Большой адронный коллайдер снова работает после перерыва продолжительностью более трех лет. По случаю этого, «Naked Science» рассказывает об открытиях, сделанных на предыдущих ускорителях, и о том, что ожидается от БАК.
Большой адронный коллайдер возвращается к работеБолее трех лет самый большой и мощный ускоритель в мире находился на техобслуживании и модернизации. Сейчас инженеры поэтапно запускают его. Гигант полностью заработает летом, после чего начнется четырехлетний цикл экспериментов, третий в истории ускорителя. Первый цикл проходил с 2010 по 2012 год, а второй, после модернизации, — с 2015 по 2018-й.
Большой адронный коллайдер ускоряет потоки протонов и направляет их навстречу друг другу. В большинстве случаев частицы распадаются, что естественно: задача попасть протон в протон сложнее, чем сбить пулей пулю. Однако часть протонов все же сталкивается. В результате таких столкновений образуются новые частицы. Ученые изучают, какие именно частицы и с какой частотой возникают, чтобы постичь законы физики элементарных частиц.
Ускоритель характеризуется энергией столкновений частиц. Чем мощнее удар, тем более массивные частицы могут образоваться из-за преобразования энергии в массу по известной формуле Е=mc². 2Новая модернизация повысила энергию столкновений протонов до рекордных значений — 13,6 тераэлектронвольта.
Важное значение имеет светимость ускорителя – число столкновений частиц на каждый квадратный сантиметр сечения ускорителя в единицу времени.
Улучшения принесли пользу и в этом случае. Предполагается, что детективы… ATLAS и CMSВ ходе третьего запуска произойдет больше столкновений, чем за два предыдущих. Количество инцидентов на датчике… LHCbУвеличится в три раза относительно прошлых запусков. Эксперимент предусматривает большое число столкновений тяжёлых ионов. ALICEУвеличится на пятьдесят раз. Новые детекторы поступят в строй. FASER и SND@LHC— созданные для выявления явлений, не соответствующих Стандартной модели.
Что такое Стандартная модель и зачем учёные стремятся её расширить?
Ускоритель познания
Всё во Вселенной построено из элементарных частиц. Каждый процесс, от рукопожатия до ядерного взрыва, в конечном итоге сводится к взаимодействию этих частиц. Какие элементарные частицы существуют в природе? Как они взаимодействуют? Почему именно такие и какие существуют? Получить полные ответы на эти вопросы — главная цель физиков.
С ранних лет о познании нас учат об атоме: электронах, протонах и нейтронах — его составляющих. Однако это лишь начальная ступень. В мире существует множество других частиц. На сегодняшний день насчитывается… более 200Большинство частиц очень кратковременные: после возникновения они существуют в течение невероятно коротких промежутков времени. Изучая только долгоживущие частицы, например, электрон или протон, невозможно понять общие законы физики элементарных частиц. Это похоже на то, что пытаться постичь все тайны биосферы Земли, изучая только тысячелетние секвойи.
Физикам для экспериментов необходима «фабрика», производящая короткоживущие частицы, такими фабриками являются ускорители. В них стабильные частицы (обычно протоны или электроны) разгоняются и сталкиваются друг с другом либо с неподвижной мишенью. В результате этих столкновений рождаются короткоживущие частицы.
Если хорошо разогнать два автомобиля и послать их навстречу друг другу, получится разлет на части. В мире элементарных частиц другие законы: столкновение приводит к появлению новых частиц. Важно отметить, что это не значит, что столкнувшиеся протоны… состоялиИз этих частиц. Если бы машины были элементарными частицами, столкновение двух «Москвичей» привело бы к появлению, например, нового «Бентли» и пары мотоциклов, а не разлетевшимся бамперам и крыльям.
Масса образующихся частиц определяется энергией столкновений. Энергия столкновений, в свою очередь, напрямую связана со скоростью частиц. Для достижения высокой скорости частиц необходим мощный ускоритель.
В тридцатые годы возникли первые работающие ускорители, после чего стартовала многолетняя гонка за увеличением их размеров. Каждая новая ступень этой гонки приводила к открытию новых частиц.
С увеличением количества вновь обнаруженных частиц на ускорителях и в космических лучах физики начали испытывать беспокойство. Необходимо было найти порядок в этом хаосе, подобно тому как таблица Менделеева отобразила изящный закон, скрывающийся за разнообразием химических элементов.
Система была обнаружена и испытана в течение двух знаменитых десятилетий: 1960-х и 1970-х годов. Далее повествуем о поразительной истории той эпохи, когда открытия были грандиозными, а ускорители — крошечными.
