[Физика ғажабы] Үлкен адрон коллайдерi – қазiргi физиканың құтқарушысы

«Пән ғажабы неде» жобаның барлық мақалалары
«Физика ғажабы» циклдың басқа мақалалары
«Scio me nescire», немесе «Мен ештеңе білмейтінімді білемін»
Метрология және SI Халықаралық бірліктер жүйесі: біз физикалық шамаларды қалай өлшей бастадық?
Метрология және SI халықаралық бірліктер жүйесі. II бөлім
Ғаламды игеру: Жұлдыздарға барар жолдағы қауiптер
Бізге барлығының теориясы неліктен керек?

Кванттық физика — бұл бізді қоршаған бүкіл әлемді сипаттайтын ғылымның түсініксіз бағыттарының бірі. Сіз ұстай алатын және ойыңызға келетін нәрсенің бәрі ең ұсақ бөлшектерден тұрады, дәлірек айтсақ, элементар бөлшектерден.

Микроәлем құрылымына кіріспе

Сонымен кішігірім микроәлемге экскурсиядан бастайық. Кванттық физиканың арқасында адамзат кеңістік мүлдем бос емес екенін біледі. Шын мәнінде, ол молекулалар мен атомдар сияқты сансыз ұсақ бөлшектерден тұрады. Бізді қоршаған әлем молекулалар мен атомдар түзетін заттан тұрады; атомдар нуклондар мен электрондардан тұрады... және осымен бітті ме? Күте тұрыңыз, бұл әлі соңы емес! Егер сіз одан әрі, яғни атомды құрайтын протондардың, нейтрондардың және электрондардың құрылымына терең үңілсеңіз, атом материяның ең кішкентай бөлшегі емес екендігін түсінесіз.

Стандартты модель — бұл іргелі бөлшектер, олардың өзара әрекеттесуі және заттың құрылымы туралы идеяны құрайтын теориялар жиынтығы.

Фермиондар (кварктар мен лептондар) әлемдегі материяны тудырады. Кварктар кірпіштердің қалануы арқылы үйді құрайтын құрылыс бөлшектері секілді. Мысалы, бозондарға қатысты глюон барлық кірпіштерді бірге ұстайтын бетон сияқты кварктар арасындағы күшті өзара әрекеттесуге жауап береді. Фотон — электромагниттік өзара әрекеттесуге жауап беретін жарықтың массасы жоқ бөлшегі, ал W және Z бозондары ядролық ыдырауға жауап береді.

Барлық бөлшектер шамамен \(13.8\) млрд жыл бұрын болған Үлкен Жарылыс нәтижесінде пайда болды. Үлкен жарылыс сәтінен \(10−36\) секундтан кейін барлық кеңістік кварктар мен глюондардан жиналған өзіндік «ботқаға» — кварк-глюон плазмасына — толы болды. Осы кезеңнен кейін ғаламның температурасы келесі кезең — фазалық ауысу — бариогенез мүмкін болатын мәндерге дейін төмендеді. Сол сәтте кеңістікті толтыратын кварктар мен глюондар «бариондар» деп атала бастады, қазірде олар протондар мен нейтрондар атымен белгілі.

Материя элементар бөлшектерден жиналып жатқанда, параллельді түрде антиматерия пайда болды. Материя және антиматерия байланысып, өзара жойылып, электромагниттік сәулеленуге айналды. Материяны құрайтын барлық атомдар мен молекулалар ғаламның пайда болуынан бастап бар. Олар ежелгі ғаламды тауып қана қоймай, оның кеңеюі мен дамуын да қадағалаған.

Көптеген жылдар бойы жүргізілген зерттеулер адамзатты бүкіл материяның ғаламда қалай құрылғанын түсінудің дұрыс жолына шығарды. Алайда бір қарағанда жиналып қойылған әлем көрінісіне пазлдың жаңа бөлшектерін лақтыра отырып, материя туралы зерттеулер жалғасуда.

