Пять загадок, которые должен разгадать Большой адронный коллайдер

Если что, бозон Хиггса остался в 2012 году. Самый мощный ускоритель частиц в мире начнет работать очень скоро, и ему предстоит заняться поиском ответов на другие вопросы — от «вимпов» до «страпелек». Дополнительная мощность, которой обзавелся Большой адронный коллайдер за время перерыва, может открыть двери в неисследованные миры науки частиц.

Большой адронный коллайдер, или БАК, начнет работать уже в этом месяце после двухлетнего перерыва и обновления. Столкновения атомов будут происходить с удвоенной силой. Более высокие энергии откроют путь ученым к доселе невиданным частицам, возможно.

    «Для БАК начинается невероятная фаза поиска физики за пределами известной нам», — говорит научный исследователь детектора ATLAS Мартин Севьор из Мельбурнского университета.

Перезапуск последовал за насыщенной трехлетней исследовательской программой, кульминацией которой стало обнаружение неуловимого бозона Хиггса, частицы, ответственной за производство поля Хиггса, наделяющего элементарные частицы массой.

    «Мы ожидали найти бозон Хиггса, потому что Стандартная модель физики элементарных частиц очень хороша, и было бы странно, если бы мы не нашли его. Теперь мы отправляемся на более высокие энергетические уровни и с нетерпением ждем момента, когда увидим, что там».

Будем надеяться, коллайдер позволит физикам найти нечто, чего они не ожидают найти. Все, о чем пойдет речь ниже, было бы интересно обнаружить на коллайдере. Но будет еще интереснее обнаружить что-то, о чем даже и помыслить нельзя.

Понимание темной материи

Темная материя составляет 75% всей материи Вселенной, но ученые до сих пор понятия не имеют, что это такое, потому и называют эту материю темной.

    «Впервые астрономы обнаружили эту темную материю, когда поняли, что гравитационного притяжения будет недостаточно, чтобы удерживать звезды на орбите вокруг галактического центра вместе», — говорит Севьор.

Если ученые правы, частицы темной материи должны быть обнаружены на более высоких энергетических уровнях, которые стали возможны с БАК. Основной кандидат на частицу темной материи — это WIMP, «вимп», слабо взаимодействующая массивная частица. Вимпы могут представлять собой суперсимметричные частицы, зеркальные отражения обычных частиц вроде электронов и кварков.

Наше нынешнее понимание физики частиц, известное как Стандартная модель, хорошо работает для объяснения большинства вещей в субатомном мире. Но уравнения начинают ломаться выше энергии в терраэлектрон-вольтовом измерении, потому ученым так важно разогнать коллайдер до высоких энергий.

«Чтобы объяснить это, теоретики придумали суперсимметрию, которая удивительно предсказывает частицы с такими же свойствами, что и темная материя. Потому суперсимметрия является ведущим кандидатом на модель физики после Стандартной модели, хотя никаких доказательств суперсимметрии мы пока не получили».

Как насчет антиматерии?

Антиматерия — это то же самое, что и обычная материя, только с противоположным зарядом.

Ученые считают, что в процессе Большого Взрыва во Вселенной образовалось равное количество материи и антиматерии, поэтому они должны были взаимно уничтожиться почти мгновенно. Но поскольку мы существуем в материальном мире, ученые полагают, что должны быть тонкие различия в свойствах материи и антиматерии.

CERN уже произвел небольшие количества антиматерии. В ходе одного эксперимента ученые собрали 309 атомов антиводорода, но поскольку материя и антиматерия аннигилируют во вспышке энергии при контакте, антиводород исчез спустя менее чем 17 минут.

Перезапуск позволит ученым продолжить изучение уникальных свойств антиматерии с большей детализацией.

    «Мы даже сможем узнать, реагирует ли антиводород на гравитацию, — говорит Севьор. — Это сложный, но интересный тест для фундаментальной физики. Мы ожидаем, что антивещество ускоряется в ответ на гравитацию так же, как и материя, но никто этого не проделывал раньше; если нет, это может перевернуть работу гравитации с ног на голову».

Изучение гравитации и дополнительных измерений пространства-времени

Ученые хотят понять, почему гравитация так отличается от других сил природы. Вполне возможно, что мы не ощущаем на себе полный эффект гравитации, потому что она распространяется в дополнительных измерениях.

