Адронный коллайдер (Шумилин С.Э. Великий и ужасный большой адронный коллайдер // НиТ, №8(39), 2009 г.)

Большой адронный коллайдер — это типичный (хотя и сверхмощный) ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжелых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. По существу БАК — это микроскоп, с помощью которого физики будут пытаться разглядеть, из чего и как сделана материя, получая сведения об ее устройстве на новом, еще более микроскопическом уровне.

Еще древнегреческий философ Демокрит высказал догадку о том, что вещество состоит из неделимых частиц — атомов («атом» в переводе с древнегреческого означает «неделимый»). Но доказательство этому ученые нашли только спустя много веков, заодно выяснив, что атом на самом деле разделить можно, — он состоит из электронов и ядра, а ядро — из протонов и нейтронов. Но и они, как выяснилось, не самые мелкие частицы и в свою очередь состоят из кварков. На сегодняшний день физики считают, что кварки — предел деления материи и ничего меньше не существует. Известно шесть типов кварков: нижний, верхний, странный, очарованный, прелестный и истинный. А соединяются кварки между собой с помощью глюонов (от английского слова glue — клей).

Само слово «коллайдер» происходит от английского collide — сталкиваться. В коллайдере два пучка частиц летят навстречу друг другу и при столкновении энергии пучков складываются. Тогда как в обычных ускорителях, которые строятся и работают вот уже несколько десятилетий (первые их модели, относительно умеренных размеров и мощности, появились еще в 30-х годах XX века), пучок ударяет по неподвижной мишени и энергия такого соударения гораздо меньше.

«Адронным» коллайдер назван, потому что предназначается для разгона адронов. Адроны — это семейство элементарных частиц, к которому относятся протоны и нейтроны, из них состоят ядра всех атомов, а также разнообразные мезоны. Важное свойство адронов — то, что они не являются по-настоящему элементарными частицами, а состоят из кварков, «склеенных» глюонами.

Но разогнать в адронном коллайдере можно далеко не всякий адрон, а только тот, который имеет электрический заряд, что связано с самим принципом работы ускорителя (использование им электромагнитных полей). Например, нейтрон — частица нейтральная, что видно даже из его названия, и электромагнитное поле на него не действует. Поэтому главными объектами экспериментов, проводимых в БАК, станут протоны (ядра атомов водорода и тяжелые ядра свинца).

Большим коллайдер стал из-за своих размеров — это крупнейшая физическая экспериментальная установка из всех когда-либо существовавших в мире, только основное кольцо ускорителя тянется более, чем на 26 км.

Впервые о сооружении Большого адронного коллайдера заговорили в 1984 году, причем толчком к этому послужил доклад, сделанный на международном конгрессе физиков в США, в котором американцы представили сенсационный проект — 80-километрового коллайдера. По воспоминаниям д.ф.-м.н. А. Довбни (директора института Физики высоких энергий и ядерной физики Национального научного центра Харьковский физико-технический институт), участвовавшего в этом конгрессе: «Шокированные европейские физики предложили встретиться с советской делегацией и выработать некое предложение, которое, как говорится, давало бы какую-то перспективу Европе. Мы две ночи вместе поработали тогда и на заключительном этапе представили рукописную часть на нескольких страницах». Эти несколько страниц и стали началом Большого адронного коллайдера. Однако официальный статус идея обрела лишь десять лет спустя, а само строительство Большого адронного коллайдера, (в котором приняли участие физики из 500 научно-исследовательских учреждений, 80 стран мира) началось только в 2001 году, после завершения работы предыдущего ускорителя — Большого электрон-позитронного коллайдера (Large Electron Positron Collider, LEPC). Дело в том, что для нового ускорителя использовали тот же туннель, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер. Этот туннель с длиной окружности 26,7 км проложен на глубине около ста метров под землей и располагается по обе стороны границы между Швейцарией и Францией, что еще раз подчеркивает международный статус проекта. Этому же соответствуют и финансовые затраты — на сегодняшний день стоимость постройки БАК оценивается в 16 млрд. долларов США.

Предполагается, что скорость разогнанных БАКом протонов составит 0,999999998 от скорости света, а количество столкновений частиц, происходящих в ускорителе каждую секунду, достигнет 800 млн. Суммарная энергия сталкивающихся протонов составит 14 ТэВ (то есть 14 тераэлектрон-вольт, или 14•1012 электрон-вольт), а ядер свинца — 5,5 ГэВ (5,5•109 электрон-вольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов.

Таким образом, БАК будет самым высокоэнергетичным ускорителем элементарных частиц в мире, на порядок превосходя по энергии своих ближайших конкурентов — протон-антипротонный коллайдер «Тэватрон», который в настоящее время работает в Национальной ускорительной лаборатории им. Э. Ферми (США), и релятивистский коллайдер тяжелых ионов RHIC, работающий в Брукхейвенской лаборатории (США).