Как работает коллайдер?

И может ли он создать черную дыру, которая поглотит Землю
31.12.2020
Всеволод Кобляков

Что это?

Туннель Большого адронного коллайдера - устройства, в котором происходит столкновение заряженных частиц.

Коллайдер - ускоритель, разгоняющий частицы до определенного уровня энергии с помощью воздействия электромагнитных полей.Ускорители содержат два главных компонента: системы, где подготавливаются ускоряемые частицы (инжектор), и ускорительные системы, где частицы в вакуумной среде увеличивают энергию до необходимого уровня.

В ускорителях высоких энергий по мере увеличения энергии скорость частицы приближается к скорости света как предел, но никогда не достигает его. Поэтому физики элементарных частиц обычно думают не в терминах скорости, а скорее в терминах энергии или импульса частицы, обычно измеряемых в электронвольтах (эВ).

Существуют линейные ускорители, в которых частицы в процессе ускорения движутся по прямой, и циклические, где частицы движутся вокруг некого центра. Циклические, в свою очередь, делятся на синхротроны (частицы движутся по кругу) и циклотроны (частицы движутся по траектории, напоминающей спираль). Большинство современных коллайдеров являются синхротронами - или, как в случае Большого адронного коллайдера, комплексами из нескольких взаимосвязанных синхротронов. Частицам требуется проходить очень большие расстояния для набора энергии, и возможность бесконечно двигаться по кругу в кольцевых ускорителях решает эту проблему. Кроме того, синхротроны сегодня компактнее линейных ускорителей с аналогичными возможностями.

Они позволяют ускорять как легкие заряженные частицы (электроны, позитроны), так и тяжелые (протоны, антипротоны, ионы). Частицы, увеличивающие свою энергию, удерживаются на фиксированной орбите с помощью нарастающего поля мощных отклоняющих кольцевых магнитов. Для удержания частиц на орбите постоянного радиуса темп нарастания магнитного поля синхронизован с темпом нарастания энергии частиц. В синхротронах также есть фокусирующие магниты, собирающие частицы в узкие пучки.


Рисунок: Екатерина Золоторёва

В прошлом заряженные частицы после ускорения в синхротроне выводились в камеру для эксперимента, где сталкивались с мишенями для достижения определенного эффекта. Однако из-за этого очень большое количество энергии тратилось впустую, поскольку передавалось от частиц к мишеням. Коллайдеры же создаются по принципу встречных пучков: разогнанные частицы переводятся в дополнительные магнитные кольца и сталкиваются друг с другом внутри них.

Чем это интересно для науки?

Коллайдеры используются для того, чтобы заглянуть внутрь частиц и узнать, каким образом ведут себя субатомные элементы. С помощью них удалось обнаружить бозон Хиггса и восполнить другие пробелы Стандартной модели взаимодействия частиц. Однако эта модель не объясняет многих отклонений, которые удалось наблюдать с помощью Большого адронного коллайдера, а также в ней нет места темной материи, загадочно малым массам нейтрино и наблюдающемуся преобладанию материи над антиматерией во Вселенной. Именно для восполнения этих пробелов разрабатываются проекты усовершенствования уже имеющихся коллайдеров и создания новых. Один из них - NICA, расположенный в Дубне при Объединенном центре ядерных исследований.

Почему это важно знать?

Вокруг коллайдеров существует большое число мифов. Распространено убеждение, что с помощью Большого адронного коллайдера можно создать черную дыру прямо на Земле, которая поглотит планету. Поэтому необходимо рассказывать о принципах работы коллайдеров, открытиях, сделанных с их помощью, и перспективах, которые они открывают перед современной наукой.

Источник: ПостНаука

Читайте другие наши материалы