Научный взгляд на устройство вселенной
жүктеу/скачать 8,11 Mb. Pdf көрінісі
|
knocking on
| Прим. пер.
172 АППАРАТУРА, ИЗМЕРЕНИЯ И ВЕРОЯТНОСТИ на 1,9 градуса выше абсолютного нуля), необходимая для работы сверхпроводящих магнитов, делает соответствующие участки са- мыми холодными известными человеку протяженными областя- ми во Вселенной; там холоднее, чем в космосе. Магнитное поле в БАКе не просто сильное: сверхпроводящие дипольные магниты генерируют поле в 1 000 000 раз более мощное, чем магнитное поле Земли, и это самые сильные из когда-либо производившихся магнитов. Рекорды на этом не заканчиваются. Вакуум в протонных кана- лах БАКа (давление там составляет 10 триллионных долей атмос- ферного) — это самый глубокий вакуум, когда-либо достигнутый в таком объеме. Энергия столкновений — самая высокая из всех, когда-либо имевших место на Земле, что позволяет нам изучать взаимодействия, происходившие в ранней Вселенной, ближе чем когда-либо к моменту Большого взрыва. Кроме того, в БАКе задействованы громадные энергии. Одно только магнитное поле эквивалентно по энергии паре тонн три- нитротолуола, да и каждый из протонных пучков несет в себе при- мерно 10% от этого количества. Эта энергия сосредоточена в од- ной миллиардной доле грамма вещества — крохотной пылинке, не видимой при обычных обстоятельствах даже под микроскопом. После окончания работы с пучком аппарат сбрасывает эту энер- гию в графитовый цилиндр восьмиметровой длины и метрового диаметра, заключенный в бетонную оболочку весом 1000 т. Невозможные ранее результаты, достигнутые на БАКе, стали возможны благодаря новейшим технологиям. Такие технологии недешевы, а превосходные степени, как правило, зримо отражают- ся на стоимости. БАК можно признать самой дорогой из всех ког- да-либо построенных машин. Примерно две трети стоимости уста- новки оплатил Европейский центр ядерных исследований, бюджет которого формируют 20 стран-участников (размеры взноса каж- дой страны зависят от средств и колеблются от 20% для Германии до 0,2% для Болгарии). Оставшуюся треть стоимости строитель- ства оплатили страны, не входящие в организацию, в том числе США, Япония и Канада. Кроме того, Центр взял на себя 20% рас- ходов на экспериментальные установки, которые финансируются ОДНО КОЛЬЦО, ЧТОБЫ ПРАВИТЬ ВСЕМ… 173 международными научными коллективами. Так, в 2008 г., когда строительство установки было в основном завершено, на детекто- рах CMS и ATLAS работало более тысячи американских ученых, и США вложили в БАК 531 млн долларов. КАК НАЧИНАЛСЯ БАК Европейский центр ядерных исследований, где разместился Боль- шой адронный коллайдер, — это исследовательская организация, где одновременно реализуется множество научных программ. Од- нако основные ресурсы Центра, как правило, сосредоточены в од- ной флагманской программе. В 1980-е гг. такой программой был протон-антипротонный коллайдер SppS* ; именно на нем были об- наружены частицы — переносчики фундаментальных взаимодей- ствий, без которых Стандартная модель** физики элементарных частиц была бы невозможна. В ходе знаменитых экспериментов 1983 г. были открыты слабые калибровочные бозоны — пере- носчики слабого взаимодействия (два по-разному заряженных W-бозона и нейтральный Z-бозон). Именно их на тот момент не хватало в Стандартной модели, и это открытие принесло веду- щим ученым проекта SppS Нобелевскую премию. Еще в ходе работы на SppS ученые и инженеры начали плани- ровать строительство нового коллайдера, получившего название LEP; в нем предполагалось сталкивать электроны и соответствую- щие им античастицы — позитроны, что позволяло изучать слабое взаимодействие и Стандартную модель в мельчайших подробно- стях. Эти планы были реализованы в 1990-е гг.; благодаря высо- чайшей точности измерений на LEP и исследованию миллионов событий с участием слабых калибровочных бозонов физики очень многое узнали о взаимодействиях частиц Стандартной модели. * Первоначально он предназначался для ускорения протонов и антипротонов. В настоящее время он используется в составе БАКа в качестве протонного суперсинх- ротрона SPS и ускоряет только протоны. — Прим. авт. ** Стандартная модель — теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия всех эле- ментарных частиц. Стандартная модель не является теорией всего, так как не описыва- ет темную материю, темную энергию и не включает в себя гравитацию. — Прим. ред. 174 АППАРАТУРА, ИЗМЕРЕНИЯ И ВЕРОЯТНОСТИ LEP представлял собой кольцевой коллайдер с длиной окруж- ности 27 км. Электроны и позитроны, кружа по кольцу, раз за ра- зом получали все новые порции энергии. Электронный пучок с обычной для LEP энергией примерно в 100 ГэВ на каждом обо- роте терял около 3% своей энергии. Потери вроде бы невелики, но, если бы мы захотели разогнать электроны в этом тоннеле до более высоких энергий, такие потери не позволили бы нам это сделать. При увеличении энергии пучка в 10 раз энергетиче- ские потери при кольцевом движении выросли бы в 10 000 раз, и эффективность ускорителя очень быстро упала бы до непри- емлемого уровня. Поэтому, когда LEP только еще проектировался, ученые уже думали о следующем флагманском проекте Европейского цен- тра ядерных исследований, который, по идее, должен был опе- рировать еще более высокими энергиями. С учетом неприемле- мых энергетических потерь при разгоне электронов было ясно, что если Центр захочет построить следующий, еще более высоко- энергетический ускоритель, то работать он должен будет с про- тонами, которые намного тяжелее электронов и потому излучают намного меньше. Физики и инженеры, проектировавшие LEP, пре- красно знали о такой перспективе и построили кольцевой тоннель для LEP достаточно широким, чтобы в будущем, когда электрон- но-позитронная машина будет остановлена и разобрана, он мог вместить гипотетический протонный коллайдер. Сегодня, спустя около 25 лет, протонные пучки носятся по тон- нелю, построенному первоначально для ускорителя LEP (рис. 24). Большой адронный коллайдер на пару лет отстает от графика и уже процентов на 20 вышел из первоначального бюджета. Прискорб- но, конечно, но, может быть, все не так уж страшно — ведь это самый крупный, самый международный, самый высокоэнергети- ческий, самый амбициозный эксперимент из всех, проводившихся когда-либо. Сценарист и режиссер Джеймс Брукс, услышав о за- держках и проблемах при строительстве БАКа, шутливо сказал: «Я знаю людей, у которых примерно столько же времени уходит на то, чтобы кое-как наклеить обои. Не исключено, что разгадка тайн Вселенной — несколько более достойная цель». |