Большой адронный коллайдер: как работает самый большой ускоритель частиц в мире

Когда-то маленький мальчик смотрел на звёздное небо и спрашивал у отца: из чего сделан мир? Отец не знал ответа. Теперь, спустя много лет, тысячи учёных со всего мира ищут этот ответ в подземном тоннеле на границе Швейцарии и Франции. Там, на глубине более ста метров под землёй, работает самый большой научный эксперимент в истории человечества. Это Большой адронный коллайдер — машина, которая помогает нам заглянуть в самое сердце материи и понять, как родилась Вселенная.

Мы с вами живём в удивительное время. Человек уже летал на Луну, отправил аппараты на Марс, создал интернет. Но до сих пор не знает точно, из чего состоит большая часть Вселенной. Тёмная материя, тёмная энергия, происхождение массы — эти вопросы волнуют учёных уже десятки лет. Именно для поиска ответов и построили адронный коллайдер. Эта гигантская установка разгоняет крошечные частицы до невероятных скоростей и сталкивает их между собой. В момент столкновения рождаются новые частицы, которые существовали только в первые мгновения после Большого взрыва. Сейчас мы узнаем, что такое этот коллайдер, как он работает, что уже открыл и почему не стоит бояться его запуска.

Что такое Большой адронный коллайдер

Если говорить простыми словами, адронный коллайдер — это огромная машина для разбивания атомов. Но не для того, чтобы что-то разрушить, а чтобы увидеть, из чего это сделано. Представьте, что вы хотите узнать, что внутри часов. Можно аккуратно открыть крышку и посмотреть. А можно бросить часы о стену и разобрать осколки. Учёные делают что-то похожее с элементарными частицами. Они разгоняют протоны до скорости, близкой к скорости света, и сталкивают их между собой. В момент столкновения энергия движения превращается в новые частицы. Некоторые из них живут миллиардные доли секунды, но успевают оставить след в детекторах. Именно эти следы изучают физики, чтобы понять природу материи.

Для чего нужен адронный коллайдер? Вопрос кажется абстрактным, но ответ влияет на нашу жизнь больше, чем мы думаем. Во-первых, это проверка фундаментальных теорий. Учёные создали стандартную модель физики — набор правил, описывающий поведение всех известных частиц. Но модель неполная. Она не объясняет гравитацию, тёмную материю, тёмную энергию. Коллайдер помогает найти пробелы в этой модели и построить новую, более точную теорию. Во-вторых, это технологии. Каждый крупный научный проект порождает десятки новых технологий. Интернет появился именно в CERN — центре, где работает коллайдер. Медицинские сканеры, детекторы излучения, новые материалы — всё это побочные продукты исследований физики частиц. В-третьих, это вдохновение. Большие научные проекты показывают, что человечество способно на совместные усилия ради знания.

«Наука — это организованное знание. Мудрость — это организованная жизнь» — Иммануил Кант

Определение и назначение БАК

Большой адронный коллайдер, сокращённо БАК, относится к классу ускорителей частиц. Это устройства, которые разгоняют заряженные частицы до высоких скоростей с помощью электромагнитного поля. Слово «адронный» означает, что разгоняют именно адроны — тяжёлые частицы, к которым относятся протоны и нейтроны. Слово «коллайдер» происходит от английского collide, что означает «сталкивать». То есть это не просто ускоритель, а ускоритель со встречными пучками. Два потока частиц движутся навстречу друг другу и сталкиваются в специальных точках. Там стоят детекторы, которые фиксируют результаты столкновений. Энергия столкновения протонов в БАК достигает 13,6 тераэлектронвольта. Это рекордная величина для земных условий, хотя в космосе частицы достигают гораздо больших энергий.

Основная цель БАК — найти отклонения от стандартной модели физики. Эта модель описывает четыре фундаментальные силы природы и все известные элементарные частицы. Но она не объясняет тёмную материю, которая составляет 27% Вселенной. Не объясняет тёмную энергию — ещё 68% Вселенной. И не включает гравитацию. То есть наша лучшая теория описывает всего 5% того, что есть во Вселенной. Остальное остаётся загадкой. Именно для раскрытия этих загадок нужны эксперименты с высокими энергиями. Чем больше энергия столкновения, тем более тяжёлые частицы могут родиться. А тяжёлые частицы часто связаны с новой физикой. Поэтому учёные постоянно стараются увеличить энергию и светимость коллайдера — количество столкновений на единицу времени.

Аерофото прискорювача RHIC

Где находится Большой адронный коллайдер

Коллайдер расположен на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы. Это не случайный выбор. Здесь находится CERN — Европейский центр ядерных исследований, крупнейшая лаборатория физики частиц в мире. CERN основали ещё в 1954 году, и с тех пор здесь работали десятки тысяч учёных со всех континентов. Именно в CERN изобрели World Wide Web — технологию, которая стала основой интернета. Здесь открыли W- и Z-бозоны, за что вручили Нобелевскую премию. Поэтому, когда возникла идея построить самый большой в мире ускоритель, выбор места был очевиден. К тому же, здесь уже существовал подземный тоннель от предыдущего коллайдера — электрон-позитронного, который работал до 2000 года.

Тоннель БАК проходит на глубине от 50 до 175 метров под землёй. Такая глубина нужна для защиты от космического излучения, которое может повлиять на результаты экспериментов. Кроме того, на поверхности нет столько свободного места — тоннель пересекает жилые районы, дороги, поля. Под землёй проблем меньше. Кольцо тоннеля проходит под деревнями, фермами, лесами. Люди наверху даже не замечают, что под ними происходит один из самых сложных экспериментов в истории. Правда, иногда возникают забавные ситуации. В 2016 году короткое замыкание в коллайдере произошло из-за хорька, который пробрался к трансформатору. Животное погибло, но коллайдер пришлось выключить на несколько дней для ремонта.

Размеры и масштабы проекта

Когда говорят, что БАК большой, это не преувеличение. Длина тоннеля составляет 26 659 метров, или почти 27 километров. Если развернуть это кольцо в прямую линию, оно соединит Киев и Белую Церковь. Представьте себе подземное кольцо метро, которое охватывает целый крупный город — вот такой масштаб. В тоннеле установлено около 1600 сверхпроводящих магнитов, каждый весом несколько тонн. Эти магниты удерживают пучки частиц на траектории и не дают им рассеиваться. Для работы магнитов нужна температура минус 271 градус Цельсия — это холоднее открытого космоса. Поэтому в коллайдере работает огромная система охлаждения жидким гелием. Она занимает целую «фабрику» рядом с тоннелем.

Проект стоил более трёх миллиардов евро. Это огромные деньги, но меньше, чем стоимость одного авианосца или футбольного чемпионата мира. И это деньги, потраченные не на разрушение или развлечения, а на знание. В создании коллайдера участвовали более 10 тысяч учёных и инженеров почти из 100 стран мира. Это действительно международный проект, где вместе работают люди разных национальностей, религий, политических взглядов. Их объединяет общая цель — познать природу Вселенной. Строительство длилось с 2001 по 2008 год. Это был технический вызов — установить тысячи тонн оборудования в тесном тоннеле на большой глубине, обеспечить вакуум, охлаждение, питание, связь. Но люди справились. И 10 сентября 2008 года пучок протонов впервые обошёл всё кольцо коллайдера.

