ДЛЯ ЧЕГО ФИЗИКАМ НУЖЕН СУПЕРКОЛЛАЙДЕР

Современные ускорители частиц – это сложные инженерные устройства, которые позволяют физикам проникать глубоко внутрь материи и исследовать свойства пространства на очень коротких расстояниях, точно также как большие телескопы используются астрономами для изучения Вселенной на возможно далёких расстояниях. В то время как астрономы изучают большой или мегамир, физики исследуют свойства очень маленьких элементарных частиц или микромир. Если телескопы «видят» почти всю Вселенную, то новые ускорители «видят», что происходит на расстояниях в десятки тысяч раз меньших размеров атомных ядер. Атомные ядра в свою очередь в 10,000 – 100,000 раз мельче атомов. Первые ускорители, созданные 80 лет назад, применялись для исследования структуры ядер, а также для их расщепления и в практических целях – в медицине, химии биологии. С тех пор физики создавали всё новые и новые ускорители, всё больших и больших размеров, которые ускоряли частицы почти до световой скорости. Причина, почему физикам необходимы гигантские ускорители, проста: чем больше размер ускорителя, тем больше энергия ускоряемых частиц и тем меньше длина волны частицы (т.е. её «размер»), поэтому такая частица может глубоко проникать внутрь пространства и получать информацию о строении материи на очень коротких расстояниях. Масштабы расстояний мега – и микромира, исследуемых физиками, отличаются на 45 порядков (один порядок означает в 10 раз, т.е. в 10^45). Как отмечали философы, природа бесконечна не только вширь, но и внутрь, а электрон также неисчерпаем как атом.

В 1987 г. недалеко от Чикаго был построен знаменитый Femilab, т.е. ускоритель с длиной кольца более 6 км и с энергией частиц 1 ТэВ, поэтому он называется ещё теватроном. В микромире энергия частиц измеряется в эВ (1 Тэв равен триллиону эВ), который почти на 19 порядков меньше Джоуля – единицы энергии в макромире. Эта энергия грандиозна в микромире, но ничтожна в большом мире и сравнима, например, с укусом комара. Другое название этого ускорителя коллайдер от слова «collide», столкновение. Два пучка частиц, ускоренные почти до скорости света, движутся в противоположных направлениях и сталкиваются для рождения огромного количества новых частиц. Поэтому ускоритель называется ещё ускорителем на встречных пучках. Физики исследуют эти новые частицы, используя различные детекторы. Среди этих частиц могут быть, например, кварки или бозоны.

Напомню, что все вещества природы состоят из атомов и молекул, а атомы – из ядер и электронов. Ядра в свою очередь состоят из протонов и нейтронов, а протоны и нейтроны – из трёх кварков и цветных глюонов. Глюон – это «клей», который удерживает кварки внутри нуклона (другое название протона или нейтрона). Обнаружено шесть различных кварков, с помощью которых могут быть сконструированы все сильновзаимодействующие частицы – протоны, нейтроны и сотни других частиц (которые ещё называются адронами) в отличие от лептонов – электронов, мюонов и нейтрино. Поэтому суперколлайдер называется ещё большим адронным коллайдером или БАК. Все элементарные частицы в физике разделяются на две группы – фермионы, которые ответственны за различные взаимодействия, и бозоны, ответственные за возникновение массы во Вселенной. Согласно теории струн, всё в нашей природе состоит из очень маленьких образований – струн, вибрирующих в многомерном, 11-мерном пространстве. Они настолько малы, что их невозможно обнаружить даже в принципе, что связано с размером так называемой длины Планка. Другое предсказание теории струн – существование бозонов Хиггса, т.е. частиц, объясняющих, как возникла материя, т.е. почему частицы приобрели массу в ранней Вселенной. Но физики, как известно, никогда и ничего не принимают на веру. Им нужно доказать или опровергнуть существование бозонов, чтобы теория струн стала общепринятой или заменить её другой. Именно с этой целью (и не только с этой, см. ниже) был построен суперколлайдер в 2000 г. в районе Женевского озера на границе Швейцарии и Франции. Размер кольца ускорителя 27 км, а его стоимость 10 миллиардов долларов. Энергия этого ускорителя в несколько раз превышает энергию ускорителя в Fermilab и достаточна для обнаружения бозона. Пучки частиц удерживаются на орбите 1600 сверхпроводящими магнитами, которые охлаждаются жидким гелием до температур 2 К или –271 С. В финансировании ускорителя участвовало более 20 государств и сегодня на этом ускорителе работают три тысячи физиков из более чем ста стран мира.

