10 вересня 2008 року в ЦЕРНі було офіційно оголошено про запуск Великого адронного колайдера. Як з'явилася ідея цього грандіозного проекту і чим сучасна фізика йому зобов'язана?
Спочатку про термінологію та її слідства. Адрони - це елементарні частинки. Конкретно БАК зроблений для зіткнень пучків протонів, запущених в кільце прискорювача на дуже великих (менше швидкості світла всього на 3 метри в секунду) швидкостях. Стикаючись, вони породжують безліч інших частинок. Багато з них живуть надто недовго, щоб їх можна було безпосередньо виявити. Фізики реєструють продукти їх розпаду, а то й результати наступних розпадів.
Приблизно один місяць на рік замість протонів у кільце БАКу відправляються іони свинцю, які теж стикаються на пристойних швидкостях.
Коллайдер - це прискорювач, в якому стикаються пучки розігнаних частинок. Можливий і інший варіант - коли ці частинки бомбардують нерухому мішень. Нам це зараз нецікаво, оскільки на БАКу цього немає.
Ну, а «великий» він через геометричні розміри. Довжина основного кільця - 26 659 м. Сьогодні це - найбільший прискорювач у світі.
Немнго історії
Концепція колайдера народжувалася приблизно з 1984 року. Через десять років вона отримала офіційне визнання і почалося проектування. Для розміщення конструкцій був використаний кільцевий тунель, раніше зайнятий Великим електрон-позитронним колайдером. Останній був демонтований у 2000 році. Перші пристрої БАК змонтували наступного року.
Навіщо це все?
Головне завдання БАК (іноді використовується латинська абревіатура LHC) - пошук даних, що свідчать про те, що реальна фізика елементарних частинок відрізняється від Стандартної моделі. Остання була сформульована теоретиками в другу половину XX століття і описала взаємозв'язок сильної, слабкої та електромагнітної взаємодій і породжувані ними наслідки в світі елементарних частинок.
«За кадром» залишилася гравітація. Вона, очевидно, є, але сформулювати теорію, що об'єднує її з іншими взаємодіями, вчені поки не змогли. Це породжує припущення, що Стандартна модель повинна бути частиною якоїсь більш загальної концепції. У популярній літературі вона умовно називається «Новою фізикою». Або - що Стандартна модель в принципі невірна і треба все придумувати заново. Останній варіант для більшості фізиків навіть симпатичніший, оскільки обіцяє більшу свободу для творчої фантазії.
Окрема тема - досліди із зіткненнями іонів свинцю, під час яких вивчається кварк-глюонна плазма, дуже цікавий вид матерії.
Що з цього вийшло?
Так, по-хорошому, нічого. Стандартна модель виявилася дуже живучою, за десять років так і не вдалося знайти чогось істотно ставить її під сумнів. Було документовано кілька подій, які не спостерігалися раніше, але, в цілому, не стали великим сюрпризом. Так, у 2011 році були відкриті два нових види розпаду Bs-мезонів - частинок, у складі яких є як «дивний кварк» (s-кварк), так і «чарівний кварк» (b-кварк).
Бозон Хіггса
Це найгучніше на сьогодні відкриття, зроблене на LHC. Частинка була передбачена в рамках Стандартної моделі ще в середині 60-х років, але експериментально її виявити весь цей час не вдавалося - наявним прискорювачам не вистачало потужності. Автор гіпотези британський фізик Пітер Хіггс неодноразово заявляв, що знаменитий бозон не буде відкритий за його життя. Він не був єдиним скептиком - Стівен Гокінг навіть висловив готовність укласти парі на невелику суму щодо того, що бозон Хіггса на БАКу виявлений не буде.
Тим не менш, у липні 2012 року колаборації ATLAS і CMS оголосили про знаходження бозона масою 125.3 на 0.6 ГЕВ. Швидше за все, це і є знаменитий бозон Хіггса, хоча деякі фахівці в цьому як і раніше не впевнені.
У всякому разі, Пітер Хіггс за підтверджене передбачення отримав Нобелівську премію 2013 року. Нобелівський комітет очевидно поспішав - лауреату було вже добре за 80.
Чи виплатив Гокінг свій програш достовірно невідомо, але можна припускати, що його набагато більше засмутило чергове підтвердження Стандартної моделі. Як було б добре формулювати Нову Фізику!
Що далі?
Великий адронний коллайдер пропрацює до 2037 року. Що буде наступним кроком у будівництві прискорювачів поки не дуже зрозуміло. Фізиків цікавить збільшення світності, тобто, висловлюючись спрощено, кількості детектованих зіткнень. Може бути цього можна досягти на прискорювачах традиційної, кільцевої, архітектури. Всі принципи і технології освоєні і вивчені, але кільце виходить дуже великим і дорогим.
Може бути наступний флагман фізики буде лінійним прискорювачем. Це істотно економніше по енергії, але тоді потрібні нові способи розгону частинок, інакше установка знову виявляється занадто великою - близько сотень кілометрів.
Може бути мова піде про прискорювача на основі інших принципів - фотонного або мюонного, але цих принципів у розробленому вигляді поки немає.
Окрема цікава тема - ймовірний прискорювач для вивчення бозона Хіггса. БАК цілком підійшов для його виявлення, але вивчати частку на ньому незручно. Занадто багато сторонніх подій, на тлі яких важко виявити потрібне. Напрошується конструкція, оптимізована саме під бозон Хіггса, на якій його освіта/розпад реєструвалися б значно частіше, ніж зараз і з меншою кількістю перешкод.
А як чорні діри?
Це страшилка десятирічної давності: ось запустять околиці свій колайдер, в ньому там виникне маленька чорна діра, вона скушає речовину навколо себе, підросте, скушає ще і т. п. Коротше кажучи, в результаті поглинена буде вся планета.
Це смішно звучить, але були ж палкі люди, педалювали цю тему і навіть подавали судові позови.
Минуло десять років. Мабуть, діра народилася, поглинула все навколо, включаючи нас, а ми цього і не помітили. Так і живемо.