Сломать физику: как и зачем работает Большой адронный коллайдер

Для новых открытий в мире всегда найдется место. Особенно если у тебя есть огромная сумма денег, чтобы построить туннель на границе Франции и Швейцарии. Конечно же, я говорю о Большом адронном коллайдере, который начал работать в 2008 году. Был ли смысл в его 11-летней работе?

Колл… что?

Давай разберёмся, как вдруг возникла огромная труба посреди Европы, которая даже не водопроводная. Коллайдеров в принципе много — так называются ускорители простых частиц, которые сталкивают их между собой, а учёные занимаются наблюдением за этими гонками. Коллайдеры могут быть кольцевые и линейные, но это неважно. У них разные особенности, но нам интересен пока только один — 27-километровый. Диаметр этого кольца равен 8600 м, что в традиционных единицах измерения — футбольных полях — равно примерно 86 полям.

Однажды ЦЕРН (Европейский совет ядерных исследований) решил, что им очень нужно построить такой огромный коллайдер. Для проверки некоторых теорий страны скинулись во благо науки — сумма, которая понадобилась для строительства, чуть более $5 млрд (больше, чем первоначальный проект Четвёртого транспортного кольца Москвы). Однако этот набор цифр мало что рассказывает о масштабности и важности проекта. Дальше будет ещё сложнее и интереснее: будем разбираться, как это работает.

Сложное ускорение простых частиц

Итак, всё начинается с баллона с водородом, откуда его атомы попадают в комнату ожидания большой гонки, где их лишают электронов, оставляя положительно заряженные ядра (протоны), которыми благодаря этому можно управлять с помощью электрического поля. Далее они собираются в пучок плазмы (именно так и можно называть вещество, состоящее из заряженных частиц) и отправляются на предварительный разгон.

После того как их скорость приблизилась к 99% от световой, по законам (известным нам законам) физики скорость повышаться дальше не может, поэтому с повышением энергии от ускорения начинается сильно увеличиваться масса зарядов — они становятся в 25 раз больше, чем это было вначале (энергия не может увеличивать скорость, поэтому увеличивает массу — знаменитая формула Эйнштейна в действии). Тут эти ошалевшие от происходящего протоны попадают в 7-километровое кольцо, а затем уже (после 20 минут) — в главное, 27-километровое, где находятся две параллельные трубы и разные пучки движутся в разных направлениях, а ими управляют 10.000 магнитов (отдельные их представители весят 27 тонн). Чтобы всё это не разлетелось от высокой температуры, установка охлаждается веществом с температурой -271 градус.

Протоны будут кружиться от 5 до 24 часов, пока их не столкнут друг с другом в четырёх специальных точках с разными детекторами, у каждого из которых свои задачи (вообще, каждая из этих точек — отдельный эксперимент, за которым закреплена сотня учёных). Там будут наблюдаться последствия столкновений этих частиц. Всё это происходят на таких скоростях и с таким количеством энергии, что частицы становятся тяжелее уже в 7000 раз, а протоны преодолевают всю дистанцию 11.000 раз в секунду. Звучит просто фантастически, но пока что по-прежнему непонятно, зачем это всё происходит.

Серьёзно. Зачем?

Как же в детстве было интересно засовывать петарды в различные ёмкости, продукты питания и опорные конструкции. Примерные последствия мы могли себе представить, но требовался эксперимент, подтверждающий наши теории. Такими же вещами, но с более дорогими инструментами, занимается ЦЕРН в Большом адронном коллайдере. Главная задача этих учёных — сломать физику. Не придумать новые формулы измерения массы или энергии, а найти любые отклонения в стандартной модели.

Стандартная модель — это такая методичка, которая говорит (даже доказательно утверждает), что вещество состоит из молекул, молекулы — из атомов, атомы — из протонов и нейтронов, а дальше эта матрёшка раскрывается на ещё более мелкие части — кварки. И каким-то образом эти частицы между собой взаимодействуют, собираясь в итоге в тебя у мамки в животе, Биг-Тейсти или нижнее бельё от «Интимиссими», например. Если бы не эти связи, то нашей цивилизации не существовало бы. Вообще, неизвестно, что было бы с этим мусором из кварков (я не про конкретно твои кварки, а о Вселенной в общем).

Учёные поняли, что элементарные частицы делятся на фермионы (то, из чего состоит материя) и бозоны (переносчики взаимодействий — тот самый клей, который держит нас в себе). Фермионы также делятся: на кварки и лептоны, которые более независимые, чем их кварковские братья (это, например, электрон и неуловимый нейтрино). А бозоны передают материальным частицам электромагнитное, гравитационное и ядерное взаимодействие. Представь их в виде координаторов, которые регулируют построение живых пирамид или типа того. Но детали в данном случае не важны. Главное, что эту модель создали, обосновали и приняли. Условно: есть вещество, неуловимые самостоятельные частицы вокруг и координаторы.

Учёные предположили, что всё пространство пронизывает некое поле Хиггса, состоящее из одноимённых бозонов, которое задаёт массу для этих частиц. Причём этот гад (бозон) мгновенно исчезает после своего появления и не оставляет никаких следов, по которым его можно было бы отследить. Этот чувак возникает из-за угла, кричит частицам: ты жирный, ты тощий, ты вообще ноль, — и пропадает, а новообразованным мелким деталям Вселенной дальше с этим существовать.

Что вообще значит предположили? Физика — это как заниматься описанием предметов в комнате с выключенным светом. На ощупь это, может, и ковёр, но какого он цвета — как это проверить? И иногда находится в этой тьме выключатель, который позволяет взглянуть по-новому на ранее описанные предметы. Однажды таким выключателем стала Теория относительности Эйнштейна. А потом со светом физики внезапно обнаружат, что комната вообще не одна, а тут целая коммуналка, но дальше света тоже нет. Так что физика — достаточно тёмное дело.

И где этот бозон?

Что-то учёные определённо нашли и склонны предполагать, что всё-таки это был Бозон Хиггса, но всё далеко не стопроцентно. Отклонения от Стандартной модели определённо есть, но что это — только предстоит выяснить.

К тому же поиски этого неуловимого Бозона не единственная цель БАКа. Он помог обнаружить тетракварки и пентакварки, исследовать кварк-глюонную плазму, занимается поиском суперсимметрии и исследованием других слов из книг в запретной секции библиотеки Хогвартса.

Чувствуешь всю масштабность этих открытий? Вот и я нет. Но надо понимать пару моментов, прежде чем критиковать такое расточительство научного сообщества.

Общая теория относительности появилась в начале ХХ века, а применяется для нашего блага относительно недавно: в технологии GPS, например. Именно она отвечает за устранение погрешностей в движении спутников и их определении местоположения нашего водителя «Убера» (время для нас течёт иначе, чем на орбите Земли, погрешность не такая большая, как в фильме «Интерстеллар», но с учётом расстояний очень ощутимая). Так что не жди, что завтра они там в своём научном тоннеле изобретут телепорт. Помни, что дураки учатся на чужих ошибках, а учёные — на своих, и называют это экспериментом.