Большой Адронный Коллайдер

3.Из истории адронного  коллайдера

3.1.Строительство

Идея проекта Большого адронного коллайдера родилась в 1984 году и была официально одобрена десятью годами позже. Его строительство началось в 2001 году, после окончания работы предыдущего ускорителя — Большого электрон-позитронного коллайдера.

В ускорителе предполагается сталкивать протоны с суммарной  энергией 14 ТэВ (то есть 14 тераэлектронвольт или 14·10¹² электронвольт) в системе центра масс налетающих частиц, а также ядра свинца с энергией 5,5 ГэВ (5,5·10⁹ электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов. Таким образом, БАК будет самым высокоэнергичным 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. Энрико Ферми (США), и релятивистский коллайдер тяжёлых ионов RHIC, работающий в Брукхейвенской лаборатории (США).

Ускоритель расположен в  том же туннеле, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер. Туннель с длиной окружности 26,7 км проложен на глубине около ста метров под землёй на территории Франции и Швейцарии. Для удержания и коррекции протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км. Последний из них был установлен в туннеле 27 ноября 2006 года. Магниты будут работать при температуре 1,9 K (−271 °C). Строительство специальной криогенной линии для охлаждения магнитов закончено 19 ноября 2006 года.

3.2.Испытания

2008 год

11 августа успешно завершена первая часть предварительных испытаний. Во время испытаний пучок заряженных частиц прошёл чуть более трёх километров по одному из колец БАК. Таким образом, учёным удалось проверить работу синхронизации предварительного ускорителя, так называемого протонного суперсинхротрона (SPS), и системы правой доставки луча. Эта система передаёт в основное кольцо разогнанные пучки таким образом, что они начинают двигаться по кольцу по часовой стрелке. В результате испытаний удалось оптимизировать работу системы.

24 августа прошёл второй этап испытаний. Была протестирована инжекция протонов в ускорительное кольцо БАК в направлении против часовой стрелки.

10 сентября был произведён официальный запуск коллайдера. В 12:24:30 по московскому времени (по официальной информации, в 12:28 по московскому времени) запущенный пучок протонов успешно прошёл весь периметр коллайдера по часовой стрелке. В 17:02 по московскому времени запущенный против часовой стрелки пучок протонов также успешно прошёл весь периметр коллайдера.

12 сентября, примерно в 00:30 по московскому времени, команде БАК удалось запустить и непрерывно удерживать циркулирующий пучок в течение 10 минут. Чуть позже пучок был запущен вновь и циркулировал уже непрерывно, прерываясь лишь в случае необходимости. На этом задача по установлению циркулирующего пучка завершилась, и физики приступили к подробным тестам магнитной системы.

19 сентября, в 14:05 по московскому времени, в ходе тестов магнитной системы сектора 3-4 (34) произошёл инцидент, в результате которого БАК вышел из строя. Согласно данным предварительного расследования, подтверждённым и детализированным позднее, один из электрических контактов между сверхпроводящими магнитами расплавился под действием возникшей из-за увеличения силы тока электрической дуги, которая пробила изоляцию гелиевой системы охлаждения (криогенной системы), что привело к выбросу около 6 тонн жидкого гелия в туннель и, как следствие, резкому росту температуры. Для восстановления криогенной системы потребуется вернуть этот участок ускорителя к комнатной температуре, а после ремонта — охладить его снова до рабочей температуры.

23 сентября официальный представитель ЦЕРНа сообщил, что БАК возобновит работу не раньше весны 2009 года.

16 октября ЦЕРН распространил пресс-релиз, в котором описываются промежуточные результаты расследования инцидента, произошедшего 19 сентября. Подробная техническая информация представлена в четырёхстраничном отчёте.

21 октября состоялась торжественная церемония официального открытия (инаугурация) БАК.

29 октября, в ходе восьмого заседания Комиссии по работе LHC (LHC Performance Committee), Роберто Сабан (Roberto Saban) озвучил подробности, касающиеся сектора 3-4 ускорительного кольца LHC, который пострадал во время сентябрьской аварии. Докладчик показал схему повреждённого участка ускорительного кольца, на которой было отмечено, насколько сместились те или иные магниты во время аварии. Новый анализ показал, что поднимать на поверхность для ремонта потребуется в 2-3 раза больше магнитов, чем было заявлено первоначально (речь уже идёт как минимум о полусотне магнитов и так называемых коротких прямых участков). Сейчас разрабатывается подробный план действий для того, чтобы к концу декабря 2008 года поднять на поверхность все магниты, требующие ремонта. Кроме того, оказалось, что на внутренних стенках вакуумных труб осели частички металлов (прежде всего, меди и нержавеющей стали) и некоторых других материалов (стекловолокна), выброшенные в вакуумную трубу в момент аварии. Они достаточно крупные, размером в десятки микронов, и от них необходимо избавиться, поскольку они будут мешать движению протонных пучков. Первая пробная чистка уже началась, и сейчас разрабатываются более надёжные крепления к полу и новая сеть клапанов, предотвращающих слишком сильный рост давления внутри криостатов в случае аварийной ситуации. Именно из-за резко возросшего давления в конечном счёте и произошло повреждение магнитов.. По последним данным  при благоприятном исходе ремонтных работ возобновление работы БАК произойдёт в июле 2009.

