Колайдер надій. Вчені в передчутті відкриттів щодо таємниць Всесвіту
На початку квітня погляди більшості фізиків у світі були обернені до Швейцарії.
Там перші пучки протонів пройшли через оновлені прискорювачі Великого адронного колайдера (ВАК), пише Павло Сивокінь у №14 журналу Корреспондент від 10 квітня 2015 року.
Найбільший прискорювач елементарних частинок з усіх коли-небудь побудованих людиною знову запрацював. Його потужності були зупинені в листопаді 2013 року, коли стало зрозуміло, що для виходу на проектні показники потрібно переустаткувати систему електромагнітів і поліпшити основні детектори, щоб вони відповідали новим вимогам.
За словами Арчани Шарми, старшого вченого департаменту фізики високих енергій Європейського центру ядерних досліджень (CERN), де і був побудований колайдер, перший запуск був лише пробним обкатуванням.
«Тоді в CERN вірили, що зможуть запустити ВАК на повну потужність. Але багато вузлів і детекторів виявилися до цього не готовими», – каже вчений Корреспонденту.
Тому прискорювач і був зупинений на ремонт.
Але навіть у такому тестовому режимі прискорювач знайшов нову елементарну частинку – бозон Хіггса, а також попередньо довів, що швидкість світла для елементарних частинок не є граничною межею. Тоді пучок протонів розігнали понад 300 тис. км/с. На інших прискорювачах не вдалося повторити такий досвід, і поки це вважається експериментально не доведеним. Зараз більш ніж 1.000 вчених, які працюють на колайдері, хочуть повторити досвід і таки довести, що це можливо.
Загалом ВАК являє собою величезну трубу з окружністю 27 км, по якій за допомогою електромагнітів розганяються у вакуумі елементарні частинки. Під час експерименту два пучки часток направляють назустріч один одному. Коли вони досягають максимальних швидкостей, їм дозволяють зіткнутися. У спеціальних місцях на окружності розташовані чотири головні детектори, які і фіксують ці зіткнення. Для цього у них є спеціальні камери, здатні в реальному часі передати процес розльоту нових частинок і визначити, що саме утворилося внаслідок удару.
ВАК зіштовхує два пучки матерії майже на швидкості світла і дозволяє побачити, з чого вони складаються
Простіше кажучи, ВАК зіштовхує два пучки матерії майже на швидкості світла і дозволяє побачити, з чого вони складаються. З часом вчені просуваються далі і, можливо, незабаром скажуть, що лежить в основі світобудови.
За словами професора Гевіна Салама, який досліджує елементарні частинки в CERN, досліди на ВАКу йдуть у двох основних напрямках – астрономія і фізика елементарних частинок. В астрономії вчені отримають відповіді на питання, що таке темна матерія і як вона працює або за яких умов утворюються чорні діри. У фізиці колайдер дає відповіді на питання, з чого створений наш Всесвіт і якою він був на самому початку існування.
Нарешті, багато хто задає питання, навіщо потрібно було будувати величезний прискорювач вартістю € 4,6 млрд. Більшість вчених, яких опитав Корреспондент, вважає, що прискорювач є інструментом, що дозволяє здійснити більше відкриттів у фізиці, ніж раніше, щоб знайти нові види енергії, а головне, спробувати зв’язати дві основні сучасні наукові гіпотези – теорію відносності і квантову механіку.
Все це можна зробити тільки за допомогою експериментів на надвисоких швидкостях. Якщо ж це вдасться, то можна буде створити єдину теорію Всесвіту, яка дасть людству можливість зробити значний крок вперед. Салам нагадує, що в XIX столітті мало хто розумів, навіщо потрібні досліди з електрикою, але зараз нею користуються всі.
«Якщо ще простіше, то саме в CERN був створений інтернет, без якого багато хто зараз не уявляє свого життя», – пояснює вчений.
Корреспондент підібрав найважливіші рекорди, вже встановлені ВАКом, очікування від прискорювача, а також страхи, які крутяться навколо нього.
Рекорди
Найвища температура – 5,5 трлн градусів за Цельсієм
У серпні 2012-го, розігнавши два пучки іонів свинцю, вчені отримали плазму, яка мала найбільшу температуру, коли-небудь зафіксовану на Землі. Вчені проводять такі експерименти, щоб зрозуміти, в якому стані перебував Всесвіт через кілька секунд після Великого вибуху, коли матерія тільки почала формуватися. В оновленому колайдері хочуть почати розгін іонів золота, що мають великий потенціал для утворення плазми. Експерименти почнуться відразу після запуску ВАКу на повну потужність.
