Много мыслей крутилось в голове, пока 18-ый трамвай мчал к передовой ядерной физики. Я усиленно собирал в кучку свои жалкие познания о строении атомов: aтом состоит из ядра и облака электронов; ядро состоит из протонов и нейтронов; протоны и нейтроны состоят из кварков. Где-то в глубинах сознания роились бозоны, мюоны, лептоны, антикварки. Виды взаимодействий: cильное, слабое, электромагнитное, какое-то ещё.
Тем временем трамвай приехал на конечную, и мы отправились искать путь к знаниям. Путь оказался не слишком тернистым.
Экскурсия по CERNу — бесплатная. Достаточно просто зарегистрироваться на сайте https://home.cern/. Или, как это сделали мы, просто приехать, подойти на ресепшн и записаться в лист ожидания. Обязательно найдутся те, кто не пришел по записи. Нас пригласили спустя 5 минут.
Гидом у нас был доктор Бристольского университета Винсент Смитт. Если вы попадете к нему, вас ожидает подробный и очень интересный рассказ. Правда только на английском языке. Язык доступный, но стоит вспомнить слова beam (пучок) и particle (частица).
Стандартная модель. Вопросы Вселенной и всего такого
Мы строим телескопы, чтобы вглядываться в звезды и попытаться понять макромир. Ускорители элементарных частиц — это микроскопы, смотрящие в микромир. Их задача — найти мельчайшие составляющие материи, чтобы мы смогли понять и описать их особенности, взаимодействие.
На данный момент всё что мы знаем о микромире элементарных частиц, описывается в рамках так называемой стандартной модели. Эта теория была придумана порядка 30 лет назад и до сих пор является самой глубокой моделью понимания микромира.
Стандартная модель — теория строения и взаимодействий элементарных частиц. Её уже многократно подтвердили экспериментально.
Математическое выражение стандратной модели это отдельная песня, с которой я безупешно пытался разобраться около недели после посещения CERNa. Вкратце — она позволяет с очень высокой точностью предсказать поведение элементарных частиц.
Вот в этой статье http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6552/aa5b25 сотрудница CERNа подробно и отчасти доходчиво рассказывает, почему вы всё равно не поймете, о чем она рассказывает.
Разобраться с этой математической красотой я пытался, потому что купил в магазинчике майку. На майке как раз те самые загогулины, представленные выше. Нужно было быть готовым ответить на вопрос, что же у меня на майке написано. Ни одного вопроса я так и не получил :) Вероятно, загогулины настолько устрашающи.
Вернемся к рассуждениям по поводу Стандратной модели. Эта теория не является всеобъемлющей. Она не объясняет феномен Темной Материи, массы нейтрино, не объясняет преобладание вещества над антивеществом.
Ученые на адронном колайдере заняты поиском нового берега, Новой Физики. Поиском маячащей на горизонте Теории Всего, которая ответит на все вопросы Вселенной и возможно принесет нам возможности, которые на данный момент мы не можем себе представить.
Представьте себя в пустой комнате, где точно есть кто-то ещё. Вы слышите поскрипывание половиц, иногда лёгкое дыхание. Вы заглядываете за шкаф — там только затерявший носок, под кровать — там пыль, за штору-там снова ничего. Кажется, в комнате и нет никого.
Вот такой процесс поиска в комнате кого-то ещё на адронном коллайдере называют поиском отклонений от стандартной модели. Это сильно возбуждает физиков. Они, оказывается, чертовски азартны.
Как всё это работает?
Адроны — частицы, участвующие в сильном взаимодействии. Все адроны из чего-то состоят: кварков или антикварков... Более подробно об особенностях жизни и строения адронов можно почитать на сайте http://elementy.ru/LHC/HEP/experiments/quark_model
В адронном коллайдере разгоняют протоны и, реже, тяжелые ядра свинца. Гоняют их по двум кольцам диаметром 27 километров в противоположном направлении. Кольца находятся в туннеле на глубине в 100 метров. Ну как кольца — одна толстенная труба, внутри которой пара трубок с супервакуумом, магнитами, охлаждающим компонентом.
Ранее из ускорителей стреляли по мишеням и анализировали результат. Позже придумали коллайдеры — устройства где сталкивают два встречных пучка частиц. Под пучком понимается сгусток протонов игловидной формы. Таких сгустков может быть достаточно много. Сталкивать пучки выгодно, так как выше вероятность столкновений протонов и интересных результатов этих самых столкновений.
Частица изначально не обладает энергией, достаточной для того, чтобы носится по 27 километровому кругу. Её разгоняют в ускорителях меньшего размера, где частица набирает энергию. Затем инжектируют в ускоритель большего размера. Таким образом удается наращивать общую энергию столкновения частиц.
Частица удерживается на круговой траектории с помощью сверхпроводящих магнитов, корректирующих направление пучка. Теоретически, размеры коллайдера могли бы быть и поменьше, но для этого потребовались бы магниты мощнее, способные удерживать высокоэнергетический пучок частиц на круговой траектории. Вот так получается, что прогресс в физике элементарных частиц зависит от прогресса в материаловедении.
В результате столкновения частиц, выделяется энергия и в стороны разлетаются продукты столкновения. Каждое такое столкновение регистрируется одним из 4 детекторов, производя колоссальные объёмы данных. Данные записываются на магнитные носители. Речь здесь идёт о петабайтах. Хранить такие объёмы на HDD было бы дороже.
Данные проходят первичный анализ. Те данные, которые потенциально не несут ничего интересного отбрасываются. На более подробный анализ отбирается информация о столкновениях, при которых выделившийся объем энергии, например, выше обычного.
Таким образом открытия на БАКе происходят в результате анализа данных. Для того чтобы как-то справляться со всеми данными в CERNе была разработана система GRID. Система, распределяющая вычислительную нагрузку между компьютерами в Сети. Комьютеры расположены в университетах по всему миру.
Откуда деньги на всё веселье?
Постройка коллайдера обошлась в сумму, превышающую 3 миллиарда долларов. Всего около 20-ти стран участиков проекта и ещё немало наблюдателей. Финансируется CERN через отчисления бюджетов на науку стран участников.
Интересный момент связан с электричеством. Его закупают с франзуской стороны по специальному тарифу. Покупать электричество в Швейцарии неимоверно дорого. Со стороны Швейцарии, всё же видны провода, идущие к CERNу. На вид провод высоковольтной линии примерно с кулак.
БАК работает сезонами. Например, на зиму его выключают, так как потребление электроэнергии во Франции возрастает. Все начинают греться. В тоже время ученые могут переехать работать на ускорители в США, где ситуация с потреблением энергии противоположная. Расход электричества там выше летом, когда все пользуются кондиционерами, спасаясь от жары.
Зачем миру такая дорогая игрушка?
CERN это потрясающий пример сотрудничества ученых из множества стран. Общая ценность экспериментов на БАКе превысиила бы во много раз всё то, чего потенциально смогла бы добиться каждая страна в отдельности.
Основные цели БАКа — поиск отклонений от стандратной модели, развитие фундаментальной науки и понимания Вселенной. Были открыты W, Z бозоны, доказано существование бозона Хиггса, которое было предсказано учеными за 30 лет до того.
Из побочных эффектов работы Cerna — появление WWW. Благодаря работе Тима Бернерса-Ли. Множество применений ускорителей элементарных частиц в медицине. И кто его знает, до чего еще додумаются ребята из CERNа и насколько сильно это изменит мир.
Разобраться лучше в работе коллайдера очень помог проект http://elementy.ru/LHC