Характеристика	Показатель
Длина тоннеля	26 659 м (27 км)
Глубина залегания	50–175 метров под землёй
Расположение	Граница Швейцарии и Франции, возле Женевы
Стоимость проекта	Более 3 миллиардов евро
Количество участников	Более 10 000 учёных и инженеров
Количество стран	Почти 100 стран мира
Первый запуск	10 сентября 2008 года
Максимальная энергия	13,6 ТеВ (тераэлектронвольт)
Скорость частиц	99,9999% скорости света
Количество магнитов	Около 1624 сверхпроводящих
Температура охлаждения	1,9 К (минус 271°C)
Главные детекторы	ATLAS, CMS, ALICE, LHCb

История создания Большого адронного коллайдера

Идея построить Большой адронный коллайдер возникла ещё в 1984 году. Тогда учёные только что открыли W- и Z-бозоны — частицы, которые переносят слабое взаимодействие. Это был триумф стандартной модели. Но сразу стало ясно: модель неполная. Она предсказывала существование бозона Хиггса — частицы, которая придаёт массу всем остальным частицам. Но найти её не удавалось. Нужен был более мощный ускоритель. Так родилась идея БАК. Сначала планировали построить его в США, но финансирования не хватило. Тогда эстафету приняла Европа. В 1994 году проект официально утвердили, и началась подготовка. Нужно было дождаться, пока закончит работу предыдущий коллайдер — LEP, который занимал тот же тоннель.

Строительство началось в 2001 году, когда LEP окончательно остановили. Работа была титанической. Сначала расширили и углубили существующий тоннель. Затем установили тысячи магнитов, каждый длиной 15 метров и весом несколько тонн. Их приходилось опускать в шахты, везти по тоннелю на специальных платформах, аккуратно устанавливать на место. Каждый магнит требовал точного выравнивания — погрешность в несколько миллиметров могла сорвать весь эксперимент. Параллельно строили систему охлаждения, электроснабжения, систему вакуумирования тоннеля. Ведь частицы должны двигаться в вакууме, иначе они будут сталкиваться с молекулами воздуха и терять энергию. Создать вакуум в 27-километровом тоннеле — это отдельный технический вызов. К 2007 году основные работы завершили, и начались испытания.

Первый запуск планировали на 8 июля 2008 года, но отложили на несколько месяцев для дополнительных проверок. В итоге 10 сентября 2008 года пучок протонов успешно обошёл всё кольцо коллайдера. Мировые СМИ писали об этом как о важнейшем научном событии года. Официальную церемонию открытия назначили на 21 октября. Но 19 сентября произошла авария. Один из сверхпроводящих магнитов потерял сверхпроводимость из-за неисправности электрического соединения. Это привело к резкому нагреву, утечке жидкого гелия, повреждению нескольких магнитов. Коллайдер пришлось остановить. Ремонт длился больше года. Только 20 ноября 2009 года БАК снова запустили. И с тех пор он работает, с перерывами на модернизацию и плановые остановки.

Центральна частина детектора Великого адронного колайдера з інженером всередині конструкції.

От идеи до реализации: 1984–2008 годы

Путь от идеи до реализации занял почти четверть века. Это нормально для крупных научных проектов. Сначала нужно убедить научное сообщество, что проект стоит воплощения. Потом найти финансирование — а три миллиарда евро — не такие уж лёгкие деньги. Затем сделать детальное проектирование — рассчитать каждый магнит, каждый детектор, каждую систему. Параллельно нужно разработать новые технологии. Многое из того, что требовалось для БАК, на момент начала проекта просто не существовало. Сверхпроводящие магниты такой мощности, детекторы с такой чувствительностью, системы обработки данных с такой производительностью — всё это приходилось изобретать с нуля. Поэтому подготовка так долго длилась. Но когда всё было готово, строительство пошло довольно быстро — всего семь лет от начала до запуска.

До БАК в том же тоннеле работал электрон-позитронный коллайдер LEP. Он был меньшей мощности — энергия столкновений составляла всего 209 ГеВ против нынешних 13,6 ТеВ. Но LEP сделал много важных открытий. Именно там точно измерили массу W- и Z-бозонов. Там изучали свойства кварков. Там накопили огромный опыт работы с детекторами частиц. Когда LEP закончил работу в 2000 году, его оборудование демонтировали, а тоннель подготовили для нового, более мощного коллайдера. Частично использовали существующую инфраструктуру — шахты, коммуникации, системы вентиляции. Это сэкономило время и деньги. Но большую часть пришлось строить заново, ведь требования к БАК были гораздо жёстче.

Первый запуск и технические проблемы

Утро 10 сентября 2008 года войдёт в историю науки. В 10:28 по местному времени пучок протонов впервые обошёл всё 27-километровое кольцо коллайдера. В зале управления раздались аплодисменты. Учёные обнимались, некоторые плакали от радости. Многие из них работали над этим проектом десятки лет. И вот их мечта осуществилась. В первые часы просто проверяли, всё ли работает правильно. Пучок обошёл кольцо несколько раз, системы контроля фиксировали его параметры. Всё было отлично. В следующие дни планировали постепенно увеличивать энергию пучков и провести первые тестовые столкновения. Но этим планам не суждено было сбыться так быстро, как хотелось.

19 сентября, через девять дней после триумфального запуска, произошла авария. В одном из секторов коллайдера неисправное электрическое соединение между магнитами привело к перегреву. Сверхпроводящие магниты работают при температуре минус 271 градус. При такой температуре материал магнита не имеет электрического сопротивления и может проводить огромные токи без потерь. Но если температура повышается даже на несколько градусов, сверхпроводимость исчезает. Сопротивление резко растёт, выделяется тепло, магнит нагревается ещё больше. Это называется квенч — внезапная потеря сверхпроводимости. В БАК произошёл именно квенч. Жидкий гелий, которым охлаждали магниты, быстро испарился. Давление в системе охлаждения подскочило. Несколько магнитов сдвинулись с места, повредились. Пришлось останавливать весь коллайдер, откачивать гелий, заменять повреждённые магниты, проверять все соединения. Ремонт занял более года и стоил десятки миллионов долларов.

Модернизации и этапы развития

После ремонта коллайдер снова запустили 20 ноября 2009 года. На этот раз всё прошло гладко. Сначала работали на скромных энергиях — 450 ГеВ на пучок. Затем постепенно увеличивали до 3,5 ТеВ. В 2010 году провели первые столкновения протонов на полной энергии. Началось накопление данных для анализа. Детекторы регистрировали миллионы столкновений, компьютеры обрабатывали петабайты информации. Учёные искали следы новых частиц. И уже через два года, в 2012 году, нашли то, что искали — бозон Хиггса. Это было важнейшее открытие в физике за последние десятилетия. После этого триумфа коллайдер остановили для масштабной модернизации.

С 2013 по 2015 год проходила первая крупная модернизация. Техники заменили более 10 тысяч электрических соединений между магнитами, чтобы избежать повторения аварии 2008 года. Усилили защиту электроники от радиации. Модернизировали системы ускорения. После этого энергию столкновений удалось поднять с 8 до 13 ТеВ, почти вдвое. Коллайдер вновь запустили весной 2015 года и он работал до конца 2018. За это время провели множество экспериментов, собрали огромный объём данных. В конце 2018 года началась вторая крупная модернизация, которая должна продолжаться до середины 2020-х. Цель — увеличить светимость пучков в десять раз. Это позволит проводить больше столкновений и быстрее накапливать статистику для редких процессов. А дальше планируются ещё более амбициозные проекты — возможно, новый коллайдер, ещё больший и более мощный.