Элементарлық бөлшектерді қалай зерттеуге болады?

Элементар бөлшектердің осындай кішігірім өлшемдеріне байланысты оларды көру мен ұстау мүмкін емес және оны зерттеу де онша оңай емес. Сонымен қатар, әлемнің өзі қарапайым бөлшектердің «қауіпсіздігі» туралы қамқорлық жасады: көптеген фундаменталды бөлшектер қазіргі уақытта жоқ. Барлық ағымдағы материя фермиондардың бірнеше түрінен тұрады, ал қалған бөлшектер Үлкен Жарылыс кезінде ғана болған және бүгінгі күнге дейін оларды тек арнайы коллайдерлерде ғана анықтауға болады.

Әлемнің сонау алыстағы кезеңдерінде болған процестерді зерттеу үшін үлкен адронды коллайдер құрылды. Жеті жыл ішінде (\(2001-2008\) ж) салынған үлкен адронды коллайдер (ҮАК) — бұл Женевада орналасқан инженерияның нағыз керемет нәрсесі. Коллайдердің алғашқы сынақтары сәтті өтті, бірақ көп ұзамай 19 қыркүйектегі сынақтар кезінде апат болды — квенч — бұл өте өткізгіш электромагниттерде пайда болатын және магниттің өткізгіш емес күйге өздігінен ауысуымен бірге жүретін құбылыс. Электрлік контактілердің бірі балқып кетті, бұл күтпеген құрылымдық бұзылуларға, ластануға және коллайдердің гелий салқындату жүйесінің бұзылуына әкелді. Жөндеуден және сәтсіз «алғашқы сынақтан» кейін үлкен адронды коллайдер физиканы одан әрі дамытудың қуатты құралына айнала отырып, ғылымның пайдасы үшін өзінің қалыпты жұмысын жалғастырды. Оның көмегімен ғалымдар көптеген іргелік бөлшектерді ала алды, содан кейін олардың құрылымы мен қасиеттерін зерттей отырып, әлемнің шығу тегінің тарихына жақындай түсті.

ҮАК-ін негізіндегі зерттеудің мақсаты неде?

ҮАК-де ғалымдар әлемнің пайда болу жағдайларын қалпына келтіре алады, соның арқасында ҮАК әлемнің негізгі құрылымы туралы физикалық теорияларды зерттеуге арналған көптеген эксперименттердің орнына айналды. Үлкен адронды коллайдер ЦЕРН деп аталатын Еуропалық ядролық зерттеулер ұйымының бөлігі болып табылады. Мұнда ЦЕРН-де зерттелетін кейбір мәселелер мен теориялар келтірілген:

• «Жаңа физиканы» іздеу және әртүрлі теорияларды тексеру
  Қазіргі теориялар барлық іргелі өзара әрекеттесулердің сипаттамасын бермейді және ғалымдардың пікірінше, тереңірек теорияның бөлігі болуы керек.
• Суперсимметрияны iздеу
  Суперсимметрия — бозондар мен фермиондарды байланыстыратын теория, оған сәйкес суперсимметриялық әлемде бозондар фермиондардың, ал фермиондар бозондардың рөлін атқарады.
• Хиггс өрiсiн зерттеу
  Хиггс өрісі — бұл бөлшектер массаға ие бола алатын өріс.
• Жоғарғы деңгейдегі кварктар (жоғарғы кварктар)
  Жоғарғы кварктар — бұл әлемнің пайда болуы кезінде болған фундаменталды бөлшектердің бірі. Олар және басқа да кварктар ҮАК-де зерттелуде.
• Кварк-глюонды плазма
  Кварк-глюонды плазмасы — кварктар мен глюондар (протондар мен нейтрондардың компоненттері) бос күйде болатын материя күйі.
• Фотон-адрондық пен фотон-фотондықтың соқтығысулар
  Фотондар мен адрондардың соқтығысуы ҮАК-де олардың қасиеттері мен осы соқтығысулардың алынған өнімдерін зерттеу үшін жүзеге асырылады. Адрондар — күшті өзара әрекеттесуге ұшыраған композициялық бөлшектер класы. Бөлшектердің бұл класы екі топқа бөлінеді: бариондар және мезондар (протондар, нейтрондар, пентакварктар).
• Антиматерия
  Антиматерия — антибөлшектерден тұратын материя. Бұл бөлшектердің ерекшелігі — олардың массасы мен айналуы олардың егіз ағалары, яғни, элементар бөлшектермен бірдей, бірақ басқа барлық қасиеттерімен айрықшалынады. Мысалы, электронның антибөлшегі болып табылатын позитрон оң зарядқа ие.

