Великий адронний колайдер: як працює найбільший прискорювач частинок у світі

Колись маленький хлопчик дивився на зоряне небо і питав батька: з чого зроблений світ? Батько не знав відповіді. Тепер, через багато років, тисячі вчених з усього світу шукають цю відповідь у підземному тунелі на кордоні Швейцарії та Франції. Там, на глибині понад сто метрів під землею, працює найбільший науковий експеримент в історії людства. Це Великий адронний колайдер – машина, яка допомагає нам зазирнути в саме серце матерії і зрозуміти, як народився Всесвіт.

Ми з вами живемо в дивний час. Людина вже літала на Місяць, надіслала апарати до Марса, створила інтернет. Але досі не знає точно, з чого складається більшість Всесвіту. Темна матерія, темна енергія, походження маси – ці питання хвилюють вчених уже десятки років. Саме для пошуку відповідей і побудували адронний колайдер. Ця гігантська установка розганяє крихітні частинки до неймовірних швидкостей і зіштовхує їх між собою. У момент зіткнення народжуються нові частинки, які існували тільки в перші миті після Великого вибуху. Зараз ми дізнаємося, що таке цей колайдер, як він працює, що вже відкрив і чому не варто боятися його запуску.

Що таке Великий адронний колайдер

Якщо простими словами, то адронний колайдер це величезна машина для розбивання атомів. Але не для того, щоб щось зруйнувати, а щоб побачити, з чого воно зроблене. Уявіть, що ви хочете дізнатися, що всередині годинника. Можна акуратно відкрити кришку і подивитися. А можна кинути годинник об стіну і розібрати уламки. Вчені роблять щось схоже з елементарними частинками. Вони розганяють протони до швидкості, близької до швидкості світла, і зіштовхують їх між собою. У момент зіткнення енергія руху перетворюється на нові частинки. Деякі з них живуть мільярдні частки секунди, але встигають залишити слід у детекторах. Саме ці сліди вивчають фізики, щоб зрозуміти природу матерії.

Для чого потрібен адронний колайдер? Питання здається абстрактним, але відповідь впливає на наше життя більше, ніж ми думаємо. По-перше, це перевірка фундаментальних теорій. Вчені створили стандартну модель фізики – набір правил, які описують поведінку всіх відомих частинок. Але модель неповна. Вона не пояснює гравітацію, темну матерію, темну енергію. Колайдер допомагає знайти прогалини в цій моделі і побудувати нову, більш точну теорію. По-друге, це технології. Кожен великий науковий проєкт породжує десятки нових технологій. Інтернет виник саме в CERN – центрі, де працює колайдер. Медичні сканери, детектори випромінювання, нові матеріали – все це побічні продукти досліджень фізики частинок. По-третє, це натхнення. Великі наукові проєкти показують, що людство здатне на спільні зусилля заради знання.

“Наука — це організоване знання. Мудрість — це організоване життя” — Іммануїл Кант

Визначення та призначення ВАК

Великий адронний колайдер, скорочено ВАК, належить до класу прискорювачів частинок. Це пристрої, які розганяють заряджені частинки до високих швидкостей за допомогою електромагнітного поля. Слово “адронний” означає, що прискорюють саме адрони – важкі частинки, до яких належать протони та нейтрони. Слово “колайдер” походить від англійського collide, що означає “зіштовхувати”. Тобто це не просто прискорювач, а прискорювач зі зустрічними пучками. Два потоки частинок рухаються назустріч один одному і стикаються в спеціальних точках. Там стоять детектори, які фіксують результати зіткнень. Енергія зіткнення протонів у ВАК досягає 13,6 тераелектронвольт. Це рекордна величина для земних умов, хоча в космосі частинки досягають набагато більших енергій.

Основна мета ВАК – знайти відхилення від стандартної моделі фізики. Ця модель описує чотири фундаментальні сили природи і всі відомі елементарні частинки. Але вона не пояснює темну матерію, яка становить 27% Всесвіту. Не пояснює темну енергію – ще 68% Всесвіту. І не включає гравітацію. Тобто наша найкраща теорія описує всього 5% того, що є у Всесвіті. Решта залишається загадкою. Саме для розкриття цих загадок потрібні експерименти з високими енергіями. Чим більша енергія зіткнення, тим важчі частинки можуть народитися. А важкі частинки часто зв’язані з новою фізикою. Тому вчені постійно намагаються збільшити енергію і світимість колайдера – кількість зіткнень на одиницю часу.

Де знаходиться Великий адронний колайдер

Колайдер розташований на кордоні Швейцарії та Франції, неподалік від Женеви. Це не випадковий вибір. Тут знаходиться CERN – Європейський центр ядерних досліджень, найбільша лабораторія фізики частинок у світі. CERN заснували ще 1954 року, і з тих пір тут працювали десятки тисяч вчених з усіх континентів. Саме в CERN винайшли World Wide Web – технологію, яка стала основою інтернету. Саме тут відкрили W і Z бозони, за що вручили Нобелівську премію. Тому коли виникла ідея побудувати найбільший у світі прискорювач, вибір місця був очевидний. До того ж, тут уже існував підземний тунель від попереднього колайдера – електрон-позитронного, який працював до 2000 року.

Тунель ВАК пролягає на глибині від 50 до 175 метрів під землею. Така глибина потрібна для захисту від космічного випромінювання, яке може вплинути на результати експериментів. До того ж, на поверхні немає стільки вільного місця – тунель перетинає житлові райони, дороги, поля. Під землею проблем менше. Кільце тунелю проходить під селами, фермами, лісами. Люди зверху навіть не помічають, що під ними відбувається один з найскладніших експериментів в історії. Щоправда, іноді виникають смішні ситуації. У 2016 році короткий зв’язок у колайдері стався через тхора, який проліз до трансформатора. Тварина загинула, але колайдер довелося вимкнути на кілька днів для ремонту.

Розміри та масштаби проєкту

Коли кажуть, що ВАК великий, це не перебільшення. Довжина тунелю становить 26 659 метрів, або майже 27 кілометрів. Якщо розгорнути це кільце в пряму лінію, воно з’єднає Київ і Біла Церкву. Уявіть собі підземне кільце метро, яке обгинає ціле велике місто – ось такий масштаб. У тунелі встановлено близько 1600 надпровідних магнітів, кожен вагою кілька тонн. Ці магніти утримують пучки частинок на траєкторії і не дають їм розсіюватися. Для роботи магнітів потрібна температура мінус 271 градус Цельсія – це холодніше за відкритий космос. Тому в колайдері працює величезна система охолодження рідким гелієм. Вона займає цілу “фабрику” поруч з тунелем.

Проєкт коштував понад три мільярди євро. Це величезні гроші, але менше, ніж вартість одного авіаносця або футбольного чемпіонату світу. І це гроші, витрачені не на руйнування чи розваги, а на знання. У створенні колайдера брали участь понад 10 тисяч вчених та інженерів з майже 100 країн світу. Це справді міжнародний проєкт, де працюють разом люди різних національностей, релігій, політичних поглядів. Їх об’єднує спільна мета – пізнати природу Всесвіту. Будівництво тривало з 2001 по 2008 рік. Це був технічний виклик – встановити тисячі тонн обладнання в тісному тунелі на великій глибині, забезпечити вакуум, охолодження, живлення, зв’язок. Але люди справилися. І 10 вересня 2008 року пучок протонів вперше обійшов усе кільце колайдера.