Технічна схема детектора LHC з розташуванням основних модулів і магнітів.

Как работает Большой адронный коллайдер

Принцип работы коллайдера похож на гигантскую рогатку, только вместо камней он бросает протоны. Сначала протоны получают из атомов водорода — самого простого элемента. Атом водорода состоит из одного протона и одного электрона. Электрон отрывают, остаётся голый протон. Эти протоны собирают в пучки и начинают разгонять. Но не сразу до максимальной скорости — это невозможно. Сначала протоны проходят через линейный ускоритель, где набирают начальную энергию. Затем попадают в первый синхротрон — кольцевой ускоритель, где энергия растёт ещё больше. Далее — во второй, более мощный синхротрон. И только после этого протоны впускают в главное кольцо БАК, где их разгоняют до конечной скорости — 99,9999% от скорости света.

На такой скорости частица облетает 27-километровое кольцо за 0,0002 секунды. Это означает, что за одну секунду протон делает около 11 тысяч оборотов по кругу. При этом он не движется по прямой — его постоянно заставляют крутиться по кругу с помощью магнитного поля. Именно для этого нужны 1624 сверхпроводящих магнита. Каждый создаёт поле напряжённостью 8,3 тесла — в 100 тысяч раз сильнее магнитного поля Земли. Такое поле может изогнуть траекторию протона и удержать его на правильном пути. Но сильное магнитное поле можно создать только сверхпроводящим магнитом. А сверхпроводимость существует только при очень низких температурах. Поэтому магниты охлаждают жидким гелием до температуры минус 271 градус Цельсия — это холоднее открытого космоса.

«Наибольшее удовольствие я получаю от вещей, которые невозможно понять» — Ричард Фейнман

Принцип работы ускорителя частиц

Ускоритель работает за счёт электромагнитного поля. Протон имеет положительный электрический заряд. Если поставить позади него положительный заряд, а впереди — отрицательный, протон полетит вперёд, отталкиваясь от плюса и притягиваясь к минусу. Это как толкать человека в спину и одновременно тянуть за руку. По всей длине ускорителя стоят резонаторы — устройства, создающие переменное электрическое поле. Когда протон проходит мимо резонатора, поле толкает его вперёд. Но не постоянно, а синхронно с движением протона. Отсюда название — синхротрон. Поле меняется в такт с обращением пучка, чтобы всегда ускорять, а не тормозить. На каждом обороте протон получает небольшой прирост энергии. Но оборотов тысячи, поэтому общий эффект огромен.

Циклические ускорители эффективнее линейных, потому что частица проходит одно и то же ускоряющее оборудование много раз. Не нужно строить 27-километровый линейный ускоритель — достаточно сделать кольцо и гонять частицу по кругу. Но есть проблема. Когда заряженная частица движется по кругу, она излучает энергию в виде электромагнитных волн. Это синхротронное излучение. Чем легче частица, тем больше энергии она теряет. Электроны, которые в 2000 раз легче протонов, теряют очень много. Поэтому предыдущий коллайдер LEP, который ускорял электроны, не мог достигнуть столь высоких энергий. Для БАК выбрали протоны — они тяжелее, теряют меньше энергии на излучение. Кроме того, протоны — это адроны, частицы, состоящие из кварков. Когда два протона сталкиваются, на самом деле сталкиваются их кварки. И именно эти столкновения кварков дают самые интересные результаты.

Встречные пучки и столкновения адронов

В БАК одновременно движутся два пучка протонов в противоположных направлениях. Один по часовой стрелке, другой против. Каждый пучок разгоняют до максимальной скорости. Затем в четырёх точках кольца пучки сводят вместе, и происходят столкновения. Почему используют встречные пучки, а не бьют пучком по неподвижной мишени? Потому что при встречном столкновении вся энергия обеих частиц идёт на рождение новых частиц. А при столкновении с неподвижной мишенью часть энергии тратится на отбрасывание мишени, и эффективная энергия столкновения меньше. Встречные пучки дают максимальную отдачу от каждого столкновения. Кроме того, детекторы можно расположить вокруг точки столкновения и регистрировать частицы, разлетающиеся во все стороны.

Когда два протона сталкиваются на скорости, близкой к скорости света, происходит нечто невероятное. Протоны состоят из кварков, которые связаны между собой глюонами. При столкновении кварки из одного протона врезаются в кварки из другого. Из-за этого скорость резко падает, кинетическая энергия превращается в массу новых частиц согласно формуле Эйнштейна E=mc². Могут родиться десятки и даже сотни новых частиц — мезоны, барионы, лептоны, бозоны. Большинство из них живут миллиардные доли секунды и сразу распадаются на другие частицы. Но детекторы успевают зафиксировать их следы. Анализируя эти следы, учёные восстанавливают картину столкновения и определяют, какие частицы родились. Иногда среди них встречаются очень редкие — именно их и ищут физики.

Схема зображення кварків та глюонів усередині протона і нейтрон

Сверхпроводящие магниты и охлаждение системы

Чтобы удержать пучок протонов на круге диаметром 27 километров, нужно очень сильное магнитное поле. Обычные электромагниты не подходят — они потребляли бы столько электричества, сколько целый город. Поэтому используют сверхпроводящие магниты. Сверхпроводимость — это свойство некоторых материалов проводить электричество без сопротивления при очень низких температурах. Когда материал становится сверхпроводящим, по нему может течь огромный ток, и он не нагревается. Это позволяет создать очень сильное магнитное поле без больших затрат энергии. В БАК используют проволоки из ниобий-титанового сплава. При температуре 1,9 Кельвина (минус 271 градус Цельсия) этот сплав становится сверхпроводящим. Через магнитные катушки пропускают ток силой 12 тысяч ампер, и создаётся поле 8,3 тесла.

Чтобы поддерживать такую низкую температуру, все магниты погружены в жидкий гелий. Гелий становится жидким при температуре 4,2 Кельвина, а при снижении давления его можно охладить до 1,9 Кельвина. Для этого в CERN работает огромная криогенная система — одна из крупнейших в мире. Она производит и распределяет десятки тонн жидкого гелия по всему кольцу коллайдера. Это очень сложная и дорогая система. Но без неё БАК просто не смог бы работать. Интересно, что температура минус 271 градус холоднее средней температуры Вселенной, которая составляет минус 270 градусов. То есть магниты коллайдера холоднее открытого космоса. И это в тоннеле, который находится всего в сотне метров от поверхности земли, где летом бывает плюс 30 градусов. Контраст впечатляет.

Подготовка частиц в источнике — протоны получают из атомов водорода путём отрывания электрона
Предварительное ускорение в линейном ускорителе до энергии 50 МэВ и начальной скорости
Ускорение в протонном синхротроне до энергии 1,4 ГеВ и скорости 91,6% от световой
Дальнейшее ускорение в протонном суперсинхротроне до энергии 450 ГеВ и скорости 99,9% от световой
Финальное ускорение в главном кольце БАК до энергии 6,8 ТеВ и скорости 99,9999% от световой
Удержание пучков на траектории с помощью 1624 сверхпроводящих магнитов при температуре минус 271°C
Сведение встречных пучков в четырёх точках столкновения внутри детекторов ATLAS, CMS, ALICE и LHCb

Детекторы и оборудование Большого адронного коллайдера

Если коллайдер — это рогатка, то детекторы — это камеры, которые фотографируют результат выстрела. Детектор элементарных частиц — это сложный прибор размером с многоэтажный дом, наполненный электроникой. Когда частицы пролетают через детектор, они оставляют следы в разных слоях. По этим следам можно определить тип частицы, её энергию, направление движения, заряд. Это как детектив, который по следам на снегу определяет, кто и куда шёл. Только следы здесь — электрические импульсы в миллионах детекторных элементов. И появляются они не на снегу, а в кремниевых пластинах, газовых камерах, кристаллах сцинтиллятора. Каждый детектор БАК состоит из нескольких слоёв разного типа. Каждый слой выполняет свою функцию — один измеряет траекторию, другой энергию, третий идентифицирует тип частицы.

