Что вы знаете о Большом адронном коллайдере? ЦЕРН перезапускает крупнейший в мире ускоритель частиц

Почти 17 миль в окружности, БАК является самым высокоэнергетическим коллайдером частиц в мире. Но он не использовался с декабря 2018 года, когда его закрыли на техническое обслуживание.

«Машины и оборудование подверглись серьезной модернизации во время второго длительного простоя ускорительного комплекса ЦЕРН», — говорится в заявлении директора ЦЕРН по ускорителям и технологиям Майка Ламонта. «Сам БАК прошел обширную программу консолидации и теперь будет работать на еще более высокой энергии, а благодаря значительным улучшениям в инжекторном комплексе он будет предоставлять значительно больше данных для модернизированных экспериментов».

Что же такое Большой адронный коллайдер?

Известно 17 фундаментальных частиц — шесть кварков, шесть лептонов и пять бозонов (не считая теоретического бозона Хиггса) — и соответствующие им античастицы. Их называют «фундаментальными» или «элементарными» частицами, потому что они не имеют более мелких составных частей. Кварки объединяются в различных комбинациях, образуя другие частицы, такие как протоны и нейтроны.

В совокупности все частицы, состоящие из кварков, называются «адроны». 

Большой адронный коллайдер — это ускоритель частиц. Он делает именно то, что написано на коробке: он сталкивает адроны — в данном случае протоны, которые являются разновидностью адронных частиц — на очень высоких скоростях.

Протоны образуются, когда атомы водорода, состоящие из одного электрона, вращающегося вокруг одного протона, лишаются своего электрона. Протоны делятся на два потока, состоящие из кластеров примерно из 100 миллиардов протонов, и ускоряются серией меньших ускорителей перед тем, как попасть в основное кольцо БАК.

Сверхпроводящие электромагниты направляют два потока в противоположных направлениях по кольцу, а электрическое поле увеличивает их энергию до тех пор, пока они не начнут двигаться со скоростью 99,99% скорости света.

Примерно через 20 минут — и 13,5 миллионов оборотов — два потока объединяются в огромном столкновении на одном из четырех детекторов вдоль БАК.

Эти протоны настолько малы, что большинство из них пролетают мимо друг друга — каждый раз, когда две группы из 100 миллиардов протонов собираются вместе, происходит только 20 столкновений. Но их так много в луче, что все равно получается 600 миллионов столкновений в секунду.

В момент столкновения каждый протон имеет энергию 7 тераэлектронвольт (ТэВ). Один ТэВ равен энергии летающего комара, но протон в триллион раз меньше.

Когда протоны сталкиваются, создается поток энергичных частиц, которые разлетаются во всех направлениях. Детекторы измеряют энергии, направления и скорости этих частиц, а полученные данные передаются на суперкомпьютер для анализа.

Бозоны — это частицы, переносящие взаимодействие: примерами бозонов являются фотон и гипотетический бозон Хиггса, который ищут в экспериментах Atlas и CMS на БАК.

Все эти знания о фундаментальных частицах и их взаимодействии называются «стандартной моделью». Но есть еще что открыть, и это цель БАК.

Интересные факты о БАК

Самая большая машина в мире: БАК имеет длину 17 миль в окружности и проходит на глубине около 330 футов, охватывая границу Франции и Швейцарии. Это крупнейший в мире ускоритель частиц, на разработку которого ушло 20 лет и 10 миллиардов долларов.

Самый мощный суперкомпьютер в мире: БАК будет генерировать 40 000 ГБ данных каждый день — это заполнит 20 миллионов компакт-дисков в год. Для обработки этих данных десятки тысяч компьютеров, расположенных по всему миру, подключаются через Интернет к распределенной вычислительной сети, называемой Grid — виртуальному суперкомпьютеру.

Самое пустое пространство в Солнечной системе: чтобы избежать столкновения с молекулами газа внутри ускорителя, пучки частиц путешествуют в сверхвысоком вакууме — полости, такой же пустой, как межпланетное пространство. Внутреннее давление БАК составляет 10-13 атмосфер, что в десять раз меньше давления на Луне.

Горячее, чем Солнце: когда два луча протонов сталкиваются, они создают температуру, более чем в 100 000 раз превышающую температуру ядра Солнца, сконцентрированную в крошечном пространстве.

Холоднее, чем в открытом космосе: 9300 магнитов БАК будут предварительно охлаждены до -193,2°C с использованием 10 080 тонн жидкого азота, прежде чем они будут заполнены почти 60 тоннами жидкого гелия, чтобы охладить их до -271,3°C (холоднее, чем в открытом космосе), пишет CNET.