Большой адронный коллайдер возвращается к работе. Самый большой и мощный ускоритель в истории, про который многие думают, что он способен уничтожить планету, создав черные дыры или опасную материю, более трех лет находился на техобслуживании и модернизации. Он окончательно вернется в строй этим летом. Тогда и стартует 4-летний цикл экспериментов, уже третий в истории ускорителя. Большой адронный коллайдер разгоняет пучки протонов и направляет их навстречу друг другу. Задача попасть протоном в протон сложнее, чем сбить пулей пулю, но некоторая часть протонов все же сталкивается друг с другом. В этих столкновениях рождаются разнообразные новые частицы. Наблюдая, что именно и как часто образуется, ученые постигают законы физики элементарных частиц.

Важнейшая характеристика ускорителя — энергия столкновений. Чем больше энергия сталкивающихся частиц, тем более массивные частицы возникнут в результате удара (энергия переходит в массу по знаменитой формуле E=mc2). И новая модернизация довела энергию столкновений протонов до рекордных 13,6 тераэлектронвольта. Другая важнейшая величина — светимость ускорителя. Это количество столкновений частиц на 1 см2 сечения ускорителя в секунду. Чем выше светимость, тем больше событий зарегистрируют физики и тем больше информации получат. Модернизация помогла и здесь. Ожидается, что детекторы ATLAS и CMS во время третьего «прогона» зафиксируют больше столкновений, чем в процессе предыдущих двух вместе взятых. Число событий на детекторе LHCb вырастет втрое по сравнению с предыдущими запусками. А количество столкновений тяжелых ионов в эксперименте ALICE увеличится в 50 раз. Кроме того, в строй вступят новые детекторы FASER и SND@LHC, специально предназначенные для поиска явлений, не укладывающихся в Стандартную модель.

Что такое Стандартная модель?

Все на свете состоит из элементарных частиц. Любой процесс — будь то рукопожатие или ядерный взрыв — в конце концов сводится к взаимодействию между частицами. Со школьной скамьи нам знакомы частицы, составляющие атом: электроны, протоны и нейтроны. Но это только вершина айсберга. На самом деле, в природе гораздо больше частиц. На сегодня их открыто более 200. Подавляющее большинство частиц – короткоживущие. Однажды возникнув, они существуют лишь ничтожные доли секунды. Но нечего и думать разобраться в общих законах физики элементарных частиц, исследуя только частицы-долгожители вроде электрона или протона. Это все равно что пытаться постичь все тайны биосферы Земли, изучая лишь тысячелетние секвойи. Значит, физикам для экспериментов нужна «фабрика», производящая короткоживущие частицы. И такие фабрики называются ускорителями. В них стабильные частицы (обычно протоны или электроны) разгоняются и сталкиваются друг с другом либо с неподвижной мишенью. В этих столкновениях и рождаются короткоживущие частицы.

Масса рождающихся частиц зависит от энергии столкновений. Энергия же сталкивающихся частиц зависит прежде всего от их скорости. А чтобы хорошо разогнать частицу, нужен большой ускоритель. Первые действующие ускорители появились в начале 30-х годов прошлого века, после чего началась гонка за их размером, продолжавшаяся десятилетиями. Каждый новый этап в ней означал множество свежеоткрытых частиц. Со временем число новых частиц, которые обнаруживались на ускорителях и в космических лучах, стало даже несколько беспокоить физиков. Требовалось отыскать в этом хаосе систему, подобно тому, как таблица Менделеева выразила изящный закон, стоящий за сбивающим с толку разнообразием химических веществ. И эта система была найдена и проверена в промежутке с начала 60-х до конца 70-х годов прошлого столетия.

Отвлечемся пока от классификации частиц и посмотрим, какие силы действуют между ними. Уже в 30-х годах прошлого века физики знали, что есть четыре взаимодействия между элементарными частицами: электромагнитное, гравитационное, сильное и слабое. Любая сила, действующая на любой объект, сводится к какому-нибудь из этих фундаментальных взаимодействий. И без любого из них было бы невозможно существование планет, звезд и живых существ. Например, без электромагнитного взаимодействия не было бы атомов, ведь электроны не притягивались бы к ядру. Кроме того, это взаимодействие отвечает за силы трения и упругости, все химические реакции, излучение света и многие другие явления. А без гравитации не существовало бы галактик, звезд и планет. Сильное же взаимодействие удерживает протоны и нейтроны в ядре атома, несмотря на электрическое отталкивание протонов. Без него не существовало бы никаких химических элементов, кроме водорода, в том числе тех, из которых состоят наши тела. Но их не было бы и без слабого взаимодействия, поскольку только благодаря ему стали возможны ядерные реакции, создавшие всю таблицу Менделеева из первичного водорода.

