Все статьи из цикла "В чем прелесть предмета"
Другие статьи из цикла "В чем прелесть физики":
"Я знаю, что ничего не знаю"
Метрология и Международная система единиц СИ. Часть I
Метрология и Международная система единиц СИ. Часть II
Постигая Вселенную: опасности на пути к звездам

Квантовая физика – один из самых запутанных разделов науки, описывающей весь мир вокруг нас. Абсолютно все, что вы можете потрогать и о чем можете подумать, состоит из мельчайших частиц, а если быть точнее – элементарных.

Введение в строение микромира

Итак, начнем с небольшого экскурса в микромир. Благодаря квантовой физике человечеству известно, что пространство вовсе не пустое, как было принято думать. На самом же деле оно содержит бесчисленное множество мельчайших частиц вроде молекул и атомов. Мир вокруг нас состоит из вещества, образованного молекулами и атомами; атомы же состоят из нуклонов и электронов … и все? Постойте, это далеко не конец! Если углубиться еще дальше, а именно в строение составляющих атом протонов, нейтронов и электронов, то можно понять, что атом далеко не мельчайшая частица материи.

Стандартная модель физики элементарных частиц. Источник изображения
Стандартная модель – совокупность теорий, которые составляют представление о фундаментальных частицах, их взаимодействиях и строении материи.

Фермионы (кварки и лептоны) дают начало веществу во Вселенной. Кварки являются некими строительными элементами – кирпичиками, складывающимися в целый дом. Бозоны же, в свою очередь, определяют, как материя взаимодействует между собой. К примеру, глюон, относящийся к бозонам, отвечает за сильные взаимодействия между кварками, словно бетон, который скрепляет все кирпичи вместе. Фотон – безмассовая частица света, ответственная за электромагнитные взаимодействия, а W- и Z-бозоны – за ядерные распады.

На рисунке представлены протон и нейтрон. Глюоны – маленькие частички-пружинки, соединяющие кварки нижние (d) и верхние (u). Нейтрон состоит из 2 нижних, 1 верхнего кварков и 3 глюонов, а протон – из 2 верхних, 1 нижнего кварков и 3 глюонов. (рис. 2)

Все частицы образовались в результате Большого Взрыва, произошедшего примерно \(13.8\) млрд лет назад. Спустя \(10^{-36}\) секунд после момента Большого Взрыва все пространство заполнилось некой “кашей”, собранной из кварков и глюонов, – кварк-глюонной плазмой. После этого этапа температура Вселенной упала до значений, при которых стал возможен следующий этап – фазовый переход – бариогенезис. В этот миг заполняющие пространство кварки и глюоны объединились в так называемые барионы – уже всем известные протоны и нейтроны.

Пока материя собиралась из элементарных частиц, параллельно образовывалась антиматерия. Соединяясь, материя и антиматерия взаимоуничтожились, превращаясь в электромагнитное излучение. Все атомы и молекулы, из которых состоит материя, существуют с самого зарождения Вселенной. Они не только застали древнюю Вселенную, но и наблюдали ее расширение и развитие.

Долгие годы исследований вывели человечество на правильный путь понимания того, как сконструирована вся материя во Вселенной. Однако исследования материи продолжаются, подкидывая все новые частички пазла в уже, казалось бы, собранную картину мира.

Как изучать элементарные частицы?

Из-за столь малых размеров элементарных частиц их невозможно разглядеть и потрогать, а изучить не так уж и просто. К тому же, сама Вселенная позаботилась о “сохранности” элементарных частиц: многие фундаментальные частицы не существуют в настоящее время. Вся текущая материя состоит из нескольких видов фермионов, а остальные же частицы существовали только во времена Большого Взрыва и по сей день их можно выявить лишь в специальных коллайдерах.

