Адронний колайдер – що це? Чи дійсно він потрібний?

Великий адронний колайдер (ВАК) у всіх на слуху, але колайдерів у світі кілька, вони бувають різних типів і використовуються для різних досліджень.

“Колайдер” (collider) з англійської можна перекласти як “зіштовхувач”, “організатор зіткнень”. Так назвали прилад, у якому розганяються та стикаються зустрічні пучки елементарних частинок: електронів, протонів, важких іонів.

Якщо спростити, колайдер складається з труб, у яких під дією магнітного поля рухаються та прискорюються пучки протонів, електронів чи іонів. Як джерело протонів зазвичай використовують водень, як джерело іонів – іонізований свинець і деякі інші метали. Коли елементарні частинки досягнуть потрібної швидкості, магнітне поле від величезних електромагнітів направляє в місце зіткнення, де встановлені супер-чутливі детектори. Частки стикаються, народжуються нові: фотони, нейтрони, кварки, глюони, мюони, бозони. Датчики фотографують, але не самі частинки, а їх сліди (треки), за якими можна судити про масу, заряд і енергію частинок.

Хоча маса речовини, що задіяна в колайдері, дуже мала (порядку нанограмів), енергія зіткнень порівняна з кінетичною енергією реактивного літака в польоті. Однак вона відразу витрачається на подальші перетворення частинок.

Які бувають колайдери

Залежно від типу частинок колайдери поділяються на електрон-позитронні, електрон-протонні та адронні (протон-протонні, протон-антипротонні, ядерні) колайдери.

Крім того, колайдери можуть бути лінійними та кільцевими. Лінійний був лише один, зараз він уже не працює, а другий — лише у проекті. Щоб розігнати пучки елементарних частинок до потрібної швидкості, потрібен час, тому логічно закільцювати їх треки та змусити бігати по колу, як машини на перегонах Формули-1.

Навіщо потрібні колайдери?

Колайдери використовуються вивчення властивостей елементарних частинок, і ширше — вивчення властивостей матерії, будівлі та походження Всесвіту. Усе це завдання теоретичної науки.

Колайдери дуже дорогі у виробництві та обслуговуванні. Бюджет ВАК – 2 млрд євро на рік. Тому їх можуть собі дозволити лише держави чи міжнародні державні консорціуми. Практичне застосування відкриттів, здійснених за допомогою колайдерів, поки що є досить вузьким і є скоріше побічним ефектом, ніж метою (зокрема, у ЦЕРН винайшли метод позитронно-емісійної томографії, дуже точне медичне обстеження). Однак те саме можна сказати про будь-які відкриття в фундаментальній науці: їх практичний додаток може виявитися лише через десятки років. Наприклад, явище надпровідності було відкрито 1911 року, а промисловості надпровідники почали застосовувати лише у ХХІ столітті.

Скільки колайдерів у світі?

Перший колайдер розпочав роботу в лабораторії італійського Національного інституту ядерної фізики у Фраскаті, неподалік Риму, в 1961 році.

На даний момент функціонують 7 колайдерів, всі вони кільцеві. Великий адронний колайдер (Large Hadron Collider, LHC) на кордоні Швейцарії та Франції, що належить Європейській організації з ядерних досліджень (CERN); релятивістський колайдер важких іонів у Брукхейвенській національній лабораторії у США; інші колайдери електрон-позитронні: DAFNE у Фраскаті; SuperKEKB у Японії; ВЕРС у Пекіні: два колайдери у Новосибірську (Росія).

Також зараз ще шість колайдерів знаходяться на стадії проекту. Причому в Японії, наприклад, усі проектні роботи для лінійного колайдера ILC давно виконані, але поки що не досягнуто міжнародних домовленостей щодо фінансування будівництва, а Японія не прагне починати роботи, які вимагають мільярдних витрат.

