Про колайдер багато хто з нас чув у контексті Великого адронного колайдера – велетенського пристрою з безліччю міфів довкола нього. У цій статті ми стисло розповімо про основи роботи колайдера, його перспективи для науково-технічного прогресу та механізм роботи Великого адронного колайдера.
Як це працює?
Колайдер
Колайдер (від англійського collide – «зіштовхувати») – прискорювач частинок, який розганяє їх до певного рівня енергії за допомогою електромагнітного поля. У прискорювачах є два компоненти: інжектор (де частки готують) та самі прискорювальні системи, де частки у вакуумі збільшують енергію до необхідного рівня.
У тунелі прискорювача швидкість частинки (через збільшення енергії) наближається до швидкості світла, але не перетинає цей показник. Тому про швидкість майже не згадують, а фокусуються на енергії або імпульсах частинки, які вимірюють в електронвольтах (еВ).
Прискорювачі бувають циклічні та лінійні. У лінійних прискорювачах частинки рухаються по прямій, а в циклічних – навколо центральної точки. Циклічні колайдери діляться на синхротрони (де частки рухаються по колу) та циклотрони (де рух часток спіралеподібний). Наразі більшість колайдерів є синхротронами, а у Великому адронному колайдері вмонтовано цілий комплекс взаємопов’язаних синхротронів.
У синхротронах можна прискорювати як легкі частинки типу електронів, так і важкі протони, іони чи антипротони. Щоб при мандрівці часточки не вилетіли з орбіти, їх утримують нарощуванням магнітного поля кільцевих магнітів, яке зростає разом з енергією частинок. Аби частинки не розпорошувались, їх збирають у вузькі пучки фокус-магнітами.
Колись у синхротронах частинки просто зіштовхувалися з мішенню для досягнення певного ефекту, але більшість енергії витрачалася даремно. Сучасні колайдери створено за принципом зустрічних пучків, де розігнані частинки переводять у додаткові магнітні кільця та зіштовхують одну з одною всередині них.
Великий адронний колайдер
Великий адронний колайдер (ВАК) має периметр майже 27 км, по якому пучками прискорюються важкі ядра (адрони) і у спеціальних місцях зіштовхуються одне з одним. ВАК пролягає в тунелі на кордоні Франції та Швейцарії, поблизу Женеви, у тунелі глибиною від 50 до 175 метрів. За весь «оркестр» відповідає CERN, Європейський центр ядерних досліджень, а штат співробітників вимірюється тисячами.
ВАК містить прискорювач та кілька детекторів, вмонтованих навколо точок зіткнення адронів. Частинки розганяють до енергії 7 ТеВ, тож при зіштовхненні енергія сягає 14 ТеВ. Ці показники вловлюють ключові детектори ATLAS та CMS. Загалом, ВАК це найскладніша установка, будь-коли створена людством. Окремі компоненти будувалися десятки років і тестувалися в сотнях лабораторій.
Схематичний вигляд ВАК із датчиками CMS та ATLAS. Джерело: CERN
Чому це важливо?
Колайдери дозволяють нам дізнатися природу субатомних елементів, себто зазирнути всередину частинок. Так ми виявили бозон Хіггса та заповнили певні прогалини у розумінні Стандартної моделі. З іншого боку, отримана модель досі не проливає світло на темну матерію, антиматерію чи надмалі маси нейтрино. Удосконалення технології колайдерів покликане розв’язати ці проблеми.
Найбільше очікування від ВАК і колайдерів загалом – початок бурхливого розвитку фізики елементарних частинок, яка, своєю чергою, напряму змінить всі наші уявлення про фізику загалом. Розвиток фундаментальних наук – основа нових технологій у довгостроковій перспективі.
Читайет також, чому США стали посилено інвестувати у вітряну енергетику та Все, що ви хотіли знати про квантові обчислення, але соромилися спитати.