Характеристика	Показник
Довжина тунелю	26 659 м (27 км)
Глибина залягання	50-175 метрів під землею
Розташування	Кордон Швейцарії та Франції, біля Женеви
Вартість проєкту	Понад 3 мільярди євро
Кількість учасників	Понад 10 000 учених та інженерів
Кількість країн	Майже 100 країн світу
Перший запуск	10 вересня 2008 року
Максимальна енергія	13,6 ТеВ (тераелектронвольт)
Швидкість частинок	99,9999% швидкості світла
Кількість магнітів	Близько 1624 надпровідних
Температура охолодження	1,9 К (мінус 271°C)
Головні детектори	ATLAS, CMS, ALICE, LHCb

Історія створення Великого адронного колайдера

Ідея побудувати Великий адронний колайдер виникла ще 1984 року. Тоді вчені щойно відкрили W і Z бозони – частинки, які переносять слабку взаємодію. Це був тріумф стандартної моделі. Але відразу стало ясно: модель неповна. Вона передбачала існування бозона Хіггса – частинки, яка надає масу всім іншим частинкам. Але знайти його не вдавалося. Потрібен був потужніший прискорювач. Так народилася ідея ВАК. Спочатку планували побудувати його в США, але фінансування не вистачило. Тоді естафету прийняла Європа. У 1994 році проєкт офіційно затвердили, і почалася підготовка. Треба було дочекатися, поки закінчить роботу попередній колайдер – LEP, який займав той самий тунель.

Будівництво почалося 2001 року, коли LEP остаточно зупинили. Робота була титанічна. Спочатку розширили і поглибили існуючий тунель. Потім встановили тисячі магнітів, кожен завдовжки 15 метрів і вагою кілька тонн. Їх доводилося опускати в шахти, везти тунелем на спеціальних платформах, акуратно встановлювати на місце. Кожен магніт потребував точного вирівнювання – похибка в кілька міліметрів могла зірвати весь експеримент. Паралельно будували систему охолодження, електропостачання, систему вакуумування тунелю. Адже частинки мають рухатися у вакуумі, інакше стикатимуться з молекулами повітря і втрачатимуть енергію. Створити вакуум у 27-кілометровому тунелі – це окремий технічний виклик. До 2007 року основні роботи закінчили, і почалися випробування.

Перший запуск планували на 8 липня 2008 року, але відклали на кілька місяців для додаткових перевірок. Врешті, 10 вересня 2008 року пучок протонів успішно обійшов усе кільце колайдера. Світові медіа писали про це як про найважливішу наукову подію року. Офіційну церемонію відкриття призначили на 21 жовтня. Але 19 вересня сталася аварія. Один з надпровідних магнітів втратив надпровідність через несправність електричного з’єднання. Це призвело до різкого нагрівання, витоку рідкого гелію, пошкодження кількох магнітів. Колайдер довелося зупинити. Ремонт тривав більше року. Тільки 20 листопада 2009 року ВАК знову запустили. І з того часу він працює, з перервами на модернізацію та планові зупинки.

Від ідеї до реалізації: 1984-2008 роки

Шлях від ідеї до реалізації зайняв майже чверть століття. Це нормально для великих наукових проєктів. Спочатку треба переконати наукову спільноту, що проєкт варто втілювати. Потім знайти фінансування – а три мільярди євро не такі легкі гроші. Потім зробити детальне проєктування – розрахувати кожен магніт, кожен детектор, кожну систему. Паралельно треба розробити нові технології. Багато з того, що потрібно для ВАК, на момент початку проєкту просто не існувало. Надпровідні магніти такої потужності, детектори з такою чутливістю, системи обробки даних з такою продуктивністю – все це доводилося винаходити з нуля. Тому так довго тривала підготовка. Але коли все було готове, будівництво пішло досить швидко – всього сім років від початку до запуску.

До ВАК у тому самому тунелі працював електрон-позитронний колайдер LEP. Він був меншої потужності – енергія зіткнень становила всього 209 ГеВ проти нинішніх 13,6 ТеВ. Але LEP зробив багато важливих відкриттів. Саме там точно виміряли масу W і Z бозонів. Там вивчали властивості кварків. Там накопичили величезний досвід роботи з детекторами частинок. Коли LEP закінчив роботу в 2000 році, його обладнання демонтували, а тунель підготували для нового, потужнішого колайдера. Частково використали існуючу інфраструктуру – шахти, комунікації, системи вентиляції. Це заощадило час і гроші. Але більшу частину довелося будувати заново, адже вимоги до ВАК були набагато жорсткішими.

Перший запуск та технічні проблеми

Ранок 10 вересня 2008 року увійде в історію науки. О 10:28 за місцевим часом пучок протонів вперше обійшов усе 27-кілометрове кільце колайдера. У контрольній залі спалахнули оплески. Вчені обіймалися, деякі плакали від радості. Багато з них працювали над цим проєктом десятки років. І ось їхня мрія здійснилася. Перші години просто перевіряли, чи все працює правильно. Пучок обійшов кільце кілька разів, системи контролю фіксували його параметри. Все було чудово. Наступні дні планували поступово збільшувати енергію пучків і провести перші тестові зіткнення. Але цим планам не судилося здійснитися так швидко, як хотілося.

19 вересня, через дев’ять днів після тріумфального запуску, сталася аварія. В одному з секторів колайдера несправне електричне з’єднання між магнітами призвело до перегріву. Надпровідні магніти працюють при температурі мінус 271 градус. При такій температурі матеріал магніту не має електричного опору і може проводити величезні струми без втрат. Але якщо температура підвищується навіть на кілька градусів, надпровідність зникає. Опір різко зростає, виділяється тепло, магніт ще більше нагрівається. Це називається квенч – раптова втрата надпровідності. У ВАК стався саме квенч. Рідкий гелій, яким охолоджували магніти, швидко випарувався. Тиск у системі охолодження підскочив. Кілька магнітів зсунулися з місця, пошкодилися. Довелося зупиняти весь колайдер, відкачувати гелій, заміняти пошкоджені магніти, перевіряти всі з’єднання. Ремонт зайняв більше року і коштував десятки мільйонів доларів.

Модернізації та етапи розвитку

Після ремонту колайдер знову запустили 20 листопада 2009 року. Цього разу все пройшло гладко. Спочатку працювали на скромних енергіях – 450 ГеВ на пучок. Потім поступово збільшували до 3,5 ТеВ. У 2010 році провели перші зіткнення протонів на повній енергії. Почалося накопичення даних для аналізу. Детектори реєстрували мільйони зіткнень, комп’ютери обробляли петабайти інформації. Вчені шукали сліди нових частинок. І вже через два роки, у 2012 році, знайшли те, що шукали – бозон Хіггса. Це було найважливіше відкриття в фізиці за останні десятиліття. Після цього тріумфу колайдер зупинили для масштабної модернізації.

З 2013 по 2015 рік тривала перша велика модернізація. Техніки замінили понад 10 тисяч електричних з’єднань між магнітами, щоб уникнути повторення аварії 2008 року. Посилили захист електроніки від радіації. Модернізували системи прискорення. Після цього енергію зіткнень вдалося підняти з 8 до 13 ТеВ, майже вдвічі. Колайдер знову запустили навесні 2015 року і працював до кінця 2018. За цей час провели безліч експериментів, зібрали величезну кількість даних. Наприкінці 2018 року почалася друга велика модернізація, яка має тривати до середини 2020-х. Мета – збільшити світимість пучків у десять разів. Це дозволить проводити більше зіткнень і швидше накопичувати статистику для рідкісних процесів. А далі плануються ще амбітніші проєкти – можливо, новий колайдер, ще більший і потужніший.

