Коллайдер подтвердил свою работоспособность

По трубе большого адронного коллайдера прошли первые с момента прошлогодней аварии частицы. Говорить о запуске ускорителя преждевременно, но физики утверждают, что процесс восстановления его работы идет по плану: система, позволяющая управлять пучком частиц с энергией небольшого самолета, подтвердила свою работоспособность.

Большой адронный коллайдер – LHC – является самым сложным научным прибором в истории человечества: тоннель длиной 27 км, пять детекторов размером с пятиэтажный дом каждый, сотни охлажденных практически до абсолютного нуля магнитов. Сейчас этот комплекс оборудования начинает оживать.

Зачем?

Чтобы изучать объекты – будь то элементарные частицы, звезды или живые клетки, – надо уметь за ними наблюдать. А для этого необходимо разработать и создать соответствующие инструменты, которые и будут способствовать открытиям или зарождению целой науки. Так, например, благодаря микроскопу родилась микробиология, а телескоп поднял (в прямом и переносном смыслах этого слова) на совершенно новый уровень астрономию.

К сожалению, метода, позволяющего вести наблюдение за кварками или иными элементарными частицами, пока не существует. Ни один, даже самый совершенный микроскоп не увидит внутри протона кварки, ведь предел возможностей такой техники – один атом. Да и вся физика элементарных частиц основана, по сути, на совершенно иных методах, чем простое наблюдение.

Большой адронный коллайдер – это ускоритель заряженных частиц. Название «коллайдер», происходящее от английского глагола to collide, говорит о том, что внутри этой установки сталкиваются два пучка протонов или ядер атомов, а столкновения частиц – и есть основа физики элементарных частиц. Столкнуть частицы на околосветовой скорости, окружить место столкновения специальными детекторами и проанализировать результаты – примерно так проходят современные физические эксперименты с поправкой на то, что пучки частиц сталкиваются не один раз, а непрерывно на протяжении многих месяцев и серий.

Подробнее о том, какие научные задачи стоят перед коллайдером, GZT.RU рассказывал ранее, но вкратце задачи LHC таковы: попытаться найти так называемый бозон Хиггса – частицу, участвующую в появлении массы у других частиц, и получить данные о взаимодействии элементарных частиц, которые позволят ответить на вопрос о том, почему антиматерия и материя образовались при Большом Взрыве в разных пропорциях.

Что?

Согласно официальному сообщению, с 23 по 26 октября 2009 года была проверена система инжекции протонных пучков, или, проще говоря, ученые попробовали запустить заряженные частицы непосредственно внутрь ускорителя.

До околосветовых скоростей частицы, впрочем, не разгоняли. Как ранее сообщал на пресс-конференции в Москве директор Европейского центра ядерных исследований, перед началом нормальной научной работы будет проведен целый ряд испытаний и проверка «впрыска» протонов как раз и есть один из важных, но вовсе не окончательных этапов ввода коллайдера в строй.

Как?

Ввод пучка частиц внутрь ускорителя – отнюдь не простая задача. Прежде всего эти протоны надо откуда-то взять, потом из них требуется получить тончайший пучок, разогнать его и запустить в ускоритель с точностью до долей микрометра – над всем этим работает целый комплекс оборудования.

Проследим за судьбой протонов с момента их рождения, когда водород нагревается в специальной камере и под действием температуры из его атомов образуются ионы: протон отделяется от электрона. Электрическое поле подхватывает в ионизаторе протоны, проводит их через систему магнитов, которая сжимает облако протонов в узкий пучок, и отправляет их в линейный ускоритель, разгоняющий частицы до энергии в 50 МэВ.

Что такое «эВ»?

Энергию частиц измеряют в электронвольтах (эВ). Энергию в один эВ приобретает электрон, пролетевший между электродами, напряжение между которыми равно 1 вольту (примерно такую же энергию имеют фотоны видимого света). Тысячам электронвольт соответствует рентгеновское излучение, а 1 МэВ (миллион эВ) – это энергия, достаточная для ядерных реакций. Сам LHC будет работать с частицами, энергия которых достигнет 7 ТэВ (ТэВ – тераэлектронвольт, миллион миллионов электронвольт).

Из линейного ускорителя протоны направятся в первое кольцо – так называемый протонный бустер. Там, совершив серию оборотов по кругу, они разгоняться до 1,4 ГэВ. Но до LHC еще далеко, а протоны тем временем проходят тоннель, ведущий в следующий ускоритель, – протонный синхротрон, по форме представляющий кольцо длиной свыше 600 м.

Серия кругов в протонном синхротроне – и вот уже протоны разогнаны до 28 ГэВ. Снова соединительный тоннель – и впереди… нет, еще не коллайдер, а протонный суперсинхротрон, ускоритель SPS, построенный в 1976 году. Длина кольцевого тоннеля – 6,9 км – позволяет набрать энергию в 400 ГэВ, после чего уж можно запустить пучок непосредственно в LHC.

Самолет в иголке

Разогнанные до 400 ГэВ протоны требуют очень деликатного обращения. Энергия, которой обладают эти частицы, уже сопоставима с энергией небольшого самолета: малейшая ошибка в управлении таким пучком попросту пробьет трубу ускорителя и вызовет аварию, ведь движущиеся с околосветовыми скоростями частицы небрежностей не прощают. Нельзя допустить ошибок ни с положением пучка (чтобы не попасть им по стенке), ни с его фокусировкой: разлетевшиеся в разные стороны протоны могут нагреть или повредить сложное оборудование.

Именно по этой причине ученые не спешат. В ускоритель сейчас запустили пучок, который пролетел часть кольца и был безопасно погашен. Следующим этапом будет попытка провести пучок по кругу, а далее, если все пойдет нормально, частицы начнут разгонять и до больших энергий.