Адронный коллайдер и всё о нём

Самый мощный на планете ускоритель был запущен после длительного ремонта 23 ноября 2009 года. Ученые постепенно увеличивали энергию пучков вплоть до 2 декабря, когда работа коллайдера была остановлена из-за сбоя в системе электроснабжения. Поломка оказалась несерьезной, и уже на следующий день специалисты вновь запустили пучки протонов в ускорительное кольцо. Еще через четыре дня эксперимент вновь был прерван, на этот раз из-за неполадок в системе охлаждения. После очередного запуска 8 декабря БАК работает без перебоев.

Большой адронный коллайдер был запущен 23 ноября после завершения ремонтных работ, длившихся больше года. Первые пуски пучков протонов и столкновения проходили на низких энергиях. После повторного старта ускорителя он был дважды остановлен сначала из-за сбоя в системе электроснабжения, а потом по причине неполадок с охладительной системой.

Максимально возможная энергия столкновений на БАК составляет 14 тераэлектронвольт. Ученые планировали достичь этого значения еще во время первого запуска БАК в 2008 году. Сейчас специалисты предсказывают, что коллайдер выйдет на максимальные "обороты" не раньше, чем через год.

Кому важно знать, какого цвета рентген?

Такая характеристика света, как цвет, связана с длиной волны светового излучения. Длинные волны глаз воспринимает как красные, короткие – как фиолетовые, а остальной спектр располагается по убыванию длины волны от оранжевого к синему. И названия «ультрафиолетовый» и «инфракрасный» появились потому, что в спектре эти излучения лежат за фиолетовым и красным цветом соответственно. Некоторые организмы даже могут видеть эти невидимые цвета, однако передать их ощущение невозможно, приходится довольствоваться простым указанием длин волн.

Длина волны излучения также связана с энергией – чем длина волны короче, тем больше энергия. Рентгеновские лучи имеют еще меньшую длину волны, чем ультрафиолет, а их энергия еще больше, поэтому они способны как проникать через тело, так и повреждать клетки. При лучевой терапии рака используются оба этих эффекта, а вот при диагностике – только первый. И чем меньше доза излучения, тем меньше вероятность нежелательных последствий рентгеновского обследования.

Смотрите также

Есть «рентгеновские аппараты», которые применяются уже не медиками, а физиками и материаловедами для просвечивания образцов мощным пучком излучения. Рентгеновский лазер XFEL, в строительстве которого принимает участие и Россия, будет иметь в длину 3,5 километра и тоже будет работать на технологии, разработанной для ускорителей заряженных частиц.

А чтобы уменьшить дозу не в ущерб точности диагноза, различные ухищрения придумывают уже физики: создаются более чувствительные детекторы для излучения, системы восстановления объемного изображения по серии снимков (томография) и даже цветной рентген.

Из ускорителя в госпиталь

Изначально цветной рентген был придуман вовсе не для просвечивания пациентов, а для экспериментов в области физики элементарных частиц. Ведь цвет, как уже говорилось, – это длина волны, и долгое время врачам было не особенно интересно то, какого именно «цвета» лучи прошли сквозь пациента, лишь бы изображение было резким, а доза – поменьше.

А вот физикам длина волны как раз была нужна в первую очередь, поскольку она несет информацию о том, с какой энергией частица попала в детектор и в каких реакциях могла участвовать. И чем точнее будет эта информация, тем лучше: создаваемые для экспериментов на ускорителях детекторы совершенствовались именно в этом направлении.

Все поменялось тогда, когда стало понятно, что энергия рентгеновских лучей (то есть длина волны, то есть цвет) меняется в зависимости от того, через какой материал проходит излучение. Этот эффект полностью аналогичен тому, который может наблюдать каждый, глядя на цветные стекла: разные секции витражей могут иметь одинаковую прозрачность, но совершенно разный цвет.

