Стивен Хокинг однажды заметил, что если мы хотим совершить прыжок во времени, было бы лучше, если бы у нас была такая машина, как БАК, которая могла бы разогнать нас почти до скорости света. Да, сэр, БАК достаточно впечатляет, чтобы Хокинг рассматривал его как средство передвижения во времени. И уж точно не зря он получил свою репутацию: громадный ускоритель частиц заработал себе славу, когда в 2012 и 2013 годах предоставил нам доказательства существования бозона Хиггса. элементарные частицы и силы во Вселенной. Немалый подвиг.
Конечно, «маленький» - это не термин, который мы обычно ассоциируем с БАК или Европейской организацией ядерных исследований (ЦЕРН), если на то пошло. Рассмотрим ускорительный комплекс в ЦЕРН, который представляет собой гораздо больше, чем просто БАК. Если бы вы просто сбрасывали протоны в БАК без каких-либо предварительных шагов, то не было бы особых экспериментов, о которых можно было бы говорить: нужно не только ускорять протоны перед тем, как они попадут в БАК, но и концентрировать их в плотных пучках. Для этого нужно сделать несколько шагов, прежде чем они отправятся навстречу своей жестокой судьбе в БАК:
- Во-первых, протоны должны быть отправлены в линейный ускоритель, который увеличивает свою начальную скорость - эта линия составляет около 98 футов (30 метров).
- После этого протонные пучки попадают в протонный синхротронный ускоритель, который ускоряет их еще быстрее с помощью пульсирующего электрического поля. Ускоритель имеет 515 футов (157 метров) в окружности, и - предвосхищая ответ на наш главный вопрос - он круглый, что позволяет частицам двигаться быстрее. (Мы еще вернемся к этому на главном БАК.)
- После бустера пакеты протонных пучков перемещаются в протонный синхротрон, еще один кольцевой путь, предназначенный для того, чтобы довести эти протоны до безумия. Это около 2000 футов (628 метров) в окружности, и они начинают двигаться так быстро, что буквально не могут двигаться быстрее. Протоны движутся со скоростью 99,9% скорости света, а это значит, что они начинают набирать массу, а не скорость. Готовы к LHC, верно?
- Нет, все еще недостаточно для наших маленьких сгустков протонной энергии. Следующим шагом станет суперпротонный синхротрон. (Нет, Super Terrific Proton Synchrotron не будет следовать за ним.) Это почти 4,5-мильный (7-километровый) круговой ускоритель, который, ну, вы знаете: он заставляет протоны двигаться «быстрее», что на самом деле означает, что они Добавляете энергию, которая добавляет массу. Только после этого - пройдя километры на различных ускорителях - протоны достигают 27-километрового БАК и совершают не очень неторопливую прогулку по вакуумным трубам коллайдера.
И вот мы здесь: на огромном Большом адронном коллайдере. Это похоже на красивую хрустальную пещеру. (Шучу, это похоже на ярко освещенный, одержимо чистый туннель метро с проходящей через него гигантской трубой.) Почему таким крохотным кусочкам едва материи нужно такое большое пространство, чтобы бродить?
Первый ответ немного разочаровывает: мы начали с БАК, потому что он уже был там. В ЦЕРН был предыдущий ускоритель (Большой электронно-позитронный коллайдер), который первоначально занимал пространство, и он был настолько большим, чтобы выдерживать столкновения (как вы уже догадались!) электронов и позитронов. Так почему же LEP был такого размера или даже был построен на глубине 328 футов (100 метров) под землей?
Он был построен под землей по довольно простой причине: оказалось дешевле просто выкопать туннель, чем купить землю и смягчить воздействие на окружающую среду. (Он также должен был иметь небольшой уклон, чтобы свести к минимуму затраты, связанные с размещением вертикальных шахт.) Но причина, по которой у LEP была такая широкая окружность, также объясняет, почему LHC нуждается в широком причале: даме нужен был хороший набор кривых.
Округлые изгибы БАК необходимы для того ускорения, которое так важно для наших друзей-частиц. Все начинается с законов движения Ньютона, которые говорят, что частица (или что-то еще, если уж на то пошло - без каламбура) будет двигаться с постоянной скоростью, если на нее не действует сила. Что это значит? Эта частица будет двигаться по прямой линии с той же скоростью, если ее не ускорить.
И это "что-то" - кривая кругового ускорителя. В отличие от линейного ускорителя, где частицы движутся по прямой линии, круговой ускоритель позволяет частицам каждый раз получать энергию. (Огромные магниты, которые управляют протонами, не добавляют энергии, но электрическое поле увеличивает ускорение.) Круговой ускоритель позволит протонам двигаться по кругу, получая энергию, а также позволяет частицам сталкиваться в нескольких точках. - у линейного ускорителя, конечно, была бы только одна точка столкновения, в самом конце.
Ответ на вопрос, почему БАК круглый, может показаться, что это не имеет ничего общего с его размером, но это действительно имеет отношение. Меньшая гоночная трасса для протонов означала бы, что им нужно было бы больше ускоряться, чтобы приспособиться к более крутым поворотам, и они теряли бы больше энергии - и, таким образом, столкновение было бы не таким сильным. Таким образом, необходим большой радиус, чтобы получить энергию частиц, достаточную для ускорения и создания столкновений.
И не думайте, что всех ученых устраивает размер нынешнего БАК. Существуют серьезные соображения по созданию 62-мильной (100-километровой) трассы, которая обеспечит еще более энергичный курс для столкновений частиц. Имейте в виду, что чем выше достигнутая энергия, тем более массивные частицы можно найти - важный способ выявления новых неуловимых тяжелых частиц.
Примечание автора: почему длина окружности БАК составляет 27 километров?
Конечно, это немного не по теме, но я думаю, мы все хотим знать: что произойдет, если мы наткнемся на БАК, пока протонные лучи творят свое волшебство? Никто не уверен в этом полностью, но вполне вероятно, что в вашем теле пробьет дыру, а возможно, и конус взрыва протонов.