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.

Частинкам потрібні величезні відстані, щоб набрати енергію, тому кільцеві циклічні колайдери найефективніші.

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.

Ми розганяємо менш масивні частинки до величезних енергій і зіштовхуємо їх в надії, що продуктом реакції стануть сліди нових, масивніших частинок. Що більша енергія, то більші шанси.

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.

Коменти