Вокруг коллайдера расположены четыре больших детектора и несколько маленьких. Два крупнейших — ATLAS и CMS — работают параллельно и проверяют результаты друг друга. Это важно, потому что ошибка в таком эксперименте может стоить лет работы. Если оба детектора видят одно и то же, вероятность ошибки минимальна. Другие детекторы — ALICE и LHCb — специализируются на конкретных типах экспериментов. ALICE изучает столкновения тяжёлых ионов, а не протонов. LHCb исследует асимметрию между материей и антиматерией. Каждый детектор — это международный проект, над которым работают сотни учёных из десятков стран. И каждый — это инженерный шедевр, использующий новейшие технологии.

Главные детекторы: ATLAS и CMS

ATLAS — это аббревиатура от «A Toroidal LHC Apparatus», что переводится как «Тороидальный аппарат БАК». Это крупнейший детектор коллайдера — 25 метров в длину, 25 метров в высоту и весом 7000 тонн. Он состоит из нескольких концентрических цилиндров, каждый из которых выполняет свою функцию. Внутренний цилиндр — трекер, который точно измеряет траектории заряженных частиц. Он состоит из миллионов кремниевых детекторов, каждый размером несколько квадратных миллиметров. Дальше идёт калориметр — устройство для измерения энергии частиц. Он поглощает частицы и превращает их энергию в свет, который регистрируется фотодетекторами. Внешний слой — мюонные камеры, которые ловят мюоны — тяжёлые аналоги электронов, способные пройти через все другие слои детектора.

CMS расшифровывается как «Compact Muon Solenoid» — «Компактный мюонный соленоид». Хотя он меньше ATLAS (14 метров в длину), он тяжелее — 14 000 тонн. Это самый тяжёлый детектор частиц в мире. Его сердце — огромный соленоидный магнит, создающий поле 4 тесла. Это поле изгибает траектории заряженных частиц, что позволяет точно измерять их импульс. CMS тоже состоит из нескольких слоёв — трекера, калориметра, мюонных детекторов. Но технологии другие, чем у ATLAS. Такая независимость очень важна. Когда оба детектора, построенные разными командами из разных технологий, видят одно и то же, это значит, что результат настоящий, а не артефакт прибора. Именно такая двойная проверка позволила в 2012 году уверенно заявить об открытии бозона Хиггса.

Схематичне зображення підземних кілець прискорювача частинок LHC.

Вспомогательные детекторы: ALICE, LHCb и другие

ALICE расшифровывается как «A Large Ion Collider Experiment» — «Большой эксперимент с ионным коллайдером». Этот детектор спроектирован специально для столкновений тяжёлых ионов, например ядер свинца. Когда два ядра свинца сталкиваются на высокой энергии, на короткое мгновение образуется кварк-глюонная плазма — состояние материи, которое существовало во Вселенной в первые микросекунды после Большого взрыва. В обычной материи кварки всегда соединены в адроны — протоны, нейтроны, мезоны. Но при огромной температуре кварки и глюоны высвобождаются и «плавают» отдельно. ALICE изучает свойства этой плазмы, что даёт представление о ранней Вселенной. Это как машина времени, только не в прошлое, а к условиям, которые царили 13,8 миллиарда лет назад.

LHCb — это «Large Hadron Collider beauty», где «beauty» означает b-кварк, один из типов кварков. Этот детектор изучает асимметрию между материей и антиматерией. Согласно законам физики, каждая частица имеет свою античастицу — двойника с противоположным зарядом. Когда частица и античастица встречаются, они аннигилируют, превращаясь в энергию. Во время Большого взрыва родилось одинаковое количество материи и антиматерии. Но сейчас во Вселенной почти вся антиматерия исчезла, осталась только материя. Почему? LHCb ищет ответ, изучая крошечные различия в поведении частиц и античастиц. Есть ещё несколько маленьких детекторов — TOTEM, LHCf, MoEDAL. Каждый имеет свою уникальную задачу и дополняет общую картину.

Технологии регистрации и обработки данных

Каждая секунда работы БАК генерирует петабайты данных. Петабайт — это миллион гигабайт, или тысяча терабайт. Это как сто тысяч полных жёстких дисков компьютера. Хранить и обрабатывать такие объёмы информации невозможно без специальных технологий. Поэтому в CERN создали глобальную вычислительную сеть — Worldwide LHC Computing Grid. Это более 170 вычислительных центров в 42 странах, соединённых высокоскоростными каналами связи. Данные с детекторов передаются в эти центры, где их анализируют тысячи процессоров параллельно. Каждый центр обрабатывает свою часть данных, результаты объединяются. Без этой сети физики не смогли бы анализировать даже мизерную часть экспериментов. Фактически, БАК создал спрос на новые технологии Big Data — обработки огромных массивов информации.

Искусственный интеллект тоже играет важную роль. Из миллиардов столкновений только несколько могут быть интересными. Остальные — фоновые процессы, которые уже хорошо изучены. Чтобы не сохранять все данные, используют систему триггеров — быстрых фильтров, которые за микросекунды решают, стоит ли сохранять конкретное столкновение. Первый уровень триггеров — аппаратный, работает на специальных микросхемах. Второй уровень — программный, использует алгоритмы машинного обучения. Искусственный интеллект научили распознавать интересные события среди миллиардов обычных. Это как искать иголку в стоге сена, только стог размером с планету, а иголок там несколько. И нужно найти их все за разумное время. Без автоматизации это было бы невозможно. Именно поэтому технологии, разработанные для БАК, теперь используют в медицине, финансах, социальных сетях — везде, где нужно анализировать огромные массивы данных.

ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) — крупнейший детектор высотой 25 метров и весом 7000 тонн, предназначенный для поиска бозона Хиггса, тёмной материи и новых частиц за рамками стандартной модели
CMS (Compact Muon Solenoid) — самый тяжёлый детектор весом 14 000 тонн с мощным магнитом 4 тесла, изучающий те же явления, что и ATLAS, но другими методами для проверки и подтверждения результатов
ALICE (A Large Ion Collider Experiment) — специализированный детектор для изучения кварк-глюонной плазмы через столкновения тяжёлых ионов свинца, имитирует условия ранней Вселенной через микросекунду после Большого взрыва
LHCb (Large Hadron Collider beauty) — детектор для исследования асимметрии между материей и антиматерией через изучение частиц с b-кварками и поиск причин исчезновения антиматерии из Вселенной
TOTEM — вспомогательный детектор для измерения упругого рассеяния протонов и изучения внутренней структуры протона при разных энергиях
LHCf (Large Hadron Collider forward) — небольшой детектор для имитации космических лучей и изучения их взаимодействия с атмосферой Земли на основе столкновений в коллайдере

Научные открытия Большого адронного коллайдера

4 июля 2012 года в CERN состоялась пресс-конференция, которую транслировали по всему миру. Директор CERN объявил: «Мы наблюдаем новую частицу, которая согласуется с бозоном Хиггса». В зале раздались бурные аплодисменты. Некоторые учёные плакали. Это была кульминация почти 50-летнего поиска. Бозон Хиггса — последняя частица стандартной модели, которую предсказали теоретики ещё в 1964 году, но найти не могли. Эта частица особенная. Она связана с полем Хиггса — невидимым полем, которое заполняет всю Вселенную. Когда другие частицы движутся через это поле, они взаимодействуют с ним и приобретают массу. Без поля Хиггса все частицы были бы безмассовыми и летели бы со скоростью света. Не было бы атомов, молекул, планет, людей. Поэтому бозон Хиггса иногда называют «частицей Бога», хотя сам Хиггс не любит это название.