Як працює Великий адронний колайдер

Принцип роботи колайдера схожий на гігантську рогатку, тільки замість каміння він кидає протони. Спочатку протони отримують з атомів водню – найпростішого елемента. Атом водню складається з одного протона та одного електрона. Електрон відривають, залишається голий протон. Ці протони збирають у пучки і починають розганяти. Але не одразу до максимальної швидкості – це неможливо. Спочатку протони проходять через лінійний прискорювач, де набирають початкову енергію. Потім потрапляють у перший синхротрон – кільцевий прискорювач, де енергія зростає ще більше. Далі – у другий, потужніший синхротрон. І тільки після цього протони впускають у головне кільце ВАК, де їх розганяють до фінальної швидкості – 99,9999% від швидкості світла.

На такій швидкості частинка облітає 27-кілометрове кільце за 0,0002 секунди. Це означає, що за одну секунду протон робить близько 11 тисяч обертів по колу. При цьому він не рухається по прямій – його постійно змушують крутитися по колу за допомогою магнітного поля. Саме для цього потрібні 1624 надпровідних магніти. Кожен створює поле напруженістю 8,3 тесла – у 100 тисяч разів сильніше за магнітне поле Землі. Таке поле може вигнути траєкторію протона і утримати його на правильному шляху. Але сильне магнітне поле можна створити тільки надпровідним магнітом. А надпровідність існує тільки при дуже низьких температурах. Тому магніти охолоджують рідким гелієм до температури мінус 271 градус Цельсія – це холодніше за відкритий космос.

“Найбільше задоволення я отримую від речей, які неможливо зрозуміти” — Річард Фейнман

Принцип роботи прискорювача частинок

Прискорювач працює за рахунок електромагнітного поля. Протон має позитивний електричний заряд. Якщо поставити позаду нього позитивний заряд, а попереду – негативний, протон полетить вперед, відштовхуючись від плюса і притягуючись до мінуса. Це як штовхати людину в спину і одночасно тягнути за руку. По всій довжині прискорювача стоять резонатори – пристрої, які створюють змінне електричне поле. Коли протон проходить повз резонатор, поле штовхає його вперед. Але не постійно, а синхронно з рухом протона. Звідси назва – синхротрон. Поле змінюється в такт з обертанням пучка, щоб завжди прискорювати, а не гальмувати. На кожному оберті протон отримує невеликий приріст енергії. Але обертів тисячі, тому загальний ефект величезний.

Циклічні прискорювачі ефективніші за лінійні, бо частинка проходить одне й те саме прискорювальне обладнання багато разів. Не треба будувати 27-кілометровий лінійний прискорювач – достатньо зробити кільце і гоняти частинку по колу. Але є проблема. Коли заряджена частинка рухається по колу, вона випромінює енергію у вигляді електромагнітних хвиль. Це синхротронне випромінювання. Чим легша частинка, тим більше енергії вона втрачає. Електрони, які в 2000 разів легші за протони, втрачають дуже багато. Тому попередній колайдер LEP, який прискорював електрони, не міг досягти таких високих енергій. Для ВАК вибрали протони – вони важчі, втрачають менше енергії на випромінювання. До того ж, протони – це адрони, частинки, що складаються з кварків. Коли два протони стикаються, насправді стикаються їхні кварки. І саме ці зіткнення кварків дають найцікавіші результати.

Зустрічні пучки та зіткнення адронів

У ВАК одночасно рухаються два пучки протонів у протилежних напрямках. Один за годинниковою стрілкою, другий проти. Кожен пучок розганяють до максимальної швидкості. Потім у чотирьох точках кільця пучки зводять разом, і відбуваються зіткнення. Чому використовують зустрічні пучки, а не б’ють пучком по нерухомій мішені? Тому що при зустрічному зіткненні вся енергія обох частинок йде на народження нових частинок. А при зіткненні з нерухомою мішенню частина енергії витрачається на відкидання мішені, і ефективна енергія зіткнення менша. Зустрічні пучки дають максимальну віддачу від кожного зіткнення. До того ж, детектори можна розташувати навколо точки зіткнення і реєструвати частинки, що розлітаються в усі боки.

Коли два протони стикаються на швидкості близькій до швидкості світла, відбувається щось неймовірне. Протони складаються з кварків, які зв’язані між собою глюонами. При зіткненні кварки з одного протона врізаються в кварки з іншого. Через це швидкість різко падає, кінетична енергія перетворюється на масу нових частинок згідно з формулою Ейнштейна E=mc². Можуть народитися десятки і навіть сотні нових частинок – мезони, баріони, лептони, бозони. Більшість з них живуть мільярдні частки секунди і одразу розпадаються на інші частинки. Але детектори встигають зафіксувати їхні сліди. Аналізуючи ці сліди, вчені відновлюють картину зіткнення і визначають, які частинки народилися. Іноді серед них трапляються дуже рідкісні – саме їх і шукають фізики.

Надпровідні магніти та охолодження системи

Щоб утримати пучок протонів на колі діаметром 27 кілометрів, потрібне дуже сильне магнітне поле. Звичайні електромагніти не підходять – вони споживали б стільки електрики, скільки ціле місто. Тому використовують надпровідні магніти. Надпровідність – це властивість деяких матеріалів проводити електрику без опору при дуже низьких температурах. Коли матеріал стає надпровідним, по ньому може текти величезний струм, і він не нагрівається. Це дозволяє створити дуже сильне магнітне поле без великих витрат енергії. У ВАК використовують дротини з ніобій-титанового сплаву. При температурі 1,9 Кельвіна (мінус 271 градус Цельсія) цей сплав стає надпровідним. Через магнітні котушки пропускають струм силою 12 тисяч ампер, і створюється поле 8,3 тесла.

Щоб підтримувати таку низьку температуру, всі магніти занурені в рідкий гелій. Гелій стає рідким при температурі 4,2 Кельвіна, а при зниженні тиску його можна охолодити до 1,9 Кельвіна. Для цього в CERN працює величезна кріогенна система – одна з найбільших у світі. Вона виробляє і розподіляє десятки тонн рідкого гелію по всьому кільцю колайдера. Це дуже складна і дорога система. Але без неї ВАК просто не зміг би працювати. Цікаво, що температура мінус 271 градус холодніша за середню температуру Всесвіту, яка становить мінус 270 градусів. Тобто магніти колайдера холодніші за відкритий космос. І це в тунелі, який знаходиться всього в сотні метрів від поверхні землі, де влітку буває плюс 30 градусів. Контраст вражає.

Підготовка частинок у джерелі – протони отримують з атомів водню шляхом відривання електрона
Попереднє прискорення в лінійному прискорювачі до енергії 50 МеВ та початкової швидкості
Прискорення в протонному синхротроні до енергії 1,4 ГеВ та швидкості 91,6% від світлової
Дальше прискорення в протонному суперсинхротроні до енергії 450 ГеВ та швидкості 99,9% від світлової
Фінальне прискорення в головному кільці ВАК до енергії 6,8 ТеВ та швидкості 99,9999% від світлової
Утримання пучків на траєкторії за допомогою 1624 надпровідних магнітів при температурі мінус 271°C
Зведення зустрічних пучків у чотирьох точках зіткнення всередині детекторів ATLAS, CMS, ALICE та LHCb

Детектори та обладнання Великого адронного колайдера

Якщо колайдер – це рогатка, то детектори – це камери, які фотографують результат пострілу. Детектор елементарних частинок – це складний прилад розміром з багатоповерховий будинок, наповнений електронікою. Коли частинки пролітають через детектор, вони залишають сліди в різних шарах. За цими слідами можна визначити тип частинки, її енергію, напрямок руху, заряд. Це як детектив, який за слідами на снігу визначає, хто і куди йшов. Тільки сліди тут електричні імпульси в мільйонах детекторних елементів. І з’являються вони не на снігу, а в кремнієвих пластинах, газових камерах, кристалах сцинтилятора. Кожен детектор ВАК складається з кількох шарів різного типу. Кожен шар виконує свою функцію – один вимірює траєкторію, другий енергію, третій ідентифікує тип частинки.