Для изучения процессов, происходивших в те далекие времена зарождающейся Вселенной, и был создан большой адронный коллайдер. Построенный всего лишь за \(7\) лет (\(2001\)-\(2008\) г), большой адронный коллайдер (БАК) – настоящее чудо инженерии, расположенное в Женеве. Первые испытания коллайдера прошли удачно, но в скором времени в ходе испытаний \(19\) сентября произошла авария – квенч – явление, возникающее в сверхпроводящих электромагнитах и сопровождающееся спонтанным переходом магнита в непроводящее состояние. Один из электрических контактов расплавился, что привело к непредвиденной поломке конструкций, загрязнению и нарушению работы гелиевой системы охлаждения коллайдера. После починки и неудачного “первого раза” большой адронный коллайдер продолжил нормальную работу во благо науки, став мощным инструментом для дальнейшего развития физики. С его помощью ученые смогли получить множество фундаментальных частиц, а затем, изучая их структуру и свойства, все глубже пробраться к истокам Вселенной.

С какой целью проводятся исследования на БАКе?

В БАКе ученые способны воссоздать условия при зарождении Вселенной, благодаря чему БАК стал местом многочисленных экспериментов для исследования физических теорий о фундаментальном устройстве мира. Большой адронный коллайдер является частью Европейской организации по ядерным исследованиям, именуемой ЦЕРН. Вот некоторые проблемы и теории, которые изучают в ЦЕРНе:

  • Поиск “новой физики” и проверка различных теорий

Нынешние теории не дают описания всех фундаментальных взаимодействий, и, по мнению ученых, должны быть частью более глубокой теории.

  • Поиск суперсимметрии

Суперсимметрия – теория, связывающая бозоны и фермионы, согласно которой в суперсимметричном мире бозоны выполняют роль фермионов, а фермионы – роль бозонов.

  • Изучение поля Хиггса

Поле Хиггса – поле, благодаря которому частицы обретают массу.

  • Топ-кварки (верхние кварки)

Топ-кварки – одна из фундаментальных частиц, существовавшая во времена зарождения Вселенной. Изучением их и других кварков занимаются в БАКе.

  • Кварк-глюонная плазма

Кварк-глюонная плазма – это состояние материи, при котором кварки и глюоны (составляющие протонов и нейтронов), находятся в свободном состоянии.

  • Фотон-адронные и фотон-фотонные столкновения

Столкновения фотонов и адронов проводятся в БАКе для изучения их свойств и получаемых продуктов этих столкновений. Адроны – класс составных частиц, подверженных сильному взаимодействию. Данный класс частиц делится на две группы – барионы и мезоны (протоны, нейтроны, пентакварки).

  • Антиматерия

Антиматерия – материя, состоящая из античастиц. Особенность этих частиц состоит в том, что они обладают такими же массой и спином, как их братья-близнецы элементарные частицы, но отличаются всеми остальными свойствами. К примеру, античастица электрона позитрон имеет положительный заряд.

Принцип работы коллайдера

В коллайдере происходят запланированные столкновения пучков протонов или ионов свинца, которые, достигая околосветовой скорости, сталкиваются во встречных направлениях. В результате таких столкновений протоны и нейтроны распадаются на более мелкие частицы, фиксируемые детекторами. (рис. \(3\))

Рис 3. Результат столкновения двух протонов, приводящий к образованию самых разных частиц, в том числе Бозона Хиггса. Источник.

Для достижения столь огромной скорости разгон осуществляется в \(5\) этапов:

I этап. Первый и самый маленький линейный ускоритель длиной менее \(100\) м начинает разгонять пучки протонов, предавая им энергию в \(0.05\) ГэВ, и далее направляет эти пучки в последующие синхротроны.

1 эВ равен энергии, необходимой для переноса электрона в электростатическом поле между точками с разницей потенциалов в 1 В, то есть 1 эВ = \(1.6·10^{-19}\) Дж. Для наглядности полет комара эквивалентен энергии в 1 ТэВ. Но особенность коллайдера заключается в том, что он помещает эту энергию в систему, которые в миллиарды раз меньше комара.