Открытие бозона Хиггса — самое громкое, но не единственное достижение БАК. За годы работы коллайдер обнаружил десятки новых частиц. В 2023 году выявили частицу, которая состоит из пяти кварков. Обычно адроны содержат два или три кварка — мезоны и барионы соответственно. Но теория допускает и более сложные комбинации. Теперь они подтверждены экспериментально. Изучили свойства топ-кварков — самых тяжёлых из всех кварков. Топ-кварк тяжелее атома золота, хотя это элементарная частица. Его очень сложно породить и ещё сложнее изучить, потому что он распадается за 10 в минус 25 степени секунды. Но благодаря огромной статистике БАК удалось накопить достаточно данных. Исследовали редкие распады других частиц, проверили предсказания стандартной модели с невиданной точностью. Пока модель выдерживает все проверки, хотя учёные надеялись найти отклонения.

Великий адронний колайдер, огляд великого детектора з інженерами під час обслуговування.

Открытие бозона Хиггса в 2012 году

Бозон Хиггса рождается редко. Из миллиарда столкновений протонов только в одном может появиться Хиггс. Кроме того, он сразу распадается на другие частицы — фотоны, Z-бозоны, кварки. Чтобы найти его, нужно проанализировать огромное количество событий и обнаружить небольшой избыток в распределении масс. Это как искать сигнал на фоне шума. Сигнал слабый, шума много. Но если накопить достаточно данных, сигнал становится заметным. В 2011–2012 годах детекторы ATLAS и CMS собрали петабайты информации. Тысячи физиков анализировали эти данные, ища следы Хиггса в разных каналах распада. Постепенно картина становилась яснее. Оба детектора независимо увидели пики в распределении масс около 125 ГеВ. Это и был бозон Хиггса.

Значение этого открытия трудно переоценить. Во-первых, оно подтвердило стандартную модель — самую успешную теорию в истории физики. Все её предсказания оказались верными. Во-вторых, оно открыло двери к новым вопросам. Почему масса Хиггса именно такая? Почему поле Хиггса имеет именно такую напряжённость? Ответы могут указать на новую физику за пределами стандартной модели. В-третьих, это показало, что человечество способно решать фундаментальные загадки природы. Десятки стран, тысячи учёных, миллиарды долларов — и всё ради одной частицы. Но частицы, которая объясняет, почему Вселенная такая, какая она есть. В 2013 году Питер Хиггс и Франсуа Энглер получили Нобелевскую премию за теоретическое предсказание этой частицы ещё в 1964 году. Их правоту подтвердили почти через 50 лет.

Новые элементарные частицы и кварки

Кварки — это строительные блоки адронов. Существует шесть типов кварков: up, down, strange, charm, bottom и top. Самые лёгкие — up и down — составляют протоны и нейтроны. Более тяжёлые кварки нестабильны и быстро распадаются. Они рождаются только при высокоэнергетических столкновениях. БАК стал фабрикой тяжёлых кварков. Особенно интересен топ-кварк — самый тяжёлый из всех. Его масса около 173 ГеВ, что в 185 раз больше массы протона. Топ-кварк живёт настолько мало, что не успевает образовать адроны — он распадается ещё в «голом» состоянии. Это даёт уникальную возможность изучить свойства самого кварка, а не адрона, который он образует. БАК производит миллионы топ-кварков, что позволило детально исследовать их поведение.

В 2023 году учёные объявили об обнаружении пентакварка с s-кварком. Пентакварк — это частица из пяти кварков вместо обычных двух или трёх. Такие экзотические состояния предсказывала теория, но найти их было сложно. Теперь у нас есть не только подтверждение существования, но и подробные данные о массе, времени жизни, каналах распада. Это расширяет наше понимание того, как кварки могут объединяться. Возможно, существуют ещё более сложные комбинации — гексакварки (шесть кварков), гептакварки (семь). Их поиск продолжается. Каждое такое открытие — ещё один фрагмент мозаики, которая складывается в полную картину микромира. И хотя она ещё далека от завершения, каждый шаг приближает нас к пониманию.

Исследование топ-кварков и другие эксперименты

Топ-кварк — самая тяжёлая элементарная частица, известная науке. Он тяжелее атома вольфрама, хотя сам является фундаментальным, неделимым объектом. Такая огромная масса означает очень сильное взаимодействие с полем Хиггса. Фактически, топ-кварк сильнее всех частиц «ощущает» поле Хиггса. Поэтому изучение топ-кварков помогает лучше понять природу самого поля Хиггса. БАК производит пары топ-кварков со скоростью несколько штук в секунду. Это может показаться мало, но за годы работы накопились миллионы событий. Благодаря этому измерили массу топ-кварка с точностью лучше 0,1%. Исследовали его спин, заряд, магнитный момент, каналы распада. Проверили, ведёт ли он себя точно так, как предсказывает стандартная модель. Пока расхождений не нашли, хотя учёные рассчитывали на сюрпризы.

Другие эксперименты включают поиск тёмной материи, суперсимметричных частиц, дополнительных измерений пространства. Тёмная материя — это гипотетическая форма материи, которая не излучает свет, но проявляется через гравитацию. Она составляет 27% Вселенной, но никто не знает, из чего она состоит. Возможно, это новые типы элементарных частиц, которые можно породить на БАК. Суперсимметрия — это теория, которая предполагает, что каждая известная частица имеет тяжёлого партнёра. Эти партнёры могут объяснить тёмную материю и решить другие проблемы стандартной модели. Дополнительные измерения — ещё одна идея, которая могла бы объяснить, почему гравитация такая слабая по сравнению с другими силами. Пока ни одна из этих гипотез не подтвердилась. Но поиск продолжается. Каждый год приносит новые данные, новые анализы, новые ограничения на параметры гипотетических частиц.

Художня ілюстрація зіткнення частинок у колайдері з умовною мініатюрною чорною дірою

Мифы и страхи вокруг Большого адронного коллайдера

Накануне запуска БАК в 2008 году интернет взорвался паникой. Люди писали, что коллайдер создаст чёрную дыру, которая поглотит Землю. Или породит «странную материю», которая превратит планету в мёртвый камень. Некоторые требовали остановить эксперимент, подавали иски в суд, организовывали протесты. СМИ подливали масла в огонь, публикуя страшные заголовки. Даже серьёзные издания писали о «рисках конца света». Откуда взялись эти страхи? Частично из непонимания физики. Люди слышали о чёрных дырах из фантастики и думали, что их можно создать в лаборатории. Частично из страха перед неизвестным. Когда учёные говорят, что исследуют «экстремальные условия», «новые формы материи», «энергии Большого взрыва», это звучит пугающе для неспециалиста. И частично из недоверия к учёным. «Они сами не знают, что будет, а рискуют планетой!» — такие аргументы звучали часто.

