БАК на максимум

289
0

После тяжелой и продолжительной модернизации сегодня возобновил работу Большой адронный коллайдер (БАК). Проработав на мощности 7–8 ТэВ, он должен был закрыться еще в конце 2012 года, однако необходимость подтвердить открытие бозона Хиггса заставила перенести апгрейд коллайдера на более поздний срок.

Лишь получив нужные данные, 14 февраля 2013-го ученые Европейской организации ядерных исследований остановили его работу, и с тех пор БАК модернизировался. После ремонта и усовершенствования мощность пучков частиц, проносящихся по его 27-километровому кольцу, должна удвоиться. Это поможет в поиске ответов на самые главные вопросы «жизни, Вселенной и всего такого».

Большой адронный коллайдер возможно, самый масштабный научный инструмент в истории человечества. По глубокому вакууму 27-километрового кольца, подгоняемые и направляемые более чем тысячью сверхпроводящих магнитов, навстречу друг другу разгоняются пучки протонов, набирая немногим меньше скорости света пока не столкнутся лоб в лоб. Следы частиц, рожденных этой микрокатастрофой, улавливают несколько детекторов. Крупные (CMS, Atlas, ALICE и LHCb) работают непосредственно на участках столкновения, а вспомогательные на некотором удалении, позволяя улавливать частицы, разбегающиеся от места удара под неудобными для основных детекторов углами.

1. Что такое темная материя?

По современным представлениям, обычного вещества во Вселенной – не больше 4%, куда больше (22%) в ней материи, которая не излучает и не поглощает свет. Однако до сих пор не удается в точности понять, какими еще свойствами обладает темная материя, чем она является по сути и из каких частиц состоит. Некоторые модели описывают их как вимпы – частицы в десятки раз тяжелее протона и в разы – бозона Хиггса.

Существует некоторая надежда на то, что удвоенной силы коллайдера будет достаточно для рождения вимпов. После модернизации БАК позволит проверить эту гипотезу и,быть может, совершит открытие еще более грандиозное, чем пресловутый бозон.

Главное открытие, сделанное на БАК – конечно, обнаружение бозона Хиггса. Это последняя из элементарных частиц, существование которых предсказывает уравнения Стандартной модели, охота за которой изрядно затянулась. Проблема в том, что бозон Хиггса довольно тяжел (125–126 ГэВ) и, чтобы достичь соответствующих уровней энергии, потребовался инструмент соответствующих масштабов. При этом время жизни непростой частицы составляет триллионные миллиардных долей секунды, и даже детекторы коллайдера уловили лишь продукты его распада.

2. Существует ли суперсимметрия?

Грандиозная физическая гипотеза, согласно которой бозоны и фермионы являются проявлением некоей общей сущности и могут переходить друг в друга. Несколько упрощенно: идея связывает воедино вещество и взаимодействие, частицы – с их суперсимметричными партнерами. Однако чтобы такое преобразование было возможным в нашей действительности, а действительность могла существовать, суперсимметричные партнеры частиц должны быть исключительно тяжелыми и в обычных условиях не появляться.

Обновленный коллайдер с его рекордными на сегодняшний день энергиями столкновений может впервые зарегистрировать этих тяжелых «суперпартнеров». А если это не удастся, по крайней мере, перед теоретиками суперсимметрии встанет серьезный вопрос.

В квантовой теории любые частицы можно представить как колебания полей. Например, фотон как колебание электромагнитного поля. Но если электромагнитное поле в отсутствие фотонов равно нулю, как и поля других частиц, то хиггсовское поле особенное. В состоянии вакуума, на низшем энергетическом уровне, оно имеет определенную силу, колебания которой и можно представить как частицы-бозоны. «Продираясь» через это поле, как охотник сквозь снег в зимнем лесу, все остальные частицы и приобретают соответствующую массу.

3. Куда пропала вся антиматерия?

Теоретические модели в один голос твердят, что на заре существования Вселенной вещество и антивещество образовались примерно в равных количествах. И разумеется, взаимодействуя друг с другом, они должны были взаимно аннигилировать, оставив наш мир полностью без вещества (и антивещества). Однако это самым очевидным образом противоречит тому, что мы видим вокруг. Куда же исчезла вся антиматерия и почему материи осталось достаточно?

Если в недрах обновленного мощного коллайдера сталкивать не протоны, а ядра свинца, можно будет получать кварк-глюонную плазму – особое состояние вещества, существовавшее доли секунд спустя после Большого взрыва. Именно она, остывая, создала и вещество, и антивещество. Возможно, коллайдер позволит пронаблюдать пролить свет на этот вопрос.

Обнаружением бозона Хиггса достижения коллайдера далеко не ограничиваются. Например, летом 2014-го работающим на БАК физикам впервые удалось наблюдать ранее неизвестную частицу возбужденный прелестный очарованный мезон. Впрочем, о его очаровательных прелестях мы уже писали.

За помощь в подготовке материала благодарим сотрудника Европейской организации ядерных исследований, физика коллаборации ATLAS Константина Томса.