II этап. Бустерный синхротрон длиной \(157\) метров разгоняет частицы до \(91.6\) % от скорости света, придавая им энергию в \(1.4\) ГэВ.

III этап. Протонный синхротрон длиной \(628\) м разгоняет частицы до \(99.93\) % от скорости света, придавая им энергию \(25\) ГэВ.

IV этап. Протонный суперсинхротрон длиной \(6900\) м разгоняет частицы до \(99.9998\) % от скорости света, придавая им энергию в \(450\) ГэВ.

V этап. Главное кольцо БАК длиной \(27\) км разгоняет частицы до \(99.9999991\) % от скорости света, придавая им энергию до \(7000\) ГэВ. Именно в этом кольце и происходит все самое интересное... (рис. \(4\))

Рис 4. Схема разгона частиц для последующего попадания в главное кольцо. p и Pb соответствуют I этапу, II этап происходит в непомеченном круге, III этап происходит в PS (Proton Synchrotron), IV этап – в SPS (Super Proton Synchrotron) и V этап – в кольце LHC (Large Hadron Collider). Источник

Столкновения пучков регистрируются детекторами. На главном кольце коллайдера расположены 4 главных детектора (ALICE, CMS, LHCb, ATLAS) и 3 вспомогательных детектора (TOTEM, LHCf, MoEDAL).

ALICE (A Large Ion Collider Experiment) – детектор, предназначенный для изучения столкновений тяжелых ионов, по типу ионов свинца (свинец – самый тяжелый из стабильных элементов). В результате столкновений достигается необходимая температура и энергия для образования кварк-глюонной плазмы. Таким образом, полученная в ALICE температура в \(9\) трлн. градусов симулирует условия при зарождении Вселенной.

CMS (Compact Muon Solenoid) – детектор общего назначения, предназначен для поиска и изучения бозонов Хиггса, а также отклонений от Стандартной модели.

LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment) – самый маленький среди основных детекторов. На LHCb был открыт новый класс частиц – пентакварки. Изучение антиматерии, асимметрии, Стандартной модели являются главными целями ученых, работающих на LHCb.

ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) – детектор, предназначенный для изучения протон-протонных столкновений и выявления сверхтяжелых элементарных частиц вроде бозона Хиггса или суперсимметричных партнеров фундаментальных частиц.

Частица всего

Пожалуй, одним из самых громких открытий, сделанных с помощью БАКа, является открытие бозона Хиггса. Произошло это \(4\) июля \(2012\) года на детекторе ATLAS, где была зафиксирована новая частица с массой \(126 \frac{ГэВ}{с^2} \). Питер Хиггс, предсказавший существование этого бозона еще \(50\) годами ранее, в \(2013\) году был удостоен Нобелевской премии по физике за разработку теории, объясняющую механизм получения массы веществом. Бозон Хиггса является важной частью Стандартной модели, давая ответ на один из самых фундаментальных вопросов: каким образом у частиц появляется масса. Частицы наподобие фермионов, протонов и нейтронов получают массу из-за взаимодействия с полем Хиггса, создаваемым одноименным бозоном. Большинство частиц, проходя сквозь это поле, начинают “вязнуть” и таким образом обретают массу, другие же вовсе могут находиться в поле и не иметь никакой массы.

Открытие бозона Хиггса не только объяснило взаимодействие между различными составляющими материи, но и изменило общее понимание Стандартной модели, ее развития и более подробного изучения. Приблизил ли нас бозон Хиггса к разгадке главной тайны тысячелетия или вовсе отдалил на сотни лет назад еще неизвестно. Известно одно – квантовая физика куда загадочнее, чем может казаться.

Как совершенствуют коллайдер?

