Большой адронный коллайдер

И все же устройством, которое окончательно решит многие из
упомянутых вопросов, является Большой адронный коллайдер,
строительство которого близится к завершению возле Женевы
в Швейцарии в знаменитой ядерной лаборатории ЦЕРН (Евро-
пейской организации по ядерным исследованиям). В отличие от
предыдущих экспериментов по обнаружению незнакомых форм
вещества, в естественном виде существующего в мире, Большой
адронный коллайдер, возможно, будет обладать достаточной энер-
гией, чтобы создать эти формы вещества прямо в лаборатории. При
помощи Большого адронного коллайдера можно будет исследовать
малые расстояния до 10~¹⁹ м, что в 10000 раз меньше протона, а
также создавать температуры, невиданные со времен Большого
Взрыва. «Физики уверены, что у природы припасены новые фокусы,
которые могут обнаружиться в ходе этих столкновений, — возмож-
но, это будет экзотическая частица, известная под названием бозон
Хиггса, возможно, доказательство такого чудесного явления, как
суперсимметрия, а возможно, обнаружится что-либо неожиданное
и поставит с ног на голову всю физику», — пишет Крис Ллевеллин
Смит, бывший генеральный директор ЦЕРН, а теперь президент
Университетского колледжа в Лондоне. Уже сейчас оборудованием
ЦЕРН пользуются около 7 тысяч специалистов, что составляет
более половины всех физиков планеты, экспериментирующих с ча-
стицами. И многие из них будут самым непосредственным образом

участвовать в экспериментах, проводимых при помощи Большого
адронного коллайдера.

Большой адронный коллайдер представляет собой мощную кон-
струкцию в виде кольца диаметром 27 километров. Размеры этого
кольца достаточно велики, чтобы окружить многие города мира.
Туннель коллайдера настолько длинен, что он фактически пересе-
кает границу между Францией и Швейцарией. Большой адронный
коллайдер представляет собой настолько дорогостоящее устрой-
ство, что для его строительства потребовались совместные усилия
нескольких европейских стран. После запуска коллайдера в 2007 го-
ду мощные магниты, расположенные вдоль всего кругового туннеля,
заставят пучок протонов циркулировать со все возрастающими
энергиями, до тех пор, пока они не приблизятся к 14 триллионам
электронвольт.

По мере прохождения частиц по кругу в туннель подается энер-
гия, увеличивая скорость протонов. Когда пучок в конце концов по-
падает в цель, происходит колоссальный выброс излучения. Следы,
образовавшиеся в результате этого столкновения, фотографируют
при помощи группы детекторов с целью обнаружения новых экзоти-
ческих субатомных частиц.

Большой адронный коллайдер — это поистине гигантское
устройство. В то время как детекторы LIGO и LISA бьют все рекорды
в плане чувствительности, Большой адронный коллайдер уникален
уже благодаря своей колоссальной мощности. Его мощные магниты,
искривляющие пучок протонов в изящную дугу, генерируют поле в
8,3 теслы, которое в 160 ООО раз сильнее магнитного поля Земли. Для
создания такого чудовищного по силе поля физики пропускают ток
силой в 12000 ампер по ряду витков, охлажденных до температуры
в -271°С, при которой витки теряют сопротивление и становятся
сверхпроводниками. В целом на Большом адронном коллайдере уста-
новлено 1232 магнита, каждый из которых имеет 15 метров в длину.
Таким образом, магниты расположены вдоль 85 % всей окружности
коллайдера.

В туннеле протоны к моменту удара по цели ускоряются до скоро-
сти, равной 99,999999 % скорости света. Цели находятся в четырех
местах по всей длине туннеля. Таким образом, каждую секунду про-
исходят миллиарды столкновений. Там же расположены гигантские

детекторы (каждый из которых размером с семиэтажный дом), за-
дачей которых является анализ следов столкновения и обнаружение
неуловимых субатомных частиц.

Как было ранее замечено Смитом, в задачи Большого адронного
коллайдера входит обнаружение неуловимого бозона Хиггса, пред-
ставляющего собой последний элемент Стандартной модели, кото-
рый до сих пор не удавалось обнаружить. Эта задача имеет большое
значение, поскольку эта частица отвечает за спонтанное нарушение
симметрии в теориях частиц и дает начало массам квантового мира.
По предварительным оценкам, масса бозона Хиггса может быть
115-200 миллиардов электронвольт (для сравнения, масса протона
около 1 миллиарда электронвольт). (Теватрон, устройство гораздо
меньших размеров, размещенное в лаборатории Ферми на окраине
Чикаго, станет, возможно, первым ускорителем, при помощи кото-
рого удастся заполучить неуловимый бозон Хиггса, при условии,
что масса этой частицы не слишком велика. В принципе, Теватрон
может произвести до 10 ООО бозонов Хиггса, если все будет идти, как
запланировано. Однако энергия генерирования частиц Большого
адронного коллайдера будет в семь раз больше. При 14 триллионах
электронвольт Большой адронный коллайдер вполне сможет стать
«фабрикой» бозонов Хиггса, миллионы которых будут создаваться
при столкновениях протонов.)

