новый, третий запуск, который планируется завершить в конце 2025 года, удвоит текущий набор данных с коллайдера. Согласно источникам Европейской организации ядерных исследований, за этим третьим запуском скорее всего последует длительный период подготовки, который может продлиться до 2029 года. К этому времени полностью усовершенствованный коллайдер снова начнет работать, но уже с частотой столкновений, в 10 раз превышающей нынешнюю. Четвёртый запуск продлится, по оценкам, до 2042 года, и в его ходе будет собран окончательный набор данных, почти в 10 раз больше, чем ожидается в конце третьего запуска. Ключом к физике большого адронного коллайдера является накопление огромного количества записей столкновений частиц для анализа. Протон — наиболее предпочтительная для них частица, так как с ней легче всего обращаться и манипулировать, поэтому её можно разогнать до самых высоких энергий.
Однако он не является элементарной частицей — это связанное соединение кварков, удерживаемых вместе частицами, называемыми глюонами. Чтобы лучше понять столкновения на коллайдере, можно представить себе протон как пакет мармелада, содержащий кварки, глюоны, антикварки и даже более тяжёлые частицы, такие как бозоны W и Z, которые являются квантами слабых взаимодействий, ответственных за радиоактивный распад. Когда два протона сталкиваются, наиболее вероятным результатом будет то, что два пакета мармелада будут разорваны, и наружу высыплются частицы, которые превратятся в протоны, пионы, каоны и другие более знакомые частицы. Но иногда только два кварка или глюона сталкиваются лоб в лоб, при этом вся их энергия сжимается в крошечную точку, а затем высвобождается обратно в кварки и глюоны, а может быть и в более тяжелые известные и неизвестные частицы. Физики могут получить представление о законах природы на невероятно малых расстояниях, изучая и анализируя эти чрезвычайно редкие реакции, вызывающие колоссальный выброс энергии. По мере накопления данных большим адронным коллайдером, эти эксперименты будут продолжаться, тем самым позволяя нам получать всё больше свидетельств этих редких реакций.
Эксперты надеются, что в конечном итоге они накопят достаточно данных, чтобы предоставить неопровержимые доказательства открытий. Сейчас поиск этих случайных столкновений представляет собой огромную проблему. В большом адронном коллайдере пучки протонов сталкиваются 40 миллионов раз в секунду. В каждом из этих столкновений пучков происходит не менее 50 или более отдельных столкновений протонов. Фотографии этих столкновений, сделанные основными детекторами коллайдера Atlas и CMS, затем записываются в постоянное хранилище. Каждый из этих снимков занимает почти в 20 раз больше места, чем обычная фотография с телефона. Это означает, что хранение всех данных всего за одну секунду работы создаст базу данных объёмом в миллион гигабайт. Тем не менее, в каждой секунде полученных данных, большинство из 40 миллионов событий — простые и понятные. Всего несколько тысяч событий W-бозона и только одно событие бозона Хиггса, которое затерялось в потоке. Поэтому одним из ключевых компонентов каждого эксперимента коллайдера является триггер, представляющий собой банк компьютерных процессоров, которые отбирают несколько сотен столкновений в секунду для постоянной записи, которую будут анализировать физики. Несмотря на сложность подхода, эксперименты на большом адронном коллайдере уже представляют собой одну из крупнейших компьютерных баз данных в мире.
Основной целью коллайдера в настоящее время является открытие новых элементарных частиц, которые могли бы служить доказательством новых, ещё не открытых фундаментальных взаимодействий. Некоторые из этих новых предполагаемых частиц могут быть тяжелыми и распадаться на кластеры кварков и лептонов, демонстрируя очень высокую энергию. Однако учёные не думают, что в третьем запуске будет обнаружена какая-либо подобная частица. В лучшем случае эти эксперименты могут дать интересные статистические подсказки и, возможно, наводящие на размышления картины событий с новыми особенностями. Это заставит теоретиков задуматься. Ожидается, что большой адронный коллайдер на высокой светимости в четвёртом и последующих запусках подтвердит эти предположения. В настоящее время существует реальная возможность поиска слабосвязанных новых частиц, подобных тем, которые предсказываются в моделях тёмной материи. Реакции, в результате которых образуются такие частицы, как правило, имеют низкую скорость, поскольку они возникают не в результате сильного взаимодействия, а в результате слабого и электромагнитного взаимодействия. Поэтому любое увеличение набора данных может оказаться полезным.
Частицы тёмной материи взаимодействуют слишком слабо, чтобы оставить сигнал в детекторах большого адронного коллайдера. Это не является проблемой, поскольку можно искать видимые частицы, отталкивающиеся от невидимых излучений в соответствии с третьим законом Ньютона. Но во многих моделях партнёры частиц тёмной материи выделяют очень мало видимой энергии, что приводит к минимальным сигналам отдачи, которые не распознаются триггерами эксперимента. Ожидается, что усовершенствование триггеров в третьем запуске улучшит охват таких тонких сигналов, а увеличение скорости поможет получить выборку более редких событий, в которых частицы отдачи выталкиваются в поле зрения. Усовершенствование значительно повысит способность Atlas и CMS распознавать эти сигналы. И это ещё не всё. Европейская организация ядерных исследований также имеет несколько предварительных проектов будущего кольцевого коллайдера.
Он будет самым мощным из когда-либо построенных коллайдеров, и его строительство, вероятно, обойдётся от 9 до 21 миллиарда евро. Хотя в настоящее время не все уверены, что будущий кольцевой коллайдер — это хорошая инвестиция. Сабина Хосенфельдер, физик-теоретик из Франкфуртского института перспективных исследований, заявила, что нет причин думать, что в энергетическом режиме, которого достигнет такой коллайдер, должна появиться новая физика. Значительные суммы можно было бы потратить на другие значительные объекты, такие как размещение крупного радиотелескопа на обратной стороне Луны, или детектора гравитационных волн на орбите, и то и другое было бы более надёжным вариантом, чем новый коллайдер, учитывая, что коллайдеру ещё предстоит завершить свой третий запуск, а затем готовиться к четвёртому. И оба они внесут более чем достаточный вклад в физику частиц на данный момент. Как и все крупные научные проекты, большой адронный коллайдер развивается медленно, но при этом открывает нам доступ к глубоко скрытым знаниям, которые ранее были недостижимы. Физики ожидают, что третий запуск принесёт ещё немало сюрпризов, как например недавняя трещина в магнитном поле Земли, которая оставалась открытой в течение нескольких часов. Что думаете?