4 июля 2012 г. физики после тщательных исследований вторичных частиц, образующихся в результате столкновений протонов, объявили об обнаружении бозона Хиггса. Их масса оказалась 126 ГэВ, что превышает массу протона в 135 раз. Это было важным открытием в физике, подтверждающим теорию струн, которая правильно предсказывала результаты многих экспериментов за последние десятилетия. Нобелевская премия по физике в 2013 г. была присуждена британскому учёному Питеру Хиггсу и бельгийцу Франсуа Энглеру за теоретическое обоснование существования бозонов, которые были предсказаны ещё в 1964 г.

Другой интересный вопрос, который исследуется на БАК – куда исчезла антиматерия или почему в нашей Вселенной материя превалирует над антиматерией. Интерес к антивеществу связан с тем, что сталкиваясь с материей, оно полностью аннигилирует с образованием максимально возможной энергии (100%). В этом процессе вся масса превращается в энергию в соответствии Е = Мс^2 и этот процесс является самым мощным источником энергии. Например, при взрыве водородной бомбы выделяется энергия, эквивалентная анигилляции всего 100 г. материи и антиматерии. Будущие полёты к звёздам невозможны без использования антивещества, применение которого обеспечит полёты космических кораблей со скоростями близкими к скорости света. Именно поэтому интерес физиков к получению антивещества чрезвычайно высок, т.к. мы будем располагать неисчерпаемым источником энергии. Однако недавние эксперименты показали, что в столкновениях протонов образуется больше частиц, чем античастиц. Это указывает на асимметрию образования вещества и антивещества во Вселенной. Хочу порекомендовать читателям этой статьи прочитать интересную книгу Дэна Брауна «Ангелы и Демоны», в которой он увлекательно описывает приключения физика Леонида Ветра о том, как учёные получили 40 г. антивещества на мощном ускорителе – синхрофазотроне и как демоны хотели использовать его, чтобы уничтожить Ватикан в Риме.

Другое интересное исследований на БАК – это обнаружение скрытых размерностей нашей Вселенной. Наличие струн возможно лишь в 10 или 11-мерном пространстве. Сегодня нам известны лишь четыре измерения – пространство и время. Для чего нужны другие измерения и возможно ли их обнаружить? Например, пятое измерение необходимо для объединения двух взаимодействий – гравитации и электромагнетизма. Для объединения других взаимодействий нам необходимы дополнительные измерения. Напомню, что наш мир управляется четырьмя взаимодействиями. Это – гравитация, слабое и сильное взаимодействия и электромагнетизм. Все эти взаимодействия возникли из одной и той же суперсилы, которая по мере охлаждения Вселенной распалась на эти четыре взаимодействия, которые управляют Вселенной. Суперсила – причина, почему в результате мощного взрыва возникла наша Вселенная. Мы не знаем сегодня природу суперсилы, но объединение четырёх сил в одну приведёт к пониманию природы суперсилы и это является самой главной задачей физики. Это позволит нам объяснить, почему произошёл Большой Взрыв. Более того, понимание природы суперсилы позволило бы нам управлять нашей Вселенной, т.е. стать её властелином, а также понять, почему в нашей Вселенной существуют физические законы и фундаментальные постоянные. Как отметил знаменитый английский учёный Р. Пенроуз, автор циклической модели Вселенной, «Мы не знаем, являются ли мировые константы и те численные значения, которые есть в нашем мире, случайно установленными или это результат какой-то встроенной в мир математики? И какой в этом смысл?» Наш физический мир стал следствием встроенной в него математики. Разгадка суперсилы позволила бы нам объяснить происхождение нашего мира. Наличие этих законов и фундаментальных постоянных Эйнштейн называл богом и подчёркивал, что самое необъяснимое во Вселенной – это то, что она объяснима. Законы физики, фундаментальные постоянные, управляющие нашей Вселенной, а также пространство и время появились сразу после Большого Взрыва. Мы не знаем, почему эти законы и постоянные именно такие, а не другие. Теория всего должна объяснить, почему они такие, а не другие и в чём их смысл.