Учёные отвечали терпеливо и подробно. CERN опубликовал несколько отчётов о безопасности, где рассмотрел все возможные сценарии. Пригласил независимых экспертов проверить расчёты. Организовал публичные лекции, где объяснял, почему риски равны нулю. Но страхи трудно развеять логикой. Кто-то продолжал верить в апокалипсис даже после того, как коллайдер запустили, и ничего не произошло. Сейчас, спустя 16 лет работы БАК, эти страхи кажутся смешными. Коллайдер провёл миллиарды столкновений, открыл бозон Хиггса, работает как часы. Земля до сих пор на месте. Но история поучительна. Она показывает, как важно популяризировать науку, объяснять людям, что и зачем делают учёные. Иначе непонимание порождает страх, а страх — иррациональные решения.

«Незнание порождает уверенность чаще, чем знание» — Чарльз Дарвин

Может ли БАК создать чёрную дыру

Чёрные дыры возникают, когда большая масса сжимается в малом объёме. Например, когда огромная звезда взрывается и её ядро коллапсирует. Гравитационное поле становится настолько сильным, что даже свет не может вырваться. Отсюда название — чёрная дыра. Согласно классической физике, чтобы создать чёрную дыру в лаборатории, нужна невероятная энергия — гораздо больше, чем в БАК. Но некоторые экзотические теории допускают, что при очень высоких энергиях могут образоваться микроскопические чёрные дыры. Эти теории требуют существования дополнительных измерений пространства и не подтверждены экспериментально. Но допустим, что они верны. Опасны ли такие микроскопические чёрные дыры? Нет, и вот почему. Во-первых, они были бы очень маленькими — в миллионы раз меньше атома. Во-вторых, они сразу бы испарялись через процесс Хокинга.

Стивен Хокинг показал, что чёрные дыры не совсем чёрные. Они медленно излучают частицы и теряют массу. Чем меньше чёрная дыра, тем быстрее она испаряется. Микроскопическая чёрная дыра, если бы она образовалась в БАК, исчезла бы за 10 в минус 100 степени секунды — это невероятно быстро. Она даже не успела бы провзаимодействовать ни с одной другой частицей. Кроме того, природа постоянно проводит эксперименты с гораздо более высокими энергиями. Космические лучи — частицы из космоса — сталкиваются с атмосферой Земли с энергиями в миллионы раз выше, чем в БАК. Если бы высокоэнергетические столкновения могли создать опасные чёрные дыры, Земля исчезла бы миллиарды лет назад. Но мы до сих пор здесь. Это лучшее доказательство безопасности экспериментов на БАК.

Опасность для планеты: правда или вымысел

Ещё один страх касался «странной материи». По гипотезе, могут существовать стабильные состояния материи, где кварки соединены необычным образом. Если такая «странная» частица коснётся обычной материи, она может превратить её тоже в странную. Реакция пошла бы цепочкой, и вся Земля превратилась бы в сгусток странной материи. Звучит жутко. Но опять же, это чисто гипотетическая возможность, не подтверждённая никакими данными. Кроме того, если бы странная материя была стабильной и заразной, она уже существовала бы во Вселенной. Космические лучи принесли бы её на Землю миллиарды раз. Но ничего не произошло. Нейтронные звёзды — сверхплотные объекты, где материя сжата до невероятных плотностей, — тоже не превращаются в странную материю. Это дополнительное доказательство, что такая форма материи либо не существует, либо не стабильна.

В 2008 году двое людей — Уолтер Вагнер из США и Луис Санчо из Испании — подали иск в суд, требуя остановить запуск БАК. Они утверждали, что эксперимент может уничтожить Землю. Суд рассмотрел иск и отклонил его. Эксперты объяснили, что риски равны нулю. CERN опубликовал подробный отчёт по оценке безопасности, который рассмотрела независимая комиссия ведущих физиков. Вывод однозначен: БАК не может создать ничего, что угрожало бы планете. Все процессы, происходящие в коллайдере, постоянно происходят в природе при взаимодействии космических лучей с атмосферой. Единственное отличие — в коллайдере мы можем контролировать условия и измерять результаты. Это не опаснее, чем изучать молнию в лаборатории, вместо того чтобы ждать грозу.

Великий сегмент детектора адронного колайдера з кабелями, магнітами та електронікою

Научное опровержение популярных мифов

Официальная позиция CERN однозначна: Большой адронный коллайдер абсолютно безопасен. Энергии столкновений, хоть и рекордные для земных условий, ничтожны по сравнению с природными процессами. Один комар, летящий на вас, имеет большую кинетическую энергию, чем оба пучка БАК вместе взятые. Разница в том, что в коллайдере эта энергия сосредоточена в крошечном объёме, что позволяет рождаться новым частицам. Но общая энергия мала. Даже если что-то пойдёт не так и пучки ударят в стенку тоннеля, максимум, что произойдёт — локальное повреждение оборудования. Никакой угрозы для людей на поверхности, не говоря уже о планете. Радиация тоже не проблема. В коллайдере она в сотни раз меньше, чем в атомных реакторах. Тоннель хорошо экранирован, на поверхности фон не отличается от природного.

Ещё один аргумент в пользу безопасности — опыт предыдущих ускорителей. В течение 70 лет в мире работали десятки коллайдеров разной мощности. Ни один не создал чёрную дыру, странную материю или любую другую угрозу. С каждым новым ускорителем энергии росли, и каждый раз скептики пророчили катастрофу. Но ничего не происходило. БАК — просто следующий шаг в этой последовательности. Больший и мощнее, но не принципиально иной. Природа уже провела все возможные эксперименты в космосе при гораздо более высоких энергиях. Мы лишь повторяем их в контролируемых условиях. Если бы что-то опасное могло случиться, оно уже давно произошло бы в природе. Земля и Вселенная до сих пор существуют — это лучшее доказательство безопасности наших экспериментов.

БАК создаст микроскопическую чёрную дыру размером меньше атома, которая поглотит всю планету за считанные минуты
Эксперимент может породить «странную материю», которая запустит цепную реакцию и превратит Землю в непригодный для жизни объект
Столкновения частиц приведут к разрыву пространства-времени, открытию порталов в другие измерения и вмешательству инопланетян
Коллайдер может спровоцировать Большой взрыв в обратном направлении и уничтожить не только Землю, но и всю Вселенную
Радиация от миллиардов столкновений частиц опасна для населения, живущего в радиусе сотен километров от CERN
Учёные не полностью понимают, что происходит при таких высоких энергиях, и играют с силами, которые не могут контролировать

Будущее Большого адронного коллайдера

БАК работает уже более 15 лет, но его история далека от завершения. Сейчас идёт очередная модернизация, которая продлится до середины 2020-х годов. После неё коллайдер станет ещё мощнее. Главная цель — увеличить светимость пучков в десять раз. Светимость — это количество столкновений на единицу времени. Чем она выше, тем больше данных собирают детекторы, тем быстрее накапливается статистика для редких процессов. Некоторые частицы рождаются настолько редко, что нужно провести миллиарды столкновений, чтобы увидеть хотя бы несколько экземпляров. Высокая светимость ускорит поиск. Но есть проблема. При высокой светимости в каждом «снимке» участвуют не два протона, а десятки одновременно. Это создаёт огромный фон, в котором очень сложно разобраться. Поэтому модернизируют не только коллайдер, но и детекторы, системы обработки данных.

