А кто ещё не знает?

koptchick 1 ноября 2014, 14:57

Наверное, о бозоне Хиггса слышали все, ну или почти все. Для того, чтобы словосочетание «бозон Хиггса» оказалось у вас на слуху, достаточно было пару лет назад периодически следить за новостями по каким угодно каналам, прочитать книжку Дэна Брауна «Ангелы и демоны» или посмотреть одноимённую экранизацию. То же самое касается и звучных аббревиатур ЦЕРН (CERN от фр. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire – Европейский Совет по Ядерным Исследованиям) и БАК (Большой Адронный Коллайдер – англ. LHC, Large Hadron Collider), которые всегда мелькали тут и там, как только дело касалось знаменитого бозона.

ЦЕРН – это такая международная организация, на базе которой создана целая куча исследовательских групп и лабораторий, с середины 20-го века работающих преимущественно в области физики высоких энергий и ядерной физики. Основная площадка ЦЕРНа находится неподалёку от Женевы, прямиком на границе Франции и Швейцарии.

Как, наверное, все уже догадались ряд наиболее важных и дорогостоящих экспериментов, проводимых под эгидой ЦЕРНа, посвящены поиску и исследованию свойств пресловутого бозона. С этой целью и был построен БАК – Большой Адронный Коллайдер. Штуковина эта предназначена для продвижения самого фронта фундаментальной физики, но, мало того, она представляет из себя ещё и одну из достигнутых современной инженерией вершин.

В общих чертах, ускоритель являет из себя несколько находящихся под землёй (на глубине порядка 100 метров)   кольцеобразных туннелей, длина основного и самого крупного из которых составляет 27 километров. Предназначены они для того, чтобы двигающиеся в них по кругу пучки микрочастиц (протонов) постепенно набирали энергию и скорость (вплоть до околосветовой). Контролируется движение ускоряемых частиц с помощью помещённых вдоль тоннелей магнитов, которые для своей эффективной работы, требуют охлаждения до сверхнизких температур (вплоть до минус 271.3 градусов цельсия). Чтобы ничто не мешало разгону частиц, внутри тоннелей ускорителя поддерживается высочайший вакуум, более глубокий, чем существующий в межзвёздном пространстве. За большими подробностями пожалуйте на официальный сайт.

Собственно, что происходит внутри этого самого БАКа? Во-первых, протоны попадают в него далеко не сразу. Процесс их ускорения проходит через множество стадий – ускорителей поменьше, которые постепенно увеличивают энергию протонов от 50 МэВ (мегаэлектронвольт) до 450 ГэВ. Только затем, разделённые на два встречных пучка (один движется по, другой – против часовой стрелки), частицы попадают в главную, 27-километровую трубу БАКа, в которой они могут кружить часами, прежде чем будут разогнаны до предельной на данный момент энергии в 4 ТэВ (максимальная заявленная физиками энергия частиц в 7 ТэВ пока что не была достигнута).

Мотив разделять частицы на два встречных пучка, чтобы затем сталкивать их «лбами», чрезвычайно прост. Энергия столкновения двух движущихся друг другу навстречу, разогнанных частиц выше, чем энергия столкновения одной частицы с неподвижной стенкой детектора. И выше она ровно в два раза. Таким образом, разогнав пучки протонов лишь до 4 ТэВ и столкнув их, исследователи получат суммарную энергию столкновения в 8 ТэВ. Собственно, в этом состоит основная идея ускорителей типа коллайдер (от англ. collide – сталкивать).

По окружности кольца большого адронного ускорителя установлены 4 грандиозных масштабов детектора, работа двух из которых (называются они ATLAS и CMS) была нацелена на эксперименты по поиску и изучению свойств бозона Хиггса. Собственно, учёные просчитывали движение встречных пучков протонов таким образом, чтобы столкновение их приходилось в точности на место расположения этих детекторов. И не нужно быть Хокингом, чтобы догадаться, что в результате столкновения ускоренных пучков в БАК происходило рождение Ктулху выделение грандиозной энергии в форме чёрт Хиггс знает какого зверинца квантовых частиц, вступающих друг с другом в чёрт Хокинг знает какие реакции.

Однако, расчёт физики имели вполне определённый. Заранее было известно, что искомый бозон должен иметь массу в районе 100-200 ГэВ. Это определяло его время жизни – около 10^-27 секунд. Естественно, что никаких технических средств не хватит для того, что непосредственно задетектировать частицу, живущую столь недолго. Но теоретиками был предсказан ряд вполне определённых реакций, в ходе которых рождается этот бозон, также было ясно, на какие частицы бозон должен распасться спустя свои недолгие 10^-27 секунды жизни. Вот под детектирование именно этих частиц и были заточены проводимые на ATLAS и CMS эксперименты.

Итак, в 2012 году, разогнанные до 4 ТэВ пучки протонов, экстатически слились друг с другом на встречной энергии в 8 ТэВ. В результате этого, в памятный день 4 июля 2012 года экспериментальные группы ATLAS и CMS сообщили всему миру о регистрации частицы с массой около 126 ГэВ, что вполне подходило под ожидаемые «габариты» бозона Хиггса. Уже 8 октября 2013 Питер Хиггс (Peter Higgs) и Франц Эглер (François Englert) разделили между собой нобелевскую премию «за теоретическое исследование механизма, дающего нам понимание того, как возникает масса межатомных частиц, и который недавно был подтверждён благодаря открытию фундаментальной частицы в экспериментах ATLAS и CMS на Большом Адронном Коллайдере в ЦЕРНе»