В начале этой недели состоялся пробный запуск пучков протонов в большом адронном коллайдере (БАК). О том, что именно в нём происходит, рассказал кандидат физических наук, старший преподаватель кафедры теоретической физики ПГНИУ Андрей Иванцов.
— Андрей Олегович, зачем нужен адронный коллайдер? Что он может дать фундаментальной физике?
— Это, пожалуй, самая большая экспериментальная установка по изучению физических явлений. Она необходима для открытия новых физических законов. Ее появление отражает процесс развития самой физики. Изначально человек мало что знал об окружающем мире, и для открытий требовалось не так много усилий. Затем возникла необходимость создавать специальные условия для проверки гипотез и предположений. Потребовались специальные установки для проведения экспериментов. Сначала такого рода установки были простыми, но постепенно все более усложнялись в связи с углублением проникновения физики в структуру материи. Каждый новый шаг в науке теперь даётся всё сложнее. Поэтому для дальнейшего продвижения в исследованиях должны усложняться и сами экспериментальные установки. Одним из ярких примеров последнего и является БАК. Он представляет собой циклическую трубу длиной 26 км, которая расположена под землёй на глубине порядка 100 м. Это необходимо, прежде всего, для охлаждения установки до температуры, близкой к абсолютному нулю (- 2730 С). Что само по себе является непростой задачей, особенно с учётом размеров коллайдера. На нём одновременно работает огромное количество учёных и целых институтов, что требует слаженной организации исследований. Для этого есть специальное расписание, в которое необходимо заранее вписаться.
— Что происходит в БАКе?
— В этой гигантской трубе с высокой скоростью разгоняются элементарные частицы. Затем они направляются навстречу друг другу и врезаются. В результате энергия их столкновения оказывается очень большой, достичь её в обычных условиях иначе нельзя. Это приводит к распаду частиц. После чего физики проверяют, насколько удачно существующая теория описывает события после их столкновения.
— Можно ли сказать, что на базе БАК между собой сталкиваются и базовые физические концепции?
— Безусловно, любая физическая концепция имеет границы своего применения. Учёные постоянно стараются выйти за их пределы. Сначала возникают различные теоретические предположения, затем проводится эксперимент для их проверки. В итоге это может дать совершенно неожиданный результат, скорректировать существующую теорию, подтвердить её или вовсе опровергнуть.
— Подобный эффект уже произошёл за время исследований на БАКе?
— До 2012 года все исследования подтверждали физическую «стандартную модель». Пока все эксперименты на БАК укладывались в неё, с учётом погрешностей, которые есть всегда.
— Если кратко, то что такое «стандартная модель» в физике?
— Эта модель является общепризнанной и описывает устройство физического микромира, который состоит из атомов. Каждый атом включает в себя еще более мелкие частицы: протоны, нейтроны и электроны. Они, в свою очередь, состоят из кварков. «Стандартная модель» описывает поведение этих мельчайших частиц. Кстати, бозон Хиггса был последней частицей, которую не могли изучить в рамках данной концепции. Тем самым его открытие также подтвердило «стандартную модель».
— Какие альтернативы есть «стандартной модели»?
— В мире есть четыре вида взаимодействия: электромагнитное, гравитационное, сильное и слабое. Последние два — это взаимодействия внутри атомов. «Стандартная модель» объединяет три типа взаимодействия: сильное, слабое и электромагнитное. А гравитационное она никак не описывает. Есть теории, которые пытаются объединить все четыре типа взаимодействия и создать единую теорию. Например, концепция «радужной гравитации». Новый этап исследований на коллайдере как раз призван проверить такого рода теории. Предполагается, что частицы будут сталкиваться с еще большей энергией, что, возможно, приведёт к новым открытиям.
— Испытания на коллайдере могут помочь в изучении чёрных дыр? Может ли она там появиться?
— Высказывались опасения, что столкновения элементарных частиц в коллайдере могут привести к образованию чёрной дыры. Предполагалось, что при столкновении частиц может сформироваться очень плотное вещество, которое и приведёт к появлению микроскопической чёрной дыры. После чего она может разрастись. Вообще чёрная дыра — это очень массивный объект, который формируется из звезды. Имея большую массу, звезда в конце жизни сжимается, превращаясь в чёрную дыру. У последней очень высокая плотность вещества. Оно сжимается бесконечно сильно, образуется сингулярность, и вблизи чёрной дыры гравитация оказывается настолько сильной, что даже свет не может её покинуть.
Однако на Землю из космоса регулярно прилетают частицы с очень большой энергией, большей, чем в адронном коллайдере. Эти частицы сталкиваются с атмосферой Земли, и при этом ничего опасного не происходит. Поэтому учёные делают вывод, что исследования в БАК безопасны.
Кроме того, чёрная дыра даже если и родится, то, по-видимому, сразу же исчезнет. Согласно теории Хокинга, чёрная дыра не только всё притягивает к себе, но и сама производит излучение, которое, кстати, называют излучением Хокинга. Благодаря этому излучению микроскопическая чёрная дыра должна очень быстро испариться. Экспериментально эта теория еще не подтверждена и исследования на БАК возможно позволят расширить наши знания в этой области.
— Какие прикладные следствия могут быть у исследований на коллайдере?
— Наиболее очевидным прикладным следствием исследований на БАКе может стать разработка более эффективных технологий производства электроэнергии на атомных электростанциях либо даже открытие новых, ранее не известных человечеству, источников энергии. Кстати, БАК находится на границе Франции и Швейцарии. А Франция является одной из ведущих стран по использованию мирного атома.