При этом четыре фундаментальные силы вызывающе непохожи друг на друга. Например, электромагнитная и гравитационная действуют на любых расстояниях, а сильная и слабая — лишь на очень маленьких. Взаимодействия еще очень избирательны в том, каким частицам дозволяется в них участвовать. В электромагнитном участвуют исключительно частицы, имеющие заряд, в гравитационном — имеющие массу, в сильном — имеющие так называемый цвет, а в слабом — вообще все, кроме частиц-переносчиков других взаимодействий. Мощь этих взаимодействий тоже весьма разнообразна. Сильное взаимодействие — сообразно названию самое сильное. Именно поэтому оно пересиливает электрическое отталкивание протонов и, на наше счастье, удерживает их в ядре атома. На втором месте — электромагнитное взаимодействие, которое гораздо слабее. На третьем — слабое, которое слабее еще на несколько порядков. И замыкает список гравитационное. Оно такое маломощное, что вряд ли мы когда-нибудь сможем измерить тяготение между двумя отдельными частицами. Оно становится заметным только тогда, когда вместе собираются астрономические массы вещества. При всей их непохожести за их взаимодейтсвием скрывается симметрия и красота. Часть этой красивой гармоничной картины нам уже известна, а об остальном мы можем догадываться и… надеяться.

Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, называются адронами. Подавляющее большинство известных нам частиц, в том числе протоны и нейтроны, — это как раз адроны, так что разбираться в сути происходящего ученые начали именно с них. В начале 60-х годов прошлого века Мюррей Гелл-Манн и Юваль Неэман разглядели скрытый порядок в нагромождении известных к тому времени адронов. Получилось нечто вроде таблицы Менделеева для частиц. И вскоре выяснилось, что эта аналогия глубже, чем кажется. Место элемента в таблице Менделеева определяется тем, сколько в его атоме протонов. Удивительно, что больше сотни таких разных химических элементов получаются просто последовательным добавлением в ядро еще одного протона. Гелл-Манн и Джордж Цвейг поняли, что за закономерностями в свойствах адронов тоже стоит их внутреннее строение. Они предположили, что адроны состоят из еще более мелких частиц — кварков. Есть всего шесть видов кварков, и свойства всех адронов определяются тем, из каких именно кварков они состоят, а также тем, в каком состоянии находятся эти кварки. Адроны оказались «элементарными, но не самыми элементарными частицами». Разнообразие десятков адронов свелось к перетасовке шести кварков. Мир стал заметно проще.

Взглянув на адроны как на конструктор LEGO с деталями-кварками, теоретики собрали на кончике пера несколько новых, еще не открытых, адронов. Первые из них вскоре были успешно обнаружены, что принесло Гелл-Манну Нобелевскую премию по физике в 1969 году. Экспериментаторы до сих пор открывают новые адроны благодаря Большому адронному коллайдеру, но все они построены из тех же кварков по одним и тем же принципам. Подчеркнем, впрочем, что из кварков состоят только адроны, а не все частицы. Электроны, нейтрино и некоторые другие лептоны из кварков не состоят и в сильном взаимодействии не участвуют.

Разбираясь с адронами и кварками, теоретики построили, а экспериментаторы проверили теорию сильного взаимодействия — квантовую хромодинамику. Оказалось, сильное взаимодействие — это обмен особыми частицами (глюонами). Ученые вывели формулы, которым подчиняются глюоны и кварки. Знания о сильном взаимодействии превратились из нагромождения разрозненных фактов в стройную систему, которой физики пользуются и в наши дни.

В те же годы теоретики бились над загадками слабого взаимодействия. Стивен Вайнберг пытался построить теорию слабых сил по аналогии с теорией электромагнитных сил (квантовой электродинамикой). В результате Вайнберг не просто построил теорию слабых взаимодействий, а сделал много больше. Глубоко погрузившись в аналогии между слабой и электромагнитной силами, физик внезапно обнаружил, что эти две силы — стороны одной медали. При температурах выше 1015 (тысяча триллионов) градусов эти силы перестают отличаться друг от друга. Равно как перестают отличаться друг от друга такие разные частицы, как электрон (электрически заряженный и, значит, участвующий в электромагнитном взаимодействии) и нейтрино (сообразно названию, нейтральное). При таких температурах нейтрино и электрон можно считать одной и той же частицей. Другие частицы тоже образуют пары, которые сливаются при температуре выше пороговой. Например, u-кварк перестает отличаться от d-кварка. Эту теорию, которая объяснила слабые взаимодействия и заодно выявила их скрытое единство с электромагнитными, называют теорией электрослабых сил. Вайнберг завершил ее в 1967 году. Через год практически такую же теорию независимо построил пакистанский физик Абдус Салам, а некоторые ее аспекты ранее разработал Шелдон Глэшоу. Первые экспериментальные подтверждения новой теории появились очень быстро, так что в 1979 году все эти ученые получили Нобелевскую премию.