Навколо колайдера розташовано чотири великих детектори і кілька маленьких. Два найбільших – ATLAS і CMS – працюють паралельно і перевіряють результати один одного. Це важливо, бо помилка в такому експерименті може коштувати років роботи. Якщо обидва детектори бачать одне й те саме, ймовірність помилки мінімальна. Інші детектори – ALICE і LHCb – спеціалізуються на конкретних типах експериментів. ALICE вивчає зіткнення важких іонів, а не протонів. LHCb досліджує асиметрію між матерією і антиматерією. Кожен детектор – це міжнародний проєкт, над яким працюють сотні вчених з десятків країн. І кожен – це інженерний шедевр, що використовує найсучасніші технології.

Головні детектори: ATLAS та CMS

ATLAS – це абревіатура від “A Toroidal LHC Apparatus”, що перекладається як “Тороїдальний апарат ВАК”. Це найбільший детектор колайдера – 25 метрів завдовжки, 25 метрів заввишки і вагою 7000 тонн. Він складається з кількох концентричних циліндрів, кожен з яких має свою функцію. Внутрішній циліндр – трекер, який точно вимірює траєкторії заряджених частинок. Він складається з мільйонів кремнієвих детекторів, кожен розміром кілька квадратних міліметрів. Далі йде калориметр – пристрій для вимірювання енергії частинок. Він поглинає частинки і перетворює їхню енергію на світло, яке реєструється фотодетекторами. Зовнішній шар – мюонні камери, які ловлять мюони – важкі аналоги електронів, здатні пройти крізь усі інші шари детектора.

CMS розшифровується як “Compact Muon Solenoid” – “Компактний мюонний соленоїд”. Хоча він менший за ATLAS (14 метрів завдовжки), він важчий – 14000 тонн. Це найважчий детектор частинок у світі. Його серце – величезний соленоїдний магніт, який створює поле 4 тесла. Це поле вигинає траєкторії заряджених частинок, що дозволяє точно виміряти їхній імпульс. CMS теж складається з кількох шарів – трекера, калориметра, мюонних детекторів. Але технології інші, ніж у ATLAS. Така незалежність дуже важлива. Коли обидва детектори, побудовані різними командами з різних технологій, бачать одне й те саме, це означає, що результат справжній, а не артефакт приладу. Саме така подвійна перевірка дозволила в 2012 році впевнено заявити про відкриття бозона Хіггса.

Допоміжні детектори: ALICE, LHCb та інші

ALICE розшифровується як “A Large Ion Collider Experiment” – “Великий експеримент з іонним колайдером”. Цей детектор спроектовано спеціально для зіткнень важких іонів, наприклад, ядер свинцю. Коли два ядра свинцю стикаються на високій енергії, на коротку мить утворюється кварк-глюонна плазма – стан матерії, який існував у Всесвіті в перші мікросекунди після Великого вибуху. У звичайній матерії кварки завжди з’єднані в адрони – протони, нейтрони, мезони. Але при величезній температурі кварки і глюони вивільняються і плавають окремо. ALICE вивчає властивості цієї плазми, що дає уявлення про ранній Всесвіт. Це як машина часу, тільки не в минуле, а до умов, які панували 13,8 мільярдів років тому.

LHCb – це “Large Hadron Collider beauty”, де “beauty” означає b-кварк, один з типів кварків. Цей детектор вивчає асиметрію між матерією і антиматерією. За законами фізики, кожна частинка має свою античастинку – двійника з протилежним зарядом. Коли частинка і античастинка зустрічаються, вони анігілюють, перетворюючись на енергію. Під час Великого вибуху народилася однакова кількість матерії і антиматерії. Але зараз у Всесвіті майже вся антиматерія зникла, залишилася тільки матерія. Чому? LHCb шукає відповідь, вивчаючи крихітні відмінності в поведінці частинок і античастинок. Є ще кілька маленьких детекторів – TOTEM, LHCf, MoEDAL. Кожен має свою унікальну задачу і доповнює загальну картину.

Технології реєстрації та обробки даних

Кожна секунда роботи ВАК генерує петабайти даних. Петабайт – це мільйон гігабайтів, або тисяча терабайтів. Це як сто тисяч повних жорстких дисків комп’ютера. Зберігати і обробляти такі обсяги інформації неможливо без спеціальних технологій. Тому в CERN створили глобальну мережу обчислень – Worldwide LHC Computing Grid. Це понад 170 обчислювальних центрів у 42 країнах, з’єднаних швидкісними каналами зв’язку. Дані з детекторів передаються в ці центри, де їх аналізують тисячі процесорів паралельно. Кожен центр обробляє свою частину даних, результати об’єднуються. Без цієї мережі фізики не змогли б аналізувати навіть мізерну частку експериментів. Фактично, ВАК створив попит на нові технології Big Data – обробки величезних масивів інформації.

Штучний інтелект теж грає важливу роль. З мільярдів зіткнень лише кілька можуть бути цікавими. Решта – фонові процеси, які вже добре вивчені. Щоб не зберігати всі дані, використовують систему тригерів – швидких фільтрів, які за мікросекунди вирішують, чи варто зберігати конкретне зіткнення. Перший рівень тригерів – апаратний, працює на спеціальних мікросхемах. Другий рівень – програмний, використовує алгоритми машинного навчання. Штучний інтелект навчили розпізнавати цікаві події серед мільярдів звичайних. Це як шукати голку в стозі сіна, тільки стіг розміром з планету, а голок там кілька. І треба знайти їх усі за розумний час. Без автоматизації це було б неможливо. Саме тому технології, розроблені для ВАК, тепер використовують у медицині, фінансах, соціальних мережах – скрізь, де треба аналізувати величезні масиви даних.

ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) — найбільший детектор висотою 25 метрів і вагою 7000 тонн, призначений для пошуку бозона Хіггса, темної матерії та нових частинок за стандартною моделлю
CMS (Compact Muon Solenoid) — найважчий детектор вагою 14000 тонн з потужним магнітом 4 тесла, що досліджує ті самі явища, що й ATLAS, але іншими методами для перевірки та підтвердження результатів
ALICE (A Large Ion Collider Experiment) — спеціалізований детектор для вивчення кварк-глюонної плазми через зіткнення важких іонів свинцю, що імітує умови ранньогоВсесвіту через мікросекунду після Великого вибуху
LHCb (Large Hadron Collider beauty) — детектор для дослідження асиметрії між матерією та антиматерією через вивчення частинок з b-кварками та пошук причин зникнення антиматерії зі Всесвіту
TOTEM — допоміжний детектор для вимірювання пружного розсіяння протонів та дослідження внутрішньої структури протона при різних енергіях
LHCf (Large Hadron Collider forward) — невеликий детектор для імітації космічних променів та вивчення їх взаємодії з атмосферою Землі на основі зіткнень у колайдері

Наукові відкриття Великого адронного колайдера

4 липня 2012 року в CERN відбулася прес-конференція, яку транслювали по всьому світу. Директор CERN оголосив: “Ми спостерігаємо нову частинку, яка узгоджується з бозоном Хіггса”. У залі вибухнули оплески. Деякі вчені плакали. Це була кульмінація майже 50-річного пошуку. Бозон Хіггса – остання частинка стандартної моделі, яку передбачили теоретики ще 1964 року, але знайти не могли. Ця частинка особлива. Вона пов’язана з полем Хіггса – невидимим полем, яке заповнює весь Всесвіт. Коли інші частинки рухаються через це поле, вони взаємодіють з ним і набувають масу. Без поля Хіггса всі частинки були б безмасовими і летіли б зі швидкістю світла. Не було б атомів, молекул, планет, людей. Тому бозон Хіггса іноді називають “частинкою Бога”, хоча сам Хіггс не любить цю назву.