Для изучения столкновений частиц необходимо колоссальное количество энергии для их разгона, и иногда в коллайдере может попросту не хватить этой энергии. Любые погрешности и неточности чреваты неточностями в данных, где отклонения в тысячные доли могут существенно повлиять на конечный результат. Поэтому в ближайшее время инженеры БАКа планируют установить дополнительные \(130\) сверхпроводящих магнитов из оловянно-ниобиевого сплава (\(Nb_3Sn\)) для увеличения энергии, скорости и количество частиц, а также улучшения светимости коллайдера. Минуточку, что же такое светимость?

Светимость – это параметр ускорителя, который характеризует интенсивность столкновений частиц с определенной мишенью. Для повышения светимости БАК инженеры устанавливают “крабовые резонаторы” (рис. \(5\)), используемые в коллайдерах, чтобы обеспечивать необходимый разворот частиц для увеличения светимости. Также эта схема помогает свести к минимуму лишние и ненужные столкновения встречных пучков частиц. На большом адронном коллайдере планируется установить \(15\) “крабовых резонаторов”, что заметно повысит его эффективность. На данный момент светимость коллайдера составляет всего лишь \(1029 \frac{частиц}{см^2\cdot с}\), но в будущем после улучшения коллайдера ученые хотят довести светимость до небывалых \(1700 \frac{частиц}{см^2\cdot с}\). Совершенствование коллайдера необходимо для повышения точности получаемой информации, которую мы используем для изучения устройства Вселенной.

Специалист CERN настраивает “крабовые резонаторы” / © CERN

Что ожидают получить ученые?

Повышение эффективности и производительности коллайдера увеличит количество получаемых бозонов Хиггса, что заметно ускорит процесс изучения поля Хиггса. После успешной модификации сотрудники ЦЕРНа ожидают получать \(15\) миллионов частиц бозона Хиггса (на фоне прошлогодних \(3\) миллионов). Количество получаемых элементарных частиц определяет вектор дальнейшего развития физики, а именно изучение некоторых основополагающих теорий, среди которых:

Суперсимметрия – теория о преобразовании фундаментальных частиц друг в друга, то есть обратные превращения фермионов (кварков, лептонов) и бозонов. Образно говоря, из этой теории следует, что возможны процессы превращения вещества (фермионов) во взаимодействия (бозоны), и наоборот.

Теория Всего – совокупность физико-математических теорий, описывающих абсолютно все возможные вещества и их взаимодействия. Более удобная концепция мира для ученых имеет существенный изъян: если изучить все о строении и принципах работы Вселенной, пропадает необходимость в дальнейшем познании.

Мультивселенная – теория о существовании параллельных вселенных, которую поддерживает большинство физиков, космологов, философов и даже обычных людей, не заинтересованных в этой теме. Если эта теория окажется верной, то "Теория Всего", активно разрабатываемая учеными, может потерпеть крах – ведь законы в параллельных вселенных могут не совпадать с законами нашей вселенной!

Заключение

Стремление к познанию движет человеком. Веками задаваясь простым, но таким сложным вопросом “как устроен наш мир?”, ученые вновь убедились, что наша Вселенная хранит куда больше тайн и загадок. Большой адронный коллайдер стал спасением современной физики, столкнувшейся с сотнями вопросов, оставшихся без ответов. Огромная система сверхпроводящих магнитов, чем и является по своей сущности БАК, за двадцать лет своего существования сумела приблизить все человечество к главной загадки Вселенной, некогда лежащей тысячи световых лет от нас. И пусть физика любит удивлять нас новыми вопросами, взявшимися точно из ниоткуда, теперь у людей есть свой козырь в рукаве – большой адронный коллайдер.

Фонд «Beyond Curriculum» публикует цикл материалов «В чем прелесть предмета» в партнерстве с проектом «Караван знаний» при поддержке компании «Шеврон». Караван знаний – инициатива по исследованию и обсуждению передовых образовательных практик с участием ведущих казахстанских и международных экспертов.

Редактор статьи: Дарина Мухамеджанова