Есть что-то символическое в том, что идея Большого Адронного Коллайдера (БАК) была высказана в конце второго тысячелетия, а ее реализация пришлась на начало третьего тысячелетия. На рубеже тысячелетий БАК явился итогом развития научной и инженерной мысли человечества, аккумулирующим все самые передовые естественнонаучные идеи и знания. Если очень кратко сформулировать основную задачу БАКа, то она заключается в том, что БАК должен стать компасом, указывающим направление дальнейшего развития фундаментальных исследований. Грубо говоря, в настоящее время существует море теорий, как о строении вещества, так и о строении и эволюции Вселенной, и БАК должен помочь выбрать правильное направление в этом море.

Регулярно, с 2000-го года, бывая в ЦЕРНе и наблюдая за строительством БАКа и началом эксперимента, я хочу кратко рассказать об основных задачах этого ускорителя, описать основные этапы строительства и параметры установок, а также о современном состоянии эксперимента. А началось мое знакомство с БАК с экскурсии, устроенной участникам первой конференции CAPP (“Cosmology and Particle Physics”) в Вербье в 2000 году. Нас привезли в ЦЕРН и повели в огромный павильон, где началась сборка самых больших в мире тороидальных магнитов, предназначенных для детектора “ATLAS”. На полу этого огромного цеха находился собранный магнит (тор, с размерами порядка 25мx5м), а на его поверхности лежали таблички, на которых на трех языках (английском, французском и русском) было написано: «По магниту не ходить!». Здесь я понял, что наших в ЦЕРНе много. Но обо всем по порядку.

ЦЕРН (CERN, the European Organization for Nuclear Research) был основан в 1954 году на границе между Францией и Швейцарией в окрестностях Женевы. Первым идею о создании подобного центра высказал французский физик Луи де Бройль в декабре 1949 года на Европейской конференции по культуре в Лозанне. Официально открытие ЦЕРНа произошло 29 сентября 1954 года после ратификации Конвенции по ЦЕРНу (июль, 1954) 12 странами основательницами: Бельгией, Данией, Францией, Федеративной республикой Германии, Грецией, Италией, Нидерландами, Норвегией, Швецией, Швейцарией, Англией и Югославией. Югославия вышла из организации в 1961 году. С 1959 года по 1999 год к странам-участницам присоединились: Австрия (1959), Испания (присоединилась в 1961, затем покинула в 1969 и снова присоединилась в 1983), Португалия (1985), Финляндия (1991), Польша (1991), Венгрия (1992), Чехия (1993), Словакия (1993) и Болгария (1999). Таким образом, в настоящее время 20 стран-членов. Кроме стран-участниц еще есть страны и организации, имеющие статус наблюдателя. Это - Европейская комиссия, Израиль, Индия, Россия, США, Турция, ЮНЕСКО и Япония.

Украина относится к странам-не-членам, имеющим с ЦЕРНом договоры о сотрудничестве. Такой договор был подписан в 1993 году, но долгое время официальные отношения были в стадии стагнации. Тем не менее, украинские ученые принимают участие в экспериментах CMS (через Объединенный Институт Ядерных Исследований, Дубна), ALICE и LHCb. Сейчас наблюдается определенная активность со стороны Украинской Академии Наук и Министерства Науки и обсуждается подписание нового протокола к договору 1993 года.

Среди наиболее важных открытий, сделанных в ЦЕРНе, можно выделить следующие:
1973: Открытие нейтральных токов с помощью пузырьковой камеры Гаргамель.
1983: Открытие W- и Z-бозонов в экспериментах UA1 и UA2.
1989: Определение количества сортов нейтрино в экспериментах на ускорителе LEP.
1995: Создание первых атомов антиматерии — атомов антиводорода в эксперименте PS210.
2001: Открытие прямого нарушения CP-симметрии в эксперименте NA48.

В 1984 г. Карло Руббиа и Симон ван дер Мер получили Нобелевскую премию по физике за работы, которые привели к открытию W- и Z-бозонов. В 1992 г. Нобелевскую премию по физике получил сотрудник ЦЕРН Жорж Шарпак «за изобретение и создание детекторов элементарных частиц, в частности многопроволочной пропорциональной камеры».

Помимо открытий в области физики, ЦЕРН прославился тем, что в его стенах был предложен гипертекстовый проект World Wide Web (WWW) - Всемирная паутина.

