plasma

Большой Адронный Коллайдер: новые перспективы

Уверен, многие из вас наслышаны о перезапуске Большого Адронного Коллайдера на следующей неделе после двухгодичного ремонта. Действительно, в течение двух лет физики и инженеры работали над проверкой гигантских сверхпроводящих магнитов и их заменой, чтобы повысить максимальную энергию столкновений с 8 до 13 тераэлектронвольт ( 10^{12} эВ). Мы постарались разобраться с тем, какие эксперименты будут ставиться на БАКе совсем скоро, и что физики надеются на нем обнаружить.


Прежде всего, давайте вспомним, что собой представляет наш ненаглядный коллайдер. Это огромный кольцевой ускоритель (длиной почти 27 км), в котором разгоняются до высоких энергий встречные пучки протонов и ионов, а потом сталкиваются в окрестностях нескольких детекторов. Наглядно различные стадии этого процесса показаны на видео ниже.

Что касается детекторов, которые "ловят" образующиеся при столкновениях частицы, то их на БАКе четыре: ALICE, CMS, ATLAS и LHCb. Каждый из них устроен по-своему и нацелен на решение конкретного списка задач, которые, зачастую пересекаются.

Большой Адронный Коллайдер и его четыре детектора.

Большой Адронный Коллайдер и его четыре детектора. Источник: cern.ch

Теперь перейдем от краткого введения к планируемым на БАКе экспериментам.

I) Бозон Хиггса

Как некоторые из вас помнят, 4 июля 2012 года экспериментаторы объявили об открытии бозона Хиггса, массой 126 гигаэлектронвольт. Хиггс был той самой недостающей частицой Стандартной модели, благодаря которой остальные частицы приобретали массу. С повышением энергии на БАКе повышаются и шансы создания этих самых бозонов в результате столкновений, что даст экспериментаторам возможность более точного измерения бозона Хиггса и его редких распадов. Высокоэнергетичные столкновения смогут обнаружить малые различия между тем, как Хиггс ведет себе в экспериментах, и тем, что предсказывает Стандартная модель.

II) Новые экзотические частицы

Некоторые теории предсказывают, что может существовать целый набор новых частиц, которые физики не могут обнаружить, поэтому что они не взаимодействуют посредством электромагнитных сил. Но если у этих частиц есть масса, то они будут взаимодействовать с полем Хиггса! Поэтому тот самый бозон Хиггса становится точкой соприкосновения между Стандартной моделью и новыми, более экзотическими частицами.

III) Темная материя

Невидимая темная материя составляет большую часть Вселенной - но мы можем обнаружить ее только по гравитационным эффектам, которые она создает. Но что такое темная материя? Одна из гипотез заключается в том, что она состоит из гипотетически-возможных "суперсимметричных частиц" , которые являются симметричны известным по Стандартной модели частицам. Данные готовящихся высокоэнергетичных столкновений смогут предоставить больше подсказок для разгадки этой тайны.

Темная материя.

Визуализация астрономических данных, которые могут быть первым обнаружением темной материи. Источник: http://hi-news.ru/science/fiziki-zafiksirovali-vozmozhnuyu-temnuyu-materiyu-solnca.html

IV) Суперсимметрия

Стандартная модель замечательно работала до сих пор для предсказания экспериментальных результатов о мельчайших "кирпичиках", из которых состоит вся материя, но ученые ясно ощущают ее неполноту. Суперсимметрия является расширением стандартной модели, которое призвано заполнить некоторые пробелы. Она предсказывает наличие новых, дуальных к существующим в Стандартной модели, частиц. Эти новые частицы смогли бы решить серьезную проблему - привести в соответствие теоретически предсказанную массу бозона Хиггса с тем, что ученые измерили в эксперименте. Если теория суперсимметрии правильна, суперсимметричные частицы просто обязаны появиться в результате в одном из высокоэнергетичных столкновений при запуске БАКа.

V) Новые измерения

Почему гравитация настолько слабее, чем остальные фундаментальные взаимодействия? Быть может мы замечаем лишь часть воздействия гравитации, потому что остальная ее часть разбросана по другим измерениям? Но как мы можем проверить существование дополнительных измерений? Одним из вариантов будет найти следы частиц, которые могут существовать, только если дополнительные измерения реальны.  Теории, которым требуются дополнительные измерения, предсказывают, что подобно основным и возбужденным высокоэнергетичным состояниям в атомах, должны существовать и более тяжелые (высокоэнергетичные) версии стандартных частиц. В других измерениях, разумеется. Эти тяжелые частицы также могут проявиться в одном из предстоящих столкновений.

VI) Антиматерия

Каждой частице материи соответствует античастица, с полностью совпадающими свойствами, но противоположным зарядом. К примеру, для электрона существует "антиэлектрон" - позитрон - похожий на электрон, как две капли воды, но несущий положительный заряд. Самое интересное, что если поднести позитрон достаточно близко к электрону, они аннигилируют - растворятся в ярчайшей вспышке энергии. Однако в результате Большого Взрыва частицы и античастицы должны бы были существовать в равных количествах. Так почему же во Вселенной намного больше материи, чем антиматерии? Высокие энергии столкновений позволят получить больше античастиц для дальнейшего исследования свойств антиматерии и выяснения, насколько они отличаются от материи.

VII) Кварк-глюонная плазма

В течение миллионной доли секунды, почти сразу за Большим Взрывом, Вселенная была наполнена невероятно горячим и плотным супом из разного рода частиц, двигавшихся с околосветовой скоростью. Основными компонентами этой "смеси" были кварки – фундаментальные частички материи – и глюоны - переносчики сильного взаимодействия, которые обычно "склеивают" кварки вместе в привычные нам протоны, нейтроны и прочие частицы. Но в эти первые мгновения, при экстремальной высокой температуре, кварки и глюоны были связаны слабо, и могли самостоятельно перемещаться в субстанции, называемой кварк-глюонной плазмой. Используя высокоэнергетичные столкновения, ученые надеются узнать об этой субстанции побольше.

Таковы основные направления работы Большого Адронного Коллайдера в новом "сезоне". Пока что сложно сказать, что именно ученые увидят, и смогут ли подтвердить свои гипотезы. Очевидно одно - нас ждет множество интересных открытий в самых фундаментальных вопросах мироздания!

P.S. если вам понравилась статья, вступайте в наше сообщество Вконтакте, подписывайтесь на нас и рассказывайте друзьям!

Комментарии: