Полный вперед. Когда Большой адронный коллайдер выйдет на охоту за пятой силой природы

В Швейцарии, 5 июля, возобновит свою научную деятельность крупнейший в мире Большой адронный коллайдер (БАК). Ученые надеются, что ускоритель поможет им разобраться в физике элементарных частиц.

Третий раунд экспериментов на БАК начнется после 4-летнего простоя, который был продлен также из-за пандемии коронавируса. Европейская организация по ядерным исследованиям ЦЕРН собирается транслировать онлайн новый пуск коллайдера, пишет Inverse.

Физики возлагают большие надежды на новый запуск. Дело в том, что недавние исследования в области физики намекнули на существование пятой силы природы и бросили вызов Стандартной модели физики. Возможно, Большой адронный коллайдер сможет подтвердить открытие.

Предназначение Большого адронного коллайдера

Если объяснять задачу БАК простыми словами, то коллайдер – это устройство, которое сталкивает частицы друг с другом, чтобы узнать больше о них самих. Процесс похож на то, как если бы люди разбивали сложные электронные устройства, чтобы посмотреть из каких компонентов они состоят. Как ни странно, это лучший способ, при помощи которого физики могут заглянуть в квантовый мир, чьи масштабы в миллионы раз меньше атомов.

Проблема заключается в том, что большинство из сталкиваемых частиц являются фантомами, которые почти не взаимодействуют с внешним миром или существуют всего доли секунды. Такие частицы скорее всего, останутся незамеченными, даже если наблюдать за процессом с помощью очень мощных детекторов. Но к счастью, физики могут обнаруживать их "мерцание" в высокоэнергетическом супе, который на мгновение появляется внутри коллайдера при столкновении частиц.

Модернизация БАК, которая была проведена в последние годы, увеличила его мощность, что позволит сделать еще больше открытий в субатомном мире.

Размер БАК поражает воображение. Он расположен в круглом туннеле с 27 км в окружности и 4 метрами в ширину. Туннель закопан на несколько этажей под землей, он тянется от штаб-квартиры ЦЕРН в пригороде Женевы, проходит под горами Юра вдоль франко-швейцарской границы и возвращается к штаб-квартире.

Такой гигантский размер обусловлен тем, что большая окружность позволяет пучкам частиц приближаться к скорости света. В свою очередь, это позволяет достигать более высоких энергий в БАК, что дает ученым возможность видеть больше частиц при столкновениях.

Несмотря на это, ученые уже задумываются над созданием преемника БАК Future Circular Collider, чья окружность может быть почти в четыре раза больше.

Открытия Большого адронного коллайдера

Самым громки открытием, сделанным на БАК, является бозон Хиггса или как его называют "частицей Бога". Его открытие было крайне важным для физики элементарных частиц, поскольку позволило подтвердить теории о том, как Вселенная работает в самых ее крошечных масштабах.

Но бозон Хиггса крайне нестабилен, он почти мгновенно распадается на части.

Бозон Хиггса впервые был теоретически описан еще в 1960-х годах, с тем самых пор ученые искали его на протяжении десятилетий. Поиски были завершены на БАК в 2012 году. Поиск "частицы Бога" был одной из причин, почему Большой адронный коллайдер был построен.

Несмотря на то, что частица была открыта, ученые все еще не до конца понимают ее свойства. Разобраться в этом еще предстоит работникам ЦЕРНа.

Новые эксперименты на БАК

Предстоящие эксперименты на БАК будут сосредоточены на поисках неизвестной науки.

По сути, БАК – это не один эксперимент, а сразу несколько, где каждый ищет свою частицу или исследует новое направление физики. Множество детекторов, расположенных вдоль контура ускорителя позволяют отслеживать множество целей. За каждый детектором БАК стоят сотни ученых со всего мира.

Из всех проводимых экспериментов можно выделить четыре самых больших:

• ATLAS и CMS или эксперименты "общего назначения". Они нацелены на широкий спектр частиц, которые проходят через имеющиеся детекторы. Именно в ходе этих двух экспериментов и был найден бозон Хиггса.
• Эксперимент ALICE занят изучением редкой фазы материи, которую называют "кварк-глюонной плазмой" – атомы в ней тают как лед, превращаясь в супергорячий суп. Эксперты полагают, что именно такая плазма преобладала во Вселенной сразу после Большого взрыва.
• LHCb – самый маленький из четырех детекторов, который занимается поиском всего одной частицы – b-кварка (или "красивого кварка"). Физики полагают, что b-кварк поможет им понять различия между обычной материей и антиматерией. Известно, что материя и антиматерия уничтожают друг друга при соприкосновении. Во время Большого взрыва во Вселенной должно было появиться поровну материи и антиматерии, но первой оказалось больше. Пока ученые не могут найти объяснение имеющемуся дисбалансу.

Фундаментальные вопросы

На протяжении нескольких десятилетий физика элементарных частиц подчиняется Стандартной модели. В нем представлены главные частицы во Вселенной (которых всего 17) и то, как они взаимодействуют между собой. Также в этой схеме описываются четыре фундаментальных силы во Вселенной: сильное ядерное взаимодействие, которое скрепляет частицы внутри ядра атома; слабое взаимодействие, которое управляет процессом бета-распада атомных ядер; и электромагнетизм.

Десятилетия Стандартная модель объясняла те или иные процессы в физике элементарных частиц. Но с течением времени ученые все чаще приходят к выводу, что Стандартная модель не может ответить на все вопросы. Например, имеющаяся модель не объясняет четвертую фундаментальную силу – гравитацию. Также в ней нет места для темной материи, количество которой в пять раз превосходит количество обычной материи во Вселенной.

Все эти вопросы заставляют физиков предполагать, что где-то должна скрываться пятая фундаментальная сила. Возможно, она каким-то образом связана с темной энергией, которая представляет из себя неуловимую форму энергии, ответственную за расширение Вселенной.

Кроме этого, некоторые научные эксперименты намекают на существование частиц, которых вообще нет в общепринятой Стандартной модели.

Совсем недавно, во время экспериментов в лаборатории Ферми, обнаружили, что W-бозон имеет большую массу, чем ожидалось. Открытие может показаться незначительным, но оно серьезно нарушает Стандартную модель. Физики надеются, что смогут разобраться с появившейся загадкой с помощью экспериментов на БАК.