Идея создания Large Hadron Collider (LHC), называемого в русскоязычной версии Большим Адронным Коллайдером (БАК), появилась на свет в начале 80-х годов. В это время еще даже не начал функционировать предшественник БАКа в ЦЕРНе – Большой Электрон-Позитрон Коллайдер (Large Electron Positron Collider (LEP)), который работал с 1989 года по 2000 год. Однако уже тогда ученные понимали, что для существенного прорыва требуются еще большие энергии, чем те, что можно достичь на LEP. Поэтому уже в то время родилась идея использовать 27 километровый тоннель LEP для построения в нем еще более мощной установки, работающей на встречных пучках протонов. Проект получил названия Большого Адронного Коллайдера, т.к. протоны относятся к классу частиц, называемых адронами. Отправной точкой подготовки этого проекта считается симпозиум в 1984 году, проходивший в Лозанне. В результате, проект БАК становится приоритетом для ЦЕРНа.

Предварительные исследования, показывающие возможность создания и успешной работы сверхпроводящего ускорителя при чрезвычайно низких температурах, привели к тому, что этот проект был одобрен Советом ЦЕРНа в декабре 1994 года.

Основные этапы строительства:
1998. Начало инженерных работ по проектам ATLAS и CMS и строительства 2-х шахт глубиной 60 метров для эксперимента ATLAS.
1999. Начато производство самых больших в мире тороидальных магнитов. Подписан договор о сотрудничестве между ЦЕРН и Международным Центром Науки и Технологии в Москве. Благодаря этому договору было произведено большое количество оборудования для LHC и эксперимента CMS.
2000. LEP, наибольший к тому времени ускоритель, прекратил свою работу и начался его демонтаж, чтобы освободить место для БАК. Доставили первые из 1232 дипольных магнитов.
2002. Доставлен первый октупольный корректирующий магнит. Помимо 1232 основных дипольных магнитов, которые искривляют траекторию протонов, и 400 фокусирующих квадрупольных магнитов, БАК должен быть оборудован 5000 корректирующими магнитами. Последняя часть LEP поднята на поверхность. За 14 месяцев из 27-километрового тоннеля было демонтировано и поднято на поверхность 40 000 тонн оборудования. Завершена работа над самой большой в мире экспериментальной пещерой, предназначенной для ATLAS. За 2 года была вырыта пещера 35м шириной, 55м длиной и 40м высотой.
2003. Опробована система передачи данных. Один терабайт данных послан из ЦЕРНа в Калифорнию на расстояние 10 000км за 1 час со скоростью 2.38 гигабит в секунду.
2004. Первый из 8 грандиозных тороидальных магнитов опущен в пещеру ATLAS.
2005. Закончено строительство пещеры для CMS, расположенной на глубине 100 м и имеющей 53 м в длину, 27 м в ширину и 24 м в высоту. Первый из 1232 сверхпроводящих дипольных магнитов (длина магнита 15 метров) опущен в тоннель. Система охлаждения достигла рабочей температуры 1.9 К (-271.3°C).
2006. Начал функционировать Центр Контроля ЦЕРНа, объединивший комнаты контроля ускорителя и комнату контроля охлаждающей системы.
2007. Последний из сверхпроводящих магнитов опущен в тоннель. За 2 года было установлено в тоннеле 1746 магнитных систем.
2008. Установлены последние элементы детекторов ATLAS и CMS. В «Дни открытых дверей» 5-го и 6-го апреля в ЦЕРНе побывало 76 000 посетителей. Это была последняя возможность посетить тоннель и 4 экспериментальные установки перед началом работы БАК.

Новейшая история БАК:
10 сентября 2008. Первый пучок протонов прошел по кольцу по часовой стрелке. За несколько последующих дней энергию протонов увеличивают до 5 TeV.
19 сентября 2008. Авария из-за электрического соединения между магнитами в секторе 3-4. Электрический пробой привел к выбросу 6 тонн жидкого гелия в тоннель. Работа БАК остановлена.
Сентябрь 2008 – ноябрь 2009. Ликвидация последствий аварии и обновление системы безопасности.
30 ноября 2009. Устойчивая работа БАК при энергии 1.18 TeV на каждый пучок. Все экспериментальные установки регистрируют столкновения.
30 марта 2010. Первые столкновения при энергии 3.5 TeV на пучок (полная энергия 7 TeV), что является новым мировым рекордом.
Май 2010 – сентябрь 2010. Повышение светимости БАК при энергии 3.5 TeV на пучок. Это должно привести к увеличению числа столкновений и, соответственно, к более надежным экспериментальным данным.

Точная длина ускорительного кольца 26 659 м. Полное число магнитов внутри – 9300. Охладительная установка является самым большим «холодильником» в мире. Все магниты вначале охлаждаются до -193.2°C (80 K) с помощью 10 080 тонн жидкого водорода, а затем 60 тоннами жидкого гелия до -271.3°C (1.9 K), ниже чем температура в космосе.