Коллайдердің жұмыс істеу принципі

Коллайдерде протон немесе қорғасын иондарының жоспарланған соқтығысуы орын алады, олар жарықтың жылдамдығына жетіп, қарама-қарсы бағытта соқтығысады. Осындай соқтығысулардың нәтижесінде протондар мен нейтрондар детекторлармен анықталатын ұсақ бөлшектерге ыдырайды.

Осындай үлкен жылдамдыққа жету үшін үдеу бес кезеңде жүзеге асырылады:

I кезең. Ұзындығы \(100\) м-ден аспайтын бірінші және ең кіші сызықтық үдеткіш протон сәулелерін жылдамдата бастайды, оларға \(0.05\) ГэВ энергия береді, содан кейін бұл сәулелерді келесі синхротрондарға бағыттайды.

1 эВ – электростатикалық өрістегі потенциалдар айырымы 1 В болатын нүктелер арасындағы электронды тасымалдауға қажет энергияға тең, яғни 1 эВ = \(1.6·10^{-19}\) Дж. Айқындық үшін масаның ұшуы 1 ТэВ энергияға эквивалентті болады. Бірақ коллайдердің ерекшелігі — бұл энергияны масадан миллиардтаған есе кіші жүйеге салады.

II кезең. Ұзындығы \(157\) метр болатын үдеткіш синхротрон бөлшектерді жарық жылдамдығының \(91.6%\) дейін үдетіп, оларға \(1.4\) ГэВ энергия береді.

III кезең. Ұзындығы \(628\) м протондық синхротрон бөлшектердi жарық жылдамдығының \(99.93%\) дейiн үдетiп, оларға \(25\) ГэВ энергия бередi.

IV кезең. Ұзындығы \(6900\) м протонды суперсинхротрон бөлшектердi жарық жылдамдығының \(99.9998%\) дейiн үдетiп, оларға \(450\) ГэВ энергия бередi.

V кезең. ҮАК-дің негізгі сақинасы, ұзындығы \(27\) км бөлшектерді жарық жылдамдығының \(99.9999991%\) дейін үдетіп, оларға \(7000\) ГэВ дейін энергия береді. Дәл осы сақинада қызықтың қызығы болады...

Шоқтардың соқтығысуын детекторлар тіркейді. Коллайдердің негізгі сақинасында 4 негізгі детекторлар (ALICE, CMS, LHCb, ATLAS) және 3 қосалқы детекторлар (TOTEM, LHCf, MoEDAL) орналасқан.

ALICE (A Large Ion Collider Experiment) — қорғасын иондарына ұқсас ауыр иондардың соқтығысуын зерттеуге арналған детектор (қорғасын — ең ауыр тұрақты элемент). Соқтығысу нәтижесінде кварк-глюон плазмасын қалыптастыру үшін қажетті температура мен энергияға қол жеткізіледі. Осылайша ALICE-да алынған \(9\) триллион градустық температура ғаламның пайда болу жағдайларын модельдейді.

CMS (Compact Muon Solenoid) — бұл Хиггс бозондарын, сонымен қатар стандартты модельден ауытқуларды іздеуге және зерттеуге арналған жалпы мақсаттағы детектор.

LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment) — негізгі детекторлардың ішіндегі ең кішісі. LHCb-де пентакварктар деп аталатын бөлшектердің жаңа классы табылды. Антиматерияны, асимметрияны, стандартты модельді зерттеу LHCb-де жұмыс істейтін ғалымдардың негізгі мақсаттары болып табылады.

ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) — протон-протонның соқтығысуын зерттеуге және Хиггс бозоны немесе фундаменталды бөлшектердің суперсиметриялық серіктестері сияқты өте ауыр элементар бөлшектерді анықтауға арналған детектор.

Бәрінің бөлшегі

ҮАК-мен ашылған ең қатты жаңалықтардың бірі — Хиггс бозоны. Ол \(2012\) жылғы \(4\) шілдеде ATLAS детекторында массасы \(126\) ГэВ/с$^2$ болатын жаңа бөлшектің тіркелуімен болған. Осы бозонның бар екеніне \(50\) жыл бұрын болжам жасаған Питер Хиггс \(2013\) жылы физикадан Нобель сыйлығын зат арқылы масса алу механизмін түсіндіретін теорияны жасағаны үшін алды. Хиггс бозоны «Бөлшектер қалай масса пайда болады?» деген ең негізгі сұрақтардың біріне жауап беретін Стандартты модельдің маңызды бөлігі болып табылады. Фермиондар, протондар мен нейтрондар сияқты бөлшектер массасы бірдей аттас бозон құрған Хиггс өрісімен өзара әрекеттесудің арқасында көбейеді. Бөлшектердің көпшілігі осы өрістен өтіп, «жабыса» бастайды және осылайша массаға ие болады, ал басқалары өрісте бола тұра ешқандай массаға ие болмауы мүмкін.

Хиггс бозонының ашылуы материяның әр түрлі құрамдас бөліктерінің өзара әрекеттесуін түсіндіріп қана қоймай, сонымен қатар Стандартты модель туралы жалпы түсінікті, оның дамуы мен егжей-тегжейлі зерттелуін өзгертті. Хиггс бозоны бізді мыңжылдықтың басты құпиясын шешуге жақындатты ма, әлде жүздеген жылдарға қарай алыстатып тастады ма, жоқ па екендігі әлі белгісіз. Тек бір нәрсе белгілі: кванттық физика біз ойлағанға қарағанда сырлы да, ерекше ғылым.

Коллайдер қалай жетілдіріледі?

Бөлшектердің соқтығысуын зерттеуде оларды жеделдету үшін үлкен энергия қажет, ал кейде коллайдерде бұл энергия жеткіліксіз болуы мүмкін. Кез-келген қателіктер мен дәлсіздіктер деректердегі дәлсіздіктерге әкелуі мүмкін, мұнда мыңдаған үлестердегі ауытқулар түпкілікті нәтижеге айтарлықтай әсер етуі мүмкін. Сондықтан жақын арада ҮАК инженерлері энергияны, жылдамдықты және бөлшектер санын көбейту үшін, сонымен қатар, коллайдердің жарқырауын жақсарту үшін қалайы-ниобий қорытпасынан (\(Nb_3Sn\))  жасалған \(130\) аса өткізгіш магнит орнатуды жоспарлап отыр. Бірақ жарықтық дегеніміз не?

Жарықтық — бұл бөлшектердің белгілі бір нысанаға соқтығысу қарқындылығын сипаттайтын үдеткіш параметрі. ҮАК жарықтығын арттыру үшін инженерлер бөлшектердің қажетті бұрылуын қамтамасыз етуде коллекторларда қолданылатын «crab резонаторларын» (4.5-сурет) орнатады. Сондай-ақ, бұл схема бөлшектердің соқтығысуының қажетсіз және қажет емес соқтығысуын барынша азайтуға көмектеседі. Үлкен адронды коллайдерде \(15\) «crab резонаторларын» орнату жоспарлануда, бұл оның тиімділігін едәуір арттырады. Қазіргі уақытта коллайдердің жарқырауы \(1029 \frac{бөлшек}{см^2\cdot с}\)  құрайды, бірақ болашақта коллайдерді жетілдіргеннен кейін ғалымдар жарықты бұрын-соңды болмаған \(1700 \frac{бөлшек}{см^2\cdot с}\) деңгейге жеткізгісі келеді. Коллайдерді жетілдіру әлемнің құрылымын зерттеу үшін пайдаланатын ақпараттың дәлдігін арттыру үшін қажет.

