Азбука естествознания: большой адронный коллайдер⁠⁠1

Сегодняшний гость – Большой адронный коллайдер. Мы разберём, что это такое, зачем он нужен, стоило ли его бояться и как физики преуспели в рекламе своих исследований.

Начнём с названия. Большим устройство назвали за действительно колоссальный размер: длина его основного кольца — больше 25 километров. Адронным — потому что он оперирует адронами (от греч. ἁδρός — массивный) — массивными частицами, состоящими из кварков. По сути, в самом коллайдере ускорялись протоны (которые относятся к барионам — разновидности адронов из трёх кварков), а также более тяжёлые ионы, которые уже не являются элементарными частицами. Но название прижилось. Кстати, помните, что это адроны, а не Андроны Кончаловские или какие-то иные. Ну и коллайдер (от англ. collide — сталкиваться) — устройство для сталкивания таких частиц, как говорится, лоб в лоб (шутка от редакции: у элементарных частиц много видов спи́на, но лба всё-таки нет).

Зачем это нужно? Физикам давно известно, что при столкновении частиц на больших скоростях выделяется много энергии. Но на квантовом уровне энергия — это разные формы существования материи, разные частицы. Знаменитая формула Эйнштейна E=mc² — как раз об этом соотношении массы частицы и энергии, в ней заключённой. Конечно, часть энергии ещё переходит в кинетическую: знакомая многим со школы формула E=mv²/2 на обычных скоростях работает и для элементарных частиц. То есть, что получается: две достаточно массивные (ἁδρός) частицы разгоняются в электрическом поле до огромных скоростей, а затем сталкиваются лоб в лоб и разлетаются на множество «искр», среди которых могут попасться интересные учёным.

Почему же он такой большой? Ранее мы упомянули формулу E=mv²/2. На самом деле БАК оперирует такими энергиями, что эта формула уже неприменима. Когда скорость частицы приближается к скорости света, её энергия возрастает на порядки. Так вот, чтобы эффективно сообщать энергию частицам, ускорители часто строят в виде кольца, чтобы, пока частицы летят по этому кольцу, они ускорялись несколько раз. Однако для заворачивания частиц по кольцу используется магнитное поле, которое в случае таких огромных энергий должно быть тоже очень сильным. В БАК используются огромные электромагниты на сверхпроводниках. Однако для их работы требуется охлаждение жидким гелием до очень низких температур, и даже так у них есть пределы. Если же кольцо ускорителя сделать большим, то можно снизить кривизну, то есть уменьшить необходимую центростремительную силу, и тем самым ускорять частицы до более высоких энергий.

В любом случае, Большой адронный коллайдер — пример потрясающего международного сотрудничества. Идея коллайдера была предложена ещё в 1984 году, проект был утверждён в 1995, строительство началось в 2001, а испытания начались только в 2008. Бюджет проекта составил почти 10 миллиардов долларов (хотя он обычно измеряется в швейцарских франках или евро, так как БАК находится на границе Швейцарии и Франции). Помимо непосредственных научных результатов, само строительство было интересной и оригинальной инженерной задачей. Производство, установка и синхронизация всех сверхпроводящих магнитов и систем охлаждения для них, настройка всех детекторов, огромные вычислительные мощности для управления проектом и обработки результатов — всё это потребовало использования самых передовых технологий.

Поиск финансирования на такой огромный и долгосрочный проект — непростая задача. И учёные блестяще справились и с ней. Проект рекламировался на всех уровнях, постоянно генерировал новости. Несколько музыкальных групп из учёных выпустили клипы, частично записанные прямо в туннелях БАК. Можно даже предположить, что учёные не слишком противились, а может, даже и поддерживали конспирологические теории о том, что запуск БАК на полную мощность может уничтожить нашу планету. Ведь это даёт громкие заголовки и повышает узнаваемость проекта. А серьёзные люди, от которых зависит финансирование, вряд ли всё-таки поверят в возможность уничтожения Земли, но с большей вероятностью выделят деньги на такой мощный проект.