На следующем этапе  испытаний будут производиться  одновременные запуски пучков навстречу  друг другу, чтобы наблюдать, что  происходит при их «лобовых» столкновениях. Затем частицы будут сталкиваться на более высоких энергиях. Выход  на энергию 14 ТэВ протон-протонного столкновения намечен на 2009 год.

2009 год

На прошедшей в феврале 2009 года конференции Chamonix-2009 было решено произвести запуск в октябре-ноябре 2009 года, но он так и не был произведен. Точных сведений, подтвержденных надежными  источниками, о дате запуска БАК  на данный момент нет. Предположительно следующий запуск произойдет весной 2009 года.

4.Технические характеристики

4.1.Процесс ускорения частиц в коллайдере

Скорость частиц в БАК  на встречных пучках близка к скорости света в вакууме. Разгон частиц до таких больших скоростей достигается в несколько этапов. На первом этапе низкоэнергетичные линейные ускорители Linac 2 и Linac 3 производят инжекцию протонов и ионов свинца для дальнейшего ускорения. Затем частицы попадают в PS-бустер и далее в сам PS (протонный синхротрон), приобретая энергию в 28 ГэВ. После этого ускорение частиц продолжается в SPS (протонный суперсинхротрон), где энергия частиц достигает 450 ГэВ. Затем пучок направляют в главное 26,7-километровое кольцо и в точках столкновения детекторы фиксируют происходящие события.

4.2.Потребление энергии

Во время работы коллайдера расчётное потребление энергии  составит 180 МВт. Предположительные энергозатраты всего CERNа на 2009 год с учётом работающего коллайдера — 1000 ГВт·ч, из которых 700 ГВт·ч придётся на долю ускорителя. Эти энергозатраты — около 10 % от суммарного годового энергопотребления кантона Женева. Сам CERN не производит энергию, имея лишь резервные дизельные генераторы.

5.Неконтролируемые физические  процессы

Некоторые специалисты и  представители общественности высказывают  опасения, что имеется отличная от нуля вероятность выхода проводимых в коллайдере экспериментов из-под  контроля и развития цепной реакции, которая при определённых условиях теоретически может уничтожить всю планету. Точка зрения сторонников катастрофических сценариев, связанных с работой БАК, изложена на отдельном сайте. Из-за подобных настроений БАК иногда расшифровывают как Last Hadron Collider (Последний Адронный Коллайдер).

5.1.Аргументы в пользу  катастрофического сценария

По мнению сторонников  катастрофического сценария, существует принципиальная разница между бомбардировкой Земли космическими частицами и  экспериментами на ускорителе. В первом случае сталкиваются прилетающие из космоса ультрарелятивистские (летящие  со скоростью, близкой к скорости света) элементарные частицы с элементарными  частицами на Земле, скорость которых  мала. Образующиеся частицы также  являются ультрарелятивистскими и  улетают в космическое пространство, не успев причинить Земле никакого вреда. В коллайдере же сталкиваются пучки элементарных частиц, летящие  с ультрарелятивистскими скоростями в противоположных направлениях. Образующиеся микроскопические чёрные дыры и другие опасные частицы  могут вылетать с любыми скоростями. Некоторые из них будут настолько  медленными, что не смогут покинуть Землю.

Общая теория относительности в виде, предложенном Эйнштейном, не допускает возникновения микроскопических чёрных дыр в коллайдере. Однако они будут возникать, если верны теории с дополнительными пространственными измерениями. По мнению сторонников катастрофического сценария, хотя такие теории и умозрительны, вероятность того, что они верны, составляет десятки процентов. Излучение Хокинга, приводящее к испарению чёрных дыр, также является гипотетическим — оно никогда не было экспериментально подтверждено. Поэтому есть достаточно большая вероятность того, что оно не действует.

Кроме того, высока вероятность  образования страпелек. В случае развития колоссальных энергий(10 в 39 ст. МэВ) возможен кварковый распад. Однако такой исход событий имеет вероятность куда ниже, чем образования черной дыры, или образования страпелек.