Возможность однозначно отличить один материал от другого по пропускаемому им излучению постоянно используется на практике – например, для химического анализа растворов или газовых смесей. А если можно отличить одно вещество от другого просто глядя на то, какого цвета образец, то что мешает применить такой же метод для выявления злокачественных опухолей или исследования структуры органов, которые сами по себе плохо задерживают рентгеновские лучи?

Только одно: медицинские рентгеновские детекторы «цвета» не видят. Но зато прибор, созданный физиками, с этим прекрасно справляется!

И как показали предварительные клинические исследования – действительно, при помощи нового оборудования можно, например, отличить жировую ткань от ткани печени . Если учесть, что детекторы производятся серийно, в будущем можно ожидать и массового производства «цветных» рентгеновских аппаратов.

Еще с начала 70-х годов прошлого века ученые предполагали, что при столкновении частиц с очень большой энергией могут возникать эффекты, аналогичные сжатию массы до радиуса Шварцшильда. В рамках нового исследования ученые провели численное моделирование столкновения двух частиц и установили, что в этом случае черные дыры действительно могут образовываться.

При этом ученые подчеркивают, что вероятность обнаружения дыр на Большом адронном коллайдере (БАК) очень невелика. Это связано с тем, что энергии столкновений, достижимые на ускорителе, на много порядков меньше, чем необходимые для формирования дыр. Единственный возможный сценарий появления этих объектов - наличие у Вселенной дополнительных пространственных измерений. Однако даже в этом случае дыры будут жить относительно недолго.

Возникновение во время экспериментов на БАК микроскопических черных дыр является одной из самых популярных "страшилок", связанных с ускорителем. Совсем недавно физики установили, что в возникновении дыр может не быть ничего необычного - все известные на настоящий момент элементарные частицы могут представлять собой миниатюрные черные дыры.

К марту физики намерены увеличить энергию каждого пучка до 3,5 тераэлектронвольт (то есть энергия столкновений составит 7 тераэлектронвольт) и побить свой прошлогодний рекорд по энергии столкновений в 2,36 тераэлектронвольта. В конце июня энергия каждого пучка может быть увеличена до 4-5 тераэлектронвольт, однако эта перспектива будет дополнительно обсуждаться. Если специалисты решат довести энергию пучков до таких значений, то в мае эксперименты на БАК будут прерваны на месяц для перенастройки систем коллайдера.

Большой адронный коллайдер - это самый крупный на планете ускоритель элементарных частиц. С его помощью ученые намерены подтвердить или опровергнуть положения Стандартной Модели - наиболее популярной на сегодняшний день теории, объясняющей фундаментальные физические взаимодействия. Максимально возможная энергия столкновений на БАК составляет 14 тераэлектронвольт.

Еще до первого запуска коллайдера в 2008 году противники БАК высказывали опасения, что эксперименты на нем могут быть опасны для планеты. В частности, утверждалось, что столкновения элементарных частиц в ускорителе могут приводить к образованию черных дыр. На днях в архиве препринтов Корнельского университета появился препринт статьи, авторы которой утверждают, что им удалось доказать такую возможность. Однако ученые особо отмечают, что вероятность подобного события в ходе опытов на БАК очень невелика.

Согласно последним данным, максимальная энергия столкновений в 2010 и 2011 годах составит 7 тераэлектронвольт. Причиной такого решения стали опасения, что работа на чрезмерных энергиях может вызвать неполадки в электрической системе ускорителя. Именно дефектный контакт стал в 2008 году причиной аварии, из-за которой эксперименты на БАК были прерваны на 14 месяцев.

Майерс добавил, что после двух лет работы коллайдер будет остановлен на 12 месяцев. За это время инженеры заменят около 10 тысяч электрических соединений. После проведения такого "апгрейда" физики смогут к 2013 году довести энергию столкновений пучков на БАК до максимальных 14 тераэлектронвольт.

Несмотря на как минимум двухлетнюю отсрочку выхода на максимальные мощности исследователи уверяют, что данных, собранных за время работы БАК на пониженных энергиях, будет достаточно для уточнения многих существующих физических теорий.