Ученые вполне могут узнать больше об этих дополнительных измерениях, наблюдая за частицами, которые могут существовать только в них и реальны.

    «Вместо суперсимметрии в качестве фундаментально новой физики мы можем получить дополнительные измерения, — говорит Севьор. — Теории предполагают, что в других измерениях могут быть более тяжелые версии стандартных частиц — частицы Калуцы — Клейна, обладающие большей массой, чем стандартные частицы».

Эти частицы могут быть выявлены только при высокоэнергетических столкновениях.

Создание черных дыр

Черные дыры — это места, в которых гравитация настолько сильна, что даже свет не может их покинуть.

Звездные черные дыры создаются, когда массивная гравитация звезды приводит к тому, что ее ядро внезапно разрушается, коллапсирует само в себя, создает точку невозврата. Сверхмассивные черные дыры в центрах галактик могу быть в миллионы или миллиарды раз больше Солнца по массе.

Ученые предположили, что микроскопические или квантовые черные дыры, которые меньше атома, могут существовать, если существуют дополнительные скрытые измерения.

До сих пор БАК не произвел никаких микроскопических черных дыр, а если бы и произвел, то они были бы настолько малы, что испарились бы за 10^-27 секунд, распавшись на обычные или суперсимметричные частицы.

    «Если БАК действительно создаст микроскопические черные дыры, это будет доказательством дополнительных измерений, и необычные следы от их появления будет легко заметить», — говорит Севьор.

То, что обнаружат ученые, будет зависеть от числа дополнительных измерений, массы черной дыры, размера измерений и энергии, при которой возникнет черная дыра.

Существуют ли страпельки?

Как и черные дыры, существует еще одна теоретическая опасность высокоэнергетических столкновений на БАК — страпельки-убийцы (killer-strangelet).

Страпельки («странные капельки»)— это гипотетические субатомные куски странной материи, состоящей почти полностью из верхних, нижних и странных кварков, которые в соответствии с теорией становятся тем стабильнее, чем больше растут.

Одна из теорий предполагает, что страпельки могут изменить обычную материю за тысячную долю секунды, уничтожив Землю, превратив ее в гигантскую страпельку-убийцу.

Но Севьор говорит, что это вряд ли произойдет.

    «Надеюсь, мы найдем это, поскольку это крайне интересно. И я нисколько не обеспокоен, поскольку Земля и другие планеты бомбардируются высокоэнергетическими лучами, и если бы это странное вещество превращало обычную материю в страпельки, она бы давно уничтожила все миллиарды лет назад».

    «Тот факт, что мы все еще здесь, отлично доказывает, что не о чем переживать».

Как работает Большой адронный коллайдер?

Самый большой в мире ускоритель элементарный частиц представляет собой 27-километровой подземное кольцо, расположенное на границе между Францией и Швейцарией.

Объект стоимостью в 10 миллиардов долларов управляется ЦЕРН, Европейской организацией ядерных исследований и сталкивает субатомные частицы друг с другом почти на скорости света.

Для столкновения используется две соседствующие трубы, лучевые линии, оснащенные мощными сверхпроводящими электромагнитами, охлаждаемыми жидким гелием до температуры ниже -271 градусов по Цельсию. Такой себе самый большой холодильник на планете.

Эти магниты направляют пучки протонов или атомных ядер по каждой из линий в противоположных направлениях. Столкновения частиц происходят в четырех гигантских подземных детекторах, расположенных в местах пересечений лучевых линий.

Первые пучки протонов были отправлены по кольцу БАК 10 сентября 2008 года, но спустя девять дней неисправность в электрическом соединении привела к утечке жидкого гелия и взрыва, который закрыл объект на год.

В ноябре 2009 года все началось снова, но мощность понизили. В начале 2013 года БАК был закрыт на повышение мощности с 8 ТэВ до 14 ТэВ. Электрон-вольт — мера энергии, используемая в области физики частиц для определения количества энергии, которую получает один электрон при ускорении с помощью одного вольта электрической разности потенциалов.

«Если мы запустим электрон с конца 1,5-вольтовой батарейки, он получит 1,5 электрон-вольт кинетической энергии, — говорит Севьор. — Это намного слабее, чем укус комара, вы его не заметите, но если в вас попадет луч с мегаваттом энергии, он прожжет в вас отверстие».