Великий адронний колайдер – шлях до вивчення будови Всесвіту
Великий адронний колайдер (скор. ВАК, англ. LHC) – це найбільш об’ємний і найпотужніший прискорювач частинок в світі, який розташований на франко-швейцарському кордоні біля міста Женева. Він призначений для прискорення і зіткнення зустрічних пучків протонів і важких йонів (йонів свинцю). ВАК створений при Європейській раді ядерних досліджень ЦЕНР. У його будівництві і обслуговуванні, брало участь більше 10 тисяч інженерів і вчених з більш ніж 100 країн світу. Вартість проєкту оцінюється в 10 млрд. доларів США.
Колайдер по суті є замкненою тунельною системою, котра розташована під земною поверхнею на глибині до 180 м. Назву «колайдер» доречно перевести на українську, як «пристрій для зіткнень». А зіштовхує він адрони (клас складових частинок, що піддаються сильній взаємодії). Звідси і назва «адронний колайдер». Приставку «великий» він отримав за свої значні розміри, довжина основного тунелю ВАК становить 26, 7 км.
В ВАК експерименти здебільшого проводяться з протонами. Протон – елементарна частинка, яка становить частину атома, її відмітна властивість – наявність позитивного заряду. Великий адрон ний колайдер розганяє потоки протонів всередині підземного тунелю до більш ніж 99, 9% швидкості світла, направляючи їх назустріч одна одній. При зіткненні на такій швидкості моделюються умови, подібні до стану нашого Всесвіту на ранніх стадіях його існування.
Призначення ВАК
Великий адронний колайдер допомагає досліджувати самі елементарні частинки і особливості процесів їх взаємодії. ВАК вже приніс науці чимало безцінних відомостей в галузі квантової фізики, і вченим не терпиться отримати більше інформації про те, як влаштовані наш простір і час. Процеси, вловлені детекторами адронного колайдера під час зіткнення протонів, дають дослідникам можливість прийти до кращого розуміння того, що представляв собою Всесвіт протягом перших миттєвостей після Великого вибуху.
Як відомо, до початку 1970-х фізики розробили так звану Стандартну модель (СМ), в якій об`єдналися 3 з 4 фундаментальних взаємодій (крім гравітаційної):
- сильна;
- слабка;
- електромагнітна.
Однак СМ неможливо прийняти вичерпною теорією елементарних частинок. Імовірно, вона – не більше ніж фрагмент іншої, більш масштабної теоретичної картини того, як влаштований мікросвіт. Основна мета створення Великого адронного колайдера – наблизитися до розуміння суті нової теорії (пошук нової фізики).
У наш час наука застосовує різні способи об`єднання фундаментальних взаємодій:
- теорія струн;
- теорії супергравітації;
- петльова квантова гравітація, тощо.
Не всі вони є досконалими і жодна з них не була підтверджена експериментальним методом. Перешкода полягає в нестачі енергії, доступної вченим на сучасних пристроях для прискорення частинок.
Великий адронний колайдер дав науці можливість реалізувати експерименти з недоступною раніше енергією, і мабуть, це дозволить оцінити коректність деяких з вищезазначених теоретичних підходів. Зокрема, є велика кількість теоретичних систем, що допускають наявність такого явища, як суперсиметрія – зокрема, теорія струн (вона ж теорія суперструн), яка в разі доведення відсутності суперсиметрії, втратить свій логічний зміст. Відповідно, якщо буде отримано доказ існування суперсиметрії, то це стане і непрямим аргументом на підтвердження правоти даних теорій.
Дослідження топ-кварків
Ці частинки – найбільш важкі не тільки з кварків, але також з усіх відомих науці елементарних частинок. Їх маса занадто велика для того, щоб топ-кварки можна було вивчати на більшості прискорювачів. Крім прямого наукового інтересу, дані частинки використовуються як засіб для досліджень бозона Хіггса. Бозони з`являються в ВАК спільно з парою топ-кварк/антикварк. Тому слід краще представляти властивості кварків, щоб виділяти з їх середовища бозони.