5.2.Аргументы против катастрофического  сценария

5.2.1.Сравнение с природными  скоростями и энергиями

Ускоритель предназначен для сталкивания таких частиц, как адроны и атомарные ядра. Однако, существуют природные источники  частиц, скорость и энергия которых  значительно выше, чем в коллайдере. Такие природные частицы обнаруживают в космических лучах. Поверхность планеты Земля частично защищена от этих лучей, но, проходя через атмосферу, частицы космических лучей сталкиваются с атомами и молекулами воздуха. В результате этих природных столкновений в атмосфере Земли рождается множество стабильных и нестабильных частиц. В результате, на планете уже в течение многих миллионов лет присутствует естественный радиационный фон. То же самое (сталкивание элементарных частиц и атомов) будет происходить и в БАК, однако с меньшими скоростями и энергиями, и в гораздо меньшем количестве.

5.2.2.Микроскопические черные  дыры

Гипотетическая опасность, связанная с микроскопическими черными дырами, состоит в том, что если они смогут родиться в столкновении протонов на LHC и если они по каким-то причинам окажутся стабильными, то, провалившись в центр Земли, они начнут поглощать вещество и за короткое время разрушат Землю. Однако как теоретические, так и экспериментальные аргументы убедительно показывают, что такой сценарий невозможен.

Теоретические возможности

Еще десять лет назад возможность  создания микроскопических черных дыр  на ускорителе всерьез не рассматривалась. Дело в том, что в рамках «обычной» (то есть экспериментально проверенной) теории гравитации вероятность родить черную дыру исчезающе мала. Связано это с тем, что черная дыра — это гравитационный объект, а гравитация остается чрезвычайно слабой при энергиях, достижимых на ускорителях.

Несколько лет назад появился новый класс теорий, в которых гравитация становится сильной при энергиях столкновений порядка тераэлектронвольт (ТэВ, 10¹² эВ), то есть в области энергий LHC. В таких теориях рождение черных дыр (а также других гравитационных объектов) на LHC становится возможным и происходит довольно часто.

Важно, однако, понимать, что  все такие процессы остаются пока в высшей степени гипотетическими. В основе соответствующих теорий лежат интересные, но сугубо теоретические допущения — например, существование «больших» дополнительных пространственных измерений. Ни сами эти допущения, ни разнообразные последствия этих теорий пока не получили экспериментального подтверждения. Отражают ли эти теории реальность или являются лишь забавной математической конструкцией — пока неизвестно. Возможно, LHC прояснит этот вопрос, но на сегодняшний день большинство физиков настроены довольно скептично по отношению к этим теориям (хотя экспериментаторы на всякий случай проверяют те или иные их последствия в своих данных).

Если всё же одна из этих экзотических теорий действительно  относится к реальности, то, согласно ей, черные дыры будут рождаться на LHC. И согласно ей же, они будут тут же, прямо внутри вакуумной трубы, распадаться на обычные частицы. Детектор «увидит» лишь процесс pp → черная мини-дыра → частицы, и такая черная дыра просто не успеет ничего начать поглощать.

В принципе, возможен совсем уж экзотический вариант теории со стабильными черными дырами. Так может получиться, если в природе имеется некое новое взаимодействие с сохраняющимся зарядом, причем все известные частицы к этому взаимодействию нечувствительны, а черные дыры рождаются с этим новым зарядом. В силу закона сохранения нового заряда, черная дыра не сможет распасться полностью, но она не сможет и расти. Как только она поглотит частицу обычной материи, она тут же излучит полученную массу обратно, ведь обычное вещество новым зарядом не обладает. В результате активность такой черной дыры всегда будет оставаться очень низкой.

Оценки из астрофизических данных

Вне зависимости от теоретических  рассуждений, в отсутствии опасности можно убедиться и с помощью накопленных на сегодня астрофизических данных.

Предположим, что, благодаря  какому-то экзотическому механизму, микроскопические черные дыры всё же могут рождаться на LHC и оставаться стабильными. Тогда, проходя через обычное вещество, они будут его поглощать и из-за этого расти в размерах. Если такая черная дыра попадет внутрь Земли, то она быстро осядет в ее центре, начнет расти и в конце концов полностью разрушит Землю.

Однако если черные дыры могут рождаться на LHC, то они могут возникать и при бомбардировке Земли космическими лучами сверхвысоких энергий. Энергетический спектр космических лучей измерен хорошо; известно, что в них довольно часто встречаются и протоны с энергией выше 10¹⁷ эВ, что при столкновении с неподвижным протоном эквивалентно энергии LHC. Светимость таких столкновений с Землей за всё время ее жизни на несколько порядков превышает светимость LHC, поэтому рождение такой черной дыры в космических лучах даже более вероятно, чем на LHC. Поскольку Земля (да и другие небесные тела) дожили до наших дней и никакой катастрофы не случилось, значит, она не случится и в результате экспериментов на LHC.