Великий адронний колайдер

Фізика елементарних частин розвивається стрімкими темпами і тому завжди актуальною є тема експериментальної техніки. Наймаштабнішим науковим проектом у цій сфері стало створення Великого адронного колайдеру.

Великий адронний колайдер (ВАК) – це найбільший у світі прискорювач елементарних частинок.

Великий адронний колайдер створений у Європейському центрі ядерних досліджень (CERN), на кордоні Швейцарії та Франції. ВАК знаходиться на глибині до 175 метрів та має протяжність у 27 км.

Великим колайдер названий через свої розміри, адронним – через те, що він прискорює адрони (частинки,що складаються з кварків), колайдером (англ. collide – стикатися) – через те, що пучки елементарних частин прискорюються в протилежних напрямках і стикаються в спеціальних місцях.

Проект ВАК був створений 1984 року, за його реалізацію взялися лише в 2001 році. Запуск колайдеру відбувся 10 вересня 2008 року і його вважають доволі успішним. Офіційну церемонію відкриття Великого адронного колайдера було заплановано на 21 жовтня 2008 року. Але офіційно ВАК запустили лише 20 листопада 2009 року, через те, що сталася технічна аварія. Великий адронний колайдер створювався здебільшого заради того, щоб виявити бозони Хігса та зімітувати стан Всесвіту через мільярдну частку секунди після Великого вибуху. Наразі основними завданнями ВАК є:

• пошук суперсиметрії
• дослідження кварк-глюонної плазми
• вивчення топ-кварків
• пошук “темної матерії“
• пошук додаткових вимірів та чорних дір

Принцип роботи адронного колайдеру полягає в наступному: заряджені частки направляються потоками на зустріч один одному. Під час зіткнень часток в колайдері відбуваються певні процеси: викид енергії, руйнування частинок, що зіткнулися та народження нових. Саме ці процеси є предметом пильного дослідження вчених. Заряджені частки розганяють в колайдері за допомогою електромагнітного поля до надвисоких швидкостей, майже до швидкості світла.

Для утримання і фокусування пучків елементарних частин використовується близько 1624 надпровідних магнітів, які працюють при температурі 1,9 К (близько 2710С). Тому для підтримки їх роботи потрібна ціла «фабрика» з виробництва рідкого гелію. Розрахункове споживання енергії коллайдеру під час роботи становить 180 МВт. Для спорудження прискорювача і системи з шести детекторів, які збирають інформацію про процеси, що відбуваються при зіткненнях часток, треба було об’єднати зусилля багатьох країн. Фінансування та розробку проекту ВАК здійснювали понад 10 тисяч науковців та інженерів, представників різних університетів і лабораторій з понад 100 країн світу. На будівництво Великого адронного колайдера витрачено близько $8 млрд.

ВАК дозволяє побачити та дослідити початкові процеси зародження матерії у Всесвіті. В результаті великої енергії зіткнень в адронному колайдері повинна утворюватися плазма, подібна речовині при процесі так званого «Великого вибуху». За теорією вчених, саме «Великий вибух» сформував згустки первісної матерії.

Всередині Великого адронного колайдеру підтримується температура, яка є нижчою від температури космосу  майже на півтора градуси. Система охолодження дозволяє підтримувти температуру -271.3 °C, в той час коли температура космосу може досягати -270 °C. Це дозволяє досягти надпровідності в кабелях установки, завдяки якому протони майже досягають швидкості світла. Щоб зафіксувати надшвидкий рух часток та їх зіткнення, на ВАК установлені спеціальні детектори в вигляді цифрових фотокамер, які здатні фіксувати до 600 млн. кадрів в секунду.

В найхолоднішому місці в нашому Всесвіті, вчені CERN спромоглися здобути найгарячішу речовину, яка тільки відома людству. Зіштовхнувши іони золота, дослідники отримали кварк-глюонну плазму з температурою 4 трлн °C, яка у 250 000 разів гарячіша за температуру Сонця.

Створення ВАК сприяло розвитку коцепції Всесвітньої павутини. Вченим CERN необхідно було оперативно передавати електронну інформацію і спілкуватися між собою на великих відстанях, що посприяло створенню спеціальної системи World Wide Web.

Ще один значний внесок ВАК в науку полянає в тому, що на основі детекторів елементарних часток, встановлених на адронному колайдері, ученим CERN вдалося створити прилади, що роблять кольорові рентгенівські знімки і дозволяють лікарям ставити більш точні діагнози.

Аналогом ВАК в Радянському Союзі був прискорювач в місті Протвино, Московської області. Будівництво прискорювально-накопичувального комплексу з проектною енергією пучка 3000 ГеВ (протон – протонного коллайдера на надпровідних магнітах) почалося в 1983 році. Протягом 11 років в стабільних і сухих породах на глибині від 20 до 60 метрів (в залежності від рельєфу місцевості) був побудований 21-кілометровий тунель, внутрішній діаметр якого дорівнював 5 кілометрів.

Протягом всього тунелю кожні півтора кілометра були побудовані підземні зали для розміщення великогабаритного обладнання, які були пов’язані з поверхнею вертикальними шахтами. У каналі були змонтовані електромагнітна система, вакуумна система, прилади спостереження за пучком. Нажаль, лихі 90-ті не пощадили і цю споруду: гроші закінчилися і проект був заморожений.

Україна теж внесла свій вклад в функціонування Великого адронного колайдеру. Зокрема, українські науковці з Харківського Фізико-Технічного Інституту, з НТК «Інститут монокристалів» та фізик-теоретик Г. М. Зинов’єв брали участь у частині проекту ВАК – роботах над системою детектування ALICE (внутрішньою трековою системою).

Цікаво, що Великий адронний колайдер розрахований на функціонування впродовж лише 10 років. Але науковці запевняють, що по завершенню цього періоду на світі вже з’явиться набагато більший та потужніший його аналог.