В 1983 году на протонном суперсинхротроне (SPS) при столкновениях протонов с их античастицами — антипротонами — были открыты W- и Z-бозоны — переносчики слабого взаимодействия. Протонный суперсинхротрон, встроенный в кольцевой тоннель протяжённостью 7 километров, в наши дни служит предускорителем протонов для БАК.

В 1988 году, после трёх лет работ, было завершено строительство нового кольцевого тоннеля длиной 27 километров, проложенного на глубине 100 метров. В нём разместили Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP) для столкновения электронов с их античастицами — позитронами.

В 1998 году началось рытьё подземных залов для детекторов Большого адронного коллайдера. В ноябре 2000 года эксперименты на Большом электрон-позитронном коллайдере завершились — ему предстояло уступить место в тоннеле Большому адронному коллайдеру.

Первый запуск Большого адронного коллайдера состоялся в сентябре 2008 года.

БАК

Это самый большой в мире ускоритель частиц.

По двадцатисемикилометровому кольцевому тоннелю тянутся две трубы — этакие гигантские электромагнитные беговые дорожки, — по которым несутся два встречных протонных пучка.

В трубах, из которых выкачан практически весь воздух, создаётся вакуум, как в открытом космосе, чтобы протоны на своём пути не сталкивались с молекулами воздуха.

Труба Большого адронного коллайдера — самое безжизненное место на Земле!

Поскольку тоннель изогнут, более 1200 мощных магнитов управляют движением протонов, чтобы те не сталкивались со стенками труб. Эти магниты обладают сверхпроводимостью, то есть способны генерировать очень большие поля с очень малой потерей энергии. Для этого их необходимо охлаждать жидким гелием до температуры -271 градус по Цельсию; это холоднее, чем в открытом космосе!

Всего в Большом адронном коллайдере около 9300 магнитов.

На полной мощности каждый протон будет совершать 11 245 оборотов в секунду на скорости в 99,99 % скорости света. При этом в секунду будет происходить до 600 миллионов прямых столкновений между протонами.

БАК предназначен для столкновения не только протонов, но и ионов свинца (ядер атомов свинца).

ГРИД

Даже самое современное оборудование не справится с тем объёмом данных, какой производят детекторы БАК: около одного мегабайта на каждое столкновение. Компьютерные алгоритмы выбирают только самые интересные события — остальные данные, более 99 %, отбрасываются.

Но и при этом предполагается, что данные с Большого адронного коллайдера составят около 15 миллионов гигабайт информации в год (достаточно, чтобы под завязку забить 75 000 персональных компьютеров с двухсотгигабайтными жёсткими дисками). Отсюда возникает серьёзная проблема хранения и обработки информации — особенно с учётом того, что физики, которым необходимы эти данные, разбросаны по всему миру.

Задачи хранения и обработки информации решаются путём быстрой пересылки данных через Интернет на компьютеры, находящиеся в разных странах. Все эти компьютеры вместе с компьютерами в ЦЕРНе образуют вычислительную сеть Большого адронного коллайдера (LHC Computing Grid), основанную на грид-технологии и называемую просто «Грид».

Детекторы

На Большом адронном коллайдере работают четыре основных детектора, размещённых в подземных залах вокруг тоннеля. Чтобы пучки сталкивались именно в тех четырёх точках, где находятся детекторы, используются специальные магниты.

ATLAS — самый большой детектор в истории: 46 метров длиной, 25 метров шириной, 25 метров высотой и весом в 7 000 тонн. Он распознаёт частицы, производимые при высокоэнергетических столкновениях, проследив траекторию их полёта и измерив их энергию.

Детектор CMS устроен иначе, чем ATLAS, однако предназначен он для изучения тех же процессов (разное устройство этих двух детекторов позволяет получать независимые подтверждения для каждого открытия). Длина CMS 21 метр, ширина и высота — по 15 метров, а весит он больше, чем ATLAS, — 14 000 тонн.

Детектор ALICE разработан специально для поиска кварк-глюонной плазмы, порождаемой при столкновениях ионов свинца. Считается, что в первые мгновения после Большого взрыва Вселенная существовала в виде такой плазмы. Длина детектора ALICE 26 метров, ширина и высота — по 16 метров, вес — около 10 000 тонн.

Детектор LHCb создан для исследования b-кварков. Его цель — прояснить различия между материей и антиматерией. Длина этого детектора 21 метр, высота — 10 метров, ширина — 13 метров, вес — 5 600 тонн.

Каких открытий ждать в будущем?

Стандартная модель физики элементарных частиц описывает: фундаментальные взаимодействия; частицы, которые их переносят; три поколения частиц материи. Но:

Всего лишь 4,6 % Вселенной состоит из известной нам материи. Из чего же состоит всё остальное? Что представляют собой тёмная материя и тёмная энергия?

Почему элементарные частицы обладают массой? Ответ на этот вопрос можно будет получить, если удастся не только обнаружить, но и изучить бозон Хиггса — частицу, предсказанную Стандартной моделью. Сейчас физики проводят эти исследования на Большом адронном коллайдере.

Почему во Вселенной гораздо больше материи, чем антиматерии?

В течение очень краткого времени сразу после Большого взрыва кварки и глюоны были такими раскалёнными, что не могли соединиться и образовать протоны и нейтроны. В этот момент Вселенная была наполнена материей в необычном состоянии — так называемой кварк-глюонной плазмой. Эта плазма должна быть воссоздана на Большом адронном коллайдере; детектор ALICE специально предназначен для того, чтобы обнаружить её и исследовать. Учёные надеются, что, изучив кварк-глюонную плазму, они многое узнают о сильном ядерном взаимодействии и о развитии Вселенной.

Новые теории пытаются включить гравитацию (а также пространство и время) в ту же квантовую теорию, которая сейчас описывает остальные взаимодействия и элементарные частицы. Существуют гипотезы, что помимо знакомых нам четырёх измерений пространства-времени могут существовать и другие. Если эти «дополнительные измерения» действительно существуют, столкновения частиц на Большом адронном коллайдере помогут их обнаружить!

Много ли пользы от математики при разгадке тайн Вселенной?

Очевидно, что в нашем мире есть события предсказуемые и непредсказуемые. Все знают, что Солнце каждый день восходит в строго определённое время, а вот погода меняется без всякого предупреждения — если, конечно, вы не живёте, как я, в Аризоне, где почти всегда жарко и солнечно. Можно с вечера завести будильник и не сомневаться, что утром он разбудит тебя в нужное время, но не стоит с вечера выбирать одежду на завтра — с погодой можно и не угадать.

События регулярные, в наступлении которых мы не сомневаемся, описываются с помощью чисел — например, число часов в сутках или дней в году. В числах можно выражать и менее предсказуемые вещи, такие как погода, — например, ежедневную максимальную температуру воздуха, — но из этих чисел трудно вывести какую-то закономерность.

Наши предки замечали в природе множество закономерностей: не только смену дня и ночи, но и смену времён года, движение Луны, звёзд и планет, приливы и отливы. Иногда они описывали эти наблюдения с помощью чисел, а иногда просто слагали песни и стихи. Стремление описать числами закономерности движения небесных тел было присуще многим древним народам. Людям было интересно предсказывать солнечные затмения — пугающие и одновременно завораживающие события, когда Луна заслоняет солнечный свет и среди бела дня видны звёзды. Для того чтобы рассчитать точное время затмения, требовалось много утомительных вычислений. Не всегда удавалось подсчитать всё точно — но когда удавалось, это производило на всех большое впечатление.