109111 (Большой адронный коллайдер)

Большой адронный коллайдер

Парфенов К. В.

Большой адронный коллайдер (LHC, от английского Large Hadron Collider) – одна из наиболее впечатляющих по своим масштабам экспериментальных установок современной физики. Он расположен на глубине около ста метров под землей в кольцевом тоннеле длиной 26,7 км. Пучки протонов и антипротонов, двигаясь по кольцу навстречу друг другу, будут разгоняться электрическими полями на специальных ускорительных станциях до энергий 7 ТэВ (терраэлектронвольт, или 1012 электронвольт). Кроме того, предполагается производить ускорение ядер свинца. Для удержания и фокусировки пучков используется 1624 сверхпроводящих магнита, которые работают при температуре 1,9 К (около -2710С). Поэтому для поддержания их работы требуется целая «фабрика» по производству жидкого гелия. Расчетное потребление энергии коллайдером во время работы составляет 180 МВт (мегаватт). Для сооружения ускорителя и системы из шести детекторов, которые будут собирать информацию о процессах, происходящих при столкновениях частиц, потребовалось объединить усилия многих стран. Активное участие в этих работах принимает и Россия.

Для чего же потребовались все эти технические ухищрения и весьма немалые затраты средств? Физики рассчитывают с помощью LHC получить ответы на целый ряд важнейших вопросов о строении материи и свойствах пространства и времени. Рассмотрим кратко основные направления исследований, планирующихся на LHC. Исследования физики микромира, проводившиеся на протяжении второй половины ХХ века, привели к созданию Стандартной Модели (СМ), которая на базе квантовополевых представлений успешно описывает практически все наблюдаемые нами микропроцессы. Согласно СМ, весь материальный мир состоит из кварков (образующих, в частности протоны и нейтроны, то есть ядерную материю) и лептонов (наиболее известным из которых является электрон). Взаимодействие кварков и лептонов происходит посредством обмена частицами-переносчиками: глюонами (сильное взаимодействие), W± и Z0 – бозонами (слабое взаимодействие) и фотонами (электромагнитное взаимодействие). Существенной чертой СМ является то, что частицы приобретают массу за счет взаимодействия со скалярными полями, носящими название полей Хиггса. Экспериментальное наблюдение кванта этих полей – хиггсовского бозона – позволит окончательно убедиться в справедливости логики СМ и внести «завершающие уточнения» в ее конструкцию. Именно для решения этой задачи энергии LHC являются очень «подходящими»: либо хиггсовский бозон будет найден, либо можно будет сделать вывод о необходимости существенного реформирования СМ. На самом деле, главной целью экспериментов на LHC является именно поиск информации, позволяющей выйти за рамки «стандартной» физики. Главным недостатком СМ является отсутствие описания гравитационного взаимодействия, которое, как поняли физики благодаря Общей Теории Относительности Эйнштейна и созданным после нее другим теориям гравитации, тесно связано со свойствами пространства и времени. В последней четверти ХХ века теоретики предложили целый ряд необычных идей для включения гравитации в фундаментальные теории микромира: существование дополнительных (помимо трех пространственных и одного временного) измерений (эта идея получила косвенное подтверждение в наблюдениях за расширением Вселенной), суперсимметрию, теории суперструн и другие. Однако выбрать среди предлагаемых теорий наиболее правильную на базе имеющихся экспериментальных данных оказалось невозможно: в области низких энергий их предсказания совпадают. Можно сказать, что, пройдя «территорию СМ» почти до конца, физики оказались на распутье, не снабженном никакими указателями для выбора нужного пути среди многих дорог. Данные, которые планируются получить на LHC, могут подтвердить справедливость некоторых из идей (например, обнаружение тяжелых суперпартнеров «обычных» частиц будет веским подтверждением идеи суперсимметрии).

Есть и еще несколько направлений исследований, которые имеют большое значение: изучение кварк-глюонной плазмы может помочь понять строение некоторых астрофизических объектов и стать основой будущей энергетики, изучение свойств тяжелых кварков может позволить получить сведения об их внутреннем строении, то есть проникнуть на еще более глубокий уровень изучения строения материи, изучение пучков высокоэнергетичных частиц позволит усовершенствовать методы «чтения» информации, приносимых космическими лучами, и многое другое.

В последнее время LHC приобрел широкую известность из-за выступлений средств массовой информации и некоторых исследователей о возможности глобальных катастрофических последствий пуска коллайдера. Они основаны на предположениях о возможности рождения на LHC некоторых гипотетических объектов: микроскопических черных дыр (ЧД), «зародышей» новых вакуумов, «червоточин» пространства-времени, магнитных монополей и гиперустойчивых ядер с примесью странных кварков («страпелек»). Далее к этим предположениям присоединяются новые – о возможности катастрофического влияния этих объектов на Землю. Все перечисленные «опасности» трудно признать реалистичными. Даже возможность существования этих объектов до сих пор не установлена. Кроме того, масштаб энергий LHC не является «критическим» для их рождения. Например, типичные энергии, которые требуются (согласно большинству из теорий, допускающих такие события) для рождения микро-ЧД, «зародышей» и «червоточин» превосходят энергии LHC в 1015 (миллион миллиардов) раз, магнитных монополей – в 1012 раз. Поэтому вероятность рождения этих объектов катастрофически мала даже с точки зрения теорий, допускающих их существование. В теориях, где такая вероятность несколько выше (но все равно очень мала с «житейской» точки зрения), эти объекты обычно очень нестабильны и исчезают, не успев причинить никакого вреда. Для рождения стабильных страпелек энергии LHC напротив, слишком большие. Суммируя сказанное, можно сделать вывод о том, что аккуратный теоретический анализ не дает оснований хоть какую-нибудь из «опасностей» считать серьезной. Помимо теоретических, есть и практические причины не верить катастрофическим ожиданиям. В самом деле, энергии, достигнутые на уже существующих установках (например, «Тэватрон» лаборатории имени Э.Ферми и релятивистский коллайдер тяжелых ионов Брукхейвенской лаборатории), лишь на порядок уступают энергиям LHC. Эта разница существенна с точки зрения поиска бозона Хиггса или изучения свойств топ-кварка, но не является очень существенной для упоминающихся «опасных» событий. Если бы они могли происходить на LHC, физики бы обязательно увидели хоть какие-нибудь их проявления в статистике событий этих установок. Однако ничего похожего не наблюдалось. Кроме того, в просторах видимой части Вселенной немало астрофизических объектов, генерирующих пучки частиц с энергиями, о которых земные экспериментаторы даже и не мечтают. К тому же плотность потока частиц в этих пучках существенно превосходят все, что есть на Земле. Частицы с энергиями, превышающими энергии LHC, присутствуют в космических лучах, попадающих в атмосферу Земли. Наблюдения за всеми этими явлениями также не обнаруживают признаков рождения катастрофически опасных частиц.

Человечество сейчас сталкивается с целым рядом проблем, каждая из которых грозит глобальной катастрофой: экологические кризисы, нарастающая нестабильность мира по отношению к социальным, военным и техногенным катастрофам, процессы деградации в морально-этической сфере. Вряд ли стоит концентрировать свое внимание на проблемах надуманных – полезнее заняться решением реальных.

Список литературы

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.portal-slovo.ru/