Но даже после модернизации БАК имеет свои пределы. Энергия столкновений ограничена силой магнитного поля и размером кольца. Чтобы двигаться дальше, нужен либо более сильный магнит, либо большее кольцо. А лучше и то, и другое. Поэтому уже сейчас обсуждают проекты следующих коллайдеров. Будущий круговой коллайдер FCC должен быть в четыре раза длиннее БАК — более 100 километров по периметру. Энергия столкновений вырастет в десять раз. Такой коллайдер смог бы ответить на вопросы, на которые БАК не нашёл ответов. Что такое тёмная материя? Почему Вселенная состоит из материи, а не антиматерии? Существуют ли суперсимметричные частицы? Но строительство FCC будет стоить десятки миллиардов и займёт десятки лет. Решение о начале проекта научное сообщество должно принять в ближайшие годы.

Проект высокой светимости

Проект High-Luminosity LHC, или HL-LHC, стартовал ещё в 2011 году, хотя реализация началась позже. Цель — увеличить светимость с нынешних 2×10³⁴ столкновений на квадратный сантиметр в секунду до 7,5×10³⁴. Это значит, что количество столкновений возрастёт почти в четыре раза. За десять лет работы HL-LHC должен собрать столько данных, сколько обычный БАК собирал бы 40 лет. Для этого придётся заменить несколько ключевых элементов. Во-первых, магниты в точках столкновения. Там нужны специальные магниты, которые фокусируют пучки до минимального размера. Новые магниты будут мощнее и компактнее. Во-вторых, системы охлаждения. Более высокая светимость означает больше тепла, которое нужно отводить.

В-третьих, сами детекторы. ATLAS и CMS должны выдерживать в десять раз больше радиации. Некоторые части детекторов, особенно внутренние слои, полностью заменяют. Используют новые материалы, устойчивые к облучению. Электроника тоже нуждается в обновлении — нужно обрабатывать в десять раз больше данных за то же время. И, наконец, системы сбора и обработки данных. Текущие компьютеры не справятся с потоком информации от HL-LHC. Потребуются новые алгоритмы, более мощные процессоры, более быстрые каналы связи. Это огромный технический вызов, но учёные уверены, что справятся. Запуск HL-LHC запланирован на 2029 год. Он должен работать до 2040-х, когда, возможно, будет готов следующий коллайдер.

Планы модернизации до 2030 года

Модернизация БАК — это не одноразовое событие, а процесс, который длится годами. Каждые несколько лет коллайдер останавливают на плановую техническую паузу. Long Shutdown 1 был в 2013–2015 годах. Long Shutdown 2 — в 2019–2022 годах. Сейчас идёт Long Shutdown 3, который закончится где-то в 2027–2029 годах переходом на режим HL-LHC. Во время каждой паузы выполняют огромный объём работ. Заменяют изношенные компоненты — магниты, вакуумные трубы, электронику. Модернизируют системы, которые работали недостаточно эффективно. Добавляют новое оборудование для улучшения характеристик. Всё это требует координации тысяч людей — инженеров, техников, учёных. Нужно демонтировать старое оборудование, доставить новое в тоннель, установить, протестировать, откалибровать.

Кроме коллайдера, модернизируют всю инфраструктуру CERN. Предыдущие ускорители в цепочке — протонный синхротрон, суперсинхротрон — тоже нуждаются в обновлении. Вычислительные центры расширяют, чтобы справиться с потоком данных. Строят новые офисы, лаборатории, жильё для учёных. CERN превращается в настоящий научный городок. Там постоянно работает около 3000 сотрудников, а ещё несколько тысяч приезжают на короткий срок для участия в экспериментах. Всё это требует инфраструктуры — столовых, медцентров, транспорта. Модернизация — это не только наука, но и огромная логистическая и организационная задача. Но результат того стоит. Каждая модернизация даёт коллайдеру новое дыхание и открывает новые возможности для открытий.

Будущий круговой коллайдер FCC

Future Circular Collider, или FCC — следующий шаг после БАК. Это проект настолько амбициозный, что даже учёные не уверены, удастся ли его реализовать. Но если удастся, это будет революция в физике частиц. FCC будет иметь периметр 90–100 километров — почти в четыре раза больше, чем БАК. Его кольцо охватит всё Женевское озеро. Энергия столкновений достигнет 100 ТеВ — в семь раз больше нынешней. При таких энергиях могут родиться частицы, о существовании которых мы даже не подозреваем. Тёмная материя, суперсимметричные частицы, микроскопические дополнительные измерения — всё это станет доступным для изучения. FCC сможет ответить на вопросы, которые БАК лишь поставил.

Но проблем много. Во-первых, стоимость. Предварительные оценки говорят о 20–30 миллиардах долларов. Это огромные деньги, и не все страны готовы инвестировать. Во-вторых, время. Строительство займёт 15–20 лет. Запуск возможен не ранее 2040-х годов. В-третьих, технологии. Некоторые компоненты FCC, особенно сверхпроводящие магниты, потребуют разработки новых материалов и методов. Пока решение о строительстве не принято. Научное сообщество обсуждает, стоит ли инвестировать в FCC или лучше построить несколько меньших специализированных коллайдеров. Есть и конкуренты — Китай планирует свой 100-километровый коллайдер CEPC, Япония рассматривает проект линейного коллайдера ILC. В любом случае будущее физики высоких энергий обещает быть захватывающим. Человечество не остановится на достигнутом и продолжит познавать тайны материи.

Практическое значение исследований на БАК

Часто спрашивают: зачем тратить миллиарды на изучение элементарных частиц, когда на Земле так много проблем? Голод, болезни, изменение климата — не лучше ли направить деньги туда? Вопрос справедливый, но ответ не так прост. Фундаментальная наука не даёт мгновенных результатов. Но она порождает технологии, которые меняют мир через десятилетия. Когда Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию в 1831 году, никто не думал о практическом применении. «Для чего это нужно?» — спросил его политик. «Не знаю, но однажды вы будете взимать с этого налоги», — ответил Фарадей. Он оказался прав. Электромагнитная индукция стала основой всей электроэнергетики. Без неё не было бы электростанций, электромоторов, трансформаторов. Точно так же исследования на БАК могут казаться абстрактными сейчас, но их последствия почувствуют следующие поколения.

Но даже сейчас технологии, разработанные для БАК, находят применение. Самый известный пример — Всемирная паутина, интернет. Её создал Тим Бернерс-Ли в CERN в 1989 году для обмена данными между учёными. Сейчас ей пользуются миллиарды людей ежедневно. Медицинские сканеры ПЭТ (позитронно-эмиссионная томография) основаны на технологиях детекторов частиц. Они спасают жизни, обнаруживая рак на ранних стадиях. Детекторы излучения в аэропортах, контроль качества в промышленности, новые материалы для электроники — всё это побочные продукты исследований физики частиц. Кроме того, БАК дал работу десяткам тысяч людей — инженерам, программистам, техникам. Подготовил новое поколение учёных, которые теперь работают в университетах, компаниях, стартапах. Экономический эффект от проекта значительно превышает его стоимость.

Центральна секція великого детектора LHC з численними трубами та електромагнітними модулями

Технологии для медицины и промышленности

ПЭТ-сканеры — один из самых ярких примеров медицинского применения технологий из физики частиц. Они используют позитроны — античастицы электронов. Когда позитрон встречает электрон, они аннигилируют, порождая два гамма-кванта, летящих в противоположных направлениях. Детекторы фиксируют эти кванты и воссоздают трёхмерную картину распределения радиоактивного вещества в теле. Это позволяет увидеть, где активно делятся клетки — именно там обычно находятся опухоли. Технологию детектирования гамма-квантов разработали для экспериментов в физике высоких энергий. Теперь она спасает жизни миллионам людей. МРТ-сканеры тоже используют сверхпроводящие магниты, похожие на те, что в БАК. Без опыта, накопленного при строительстве ускорителей, создать такие мощные и компактные магниты было бы намного сложнее.