25 колайдерів, які функціонували раніше, з 1961 по 2008 роки, виведені з ладу та припинили своє існування. Треба зауважити, що більшість нових колайдерів споруджують на місці старих, тому що для них вже збудовано будинки і прориті тунелі і готова інша інфраструктура.

Найвідоміший колайдер – ВАК

Назву “Великий адронний колайдер” чули навіть ті, хто нічого не пам’ятає зі шкільного курсу фізики. Найбільший і найпотужніший на даний момент колайдер LHC знаходиться на кордоні Швейцарії та Франції, в долині Женевського озера. Кільцевий тунель завдовжки 27 кілометрів та діаметром близько 4 м прокладали одночасно з французької та швейцарської сторони. Крім основного кільця, є ще кілька тунелів, які використовуються для попереднього прискорення – лінійні та маленькі кільцеві.

На великому кільці знаходяться чотири основні детекторні установки, на яких проводяться різні, окремі один від одного експерименти зі зіткнення елементарних частинок. Детектор ATLAS, найбільший, має розміри 43 на 22 метри та важить близько 7 тисяч тонн. Інший детектор, CMS, за розміром меншим, але важить 15 тисяч тонн.

Сама лабораторія ЦЕРН знаходиться на території Швейцарії біля Женеви. У лабораторії працюють вчені з різних країн світу, не лише членів та спостерігачів CERN. Але щоб отримувати дані експериментів, що проводяться на ВАК, не обов’язково перебувати у Швейцарії. Дані з детекторів надходять на суперкомп’ютер ЦЕРН, а потім розподіляються по 170 комп’ютерних центрах у 40 країнах світу, де їх зберігають, аналізують та обробляють. Ця система називається Grid, вона забезпечує 13 тисячам вчених зі 100 різних країн безперебійний доступ до даних та їх обробки

Навіщо потрібний Великий адронний колайдер? Його (і ЦЕРН) головне завдання – розсувати рамки сучасних уявлень про те, як влаштований Всесвіт. Якщо точніше, то намагаються знайти відхилення від так званої Стандартної моделі, що описує взаємодії елементарних частинок. Поки що отримали лише підтвердження — у тому числі відкрили у 2012 році передбачений раніше теоретично бозон Хіггса.

Рекомендуємо почитати Вплив радіації на організм людини. Як захистити себе

Чи небезпечний Великий адронний колайдер?

З початку будівництва ВАК наприкінці 90-х років і дотепер у науковому середовищі та в суспільстві періодично порушувалися питання його безпеки. Зокрема, Ден Браун у книзі «Ангели та демони» (2000 р) описав крадіжку антиречовини з Великого адронного колайдера з метою підірвати за його допомогою Ватикан. В іспанському серіалі «Ковчег» через вибух на колайдері пішли всі материки під воду. ЗМІ також пророкували Апокаліпсис після запуску колайдера.

Фантазія розігралася не лише у журналістів чи письменників. Деякі вчені обговорювали ймовірність виникнення чорних дірок, «дивної матерії» і так званих «кротових нір» — тунелів крізь простір та час. Усі ці гіпотетичні побічні явища експериментів могли б знищити планету.

Побоювання не зовсім безпідставні, адже експерименти такого роду раніше на Землі не проводилися. Температури та енергії, які реєструються у Великому адронному колайдері, не мають аналогів у існуючому Всесвіті. Подібні процеси, як вважається в сучасній науці, відбувалися під час Великого вибуху або невдовзі після нього.

Однак на даний момент більшість провідних фахівців у галузі фізики елементарних частинок сходяться в тому, що коллайдер не становить небезпеки більшої, ніж усі попередні аналоги. І безпроблемна робота упродовж 11 років це підтвердила.

Що стосується радіації, яка у Великому адронному колайдері є, то її рівень поза тунелем та експериментальними установками дуже низький.

З 2018 року Великий адронний колайдер зупинено на два роки для реконструкції детекторів, планується, що він розпочне роботу знову у 2021 році. Загалом ВАК планують використовувати до 2034 року, а потім розібрати та побудувати на його місці новий.