Максимальная энергия протонов должна быть 7 TeV (teraelectronvolt). То есть при столкновении встречных пучков относительная энергия протонов 14 TeV. При этом триллионы протонов должны пробегать ускорительное кольцо 11 245 раз за секунду имея 99.99% скорости света. Ожидается около 600 миллионов столкновений за секунду.

Чтобы избежать столкновения с молекулами газа, на пути пучка создается давление, как в космосе: 10-13 atm, что в 10 раз ниже, чем на Луне.

Объем данных, получаемых на экспериментах в БАК за год, будет соответствовать 100 000 двойных DVD дисков. Чтобы позволить тысячам ученых по всему миру анализировать эти данные в течении 15 лет (ожидаемое время работы БАК), десятки тысяч компьютеров, расположенных в разных точках планеты, объединены в вычислительную сеть, получившую название Grid.

В Большом Адронным Коллайдере пучки протонов (ионов для ALICE) пробегают ускорительное кольцо по двум трекам в противоположных направлениях параллельно друг другу, и только в детекторах их пути пересекаются, приводя к столкновениям. Существуют 4 основных детектора: ATLAS, CMS, LHCb и ALICE. Вот их краткое описание.

ATLAS
ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) является одним из основных детекторов БАК. Его основные задачи заключаются в поиске бозона Хиггса, дополнительных измерений, частиц темной материи и суперсимметричных партнеров обычных частиц. ATLAS состоит из 6 различных детектирующих подсистем, позволяющих идентифицировать частицы и измерять их энергии и импульсы. Отличительной характеристикой ATLAS являются огромные тороидальные магниты, искривляющие траектории заряженных частиц, что позволяет измерять импульсы этих частиц. На ATLASе работают около 3000 ученых из 174 институтов в 38 странах. ATLAS имеет 46 м в длину, 25 м в ширину, 25 м в высоту и весит 7 000 тонн.

CMS
CMS (Compact Muon Solenoid) аналогичен по своим задачам ATLASу. Однако для достижения этих задач CMS использует совершенно другие технические решения и совершено отличный дизайн детектирующей магнитной системы.
CMS детектор построен вокруг огромного соленоидного магнита. Магнит имеет форму цилиндрической катушки, состоящей из витков сверхпроводящих кабелей, генерирующих магнитное поле в 4 тесла, что в 100 000 раз сильнее магнитного поля Земли. В работе CMS принимают участие около 3000 ученых из183 институтов в 38 странах. Например, Украина представлена учеными из Харькова: институт монокристаллов НАН Украины, Харьковский физико-технический институт НАН Украины и Харьковский Национальный Университет. CMS имеет 21 м в длину, 15 м в ширину, 15 м в высоту и весит 12 500 тонн.

LHCb
LHCb (Large Hadron Collider beauty) специализируется на исследовании реакций с участием b кварка (beauty quark) для определении разницы в поведении материи и антиматерии. Это даст возможность понять почему мы живем во Вселенной почти полностью заполненной материей и лишь небольшой долей антиматерии. Вместо того, чтобы окружать точку столкновения замкнутыми детекторами, LHCb эксперимент использует последовательность параллельных детекторов, предназначенных для детектирования частиц, направленных, в основном, вперед. Первый детектор расположен близко к точке столкновения, а остальные идут друг за другом на общем расстоянии 20 м. В работе LHCb принимают участие около 700 ученых из 52 институтов в 15 странах. В том числе из Харьковского физико-технического института НАН Украины и Киевского института ядерных исследований НАН Украины. LHCb имеет 21 м в длину, 13 м в ширину, 10 м в высоту и весит 5 600 тонн.

ALICE
ALICE (A Large Ion Collider Experiment) предназначена для исследования кварк-глюонной плазмы. Предполагается, что именно в таком состоянии находилась Вселенная вскоре после Большого Взрыва. Для создания кварк-глюонной плазмы по ускорительному кольцу БАК разгоняются ионы свинца, которые сталкиваются в установке ALICE. В результате столкновений достигается температура в 100 000 раз горячее, чем в ядре Солнца, что должно создать условия для возникновения кварк-глюонной плазмы. В работе ALICE принимают участие более 1000 ученых из 111 институтов в 31 стране. В том числе из Харьковского физико-технического института НАН Украины, Харьковского научно-исследовательского технологического института приборостроения и Киевского института теоретической физики НАН Украины. ALICE имеет 26 м в длину, 16 м в ширину, 16 м в высоту и весит 10 000 тонн.

БАК построен, чтобы помочь ответить на ключевые, нерешенные вопросы физики элементарных частиц. С другой стороны, при тех энергиях, которые предполагается достичь на БАК, вполне могут быть открыты эффекты, о которых мы даже и не подозреваем сейчас.