Загадка четырех сил
Отложим в сторону классификацию частиц и рассмотрим силы, действующие между ними. В 1930-х годах физики установили, что существует четыре взаимодействия между элементарными частицами: электромагнитное, гравитационное, сильное и слабое. Любая сила, воздействующая на любой объект, сводится к одному из этих фундаментальных взаимодействий. Без любого из них не было бы возможным существование планет, звезд и живых существ.
Без электромагнитного взаимодействия не было бы атомов, так как электроны не притягивались бы к ядру. Также это взаимодействие отвечает за силы трения и упругости, благодаря которым мы не проваливаемся сквозь пол, все химические реакции, в том числе происходящие в живой клетке, излучение света и многие другие явления. А без гравитации не существовало бы галактик, звезд и планет: это единственная сила, скрепляющая воедино такие огромные объекты.
Сильное 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 тела людей. Таблицу Менделеева из первичного водорода создали только благодаря ядерным реакциям, которые стали возможны именно за счёт слабого взаимодействия.
Четыре фундаментальные силы различаются. Электромагнитная и гравитационная действуют на любом расстоянии, сильная и слабая — лишь на очень малом (меньше атома). Взаимодействия избирательны в том, какие частицы могут в них участвовать: электромагнитное — заряженные частицы, гравитационное — с массой, сильное — с цветом (не имеющим отношения к цвету в обычном понимании), слабое — все частицы, кроме переносчиков других взаимодействий (фотонов, глюонов и гипотетических гравитонов).
Взаимодействия различаются по силе. Сильное — самое мощное и сдерживает протоны в ядре атома, преодолевая их электрическое отталкивание. Следующее по важности — электромагнитное взаимодействие, значительно более слабое. На третьем месте — слабое, еще менее интенсивное. И наименее мощное — гравитационное, практически незаметное на уровне отдельных частиц и проявляющееся лишь при огромных массах вещества.
Четыре силы, формирующие наш мир, кажутся столь же разнообразными, как банан, пингвин, айсберг и наручники. Впечатление, будто их просто извлекли наугад из груды всего на свете. Не так представляешь основу мироздания. Может быть, три слона выглядели бы более благопристойно: хотя бы они были похожи друг на друга.
Возможно, это торжество хаоса — кажущееся? А если за внешней непохожестью скрывается симметрия и красота, которые кажутся неизбежными? Забегая вперед, скажем: так и есть, по крайней мере отчасти. Часть этой красивой гармоничной картины уже известна, а об остальном можно догадываться… и надеяться.
Первооткрывателям хватало работы даже без метафизических вопросов. До 1960-х годов у исследователей не было рабочей теории ни сильного, ни слабого взаимодействия. Работали четкие количественные вопросы (например, с какой вероятностью частица А превратится в частицу В), но вычислить ответ не могли.
Инвентаризация зоопарка
Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, называются адронами. Большинство известных нам частиц, таких как протоны и нейтроны, — это адроны, поэтому изучение их естественно.
В начале 1960-х годов Мюррей Гелл-Манн и Юваль Неэман обнаружили скрытую систему в множестве известных к тому времени адронов. Результатом стало то, что можно сравнить с таблицей Менделеева для частиц. Позднее выяснилось, что это сходство выходит за рамки видимого.
Положение элемента в таблице Менделеева зависит от числа протонов (или электронов) в его атоме. Более сотни различных химических элементов образуются при последовательном добавлении в ядро ещё одного протона. Гелл-Манн и Джордж Цвейг независимо друг от друга поняли, что закономерности свойств адронов обусловлены их внутренней структурой.
Предположили, что адроны состоят из еще более мелких частиц — кварков. Всего шесть видов кварков, и свойства всех адронов определяются тем, из каких именно кварков они состоят (а также состоянием этих кварков). Адроны оказались «элементарными, но не самыми элементарными частицами». Разнообразие десятков адронов свелось к перестановке шести кварков. Мир стал заметно проще.
Считая адроны как конструктор «Лего» с деталями-кварками, теоретики вывели несколько новых адронов на бумаге. Первые из них были вскоре обнаружены, что принесло Гелл-Манну Нобелевскую премию по физике 1969 года. Экспериментаторы до сих пор открывают новые адроны (это и есть основная задача Большого адронного коллайдера). Все они построены из тех же кварков по тем же принципам.
Стоит отметить, что адроны состоят только из кварков, а не всех частиц. Электроны, нейтрино и некоторые другие частицы (их называют лептонами) не состоят из кварков и не участвуют в сильном взаимодействии.
Теоретики изучавшие адроны и кварки построили теорию сильного взаимодействия — квантовую хромодинамику. Экспериментаторы проверили её. Оказалось, сильное взаимодействие — это обмен глюонами. Ученые вывели формулы, которым подчиняются глюоны и кварки. Знания о сильном взаимодействии превратились из разрозненных фактов в стройную систему, которую физики используют и сейчас.
