Мы продолжаем освещать интересующую всех последнее время тему. И сегодня о самом большом в мире коллайдере рассказывает заместитель директора отделения физики высоких энергий ПИЯФ РАН академик Георгий Дмитриевич Алхазов – сын известного создателя первых ускорителей в нашей стране и у нас в Гатчине Д.Г. Алхазова.

Издавна люди задумывались над вопросами, что представляет из себя Вселенная, и как устроено окружающее нас вещество. Некоторые мыслители древности полагали, что материю можно раздробить на неограниченное количество частей, которые, в принципе, можно также разделить на более мелкие части, и так продолжать этот процесс деления до бесконечности, получая все более и более мелкие частицы материи. Демокрит и некоторые другие философы, напротив, предполагали, что при делении материи можно прийти к самым малым неделимым частям материи, которые были названы атомами. Развитие науки показало, что, действительно, окружающее нас вещество состоит из ограниченного количества различных атомов, причем свойства вещества определяются свойствами атомов, из которого это вещество состоит. Однако оказалось, что сами атомы состоят из более мелких элементарных частиц – электронов, протонов и нейтронов.

Познание человеком Природы обогатилось в 20-ом столетии целым миром элементарных частиц. На рубеже 19-ого и 20-ого столетий в экспериментах Томсона и Миликена была открыта первая элементарная частица – электрон. Затем в экспериментах Резерфорда, исследовавшего рассеяние альфа-частиц атомами вещества, были открыты атомные ядра и входящие в состав ядер протоны. В дальнейшем были открыты нейтроны, и ученые пришли к выводу, что атомные ядра состоят из элементарных частиц – протонов и нейтронов. Казалось, что открытых элементарных частиц – электронов, протонов и нейтронов – достаточно для объяснения окружающей нас Природы. Но в космических лучах, т.е. в частицах высокой энергии, прилетающих к нам на Землю из космоса, были неожиданно обнаружены мюоны, пионы, позитроны и некоторые другие ранее не известные частицы.

С середины 20-ого столетия создаются ускорители заряженных частиц высокой энергии, поставляющие физикам пучки частиц большой интенсивности. В столкновениях ускоренных частиц с атомами вещества и в столкновениях частиц друг с другом физики искусственно получили и исследовали большое число (более двухсот) новых нестабильных элементарных частиц, подверженных удивительным взаимодействиям и взаимопревращениям. Было показано, что кинетическая энергия сталкивающихся частиц может превращаться в новые формы материи, а именно, в результате столкновения двух частиц могут родиться несколько новых частиц. Эти частицы были названы “элементарными”, поскольку предполагалось, что они самые простые базисные частицы, из которых состоит все сущее. Однако дальнейшие исследования показали, что бóльшая часть “элементарных” частиц, на самом деле, имеет внутреннюю структуру – они состоят из более мелких элементарных объектов, “кварков”. В частности, протоны и нейтроны состоят из трех кварков, а пионы состоят из двух кварков.

Современная теория элементарных частиц, так называемая Стандартная модель, позволила систематизировать все открытые элементарные частицы. Так же как Периодическая система Менделеева не только систематизировала все известные химические элементы, но и предсказала существование новых элементов, Стандартная модель предсказала существование еще ряда элементарных частиц. Эксперименты блестяще подтвердили предсказания Стандартной модели. Но до сих пор не обнаружен бозон Хиггса. Элементарная частица бозон Хиггса, предсказанная шотландским теоретиком Питером Хиггсом, играет ключевую роль в теории. В частности, эта частица объясняет происхождение масс у всех других частиц. Если бозон Хиггса не будет найден, то тогда рушится вся стройная система теории, и основы теории должны быть пересмотрены. Бозон Хиггса тяжелее протона, по-видимому, в 100 – 200 раз. Для получения в ядерных реакциях тяжелых частиц, таких как бозон Хиггса, требуются налетающие частицы, ускоренные до очень высокой энергии.