В настоящее время господствующее положение в физике элементарных частиц занимает, так называемая, Стандартная модель. Однако она имеет ряд нерешенных проблем. Одна из таких проблем – это появление массы у частиц. Почему частицы имеют именно такие массы, которые мы наблюдаем на экспериментах? Почему некоторые из частиц вообще не имеют массы? На этот вопрос хорошо отвечает механизм, предложенный английским физиком Питером Хиггсом в 1964 году. В этом механизме критическую роль играет частица, получившая название бозона Хиггса. Однако до сих пор эту важную частицу не удавалось обнаружить. Причина заключалась в том, что энергии частиц в предыдущих ускорителях были не достаточно высокими, чтобы родить этот бозон. Однако БАК как раз обладает энергиями, достаточными для таких процессов. Одна из основных задач БАКа (эксперименты ATLAS и CMS) заключается в обнаружении бозона Хиггса.

Согласно современным наблюдениям, 96% энергии-массы во Вселенной составляют темная энергия и темная материя, которые с обычной материей взаимодействуют гравитационным образом. Однако до сих пор не понятно ни происхождение, ни природа этих темных составляющих. Одна из гипотез предполагает, что темная материя – это суперсимметричные партнеры обычных частиц. Такие суперсимметричные частицы предсказаны теорией суперсимметрии, выходящей за рамки Стандартной модели. На экспериментах ATLAS и CMS будет предпринята попытка обнаружения этих частиц.

Другой не решенной проблемой является абсолютная асимметрия между материей и антиматерией в нашей Вселенной. Вселенная заполнена материей, а антиматерия практически не наблюдается. Что привело к такой асимметрии? Эксперимент LHCb должен помочь ответить на этот фундаментальный вопрос.

Согласно модели Большого взрыва, спустя несколько микросекунд после взрыва Вселенная была заполнена кварк-глюонной плазмой. Это очень интересное состояние вещества, когда кварки находятся в почти свободном состоянии. Для понимания эволюции Вселенной на ранних этапах ее развития очень важно знать свойства такой плазмы. На эксперименте ALICE предполагается воссоздать условия возникновения кварк-глюонной плазмы и изучить ее свойства.

Сейчас предложен целый ряд теорий, предсказывающих существование дополнительных (к наблюдаемым нами 3-м пространственным измерениям) пространственных измерений. Например, М-теория, суперструнные теории имеют наиболее самосогласованный вид в моделях с числом пространственных измерений большим, чем 3. Если это так, то дополнительные измерения могут приводить к нарушению закона сохранения энергии-импульса в нашем 3-мерном пространстве (за счет передачи части энергии-импульса в дополнительные измерения). В многомерных теориях каждая обычная частица имеет бесконечный спектр массивных партнеров, называемых Калуцы-Клайновскими частицами. Они возникают за счет возбуждения соответствующих полей в дополнительных пространствах. Обнаружение нарушения закона сохранения энергии-импулься или обнаружение Калуцы-Клайновских частиц может послужить косвенным доказательством существования дополнительных измерений. Все детекторы БАК ориентированы на поиск данных эффектов.

Во-первых, микроскопическая черная дыра массой 1 TeV должна иметь гравитационный радиус, который на 16 порядков меньше, чем, так называемая, Планковская длина, при которой наступает предел применимости Общей теории относительности (ОТО). На меньших расстояниях должна применяться теория квантовой гравитации, которая на данный момент еще не построена. То есть с точки зрения ОТО, которая предсказывает появление черных дыр, мы вообще не имеем права рассматривать образование таких микроскопических объектов. Тем не менее, существует ряд теорий, например модели с дополнительными измерениями, где можно рассматривать процессы образования подобных микроскопических дыр. Однако обычно такие объекты являются чрезвычайно короткоживущими. Ну и самый главный аргумент в пользу безопасности ускорителей типа БАК заключается в том, что космические лучи, падающие на Землю с энергией в миллионы раз превосходящую 1 TeV, - это вполне рядовое событие. И за миллиарды лет существования Земли и Солнца никаких катастрофических явлений, связанных с возможным образованием микроскопических черных дыр, не произошло.

Фото1. Общий вид территории и схематическое расположение детекторов на ускорительном кольце.

Фото2. Въезд и вход на территорию ЦЕРНа по пропускам.

Фото3. Предшественник LEP и LHC - пузырьковая камера Гаргамель.

Фото4. Предшественник LHC – одна из высокочастотных ускорительных полостей, использовавшаяся в LEP.

Фото5. Globe – экскурсионно-выставочное здание ЦЕРН с дипольным магнитом LHC на переднем плане.

Фото6. Система криогенных установок для детектора ATLAS.

Фото7. ATLAS в разрезе. Один из торцевых магнитов. Профилактика детектора после аварии 2008 года.