Преодолевая слабость
В те же годы теоретики трудились над тайнами слабого взаимодействия. Стивен Вайнберг стремился построить теорию слабых сил, используя квантовую электродинамику как образец.
Вайнберг не ограничился созданием теории слабого взаимодействия, а совершил более масштабный прорыв. Проводя параллели между слабым и электромагнитным взаимодействием, физик неожиданно понял, что эти силы — две грани одной концепции. При температурах выше 10… 15При температуре в триллионы градусов силы перестают различаться между собой. Так же как перестают отличаться друг от друга электрон — электрически заряженный и участвующий в электромагнитном взаимодействии, — и нейтрино — нейтральное. При таких температурах нейтрино и электрон можно считать одной частьюцы. Другие частицы тоже образуют пары, которые сливаются при температуре выше пороговой (например, u-кварк перестает отличаться от d-кварка).
Теорию, которая объяснила слабые взаимодействия и показала их скрытое единство с электромагнитными, называют теорией электрослабых сил. Вайнберг завершил ее в 1967 году. Через год 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, вследствие чего в 1979 году трое первооткрывателей получили Нобелевскую премию.
Маленькие гиганты большой физики
Вся эта грандиозная наука продемонстрирована на ускорителях сравнительно небольших по нынешним временам. Например, важную поддержку электрослабой теории получил Протонный синхротрон протяженностью всего 628 метров. А одно из решающих подтверждений теории Гелл-Манна — открытие c-кварка — состоялось благодаря Синхротрону с переменным градиентом длиной 806 метров. На установках, которые в десятки раз меньше БАК, творилась история.
Одно из ключевых предсказаний электрослабой теории оказалось не по силам этим устройствам. Подобно тому, как электромагнитное взаимодействие переносится фотонами, а сильное — глюонами, у слабого взаимодействия должны быть частицы-переносчики. Их две: W-бозон и Z-бозон (W-бозонов два: положительно и отрицательно заряженный, но они являются античастицами друг друга, поэтому имеют одинаковую массу и другие параметры).
Чем массивнее частица, тем больше энергии требуется для её образования. 2(Вы помните?) Стометровые установки не могли достичь энергий рождения W- и Z-бозонов. Эти частицы открыли в 1983 году благодаря Протонному суперсинхротрону длиной семь километров.
Отсюда недалеко до БАК с кольцом длиной двадцать семь километров. Проверка предсказаний гениальных теорий 1960-1970-х годов требовала серьёзных усилий. Когда низко висящие плоды сорваны, остаются лишь высоко висящие.
Теория Вайнберга, Салама и Глэшоу получила новое подтверждение, но в ней все еще существует нерешенный вопрос. Как мы уже отмечали, при температуре выше определенного порога слабое взаимодействие становится неразличимым от электромагнитного. С точки зрения электрослабой теории это неудивительно: она описывает обе силы с помощью одних и тех же уравнений.
На самом деле, куда сложнее понять причину взаимодействий. начинают различатьсяКогда температура падает ниже критической отметки? В 1964 году Питер Хиггс предложил ответ. Его гипотеза предполагала существование бозона Хиггса — третьего элемента из трех заветных бозонов электрослабой теории.
Стандартная модель предсказала все параметры этой частицы, за исключением массы. Массу нужно было измерить экспериментально и внести в теорию. Бозон Хиггса десятилетиями искали на всё более мощных ускорителях. Не обнаруживали и удивлялись: бозон, скорее всего, тяжелее, чем предполагалось. Долгожданное открытие состоялось лишь благодаря БАК. О прорыве сообщили в 2012 году, через 48 лет после публикации Хиггса. Бозон Хиггса оказался в 130 раз тяжелее протона. Неудивительно, что ускорители 1980-х и 1990-х не смогли его обнаружить.
Упрощение мира
Электрослабая теория, совместно с квантовой хромодинамикой, образует Стандартную модель физики элементарных частиц — ключевую теорию устройства практически всего сущего. всего24 фундаментальных частицы (не считая античастиц) не состоят из каких-либо более мелких частей, то есть истинно элементарные. В списке — 12 частиц вещества: шесть кварков и шесть лептонов (электрон, мюон, тау-лептон и три вида нейтрино). Еще 12 частиц — фотон, W-бозон, Z-бозон, гравитон и восемь видов глюонов — переносят взаимодействия: электромагнитное, слабое, гравитационное и сильное соответственно. Вот к чему свелась классификация из двух сотен элементарных частиц, почти все из которых на поверку оказались не такими уж элементарными.
