Книга Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира - Шон Кэрролл

В сущности, в этом и состоит основная идея ускорителей частиц. Роль мяча играют пучки протонов, а роль веревки, которая удерживает мяч на круговой траектории, – сильные магнитные поля, заставляющие протоны двигаться по искривленным траекториям в кольце. А вот роль игрока, ударяющего по мячу, играют электрические поля – они подталкивают протоны, чтобы на каждом обороте их скорость увеличивалась.

Протоны чрезвычайно малы по сравнению с предметами, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни, – их размер около одной десятитриллионной сантиметра в поперечнике. Вы не можете просто взять один из них в руку и бросить или ударить по нему, когда он пролетает мимо. Для ускорения протонов в БАКе электрический генератор создает во время прохождения частиц электрическое поле, меняющее свое направление с частотой около 400 миллионов раз в секунду. Коммутации очень точно синхронизованы по времени, так что каждый протон при движении в туннеле всегда чувствует электрическое поле, направленное в одном и том же направлении, в результате он быстро набирает большую скорость. Это ускорение создается только в одной точке в кольце, а большая часть усилий на всей длине 27-километрового кольца тратится не на ускорение протонов, а на то, чтобы они сохраняли направление своего движения по круговой траектории внутри кольца.

Когда БАК будет работать в полную силу, там будет в общей сложности около 500 триллионов протонов в двух пучках, в одном из которых протоны движутся по кольцу по часовой стрелке, а в другом – против часовой стрелки. (Цифра приблизительная, поскольку характеристики машины со временем улучшаются.) Это большое количество протонов, но оно очень мало по сравнению с их количеством, содержащимся в любом обычном предмете. Все протоны в БАКе находятся в одной невзрачной канистре с водородом, для всех посторонних она выглядит как огнетушитель. Из этой канистры извлекают небольшое количество молекулярного водорода, который подвергают удару электрическим током, в результате чего электроны обдираются, а протоны отправляются в путь (молекула водорода состоит из двух атомов, каждый из которых содержит один протон и один электрон). Лин Эванс, обучавшийся в юности взрывным наукам, а не физике элементарных частиц, начал свою карьеру в ЦЕРНе, занимаясь именно этой проблемой. В канистре содержится около 1027 атомов водорода, и протонов в них хватит примерно на миллиард лет работы БАКа. Протоны – не дефицитный ресурс.

Протоны загружают в БАК не непрерывно, а порциями – «загрузками», причем вся загрузка отправляется в работу сразу и гоняется там примерно десять часов (или до тех пор, пока пучок по какой-то причине не деградирует). Сначала протоны пропускают с максимальной осторожностью через серию предварительных ускорителей, а оттуда они, наконец, попадают в главное кольцо. И здесь малейшая небрежность недопустима. Протоны в двух циркулирующих пучках распространяются не равномерно – они группируются в тысячи «банчей» (порций или сгустков) в каждом пучке, причем в одном таком банче находится около 100 миллиардов протонов. Сгустки имеют длину 2–3 см, летят на расстоянии примерно 7 метров друг от друга и фокусируются в очень тонкую иглу. Пучок при движении протонов по кольцу имеет диаметр, примерно равный одному миллиметру, – такой же как грифель карандаша – и при входе банча в детектор перед столкновением дополнительно фокусируется, и его диаметр сужается до нескольких тысячных сантиметра. Протоны все имеют одинаковый положительный электрический заряд, поэтому, естественно, стремятся растолкать друг друга, и главной проблемой становится удержание такого тонкого пучка в нужных параметрах.

Кроме энергии сталкивающихся частиц у ускорителя есть еще одна важная характеристика – «светимость», она определяется числом частиц, участвующих в процессе. Вы можете подумать, что считается число всех частиц, летящих по кольцу, но в реальности имеет значение только число столкновений, а большое количество частиц приводит к большому количеству столкновений, лишь если пучок очень сильно сфокусирован. В течение 2010 года главным для создателей БАКа было испытание всех частей машины, ведь требовалось убедиться, что все они находятся в рабочем состоянии, поэтому светимость тогда была не очень высокой. К 2011 году все узлы в значительной степени были проверены, и число столкновений увеличилось примерно в 100 раз по сравнению с предыдущим годом. В 2012 году успешная работа продолжилась, и в течение первой половины года физики арегистрировали больше столкновений, чем за весь 2011 год. Это огромное количество полученных данных и позволило обнаружить бозон Хиггса раньше, чем ожидалось.

Скорость и энергия

У протонов в БАКе большая энергия, потому что они быстро мчатся – со скоростями, очень близкими к скорости света. Каждый массивный объект, человек ли это, автомобиль или протон, обладает некоторым количеством энергии даже когда он неподвижен, и, согласно формуле Эйнштейна, эта энергия покоя есть E = mc². Но когда объект движется, он приобретает дополнительную – «кинетическую» – энергию, величина которой зависит от величины его скорости. В повседневной жизни энергия движения на много порядков меньше энергии, которую объект имеет в состоянии покоя только потому, что обычные скорости гораздо меньше скорости света. Самый быстрый в мире самолет – экспериментальный самолет НАСА, называемый X-43, – в состоянии ускориться до скорости 11230 км/ч. Но и при этой скорости энергия движения самолета добавляет лишь одну десятимиллиардную к его энергии покоя.

Протоны в БАКе летят намного быстрее, чем X-43. В ходе первых экспериментов 2009–2011 годов они разгонялись до скоростей, равных 99,999996 % скорости света, или примерно 1 079 022 114 км/ч. На этих скоростях энергия движения гораздо больше энергии покоя. У протона энергия покоя чуть меньше 1 ГэВ. При первом запуске Большого адронного коллайдера были получены протоны с энергией 3500 ГэВ, или коротко 3,5 ТэВ, так что, когда два из них сталкивались, общая их энергия в момент столкновения достигала 7 ТэВ. В 2012 году при столкновении протонов была получена общая энергия 8 ТэВ. Цель же физиков – достичь 14 ТэВ. Для сравнения в Теватроне, работавшем в Фермилабе, максимальная полная энергия достигала примерно 2 ТэВ.

При скоростях, близких к скорости света, вступает в игру теория относительности. Она учит нас, что на высоких скоростях пространство и время для движущихся предметов меняются: время замедляется, а длина – вдоль направления движения – уменьшается. Как следствие, путь по кольцу длиной 26,7 км любому высокоэнергетичному протону покажется гораздо короче, если, конечно, протоны в состоянии замечать такие вещи. Для протона с энергией 4 ТэВ один виток кольца будет равным всего лишь примерно 7 м. Когда же его энергия достигнет 7 ТэВ, этот путь уменьшится до 4 м.

Что такое энергия 1 ТэВ? Не то, чтобы много – примерно такая энергия движения у летящего комара – вы и не заметите, если он столкнется с вами. Важно не то, что 4 ТэВ (или любая сравнимая с ней энергия) – большая, а то, что вся эта энергия сосредоточена в одном протоне. И помните, что в БАКе одновременно крутится 500 триллионов протонов. Если взять пучок в целом, можно уже говорить о серьезных энергиях – примерно таких же, как у мчащегося на вас локомотива. Вряд ли вам захотелось бы оказаться у него на пути.