Дослідження електрослабкої симетрії
Серед основних завдань ВАК, крім підтвердження існування бозона Хіггса, слід відзначити те, яким чином дана нестабільна частинка впливає на симетрію електрослабкої взаємодії. Бозон, як відомо, – квант такого фізичного явища, як поле Хіггса. Долаючи це середовище елементарні частинки стикаються з опором, що фізика усвідомлює як поправки до маси. І це лише частина того, що можна дослідити в ВАК.
Як влаштований Великий адронний колайдер
Колайдер складається з 3 базових структур;
- Прискорювач елементарних частинок. Він дозволяє розігнати і зіштовхнути адрони (важкі елементарні частинки з кварків), використовуючи електромагніти величезної потужності, які розподілені паралельно всій протяжності підземного тунелю.
- Детектори. Процес, а також підсумки взаємодії прискорених магнітами протонів неможливо спостерігати безпосередньо в тунелі, з цієї причини спеціальні пристрої-детектори збирають максимально можливий обсяг інформації з метою подальшої її обробки.
- Грід. Детектори назбирують петабайт експериментальних даних. Для того, щоб коректно обробити такий значний масив інформації, застосовують грід-систему – комп`ютерну мережу, розташовану в 36 державах, вона формує свого роду єдиний супер-комп`ютер. Але навіть він здатний інтерпретувати приблизно 1% параметрів реакції в ВАК.
Які наукові досягнення ВАК
Оскільки ВАК має більшу енергію в порівнянні з колайдера ранніх версій, він дав вченим можливість досліджувати незвідану до того область енергій і знайти наукові дані, які допомагають уточнити деякі теоретичні побудови.
Сьогодні до найбільш помітних наукових «проривів», досягнутих за допомогою колайдера, відносять відкриття бозона Хіггса. Вже зараз його багато хто називає одним з найбільш гучних відкриттів XXI століття, оскільки бозон Хіггса допомагає пояснити наявність маси частинок в нашому просторі. Отже, тим самим отримано підтвердження Стандартної моделі, на основі якою в наш час фізика моделюють поведінку і реакції елементарних частинок. І якраз ця їх взаємодія є фундаментом, на якому побудований весь наш Всесвіт.
Сутність дії бозона Хіггса полягає в тому, що він бере участь у формуванні маси і її обміні серед інших елементарних частинок. Однак це вкрай спрощений виклад функцій бозона, і усім зацікавленим цієї частинкою рекомендується вивчити відповідні наукові публікації, що більш ґрунтовно розкривають тему.
Інші наукові результати ВАК:
- проведені дослідження базових статистичних параметрів зіткнень протонів, оцінка числа народжених адронів, кореляції мезонів;
- продемонстровано, що не існує асиметрія протонів і антипротонів;
- спостерігалися незвичайні кореляції протонів, що летять по кардинально різних траєкторіях;
- уточнені параметри можливих контактних взаємодій кварків;
- зафіксовані суттєві ознаки утворення кварк-глюонної плазми і т.д.
Плани на майбутнє
У міру того, як Великий адронний колайдер почне працювати на повній потужності і світності (2021 - 2023 рр.), його розробники планують зупинку приладу на 2, 5 роки для модернізації детекторів і прискорювачів (проект HL-LHC). Тим самим буде посилена світність ВАК і забезпечена можливість проведення дослідів з ще більшою енергією. Вчені також мають намір організувати досліди шляхом зіткнення протонів і електронів, що потребують додаткового обладнання для розгону елементарних частинок.
Крім того, в планах ЦЕРН є куди більш амбітний міжнародний проект, створення колайдера з 100 км. кільцем. Поточне назва проекту Future Circular Collider (FCC, МКК, «Майбутній кільцевий колайдер»). Запуск проєкту призначено на 2040 р.