С возникновением Стандартной модели мир стал удивительно стройным. Непонятная масса разрозненных фактов трансформировалась в лаконичный список частиц и действующие теории трех из четырех взаимодействий (к сожалению, создать удовлетворительную квантовую теорию четвертого — гравитационного — пока не удалось). Причем два из них — электромагнитное и слабое — даже слились в единое. Независимо от будущих открытий, какого бы нового, более глубокого порядка вещей ни было найдено, Стандартная модель сохранит своё значение, как и таблица Менделеева или закон всемирного тяготения.
Теория мечты
Физики постоянно стремятся глубже понять мир. Объединение двух полей — электромагнитного и слабого — дало надежду на объединение всех четырех. Вот что должны быть по-настоящему фундаментальные силы: не четырьмя причудливыми диковинами, а симметричными гранями прекрасного кристалла. 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 можно будет назвать… теорией всего.
Теории, соединяющие электрослабые и сильные взаимодействия, считаются теориями великого объединения. Это не Стандартная модель, а ее непроверенные расширения. Как их проверить? Нужно получить частицы, масса которых превышает массу протона в 10 раз. 15 (тысячутриллионовДля достижения этой цели за счёт габаритов ускорителя нужно кольцо протяжённостью с орбиту МарсаДля объединения трех взаимодействий с четвертым – гравитационным – может потребоваться ускоритель размером с Галактику. Пока же гордость современной науки – 27-километровый БАК, но это всё ещё недостаточно для достижения нужного масштаба.
Успешный и лучший
Проектом Большого адронного коллайдера пренебрегать нельзя: это удачный проект. С его помощью исследователи подтвердили много предсказаний Стандартной модели, которые были недоступны для проверки на более скромных установках. Среди сбывшихся прогнозов — открытие десятков новых частиц. На Большом адронном коллайдере обнаружено 59 адронов.
Разработчики огромного комплекса естественно стремились выйти за пределы теорий, сформулированных во времена стометровых ускорителей. Получить сведения, не укладывающиеся в Стандартную модель и побуждающие ее расширение, — что может быть более привлекательным?
Эта мечта пока не исполнилась. В целом, некоторые интересные результаты. естьНовые данные показывают, что результаты могут потребовать пересмотра теорий.
Человечество имеет повод гордиться своими теоретиками: Стандартная модель объясняет данные, значительно превосходящие те, по которым ее создавали. Для научной теории это и есть наивысший успех в успехе. Но — вздыхают экспериментаторы — как же хочется новой эпохи открытий!
Может быть, третья сессия БАК даст возможность исследовать новые области физики. По окончании работы планируют переоборудовать БАК в Большой адронный коллайдер высокой светимости (HL-LHC). Количество сталкивающихся частиц при этом существенно возрастет. Это позволит обнаружить редкие экзотические процессы, если таковые существуют.
В планах ЦЕРН — запуск в 2040 году Будущего кругового коллайдера (FCC) длиной в 100 километров. Текущий рекордсмен БАК станет вспомогательным кольцом для FCC. Для самого БАК таковым стало семикилометровое кольцо Протонный суперсинхротрон, открывший W- и Z-бозоны.
Умный в гору не пойдет?
Есть надежда получить выводы из расширений Стандартной модели, проверяемые без ускорителей. Например, некоторые теории великого объединения утверждают, что протоны со временем распадаются, хотя среднее время их жизни необычайно велико. Если взять массу вещества достаточной величины, в ней найдутся протоны, которые распадутся прямо сейчас. Пока такие эксперименты не дали результата, но будущее неизвестно.
Вполне возможно, что в будущем мы вовсе перестанем использовать ускорители в их нынешнем виде. Энергия столкновений на БАК велика лишь с точки зрения элементарных частиц. По сути, примерно такую же энергию потратила бы муха, выполняя отжимание от пола.
Цель заключается в концентрировании всей энергии в протоне, тончайшем из возможных, примерно такого же размера, как нога мухи, разделенная на число раз, равное количеству раз, меньшей, чем Солнце является от мухи. Пока не существует более эффективного способа добиться этого, кроме как проворачивать многострадальный протон в электромагнитном поле по протяжённому туннелю. Такой подход уже имеет почти столетие истории, разве что туннели становятся длиннее, поля — мощнее, а аппаратура — совершеннее.
Можно ли считать прогрессом лишь увеличение прежнего? Лучше грузовика двести лошадей в повозку не поставят, кольцо размером с орбиту Марса тоже менее эффективно придумать можно. Это задача физиков XXI века. Если им удастся справиться, теория мечты может стать теорией реальности во всех смыслах.