В задачи Большого адронного коллайдера входит также создание
условий, невиданных со времен самого Большого Взрыва. В част-
ности, физики полагают, что изначально Большой Взрыв состоял из
хаотичного скопления чрезвычайно горячих кварков и глюонов, на-
зываемого кварк-глюонной плазмой. Большой адронный коллайдер
сможет произвести такую кварк-глюонную плазму, которая преоб-
ладала во вселенной в первые десять микросекунд ее существования.
В Большом адронном коллайдере можно будет столкнуть ядра свин-
ца при энергии в 1,1 триллиона электронвольт. В ходе такого мощно-
го столкновения могут «расплавиться» четыре сотни протонов и
нейтронов, которые высвободят кварки в эту горячую плазму. Таким
образом, космология постепенно сможет стать в меньшей степени
наукой, основанной на астрономических наблюдениях, и точные
эксперименты на кварк-глюонной плазме будут ставиться прямо в
лабораториях.

Можно надеяться, что при помощи Большого адронного кол-
лайдера удастся обнаружить черные мини-дыры среди остатков,
образовавшихся в результате столкновения протонов при фантасти-
чески высоких энергиях, как уже было упомянуто в главе 7. Обычно
образование квантовых черных дыр должно происходить при энер-

гии Планка, что в квадриллион раз превышает энергию Большого
адронного коллайдера. Но если в миллиметре от нашей вселенной
существует параллельная вселенная, то энергия, при которой воз-
можно измерение квантовых гравитационных эффектов, снижается,
благодаря чему создание черных мини-дыр оказывается в пределах
возможностей Большого адронного коллайдера.

И наконец, ученые возлагают надежды на то, что при помощи
Большого адронного коллайдера удастся найти подтверждение
суперсимметрии, что стало бы историческим прорывом в физике
частиц. Считается, что эти счастицы являются партнерами обычных
частиц, которые мы можем наблюдать в природе. Хотя струнная Te-
ория и суперсимметрия и предсказывают, что у каждой субатомной
частицы есть «близнец» с отличающимся спином, суперсимметрия
никогда не наблюдалась в природе, — вероятно, потому, что наши
приборы не обладают достаточной мощностью для ее обнаружения.

Подтверждение существования суперчастиц помогло бы дать
ответ на два наболевших вопроса. Во-первых, верна ли струнная
теория? Несмотря на то что обнаружить струны прямым путем чрез-
вычайно сложно, может оказаться возможным обнаружить нижние
октавы или резонансы струнной теории. Если будут открыты счасти-
цы, то это станет большим сдвигом в струнной теории, обеспечивая
ее экспериментальное подтверждение (хотя все же это не будет пря-
мым доказательством ее истинности).

Во-вторых, это предоставило бы наиболее вероятного претен-
дента на роль темного вещества. Если темное вещество состоит из
субатомных частиц, то они должны обладать стабильностью и ней-
тральным зарядом (иначе они были бы видимы), а также между ними
должно быть гравитационное взаимодействие. Все эти три качества
являются характерными для частиц, которые предсказывает струн-
ная теория.

• Когда будет запущен Большой адронный коллайдер, он станет
самым мощным ускорителем частиц. И все же для большинства физи-

ков это не предел мечтаний. В 1980-е годы президент Рональд Рейган
одобрил проект постройки Сверхпроводящего суперколлайдера
(SSC), гигантской конструкции, достигающей 80 км в окружности.
Строительство этого ускорителя частиц планировалось произвести
возле Далласа (штат Техас). По сравнению с Суперколлайдером
Большой адронный коллайдер показался бы просто крошкой. В то
время как Большой адронный коллайдер позволяет сталкивать
частицы с энергией в 14 триллионов электронвольт, по проекту
Суперколлайдер должен обеспечить столкновения частиц с энерги-
ей в 40 триллионов электронвольт. Первоначально проект получил
одобрение, но в последние дни слушаний Конгресс Соединенных
Штатов внезапно отклонил его. Это стало тяжелым ударом по фи-
зике высоких энергий и задержало развитие этой области на целое
поколение.

Поначалу предметом спора являлись стоимость проекта, состав-
ляющая 11 миллиардов долларов, и научные приоритеты. Мнения
представителей научного сообщества по поводу Сверхпроводящего
суперколлайдера разделились: некоторые физики заявляли, что про-
ект выкачает средства, которые могли бы пойти на их собственные
исследования. Спор разгорелся настолько, что даже «Нью-Йорк
тайме» опубликовала критическую редакционную статью, где гово-
рилось об опасностях «большой науки», которая может задушить
«малую науку». (Эти аргументы беспочвенны, поскольку средства
на строительство Сверхпроводящего суперколлайдера должны были
поступать из других источников, а не из бюджета «малой науки».
Реальным соперником проекта была космическая станция, которая
многими учеными рассматривалась поистине как пустая трата де-
нег.)

Но оглядываясь назад, можно сказать, что суть спора сводилась к
умению говорить с широкой общественностью на доступном языке.
В некотором смысле, мир физики привык к тому, что строительство
чудовищных ускорителей частиц получало одобрение со стороны
Конгресса, поскольку русские строили свои ускорители. В сущности,
русские строили свой ускоритель УНК (Ускорительно-накопитель-
ное кольцо. — Прим. перев.), соревнуясь со Сверхпроводящим супер-
коллайдером. На карту были поставлены честь и престиж нации. Но
Советский Союз развалился⁽¹⁷⁾, строительство было остановлено, и

шостепенно ветер перестал надувать паруса программы постройки
Сверхпроводящего суперколлайдера.