Чи знали ви, що під землею на глибині десятків метрів вчені будують тунелі довжиною у кілометри — не для метро, а щоб там розганяти частинки атомів майже до швидкості світла і зіштовхувати їх лоб у лоб? У цій статті поговоримо про адронні колайдери, неймовірні відкриття та навіщо людству потрібні суперколайдери.
Уявіть собі величезне підземне кільце, по якому мчать мікроскопічні частинки. Їхня швидкість така велика, що вони можуть облетіти Землю 7 разів за секунду!
Саме так працює Великий Адронний Колайдер (ВАК) на кордоні Франції та Швейцарії — підземна споруда довжиною 27 кілометрів. Якби цей тунель був прокладений в Україні, він би простягнувся від центру Києва до Броварів і далі. Але для фізиків навіть такий гігант стає замалим, коли мова йде про дослідження найглибших таємниць матерії.
Як це працює?
Щоби розігнати частинки до шаленої швидкості, потрібні не лише тонни металу й кілометри кабелів, а й надточна координація.
Усе починається з того, що в колайдер запускають пучки протонів (мільярди у пучку) — частинки, які входять до складу атомного ядра. До того ж запускають багато разів — мільйон разів на секунду. Запускаються часто-густо — місяцями поспіль.
А прискорюють їх за допомогою потужних електромагнітних полів, змушуючи рухатись колом майже зі швидкістю світла. А потім — їх зіштовхують.
У момент удару частинки «розсипаються» на більш дрібні компоненти, і вчені спостерігають, що саме з’являється. У цю мить народжуються нові частинки: фотони, нейтрони, кварки, глюони, мюони та бозони.
І тут усе вирішують не очі, а надточні сенсори (детектор частинок) й гігантські комп’ютери. Вони збирають терабайти даних за долі секунди, фіксуючи не самі частинки, а їх сліди (треки), за якими можна судити про масу, заряд і енергію частинок.
Навіщо людству ці експерименти?
На перший погляд здається, що це забавка для фізиків. Але насправді адронні колайдери дають відповіді на дуже фундаментальні питання. З чого складається Всесвіт? Чому речовина має масу? Чому ми взагалі існуємо?
Саме завдяки експериментам ВАК у 2012 році вдалося підтвердити існування бозона Хіггса — частинки, яку вчені шукали десятиліттями. Без неї наша матерія була б як хмара з нульовою вагою. Бозон Хіггса ніби «надає» частинкам масу — без нього не було б ні зірок, ні планет, ні людей. Тобто, досліджуючи Всесвіт на найменшому рівні, ми водночас робимо кроки в майбутнє, де наука здатна значно покращити якість нашого життя. У який спосіб?
До речі, в 1930 роки були відкрити позитрони (античастинки). Ніхто не знав, що з ними робити. Проте вже через 40 років їх стали використовувати в охороні здоров’я. Всім відоме МРТ-сканування успішне використовують до сьогодні на благо людства.
Чому потужності сучасних колайдерів вже недостатньо?
Уявіть, що ви десятиліттями шукали відсутню деталь у пазлі Всесвіту — і нарешті знайшли її! Але замість того, щоб завершити картину, ця деталь відкрила цілий новий набір запитань.
Одне з таких питань — темна матерія. Вона складає приблизно 27% маси Всесвіту, але не випромінює світло і не взаємодіє з відомими частинками так, щоб її можна було зафіксувати безпосередньо.
Утім темна матерія має гравітацію, яка формує всесвіт! В той самий час Стандартна модель, що описує фізиками частинки матерії та багато процесів, не може пояснити природу гравітації. Ось чому вченні вважають, що темна матерія складається з раніше не виявлених частинок.
Щоб знайти докази існування темної матерії або інших ще не відкритих частинок, потрібен потужніший інструмент. Великий адронний колайдер хоч і є найбільшим у світі, але навіть його потужності може не вистачити. Це як спробувати побачити далекий астероїд через аматорський телескоп — щось розгледіти можна, але деталі залишаться нечіткими.
Інженерні виклики
Побудувати новий, ще потужніший колайдер — це подолати серйозні інженерні труднощі. Тунель завдовжки 100 кілометрів, закопаний на глибині 200 метрів.
Один із найперспективніших проєктів — Майбутній Кільцевий Колайдер ММК (FCC - Future Circular Collider), який планують збудувати в Європі. Його траса проходитиме під Женевським озером і тектонічними пластами Альп. Будівельники мають враховувати особливості ґрунту, адже в деяких місцях він складається з осадових порід і вапняку, де можуть бути приховані водоносні порожнини. Якщо натрапити на одну з таких порожнин, тунель може затопити.
Але не тільки будівництво створює проблеми. Легкі частинки, такі як електрони, при русі по кривій втрачають енергію, наче велосипедист, що гальмує на поворотах. Щоб частинки не сповільнювалися, вчені використовують спеціальні надпровідні камери, які діють як «заправки» — вони підживлюють пучок, підтримуючи його швидкість та енергію.
Що додає проблем у науці?
Здавалося б, якщо потрібен новий колайдер — будуємо. Але не все так просто. Причина?
Усе, як завжди, впирається в гроші та рішення політиків.
У Китаї вже готуються починати роботи над новим кільцевим прискорювачем, тоді як у Європі — складна структура рішень, затяжні переговори, суперечки. Планується оновлення чинного колайдера і відкладається новий проєкт. Японія вагається через обмежений бюджет. У США — усе залежить від рішень розділеного Конгресу. Але попри всі бар’єри, мета залишається спільною: об’єднати зусилля, щоб створити найточніший «дивовижний мікроскоп» у світі.
Як завжди в історії людства, найглибші таємниці приховані в найменших частинках. І хоча науковці не можуть точно передбачити, які саме відкриття чекають на нас у майбутньому, вони впевнені, що ці гігантські машини допоможуть розгадати фундаментальні загадки Всесвіту — від таємничої поведінки темної матерії до самої природи простору і часу.
За матеріалами:
https://spectrum.ieee.org/supercolliders
Артем Гребенюк