Со своей стороны, ученые, работающие на "конкуренте" Большого адронного коллайдера - американском ускорителе Тэватрон - не исключают, что эксперименты на нем будут продлены на год. Ранее планировалось прекратить работу Тэватрона в 2011 году. Ранее "тэватронщики" заявляли, что им удастся опередить коллег с БАК в поисках бозона Хиггса - пока еще не обнаруженной частицы, которая отвечает за наличие у других частиц массы. Если бозон Хиггса будет найден, это открытие докажет правомерность Стандартной модели - одной из наиболее популярных физических теорий, объясняющих фундаментальные взаимодействия в природе.

Напомним, что в конце января 2010 года некоторые специалисты высказали опасение, что БАК все-таки способен породить черные дыры. Мол, могут они возникнуть в результате лобовых столкновений на «встречной полосе» протонов, летящих почти со скоростью света. Существует предположение, что эти черные дыры могут увеличиться в размерах и засосать все вокруг. Что, видимо, грозит Концом света.

Но, не смотря на эти страхи, ученые, как и обещали, в ближайшее время собираются сталкиваться ионы свинца, в результате чего должны образоваться более тяжелые частицы, нежели в предыдущих экспериментах. Тогда-то и можно будет надеяться на обнаружение новых частиц, в том числе и пресловутого бозона. Энергию пучка планируется довести до фантастических 7 ТэВ.

Физик Лучио Росси (Lucio Rossi) пришел к выводу, что неисправность контактов была вызвана тем, что рабочие неправильно спаяли их. Во время ремонтных работ выяснилось, что неисправности были в тысячах других контактов. Росси отмечает, что датчики, отслеживающие перегрев контактов, были установлены только после аварии.

Еще одной причиной поломки стало использование сплава серебра и олова для соединения электрических кабелей с медными деталями. Место соединения является "слабым звеном", так как сплав серебра и олова и медь плавятся при различных температурах, и в случае каких-либо поломок между деталями может произойти пробой. По словам Лина Эванса (Lyn Evans), который руководил работами на БАК в период с 1994 по 2009 годы, идея заменить серебряно-оловянный сплав рассматривалась, но была отвергнута, так как альтернативный сплав содержал свинец, который опасен для здоровья рабочих.

По мнению Росси, ошибок, которые привели к аварии, можно было бы избежать, так как возможные последствия тех или иных действий (например, использования разных сплавов), легко просчитываются.

Несмотря на то что с момента повторного запуска коллайдера он работал без существенных поломок, на максимальную мощность ускоритель выйдет не раньше 2013 года. Перед этим ученым придется вновь остановить БАК и заменить огромное число электрических контактов для того, чтобы они смогли выдержать работу на высоких энергиях.

В ноябре 2009 года БАК возобновил работу после более чем годового ремонта. До повторной остановки на нем были проведены столкновения пучков протонов на рекордных энергиях - 2,36 тераэлектронвольта.

Большой адронный коллайдер представляет собой 27-километровый подземный кольцевой туннель на границе Франции и Швейцарии. Его строительство обошлось почти в 4 миллиарда евро.

Учёные собираются постепенно увеличивать количество частиц в пучке и в ходе почти двухгодичной работы коллайдера получить принципиально новые результаты (фото SmartDraw/Flickr.com).

Следующая планируемая фаза — набор статистики. До конца 2011 года протоны будут циркулировать и сталкиваться в 27-километровом кольце, а четыре детектора – фиксировать бесчисленные рождения и распады частиц, среди которых учёные могут найти абсолютно новые.

Напомним, поломка через несколько дней после запуска коллайдера заставила специалистов CERN провести колоссальную работу по установке предохранительной системы QPS и повышению надёжности электрических соединений в системе питания магнитов.




К работе БАК вновь приступил в прошлом ноябре. Если всё пойдёт хорошо, то в 2011 году он будет остановлен на год для отладки и подготовки к переходу на запредельный для обычных коллайдеров уровень энергии — проектным 7 ТэВ на каждый нуклон.