Відкриття бозона Хіггса – найгучніша, але не єдина заслуга ВАК. За роки роботи колайдер знайшов десятки нових частинок. У 2023 році виявили частинку, яка складається з п’яти кварків. Зазвичай адрони містять два або три кварки – мезони і баріони відповідно. Але теорія допускає і більш складні комбінації. Тепер вони підтверджені експериментально. Вивчили властивості топ-кварків – найважчих з усіх кварків. Топ-кварк важчий за атом золота, хоча це елементарна частинка. Його дуже складно народити і ще складніше вивчити, бо він розпадається за 10 в мінус 25 степені секунди. Але завдяки величезній статистиці ВАК вдалося накопичити достатньо даних. Дослідили рідкісні розпади інших частинок, перевірили передбачення стандартної моделі з небаченою точністю. Поки що модель витримує всі перевірки, хоча вчені сподівалися знайти відхилення.

Відкриття бозона Хіггса в 2012 році

Бозон Хіггса народжується рідко. З мільярда зіткнень протонів тільки в одному може з’явитися Хіггс. До того ж, він одразу розпадається на інші частинки – фотони, Z-бозони, кварки. Щоб знайти його, треба проаналізувати величезну кількість подій і знайти невеликий надлишок у розподілі мас. Це як шукати сигнал на фоні шуму. Сигнал слабкий, шуму багато. Але якщо накопичити достатньо даних, сигнал стає помітним. У 2011-2012 роках детектори ATLAS і CMS зібрали петабайти інформації. Тисячі фізиків аналізували ці дані, шукаючи сліди Хіггса в різних каналах розпаду. Поступово картина ставала чіткішою. Обидва детектори незалежно побачили піки в розподілі мас біля 125 ГеВ. Це і був бозон Хіггса.

Значення цього відкриття важко переоцінити. По-перше, це підтвердило стандартну модель – найуспішнішу теорію в історії фізики. Всі її передбачення виявилися правильними. По-друге, це відкрило двері до нових питань. Чому маса Хіггса саме така? Чому поле Хіггса має саме таку напруженість? Відповіді можуть вказати на нову фізику за межами стандартної моделі. По-третє, це показало, що людство здатне розв’язувати фундаментальні загадки природи. Десятки країн, тисячі вчених, мільярди доларів – і все заради однієї частинки. Але цієї частинки, яка пояснює, чому Всесвіт такий, якій він є. У 2013 році Пітер Хіггс і Франсуа Енглер отримали Нобелівську премію за теоретичне передбачення цієї частинки ще в 1964 році. Їхню правоту підтвердили майже через 50 років.

Нові елементарні частинки та кварки

Кварки – це будівельні блоки адронів. Існує шість типів кварків: up, down, strange, charm, bottom і top. Найлегші – up і down – складають протони і нейтрони. Важчі кварки нестабільні і швидко розпадаються. Вони народжуються тільки при високоенергетичних зіткненнях. ВАК став фабрикою важких кварків. Особливо цікавий топ-кварк – найважчий з усіх. Його маса близько 173 ГеВ, що в 185 разів більше маси протона. Топ-кварк живе так коротко, що не встигає утворити адрони – він розпадається ще в “голому” стані. Це дає унікальну можливість вивчити властивості самого кварка, а не адрона, який він утворює. ВАК виробляє мільйони топ-кварків, що дозволило детально дослідити їхню поведінку.

У 2023 році вчені оголосили про виявлення пентакварка з s-кварком. Пентакварк – це частинка з п’яти кварків замість звичайних двох чи трьох. Такі екзотичні стани передбачала теорія, але знайти їх було складно. Тепер маємо не тільки підтвердження існування, а й детальні дані про масу, час життя, канали розпаду. Це розширює наше розуміння того, як кварки можуть поєднуватися. Можливо, існують ще більш складні комбінації – гексакварки (шість кварків), гептакварки (сім). Їх пошук продовжується. Кожне таке відкриття – ще одна частинка мозаїки, яка складається в повну картину мікросвіту. І хоча вона ще далека від завершення, кожен крок наближає нас до розуміння.

Дослідження топ-кварків та інші експерименти

Топ-кварк – це найважча елементарна частинка, відома науці. Він важчий за атом вольфраму, хоча сам є фундаментальним, неподільним об’єктом. Така величезна маса означає дуже сильну взаємодію з полем Хіггса. Фактично, топ-кварк найсильніше з усіх частинок “відчуває” поле Хіггса. Тому вивчення топ-кварків допомагає краще зрозуміти природу самого поля Хіггса. ВАК виробляє пари топ-кварків зі швидкістю кілька штук на секунду. Це може здаватися мало, але за роки роботи накопичилися мільйони подій. Завдяки цьому виміряли масу топ-кварка з точністю краще 0,1%. Дослідили його спін, заряд, магнітний момент, канали розпаду. Перевірили, чи поводиться він точно так, як передбачає стандартна модель. Поки що розбіжностей не знайшли, хоча вчені сподівалися на сюрпризи.

Інші експерименти включають пошук темної матерії, надсиметричних частинок, додаткових вимірів простору. Темна матерія – це гіпотетична форма матерії, яка не випромінює світло, але проявляється через гравітацію. Вона становить 27% Всесвіту, але ніхто не знає, з чого вона складається. Можливо, це нові типи елементарних частинок, які можна народити на ВАК. Надсиметрія – це теорія, яка передбачає, що кожна відома частинка має важкого партнера. Ці партнери можуть пояснити темну матерію і вирішити інші проблеми стандартної моделі. Додаткові виміри – ще одна ідея, яка могла б пояснити, чому гравітація така слабка порівняно з іншими силами. Поки що жодна з цих гіпотез не підтвердилася. Але пошук продовжується. Кожен рік приносить нові дані, нові аналізи, нові межі на параметри гіпотетичних частинок.

Міфи та страхи навколо Великого адронного колайдера

Напередодні запуску ВАК у 2008 році інтернет вибухнув панікою. Люди писали, що колайдер створить чорну діру, яка поглине Землю. Або породить “дивну матерію”, що перетворить планету на мертвий камінь. Деякі вимагали зупинити експеримент, подавали позови до суду, організовували протести. ЗМІ підливали масла у вогонь, публікуючи страшні заголовки. Навіть серйозні видання писали про “ризики кінця світу”. Звідки взялися ці страхи? Частково з нерозуміння фізики. Люди чули про чорні діри з фантастики і думали, що їх можна створити в лабораторії. Частково зі страху перед невідомим. Коли вчені кажуть, що досліджують “екстремальні умови”, “нові форми матерії”, “енергії Великого вибуху”, це звучить моторошно для неспеціаліста. І частково з недовіри до вчених. “Вони самі не знають, що буде, а ризикують планетою!” – такі аргументи звучали часто.