Відкриття нової елементарної частинки – бозона Хіггса
Британський фізик Пітер Хіггс прогнозував відкриття цієї частинки ще в 1964 році. Але тоді було неможливо провести потрібні експерименти для підтвердження теорії. У 2012-му на ВАКу була досягнута потрібна швидкість, яка показала, що існує частинка з нульовим спіном, маса якої становить 125 ГеВ/с. Вона стала останнім фундаментальним відкриттям у фізиці елементарних частинок і ще раз підтвердила теорію відносності. На оновленому колайдері хочуть поставити експеримент з виявлення частинок зі ще меншою масою.
Найбільший показник енергії – 1 трлн еВ
Через кілька місяців після запуску ВАКу в Швейцарії повідомили, що вдалося розігнати пучок протонів до небачених раніше показників енергії. До цього рекорд був у кілька разів менше, його встановили на прискорювачі елементарних частинок у Чикаго. Оновлений ВАК повинен досягати вищих енергій, для цього електромагніти пройшли модернізацію і тепер можуть створювати більш напружене поле, яке і розганятиме частинки.
Очікування
Підтвердження теорії суперсиметрії
У 2010 році в CERN заявили, що проста теорія суперсиметрії поки що не знайшла експериментального підтвердження. При цьому оновлені детектори, як припускають учені, знайдуть зв’язок між бозонами і ферміонами в природі. Якщо ця ідея буде підтверджена, то стане зрозуміло, що будь-яка частка в природі пов’язана з більш важкими частинками, і цей зв’язок вдасться встановити. Тоді стане більш зрозумілою система будови Всесвіту і чому частинки діють саме так у різних ситуаціях, коли на них не впливають інші поля і частинки.
Пошук темної матерії
Ці дослідження впритул пов’язані із суперсиметрією. Зараз астрономи постулювали, що більше 22% Всесвіту заповнено темною матерією, яка не вступає у жодну з відомих взаємодій. Крім того, ця речовина не випромінює електромагнітне поле, і тому її неможливо побачити або зафіксувати. Про її існування астрономи можуть тільки здогадуватися через дивну поведінку галактик. На ВАКу хочуть повторити процес утворення Всесвіту в мікромасштабі і подивитися, чи будуть створені частинки темної матерії. А потім досліджуватимуть їх на спеціальних детекторах.
Створення нової фізики
За словами Шарми, сучасна теорія елементарних частинок є тільки частиною великої і невідомої поки науки, здатної досконально пояснити, з чого створена матерія. Але поки що експериментально не вдалося підтвердити це. Необхідно зазирнути набагато далі вглиб атомів, ніж дозволяє сучасна наука. Тому на ВАКу збираються поставити низку дослідів з виявлення нових частинок і взаємодій. При цьому експерименти повинні підтвердити або спростувати теорії супергравітації, петлевої гравітації і теорії струн.
Страхи
Поява чорної діри
Це основний постулат критики CERN. Під час зіткнень пучків елементарних частинок на швидкостях, близьких до світлових, можуть виникати невеликі чорні діри. Критики заявляють, що такі діри здатні викликати ланцюгову реакцію і засмоктувати всередину матерію. Самі фізики визнають, що утворення мікроскопічних чорних дір можливе, але на енергіях, які в десятки разів перевищують швидкості прискорювача. Тим більше що вони будуть настільки малими, що їх неможливо буде помітити без спеціальних детекторів.
Утворення «кротової нори»
У теорії, якщо досягти надсвітлових швидкостей, то елементарні частинки можуть утворити розрив у тривимірному просторі-часі і створити «кротову нору» в минуле чи майбутнє. Такий об’єкт буде дуже нестійким й у разі руйнування може призвести до катастрофи. Фізики стверджують, що теоретично це можливо, тільки якщо сильно перевищити швидкість світла, а поки це нереально навіть для елементарних частинок. Тому загроза утворення «кротових нір», або червоточини, вимірюється приблизно в 10 у мінус 31 ступені.
Перетворення всієї матерії на Землі в залізо
Одним з напрямків роботи на ВАКу залишається створення кварк-глюонної плазми, яка досягає величезних температур і повинна показати, в якому вигляді існував Всесвіт відразу після Великого вибуху. Критики вважають, що ланцюгова реакція цієї плазми може перетворити всю матерію на планеті в залізо, кобальт або нікель. Але фізики зазначають, що ця теорія не була підтверджена експериментально навіть у масштабі мікросвіту, тому побоювання є безпідставними.
***
Цей матеріал опубліковано в №14 журналу Корреспондент від 10 квітня 2015 року. Передрук публікацій журналу Корреспондент в повному обсязі заборонено. З правилами використання матеріалів журналу Корреспондент, опублікованих на сайті Корреспондент.net, можна ознайомитися тут.
Шукайте деталі в групі Facebook