Маленькие гиганты

Все эти эпохальные открытия были совершены на очень небольших по нынешним меркам ускорителях. Например, важное подтверждение электрослабой теории получили на Протонном синхротроне (Proton Synchrotron) длиной всего 628 м. А одно из решающих подтверждений теории Гелл-Манна — открытие c-кварка — состоялось благодаря Синхротрону с переменным градиентом (Alternating Gradient Synchrotron) длиной 806 м. На установках, которые в десятки раз меньше БАК, творилась история. Но одно из ключевых предсказаний электрослабой теории оказалось не по зубам этим устройствам. Подобно тому, как электромагнитное взаимодействие переносится фотонами, а сильное — глюонами, у слабого взаимодействия тоже должны быть частицы-переносчики. Их две: W-бозон и Z-бозон. Вообще, W-бозонов два: положительно и отрицательно заряженные, но они являются античастицами друг друга, так что имеют одинаковую массу и другие параметры. Чем тяжелее частица, тем больше нужно энергии, чтобы она родилась, поэтому старые установки не могли достичь энергий рождения W- и Z-бозонов. Эти частицы открыли в 1983 году благодаря Протонному суперсинхротрону (Super Proton Synchrotron) длиной 7 км. Это уже было ближе к БАК с его кольцом протяженностью в 27 км.

Теория Вайнберга, Салама и Глэшоу снова была блестяще подтверждена, но в ней оставался нерешенный вопрос. Мы упоминали, что выше некоторого порога температуры слабое взаимодействие неотличимо от электромагнитного. С точки зрения электрослабой теории в этом нет ничего удивительного: она описывает обе силы одними и теми же уравнениями. Напротив, по-настоящему трудный вопрос состоит в том, почему взаимодействия начинают различаться, когда температура опускается ниже роковой отметки? Ответ предложил Питер Хиггс в 1964 году. Его гипотеза требовала существования бозона Хиггса — третьего бозона электрослабой теории. Стандартная модель предсказала все параметры этой частицы, кроме массы. Массу, напротив, нужно было измерить в эксперименте и заложить в теорию. Бозон Хиггса десятилетиями искали на все более мощных ускорителях. Но долгожданное открытие оказалось под силу лишь БАК. О прорыве объявили в 2012 году — через 48 лет после публикации Хиггса. Оказалось, бозон Хиггса тяжелее протона более чем в 130 раз. Неудивительно, что ускорители прошлого века не справились с его поиском.

Упрощение мира

Электрослабая теория вместе с квантовой хромодинамикой составляет Стандартную модель физики элементарных частиц — главную теорию того, как устроено почти все на свете. В ней всего 24 фундаментальные частицы, не считая античастиц. Они не состоят ни из каких еще более мелких частей, то есть истинно элементарные. В этом списке — 12 частиц вещества: 6 кварков и 6 лептонов (электрон, мюон, тау-лептон и 3 вида нейтрино). Еще 12 частиц (фотон, W-бозон, Z-бозон, гравитон и 8 видов глюонов) переносят взаимодействия: электромагнитное, слабое, гравитационное и сильное соответственно. Вот к чему свелся зоопарк из двух сотен элементарных частиц, почти все из которых на поверку оказались не такими уж элементарными.

С созданием Стандартной модели мир стал удивительно изящным. Необъятный объем обрывочных фактов сменился экономным списком частиц и работающими теориями трех из четырех взаимодействий. Увы, построить удовлетворительную квантовую теорию гравитационного взаимодействия пока никому не удалось. Причем два из них — электромагнитное и слабое — даже объединились в одно. Какие бы открытия ни случились в будущем, какой бы новый, еще более глубокий порядок вещей ни был открыт, Стандартная модель не потеряет своего значения, как не теряет его таблица Менделеева или закон всемирного тяготения.