Причина, почему мы замечаем только 4 из 11 измерений, состоит в том, что эти измерения свёрнуты, т.е. спрятаны в пространстве ничтожных размеров, сравнимых с длиной Планка и проявляются на расстояниях, сравнимых с размером струн. Интересно, что образование чёрной мини дыры на коллайдере может служить прямым доказательством существования дополнительных измерений. Поэтому физики, работающие на БАК, занимаются также поисками мини чёрных дыр.

Другое направление исследований – природа тёмной материи и тёмной энергии. Видимая материя составляет лишь 4.6% массы Вселенной. Остальное – это, что мы не видим, вследствие отсутствия излучения от невидимой материи. Несмотря на отсутствие излучения, существование тёмной материи было доказано в астрономии косвенным путём. Изучение так называемых «гравитационных линз» показывает, что изображения далёких галактик сильно искажены из-за взаимодействия излучаемого ими света с тёмной материей. Учёные сегодня знают, как тёмная энергия распределена внутри Вселенной. Составлена даже карта тёмной материи. Что касается тёмной энергии, ситуация здесь менее определённая. Причина, почему физики исследуют тёмную энергию, это чтобы понять, почему наша Вселенная ускоряется. Во Вселенной, кроме сил притяжения, т.е. гравитации, должны присутствовать и силы отталкивания (это другое название тёмной энергии), ответственные за ускорение Вселенной. Следует отметить, что энтузиазм учёных, исследующих тёмную энергию на БАК, чрезвычайно высок.

На БАК впервые удалось получить новое вещество в экстремальном состоянии (так называемую кварк-глюонная плазму) с температурой в 100,000 раз превышающую температуру в центре нашего Солнца, т. е. 4 триллиона С. Именно такой была температура Вселенной через весьма короткий промежуток времени (10^-11 сек) после Большого Взрыва. Говоря иначе, сегодня мы можем воспроизвести в лабораторных условиях тот момент времени в истории нашей Вселенной, который очень близок к нулевому, соответствующему точно Большому Взрыву. Мы знаем всю историю нашей Вселенной c этого момента времени до наших дней. Ускорители с ещё большей энергией позволят нам подойти ещё ближе к нулевому моменту времени, когда мощная суперсила родила нашу Вселенную. Разгадка природы суперсилы является самой фундаментальной задачей всей физики, т.к. она позволит нам объяснить происхождение нашего мира.

В 2015 г. энергия БАК увеличится до максимума, 13 ТэВ. На БАК появятся новые возможности и будут решаться многие другие проблемы – поиски других бозонов и кварков, новой физики, изучение кварк-глюонной плазмы, проверка теории суперсимметрии, согласно которой любая элементарная частица должна иметь более тяжёлого партнера, или «суперчастицу» и др. Так, каждый бозон согласно теории имеет в качестве суперпартнёра фермион, а каждый фермион имеет бозон. Физики надеются найти доказательства наличия суперсимметрии в природе, используя возможности БАК. Это поможет нам понять причину существования мистической тёмной материи во Вселенной, а также ответить на вопросы: почему частица имеет именно такую массу, а не другую; почему взаимодействия имеют именно такую силу, а не другую; или почему наша Вселенная является именно такой, а не другой. Запланировано или случайно её существование и насколько наше существование зависит от точной формы физических законов, почему возникла разумная жизнь во Вселенной и в чём смысл нашего существования. Ответы на некоторые из этих вопросов будут получены в недалёком будущем.

Илья Гулькаров