В настоящее время самая высокая энергия ускоренных частиц достигается на Тэватроне – ускорителе в Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми (около г. Чикаго в США). На этом ускорителе изучаются продукты столкновений ускоренных до энергии 1000 млрд. электрон-вольт протонов с антипротонами. Суммарная энергия сталкивающихся частиц здесь приблизительно в 400 тысяч раз больше энергии альфа-частиц, с помощью которых Резерфорд впервые провел эксперимент по расщеплению атомного ядра. Энергия частиц на Тэватроне, в принципе, достаточна для рождения бозона Хиггса. Но расчеты показывают, что вероятность рождения бозонов Хиггса на Тэватроне очень мала, и поиски бозона Хиггса в экспериментальных данных Тэватрона пока не увенчались успехом.

Физики возлагают большие надежды на то, что бозон Хиггса будет открыт на Большом адронном коллайдере (БАК) – новом ускорителе, строительство которого началось в 2001 г. и завершается в ближайшее время в Европейском центре ядерных исследований вблизи г. Женева в Швейцарии (“коллайдер” – от английского слова “collide”, т.е. сталкивать). Ускоритель БАК – это самая крупная, самая сложная экспериментальная установка, когда-либо создававшаяся в истории человечества. Цель создания ускорителя БАК – проникнуть в самые сокровенные тайны материи и воспроизвести картину рождения Вселенной. На ускорителе БАК будут исследоваться столкновения встречных пучков протонов, ускоренных до энергии в 7 раз выше энергии частиц Тэватрона. Интенсивности пучков ускоренных частиц будут также в десятки или сотни раз больше. Кроме того, на ускорителе БАК будут изучаться столкновения пучков ядер свинца, ускоренных до высокой энергии.

Кольцевая вакуумная камера главной части ускорителя (в виде гигантского бублика), где частицы, ускоренные до максимальной энергии, будут сталкиваться друг с другом, расположена в тоннеле под землей на глубине около 100 метров на территории Франции и Швейцарии. Длина тоннеля (в котором раньше находился Большой электрон-позитронный коллайдер) около 27 км. Движение частиц по окружности (диаметром около 8,6 км) обеспечивается сильным магнитным полем, которое почти в 200 тысяч раз больше магнитного поля Земли. Для создания такого сильного магнитного поля используются магниты с обмотками из сверхпроводящего сплава. Общая длина магнитов (в количестве более двух тысяч) составляет приблизительно 20 км. Для обеспечения сверхпроводимости обмотки магнитов охлаждаются до температуры –271° С, т.е. до температуры, близкой к абсолютному нулю. Протоны (или ионы атомов свинца) будут ускоряться в двух противоположных направлениях. Ускоренные пучки частиц будут сталкиваться лоб в лоб. В результате столкновений будет образовываться большое число различных частиц, которые будут регистрироваться и изучаться с помощью четырех крупных детекторных установок. Это очень большие и сложные экспериментальные установки. Каждая из них имеет объем масштаба 1000 кубометров и содержит миллионы отдельных элементов для идентификации частиц и регистрации их траекторий.

Стоимость строительства ускорителя БАК вместе с экспериментальными установками превышает 10 млрд. долларов США. Сооружение такого сложного и дорогого экспериментального комплекса не под силу одной стране. Поэтому работы по созданию как самого ускорителя БАК, так и его детекторов, ведутся совместными усилиями 80 государств, в том числе и России. В проекте БАК принимают участие около 1000 российских ученых. Вклад России в БАК оценивается в несколько сотен млн. долларов США. Кстати, Петербургский институт ядерной физики принимал активное участие в создании всех четырех детекторных установок. Физические исследования на ускорителе БАК будут проводиться совместными усилиями коллективов физиков из разных стран. Общее количество физиков, которые будут работать на ускорителе, превышает 6 тысяч человек.