Однако физики всегда стремятся продвинуться дальше в понимании мира. Объединение электромагнитного и слабого полей породило надежды на объединение всех четырех. Вот чем должны быть по-настоящему фундаментальные силы. Конечно, для этого нужно как минимум построить квантовую теорию гравитации. И хорошо бы, чтобы из новой теории еще выводились те параметры, которые в Стандартную модель закладываются как входные, например, масса и заряд электрона и других фундаментальных частиц. Тогда ее с полным правом можно будет назвать теорией всего.

Теории, объединяющие электрослабое и сильное взаимодействия, называются теориями великого объединения. Это уже не Стандартная модель, а ее непроверенные расширения. Как их проверить? Нужно получить частицы, которые тяжелее протона в 1015 (тысячу триллионов) раз. Чтобы достичь этого за счет размера ускорителя, требуется кольцо длиной с орбиту Марса. А чтобы к трем взаимодействиям присоединилось гравитационное, возможно, понадобится и ускоритель величиной с Галактику. Пока же у современной науки есть только 27-километровый БАК. Впрочем, пренебрежение к Большому адронному коллайдеру неуместно. Это сверхуспешный проект, с помощью которого экспериментаторы подтвердили многие предсказания Стандартной модели, не поддававшиеся проверке на меньших установках. В числе этих сбывшихся прогнозов — обнаружение десятков новых частиц. Одних только адронов на Большом адронном коллайдере открыто 59 штук.

Но создатели этой установки, конечно, надеялись выйти за рамки теорий, созданных в эпоху не столь протяженных ускорителей. Получить данные, не укладывающиеся в Стандартную модель и взывающие к ее расширению, — что может быть заманчивее? Пока эта мечта не сбылась. Вообще, некоторые интригующие результаты есть, но пока не ясно, действительно ли они потребуют пересмотра теорий. Наоборот, некоторые из теоретических расширений Стандартной модели были опровергнуты. Возможно, третий запуск БАК, наконец, позволит вырваться на просторы новой физики. А по его завершении планируют превратить БАК в Большой адронный коллайдер высокой светимости (High Luminosity Large Hadron Collider или HL-LHC). Количество сталкивающихся частиц при этом резко увеличится. Это поможет «выловить» редкие экзотические процессы, если они, конечно, есть.

В планах CERN строительство Будущего кругового коллайдера (Future Circular Collider) протяженностью в 100 км, который намерены запустить в 2040 году. Нынешний рекордсмен БАК станет для этого колосса лишь вспомогательным кольцом, как в свое время для самого БАК вспомогательным кольцом стал 7-километровый Протонный суперсинхротрон.

Другие возможности для новых открытий

Впрочем, есть надежда вывести из расширений Стандартной модели следствия, которые можно проверить и без ускорителей. Например, некоторые из теорий великого объединения утверждают, что протоны со временем распадаются, просто их среднее время жизни необычайно велико. Но если взять достаточно большую массу вещества, в ней найдется несколько протонов, которые распадутся прямо сейчас. Правда, пока такие эксперименты не увенчались успехом. Не исключено, что когда-нибудь мы вообще откажемся от ускорителей в нынешнем понимании. Энергия столкновений на том же БАК велика лишь по меркам элементарных частиц. Фокус в том, чтобы сосредоточить всю эту энергию в отдельном протоне. Пока ученые не нашли лучшего способа это сделать, чем гонять многострадальный протон в электромагнитном поле по длинному туннелю. Этому подходу уже без малого 100 лет, разве что туннели становятся длиннее, поля — мощнее, а аппаратура — совершеннее. Если физики справятся с этой задачей, то теория мечты, возможно, станет теорией реальности.

Большой адронный коллайдер в цифрах

Большой адронный коллайдер находится на границе между Францией и Швейцарией, возле Женевы, в тоннеле глубиной 100 м. Длина ускорителя — почти 27 км, а максимальная энергия частиц, до которой он может их разогнать, — 7 ТэВ, что почти в 230 раз больше, чем у первого адронного коллайдера. Большой адронный коллайдер является самой крупной экспериментальной установкой в мире. В строительстве, которое длилось почти 10 лет, принимало участие более 10000 ученых и инженеров из 100 стран. Затраты на создание БАК оцениваются в 4,6 млрд. евро. Все органы управления БАК находятся в центре управления CERN. В постоянном штате примерно 1500 человек: инженерный научный персонал, который обеспечивает работу ускорительного комплекса, сотрудники, занимающиеся развитием, ремонтом и модернизацией установки и т.д. Принять участие в виртуальном туре по БАК можно по этой ссылке: https://virtual-tours.web.cern.ch/vtours/LHC/LHC.html.

Статья подготовлена по материалам сайта naked-science.ru и других сетевых ресурсов