Вчені відповідали терпляче і детально. CERN опублікував кілька звітів про безпеку, де розглянув усі можливі сценарії. Запросив незалежних експертів перевірити розрахунки. Організував публічні лекції, де пояснював, чому ризики нульові. Але страхи важко розвіяти логікою. Хтось продовжував вірити в апокаліпсис навіть після того, як колайдер запустили і нічого не сталося. Зараз, через 16 років роботи ВАК, ці страхи здаються смішними. Колайдер провів мільярди зіткнень, відкрив бозон Хіггса, працює як годинник. Земля досі на місці. Але історія повчальна. Вона показує, як важливо популяризувати науку, пояснювати людям, що і навіщо роблять вчені. Інакше нерозуміння породжує страх, а страх – ірраціональні рішення.

“Незнання породжує впевненість частіше, ніж знання” — Чарльз Дарвін

Чи може ВАК створити чорну діру

Чорні діри виникають, коли велика маса стискається в малому об’ємі. Наприклад, коли величезна зірка вибухає і її ядро колапсує. Гравітаційне поле стає таким сильним, що навіть світло не може втекти. Звідси назва – чорна діра. За класичною фізикою, щоб створити чорну діру в лабораторії, потрібна неймовірна кількість енергії – набагато більша, ніж у ВАК. Але деякі екзотичні теорії припускають, що при дуже високих енергіях можуть утворитися мікроскопічні чорні діри. Ці теорії вимагають існування додаткових вимірів простору і не підтверджені експериментально. Але припустімо, що вони правильні. Чи небезпечні такі мікроскопічні чорні діри? Ні, і ось чому. По-перше, вони були б дуже маленькі – в мільйони разів менші за атом. По-друге, вони одразу випаровувалися б через процес Гокінга.

Стівен Гокінг показав, що чорні діри не зовсім чорні. Вони повільно випромінюють частинки і втрачають масу. Чим менша чорна діра, тим швидше вона випаровується. Мікроскопічна чорна діра, якби вона утворилася в ВАК, зникла б за 10 в мінус 100 степені секунди – це неймовірно швидко. Вона навіть не встигла б провзаємодіяти з жодною іншою частинкою. До того ж, природа постійно проводить експерименти з набагато вищими енергіями. Космічні промені – частинки з космосу – стикаються з атмосферою Землі з енергіями в мільйони разів вищими, ніж у ВАК. Якби високоенергетичні зіткнення могли створити небезпечні чорні діри, Земля зникла б мільярди років тому. Але ми досі тут. Це найкращий доказ безпеки експериментів на ВАК.

Небезпека для планети: правда чи вигадка

Ще один страх стосувався “дивної матерії”. За гіпотезою, можуть існувати стабільні стани матерії, де кварки з’єднані незвичайним чином. Якщо така “дивна” частинка торкнеться звичайної матерії, вона може перетворити її теж на дивну. Реакція пішла б ланцюгом, і вся Земля перетворилася б на згусток дивної матерії. Звучить моторошно. Але знову ж, це суто гіпотетична можливість, не підтверджена жодними даними. До того ж, якби дивна матерія була стабільною і заразною, вона вже існувала б у Всесвіті. Космічні промені принесли б її на Землю мільярди разів. Але нічого не сталося. Нейтронні зірки – надщільні об’єкти, де матерія стиснута до неймовірних густин – теж не перетворюються на дивну матерію. Це додатковий доказ, що така форма матерії або не існує, або не стабільна.

У 2008 році двоє людей – Волтер Ваґнер з США і Луїс Санчо з Іспанії – подали позов до суду, вимагаючи зупинити запуск ВАК. Вони стверджували, що експеримент може знищити Землю. Суд розглянув позов і відхилив його. Експерти пояснили, що ризики нульові. CERN опублікував детальний звіт з оцінки безпеки, який розглянув незалежна комісія провідних фізиків. Висновок однозначний: ВАК не може створити нічого, що загрожувало б планеті. Всі процеси, що відбуваються в колайдері, постійно відбуваються в природі при взаємодії космічних променів з атмосферою. Єдина різниця – в колайдері ми можемо контролювати умови і вимірювати результати. Це не небезпечніше, ніж вивчати блискавку в лабораторії замість чекати грози.

Наукове спростування популярних міфів

Офіційна позиція CERN чітка: Великий адронний колайдер абсолютно безпечний. Енергії зіткнень, хоч і рекордні для земних умов, мізерні порівняно з природними процесами. Один комар, що летить на вас, має більшу кінетичну енергію, ніж обидва пучки ВАК разом узяті. Різниця в тому, що в колайдері ця енергія зосереджена в крихітному об’ємі, що дозволяє народжуватися новим частинкам. Але загальна енергія мала. Навіть якщо щось піде не так і пучки вдарять у стінку тунелю, максимум, що станеться – локальне пошкодження обладнання. Жодної загрози для людей на поверхні, не кажучи вже про планету. Радіація теж не проблема. У колайдері вона в сотні разів менша, ніж в атомних реакторах. Тунель добре екранований, на поверхні фон не відрізняється від природного.

Ще один аргумент на користь безпеки – досвід попередніх прискорювачів. Протягом 70 років у світі працювали десятки колайдерів різної потужності. Жоден не створив чорну діру, дивну матерію чи будь-яку іншу загрозу. З кожним новим прискорювачем енергії зростали, і щоразу скептики пророкували катастрофу. Але нічого не траплялося. ВАК – просто наступний крок у цій послідовності. Більший і потужніший, але не принципово інший. Природа вже провела всі можливі експерименти в космосі при набагато вищих енергіях. Ми лише повторюємо їх у контрольованих умовах. Якщо щось небезпечне могло б статися, воно сталося б давно в природі. Земля і Всесвіт досі існують – це найкращий доказ безпеки наших експериментів.

ВАК створить мікроскопічну чорну діру розміром менше за атом, яка поглине всю планету за лічені хвилини
Експеримент може породити “дивну матерію”, що запустить ланцюгову реакцію і перетворить Землю на непридатний для життя об’єкт
Зіткнення частинок призведе до розриву простору-часу, відкриття порталів в інші виміри та втручання інопланетян
Колайдер може спровокувати Великий вибух у зворотному напрямку та знищити не тільки Землю, але й весь Всесвіт
Радіація від мільярдів зіткнень частинок небезпечна для населення, що мешкає в радіусі сотень кілометрів від CERN
Вчені не розуміють повністю, що відбувається при таких високих енергіях, і граються з силами, які не можуть контролювати

Майбутнє Великого адронного колайдера

ВАК працює вже понад 15 років, але його історія далека від завершення. Наразі триває чергова модернізація, яка триватиме до середини 2020-х років. Після неї колайдер стане ще потужнішим. Головна мета – збільшити світимість пучків у десять разів. Світимість – це кількість зіткнень на одиницю часу. Чим вона вища, тим більше даних збирають детектори, тим швидше накопичується статистика для рідкісних процесів. Деякі частинки народжуються так рідко, що треба провести мільярди зіткнень, щоб побачити хоч кілька екземплярів. Висока світимість прискорить пошук. Але є проблема. При високій світимості в кожному зіткненні бере участь не два протони, а десятки одночасно. Це створює величезний фон, розібратися в якому дуже складно. Тому модернізують не тільки колайдер, а й детектори, системи обробки даних.