В промышленности применяют радиационные детекторы для контроля качества. Они позволяют «просветить» изделие без его разрушения и обнаружить внутренние дефекты. Технологии вакуумирования, разработанные для БАК, используют в производстве полупроводников. Криогенные системы находят применение в хранении сжиженных газов, включая медицинский кислород. Новые материалы, устойчивые к радиации и экстремальным температурам, применяют в космонавтике и атомной энергетике. Методы обработки огромных массивов данных, разработанные для анализа петабайт информации с детекторов, теперь используют в финансах, биоинформатике, социальных сетях. Искусственный интеллект, обученный фильтровать сигнал от шума в данных БАК, помогает врачам анализировать медицинские изображения, а банкам — выявлять мошеннические операции. Технологии, рождённые в поисках бозона Хиггса, меняют нашу повседневную жизнь.

Вклад в развитие науки и техники

БАК — это не только эксперимент, но и школа для нового поколения учёных и инженеров. Тысячи студентов и аспирантов со всего мира приезжают в CERN, чтобы участвовать в экспериментах. Они учатся работать со сложным оборудованием, анализировать данные, сотрудничать в международных командах. Многие затем становятся профессорами университетов, руководителями научных проектов, основателями технологических компаний. Знания и опыт, полученные на БАК, они несут в мир. CERN поддерживает программы для учителей и школьников. Организует экскурсии, открытые лекции, летние школы. Миллионы людей посещали CERN или смотрели трансляции оттуда. Это вдохновение для молодых, которые выбирают карьеру в науке.

Технологический прогресс тоже ускоряется благодаря БАК. Когда нужно решить сложную задачу — создать самый мощный магнит, самую быструю систему обработки данных, самый точный детектор — инженеры придумывают новые решения. Эти решения затем применяют в других областях. Например, технология Grid Computing, созданная для обработки данных БАК, стала основой современных облачных вычислений. Специализированные микросхемы, разработанные для быстрого принятия решений в триггерных системах, нашли применение в автомобильной промышленности для систем безопасности. Новые методы охлаждения используют в центрах обработки данных для снижения энергопотребления. Каждая технологическая проблема, решённая для БАК, становится достоянием всего человечества. И это не менее важно, чем научные открытия.

Працівник у захисному шоломі їде на велосипеді тунелем Великого адронного колайдера серед надпровідних магнітів

Украина и Большой адронный коллайдер

Украинские учёные тоже участвовали в этом грандиозном проекте. Физики из Харьковского физико-технического института работали над детектором ALICE. Они разрабатывали и изготавливали части внутренней трековой системы — наиболее чувствительного элемента детектора, расположенного ближе всего к точке столкновения. Это сложная и ответственная работа, потому что трекер должен выдерживать огромные дозы радиации и при этом точно измерять траектории тысяч частиц. Институт монокристаллов в Харькове также участвовал в проекте, изготавливая специальные кристаллы для калориметров. Украинский физик-теоретик Георгий Зиновьев работал в CERN над теоретическими аспектами экспериментов.

Украина стала ассоциированным членом CERN в 2013 году, а с 2016 года имеет статус кандидата на полноправное членство. Это открывает украинским учёным доступ ко всем экспериментам и инфраструктуре CERN. Украинские студенты могут приезжать на стажировки, участвовать в исследованиях, защищать диссертации по материалам экспериментов на БАК. Это повышает уровень украинской науки, даёт молодым учёным опыт международного сотрудничества. К сожалению, полномасштабное вторжение россии в 2022 году осложнило сотрудничество. Многие украинские учёные были вынуждены покинуть страну или прервать исследования. Но CERN поддерживает Украину, продолжает сотрудничество, помогает украинским исследователям. Наука не знает границ, и даже в тяжёлые времена международное научное сообщество остаётся единым.

Всемирная паутина (World Wide Web) — интернет-технология, созданная Тимом Бернерсом-Ли в CERN в 1989 году для обмена научными данными, сейчас ей пользуются миллиарды людей
Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ-сканеры) — медицинские приборы для диагностики онкологии и неврологических заболеваний, основаны на детекторах частиц из ускорителей
Облачные вычисления и Grid Computing — технологии обработки огромных объёмов данных возникли из необходимости анализировать петабайты информации с детекторов БАК
Сверхпроводящие магниты для МРТ — медицинские магнитно-резонансные томографы используют технологии сверхпроводящих магнитов, разработанные для ускорителей частиц
Детекторы излучения — применяются в аэропортах для сканирования багажа, в промышленности для контроля качества изделий без их разрушения
Искусственный интеллект для анализа медицинских изображений — алгоритмы машинного обучения для фильтрации данных нашли применение в диагностике заболеваний и финансовой безопасности
Новые материалы и криогенные технологии — разработки в области экстремального охлаждения используют в космонавтике, промышленности и медицинском хранении биоматериалов

Познание без границ: что мы узнали о Вселенной

Итак, мы с вами прошли путь от идеи до реализации самого амбициозного научного проекта человечества. Большой адронный коллайдер — это не просто машина. Это воплощение человеческого любопытства, стремления понять, из чего сделан мир. За 16 лет работы БАК ответил на многие вопросы. Бозон Хиггса существует — это подтверждает стандартную модель. Кварки могут объединяться в экзотические комбинации — это расширяет наше понимание материи. Кварк-глюонная плазма воспроизведена в лаборатории — это даёт ключ к пониманию ранней Вселенной. Но каждый ответ порождает новые вопросы. Что такое тёмная материя? Почему исчезла антиматерия? Существуют ли новые силы природы? На эти вопросы БАК пока не ответил, и это хорошо. Наука жива, пока есть неразрешённые загадки.

Страхи вокруг коллайдера оказались беспочвенными. Земля не исчезла в чёрной дыре, не превратилась в странную материю. Коллайдер работает, открывает новые частицы, порождает новые технологии. Он показал, что человечество способно на великие дела. Учёные из ста стран объединились ради общей цели. Преодолели политические, культурные, языковые барьеры. Создали нечто, что превосходит возможности любой отдельной страны. И это вдохновение для будущего. Если мы можем вместе строить коллайдеры, мы можем вместе решать и другие глобальные проблемы — изменение климата, болезни, бедность. Наука объединяет людей, а знание делает нас свободнее.

Будущее физики частиц обещает быть захватывающим. Модернизация БАК, строительство новых коллайдеров, новые теории, новые эксперименты — всё это ждёт нас впереди. Возможно, следующие поколения узнают, из чего состоит тёмная материя. Обнаружат новые измерения пространства. Поймут, как родилась Вселенная и что с ней будет в будущем. А может, откроют что-то такое, о чём мы даже не догадываемся. История науки показывает: самые большие открытия часто приходят неожиданно. Искали одно, нашли совсем другое. Именно поэтому фундаментальные исследования так важны. Мы не знаем заранее, что найдём. Но точно знаем: если не искать, не найдём ничего. Большой адронный коллайдер — это поиск ответов на вечные вопросы. И каждый ответ приближает нас к пониманию того чуда, которым является наша Вселенная.