На всех детекторных установках ускорителя БАК будут проводиться работы по уточнению свойств известных частиц и будет вестись поиск новых частиц. Главными задачами экспериментов является поиск бозона Хиггса, изучение различий между материей и антиматерией и исследование так называемой кварк-глюонной плазмы, которая будет получаться при столкновении тяжелых атомных ядер (ядер свинца) высокой энергии. Эксперимент с ядрами свинца будет имитировать в микромасштабе состояние вещества в первые доли секунды Большого взрыва, в результате которого 14 млрд. лет назад возникла наша Вселенная. Если бозон Хиггса в ходе экспериментов будет обнаружен, на что очень рассчитывают физики, то это будет триумфом Стандартной модели. Однако это не будет означать, что Стандартная модель – это последнее слово в теории элементарных частиц. Дело в том, что Стандартная модель объединяет три из четырех фундаментальных взаимодействий Природы: сильное (удерживающее в атомных ядрах протоны и нейтроны), слабое (ответственное за бета-распад некоторых частиц и ядер, т.е. их распад с испусканием электронов или позитронов) и электромагнитное. Но она не включает в себя гравитационное взаимодействие, проявляемое в космических масштабах, и благодаря которому, в частности, обеспечивается устойчивость Солнечной системы. Теоретики делают попытки создания новых, более универсальных теорий, включающих в себя все четыре типа фундаментальных взаимодействий. Эти теории предсказывают существование новых частиц, которые пока не наблюдались. Физики полагают, что эксперименты на ускорителе БАК позволят дать ответ, существуют ли такие частицы, и таким образом эти новые теории будут либо подтверждены, либо опровергнуты. Исследования на ускорителе БАК, как надеются физики, позволят ответить также на другие актуальные вопросы современной физики элементарных частиц.

Предполагается, что в момент рождения Вселенной вещество и антивещество образовались в равном количестве. Почему же тогда сейчас в окружающем нас мире мы наблюдаем практически только вещество? Согласно Стандартной модели, электрон и кварки не имеют внутренней структуры. Но являются ли на самом деле электроны и кварки истинно элементарными кирпичиками мироздания, или они сами состоят из более мелких частиц? Мы живем в мире, имеющем одно временное и три пространственных измерения. Но нет ли еще дополнительных пространственных измерений, которые мы не наблюдаем? Как сейчас считается, мы видим во Вселенной только часть материи. Бóльшую же часть материи, которую называют темной, мы не видим. Что представляет собой эта темная материя, и из каких частиц она состоит?

Ученые с нетерпением ждут запуска ускорителя БАК и первых научных результатов, которые будут получены на ускорителе, надеясь, что исследования на ускорителе БАК дадут ответы на эти животрепещущие вопросы познания Природы. Как показала история введения в строй новых ускорителей, исследования на новых более мощных ускорителях не только давали ответы на ранее сформулированные вопросы, но зачастую приводили к совершенно неожиданным открытиям, проливающим свет на тайны мироздания. Так и в исследованиях на ускорителе БАК могут быть получены совершенно новые неожиданные результаты, которые позволят человечеству перейти на новую ступень познания Природы.
Введение в строй ускорителя БАК – это очень важный этап фундаментальных исследований в физике элементарных частиц. Запуск ускорителя планировался на октябрь 2008 г. К сожалению, во время проведения пуско-наладочных работ произошла серьезная авария, в результате чего был поврежден ряд элементов конструкции ускорителя. Поэтому работы по запуску ускорителя БАК приостановлены, и они возобновятся, по-видимому, лишь летом 2009 г.

В связи с предстоящим запуском ускорителя некоторые люди проявили обеспокоенность, не могут ли исследования на ускорителе БАК привести к катастрофическим последствиям мирового масштаба. В частности, не могут ли при соударении частиц высокой энергии родиться “черные дыры”, которые начнут поглощать окружающую материю и в результате уничтожат нашу планету. Для ответа на этот вопрос была создана специальная комиссия из экспертов. Ученые пришли к выводу, что все эти опасения совершенно не обоснованы, так что беспокойства о возможном конце света не должно быть.