Але навіть після модернізації ВАК має свої межі. Енергія зіткнень обмежена силою магнітного поля і розміром кільця. Щоб піти далі, потрібен або більш сильний магніт, або більше кільце. Або обидва варіанти разом. Тому вже зараз обговорюють проєкти наступних колайдерів. Майбутній круговий колайдер FCC має бути в чотири рази довший за ВАК – понад 100 кілометрів по периметру. Енергія зіткнень зросте в десять разів. Такий колайдер зміг би відповісти на питання, на які ВАК не знайшов відповіді. Що таке темна матерія? Чому Всесвіт складається з матерії, а не антиматерії? Чи існують надсиметричні частинки? Але будівництво FCC коштуватиме десятки мільярдів і займе десятки років. Рішення про початок проєкту має прийняти наукова спільнота найближчими роками.

Проєкт високої світимості

Проєкт High-Luminosity LHC, або HL-LHC, стартував ще 2011 року, хоча реалізація почалася пізніше. Мета – збільшити світимість з нинішніх 2 на 10 в 34 степені зіткнень на квадратний сантиметр за секунду до 7,5 на 10 в 34 степені. Це означає, що кількість зіткнень зросте майже в чотири рази. За десять років роботи HL-LHC має зібрати стільки даних, скільки звичайний ВАК збирав би 40 років. Для цього доведеться замінити кілька ключових елементів. По-перше, магніти в точках зіткнення. Там потрібні спеціальні магніти, що фокусують пучки до мінімального розміру. Нові магніти будуть потужніші і компактніші. По-друге, системи охолодження. Вища світимість означає більше тепла, яке треба відводити.

По-третє, самі детектори. ATLAS і CMS мають витримувати в десять разів більше радіації. Деякі частини детекторів, особливо внутрішні шари, повністю заміняють. Використовують нові матеріали, стійкі до опромінення. Електроніка теж потребує оновлення – треба обробляти в десять разів більше даних за той самий час. І нарешті, системи збору і обробки даних. Нинішні комп’ютери не впораються з потоком інформації від HL-LHC. Потрібні нові алгоритми, потужніші процесори, швидші канали зв’язку. Це величезний технічний виклик, але вчені впевнені, що впораються. Запуск HL-LHC запланований на 2029 рік. Він має працювати до 2040-х, коли, можливо, буде готовий наступний колайдер.

Плани модернізації до 2030 року

Модернізація ВАК – це не одноразова подія, а процес, що триває роками. Кожні кілька років колайдер зупиняють на планову технічну паузу. Long Shutdown 1 був у 2013-2015 роках. Long Shutdown 2 – у 2019-2022 роках. Наразі триває Long Shutdown 3, який закінчиться десь у 2027-2029 роках переходом на режим HL-LHC. Під час кожної паузи виконують величезний обсяг робіт. Заміняють зношені компоненти – магніти, вакуумні труби, електроніку. Модернізують системи, які працювали недостатньо ефективно. Додають нове обладнання для покращення характеристик. Все це вимагає координації тисяч людей – інженерів, техніків, вчених. Треба демонтувати старе обладнання, доставити нове в тунель, встановити, протестувати, відкалібрувати.

Окрім колайдера, модернізують усю інфраструктуру CERN. Попередні прискорювачі в ланцюзі – протонний синхротрон, суперсинхротрон – теж потребують оновлення. Обчислювальні центри розширюють, щоб впоратися з потоком даних. Будують нові офіси, лабораторії, житло для вчених. CERN перетворюється на справжнє наукове містечко. Там постійно працюють близько 3000 співробітників, а ще кілька тисяч приїжджають на короткий термін для участі в експериментах. Все це потребує інфраструктури – їдалень, медичних центрів, транспорту. Модернізація – це не тільки наука, а й величезна логістична і організаційна задача. Але результат варто того. Кожна модернізація дає колайдеру нове дихання і відкриває нові можливості для відкриттів.

Майбутній круговий колайдер FCC

Future Circular Collider, або FCC – наступний крок після ВАК. Це проєкт настільки амбітний, що навіть вчені не впевнені, чи вдасться його реалізувати. Але якщо вдасться, це буде революція у фізиці частинок. FCC матиме периметр 90-100 кілометрів – майже в чотири рази більше за ВАК. Його кільце охопить ціле Женевське озеро. Енергія зіткнень досягне 100 ТеВ – у сім разів більше, ніж зараз. При таких енергіях можуть народитися частинки, про які ми навіть не підозрюємо. Темна матерія, суперсиметричні частинки, мікроскопічні додаткові виміри – все це стане доступним для вивчення. FCC зможе відповісти на питання, які ВАК тільки поставив.

Але проблем багато. По-перше, вартість. Попередні оцінки говорять про 20-30 мільярдів доларів. Це величезні гроші, і не всі країни готові інвестувати. По-друге, час. Будівництво займе 15-20 років. Запуск можливий не раніше 2040-х років. По-третє, технології. Деякі компоненти FCC, особливо надпровідні магніти, потребують розробки нових матеріалів і методів. Поки що рішення про будівництво не прийнято. Наукова спільнота обговорює, чи варто інвестувати в FCC, чи краще побудувати кілька менших спеціалізованих колайдерів. Конкуренція є – Китай планує свій 100-кілометровий колайдер CEPC, Японія розглядає проєкт лінійного колайдера ILC. У будь-якому разі, майбутнє фізики високих енергій обіцяє бути захоплюючим. Людство не зупиниться на досягнутому і продовжить пізнавати таємниці матерії.

Практичне значення досліджень на ВАК

Часто запитують: навіщо витрачати мільярди на вивчення елементарних частинок, коли є стільки проблем на Землі? Голод, хвороби, зміна клімату – чи не краще спрямувати гроші туди? Питання справедливе, але відповідь не така проста. Фундаментальна наука не дає негайних результатів. Але вона породжує технології, які змінюють світ через десятиліття. Коли Майкл Фарадей відкрив електромагнітну індукцію в 1831 році, ніхто не думав про практичне застосування. “Для чого це потрібно?” – запитав його політик. “Не знаю, але колись ви будете стягувати з цього податки”, – відповів Фарадей. Він мав рацію. Електромагнітна індукція стала основою всієї електроенергетики. Без неї не було б електростанцій, електромоторів, трансформаторів. Так само дослідження на ВАК можуть здатися абстрактними зараз, але їхні наслідки відчують наступні покоління.

Але навіть зараз технології, розроблені для ВАК, знаходять застосування. Найвідоміший приклад – Всесвітня павутина, інтернет. Її створив Тім Бернерс-Лі в CERN 1989 року для обміну даними між вченими. Зараз цим користуються мільярди людей щодня. Медичні сканери ПЕТ (позитронно-емісійна томографія) базуються на технологіях детекторів частинок. Вони рятують життя, виявляючи рак на ранніх стадіях. Детектори випромінювання в аеропортах, контроль якості в промисловості, нові матеріали для електроніки – все це побічні продукти досліджень фізики частинок. До того ж, ВАК дав роботу десяткам тисяч людей – інженерам, програмістам, техникам. Підготував нове покоління вчених, які тепер працюють в університетах, компаніях, стартапах. Економічний ефект від проєкту набагато перевищує його вартість.

Технології для медицини та промисловості

ПЕТ-сканери – один з найяскравіших прикладів медичного застосування технологій з фізики частинок. Вони використовують позитрони – античастинки електронів. Коли позитрон зустрічає електрон, вони анігілюють, породжуючи два гамма-кванти, що летять в протилежних напрямках. Детектори фіксують ці кванти і відтворюють тривимірну картину розподілу радіоактивної речовини в тілі. Це дозволяє побачити, де активно діляться клітини – саме там зазвичай розташовані пухлини. Технологію детектування гамма-квантів розробили для експериментів у фізиці високих енергій. Тепер вона рятує життя мільйонам людей. МРТ-сканери теж використовують надпровідні магніти, схожі на ті, що в ВАК. Без досвіду, накопиченого при будівництві прискорювачів, створити такі потужні і компактні магніти було б набагато складніше.