Ғалымдар не күтедi?

Коллайдердің тиімділігі мен өнімділігін арттыру Хиггс бозондарының санын көбейтеді және бұл Хиггс өрісін зерттеу процесін едәуір жеделдетеді. Сәтті модификациядан кейін CERN қызметкерлері \(15\) миллион Хиггс бозонының бөлшектерін алуды көздеді (өткен жылдыағы \(3\) миллионның орнына). Алынған элементар бөлшектердің саны физиканың одан әрі дамуының векторын анықтайды, атап айтқанда, кейбір іргелік теорияларды зерттеу, соның ішінде:

Суперсимметрия — бұл фундаменталды бөлшектердің бір-біріне айналуы туралы, яғни фермиондардың (кварктар, лептондар) және бозондардың кері түрленуі туралы теория. Бейнелеп айтсақ, бұл теорияда заттардың (фермиондардың) өзара әрекеттесуге (бозондарға) айналу процестері мүмкін екендігі және керісінше бола алатындығы тұжырымдалады.

Барлығының теориясы — бұл барлық мүмкін заттарды және олардың өзара әрекеттесуін сипаттайтын физика-математикалық теориялардың жиынтығы. Ғалымдар үшін әлемнің неғұрлым ыңғайлы тұжырымдамасында айтарлықтай кемшілік бар: егер сіз әлемнің құрылымы мен принциптері туралы бәрін зерттесеңіз, одан әрі білімге деген қажеттілік жоғалады.

Мультиғалам — бұл параллель ғаламдардың болуы туралы теория, оны көптеген физиктер, космологтар, философтар және тіпті, бұл тақырыпқа қызығушылық танытпайтын қарапайым адамдар қолдайды. Егер бұл теория дұрыс болып шықса, онда ғалымдар белсенді түрде дамытқан «Барлығының теориясы» сәтсіздікке ұшырауы мүмкін, өйткені, параллель әлемдердегі заңдар біздің ғаламның заңдарымен сәйкес келмеуі мүмкін!

Қорытынды

Білімге деген құштарлық адамды әрекетке жетелейді. Ғасырлар бойы ғалымдар «Біздің әлеміміз қалай ұйымдастырылған?» секілді қарапайым, бірақ осындай күрделі сұрақты қоя отырып, біздің ғаламның құпиялары мен жұмбақтары одан да көп екендігіне көз жеткізді. Үлкен адронды коллайдер жүздеген жауапсыз сұрақтармен бетпе-бет келген заманауи физиканың құтқарушысы болды. Өзінің мәні бойынша ҮАК болып табылатын суперөткізгіш магниттердің үлкен жүйесі өзінің өмір сүрген жиырма жыл ішінде бүкіл адамзат баласын бір кездері бізден мыңдаған жарық жыл қашықтықта болған әлемнің басты құпиясына жақындата алды. Тіпті физика бізді кенеттен пайда болған жаңа сұрақтармен таңдандырғанды ұнатса да, қазір адамдардың қолдарында өздеріні көзірі болып табылатын үлкен адронды коллайдер бар.

«Beyond Curriculum» қоры «Пән ғажабы неде» циклы материалдарын «Караван знаний» жобасымен серіктестікте және «Шеврон» компаниясының қолдауымен жариялауда. «Караван знаний» – жетекші қазақстандық және халықаралық сарапшылардың қатысуымен орындалған алдыңғы қатарлы білім тәжірибелерін зерттеу мен талқылау бойынша бастамa.

Аударған: Асем Дұйсенбек|IQanat’2020

Редактор: Дильназ Жемісбек