У промисловості застосовують радіаційні детектори для контролю якості. Вони дозволяють “просвітити” виріб без його руйнування і виявити внутрішні дефекти. Технології вакуумування, розроблені для ВАК, використовують у виробництві напівпровідників. Кріогенні системи знаходять застосування в зберіганні зріджених газів, включаючи медичний кисень. Нові матеріали, стійкі до радіації і екстремальних температур, застосовують у космонавтиці та атомній енергетиці. Методи обробки величезних масивів даних, розроблені для аналізу петабайтів інформації з детекторів, тепер використовують у фінансах, біоінформатиці, соціальних мережах. Штучний інтелект, навчений фільтрувати сигнал від шуму в даних ВАК, допомагає лікарям аналізувати медичні зображення, а банкам – виявляти шахрайські операції. Технології, народжені в пошуках бозона Хіггса, змінюють наше повсякденне життя.

Внесок у розвиток науки та техніки

ВАК – це не тільки експеримент, а й школа для нового покоління вчених та інженерів. Тисячі студентів і аспірантів з усього світу приїжджають до CERN, щоб брати участь у експериментах. Вони вчаться працювати зі складним обладнанням, аналізувати дані, співпрацювати в міжнародних командах. Багато хто потім стає професорами університетів, керівниками наукових проєктів, засновниками технологічних компаній. Знання і досвід, отримані на ВАК, вони несуть у світ. CERN підтримує програми для вчителів і школярів. Організовує екскурсії, відкриті лекції, літні школи. Мільйони людей відвідали CERN або дивилися трансляції звідти. Це натхнення для молодих, які обирають кар’єру в науці.

Технологічний прогрес теж прискорюється завдяки ВАК. Коли потрібно вирішити складну задачу – створити найпотужніший магніт, найшвидшу систему обробки даних, найточніший детектор – інженери вигадують нові рішення. Ці рішення потім застосовують в інших галузях. Наприклад, технологія Grid Computing, створена для обробки даних ВАК, стала основою сучасних хмарних обчислень. Спеціалізовані мікросхеми, розроблені для швидкого прийняття рішень у тригерних системах, знайшли застосування в автомобільній промисловості для систем безпеки. Нові методи охолодження використовують у центрах обробки даних для зниження енергоспоживання. Кожна технологічна проблема, розв’язана для ВАК, стає надбанням всього людства. І це не менш важливо, ніж наукові відкриття.

Україна та Великий адронний колайдер

Українські вчені теж брали участь у цьому грандіозному проєкті. Фізики з Харківського фізико-технічного інституту працювали над детектором ALICE. Вони розробляли та виготовляли частини внутрішньої трекової системи – найбільш чутливого елемента детектора, розташованого найближче до точки зіткнення. Це складна і відповідальна робота, бо трекер має витримувати величезні дози радіації і при цьому точно вимірювати траєкторії тисяч частинок. Інститут монокристалів у Харкові теж долучився до проєкту, виготовляючи спеціальні кристали для калориметрів. Український фізик-теоретик Георгій Зіновєв працював у CERN над теоретичними аспектами експериментів.

Україна стала асоційованим членом CERN у 2013 році, а з 2016 року має статус кандидата на повноправне членство. Це відкриває українським вченим доступ до всіх експериментів та інфраструктури CERN. Українські студенти можуть приїжджати на стажування, брати участь у дослідженнях, захищати дисертації за матеріалами експериментів на ВАК. Це підвищує рівень української науки, дає молодим вченим досвід міжнародної співпраці. На жаль, повномасштабне вторгнення росії в 2022 році ускладнило співпрацю. Багато українських вчених змушені були покинути країну або перервати дослідження. Але CERN підтримує Україну, продовжує співпрацю, допомагає українським дослідникам. Наука не має кордонів, і навіть у важкі часи міжнародна наукова спільнота залишається єдиною.

Всесвітня павутина (World Wide Web) — інтернет-технологія, створена Тімом Бернерс-Лі в CERN 1989 року для обміну науковими даними, зараз нею користуються мільярди людей
Позитронно-емісійна томографія (ПЕТ-сканери) — медичні прилади для діагностики онкології та неврологічних захворювань, базуються на детекторах частинок з прискорювачів
Хмарні обчислення та Grid Computing — технології обробки величезних обсягів даних виникли з потреби аналізувати петабайти інформації з детекторів ВАК
Надпровідні магніти для МРТ — медичні магнітно-резонансні томографи використовують технології надпровідних магнітів, розроблені для прискорювачів частинок
Детектори випромінювання — застосовуються в аеропортах для сканування багажу, в промисловості для контролю якості виробів без їх руйнування
Штучний інтелект для аналізу медичних зображень — алгоритми машинного навчання для фільтрації даних знайшли застосування в діагностиці захворювань та фінансовій безпеці
Нові матеріали та кріогенні технології — розробки в галузі екстремального охолодження використовуються в космонавтиці, промисловості та медичному зберіганні біоматеріалів

Пізнання без меж: що ми дізналися про Всесвіт

Отже, ми з вами пройшли шлях від ідеї до реалізації найамбітнішого наукового проєкту людства. Великий адронний колайдер – це не просто машина. Це втілення людської цікавості, прагнення зрозуміти, з чого зроблений світ. За 16 років роботи ВАК відповів на багато питань. Бозон Хіггса існує – це підтверджує стандартну модель. Кварки можуть об’єднуватися в екзотичні комбінації – це розширює наше розуміння матерії. Кварк-глюонна плазма відтворена в лабораторії – це дає ключ до розуміння ранього Всесвіту. Але кожна відповідь породжує нові питання. Що таке темна матерія? Чому зникла антиматерія? Чи існують нові сили природи? На ці питання ВАК поки не відповів, і це добре. Наука жива, поки є невирішені загадки.

Страхи навколо колайдера виявилися безпідставними. Земля не зникла в чорній дірі, не перетворилася на дивну матерію. Колайдер працює, відкриває нові частинки, породжує нові технології. Він показав, що людство здатне на великі справи. Вчені зі ста країн об’єдналися заради спільної мети. Подолали політичні, культурні, мовні бар’єри. Створили щось, що перевершує можливості будь-якої окремої країни. І це натхнення для майбутнього. Якщо ми можемо разом будувати колайдери, можемо разом вирішувати інші глобальні проблеми – зміну клімату, хвороби, бідність. Наука об’єднує людей, а знання робить нас вільнішими.

Майбутнє фізики частинок обіцяє бути захоплюючим. Модернізація ВАК, будівництво нових колайдерів, нові теорії, нові експерименти – все це чекає на нас попереду. Можливо, наступні покоління дізнаються, з чого складається темна матерія. Виявлять нові виміри простору. Зрозуміють, як народився Всесвіт і що з ним станеться в майбутньому. А може, відкриють щось таке, про що ми навіть не здогадуємося. Історія науки показує: найбільші відкриття часто приходять несподівано. Шукали одне, знайшли зовсім інше. Саме тому фундаментальні дослідження такі важливі. Ми не знаємо заздалегідь, що знайдемо. Але знаємо точно: якщо не шукати, не знайдемо нічого. Великий адронний колайдер – це пошук відповідей на вічні питання. І кожна відповідь наближає нас до розуміння того дива, яким є наш Всесвіт.