Большой адронный коллайдер: машина, которая ищет начало Вселенной

Под землёй, на границе Франции и Швейцарии, на глубине 100 метров лежит самое сложное устройство, когда-либо построенное человеком. Его длина — 27 километров. Его задача — разогнать протоны почти до скорости света и столкнуть их друг с другом, чтобы заглянуть на мгновение после Большого взрыва.

Большой адронный коллайдер — или, как его чаще называют, БАК — это не просто «самый большой ускоритель». Это инструмент, который позволил нам впервые увидеть частицу, предсказанную за 48 лет до её открытия. Это машина, которая сталкивает протоны 40 миллионов раз в секунду и каждый раз воспроизводит условия, существовавшие через миллиардные доли секунды после рождения Вселенной.

Но давайте по порядку. Что это вообще такое, зачем это нужно, как оно работает и — главное — что мы уже успели узнать благодаря ему?

01 Зачем строить такую махину

Проблема фундаментальной физики в том, что большинство интересных вещей происходит на масштабах, которые невозможно увидеть глазом. Ядра атомов, кварки, бозоны — всё это «видно» только косвенно, через столкновения частиц высоких энергий. Чем выше энергия — тем более мелкие и массивные структуры можно «расколоть» и изучить.

Именно поэтому физики придумали кольцевой ускоритель: разгонять частицы по кругу, постепенно добавляя им энергии, и потом сталкивать. Чем больше кольцо — тем выше можно разогнать. БАК — 27 километров. Не потому что кто-то хотел рекорд, а потому что меньше — недостаточно.

02 Как это работает

Представьте себе огромную трубу, внутри которой — вакуум, почти как в открытом космосе. По этой трубе в двух направлениях летят пучки протонов. Их направляют с помощью сверхпроводящих магнитов, охлаждённых почти до абсолютного нуля — до минус 271,3 градуса Цельсия, холоднее, чем в открытом космосе. При такой температуре электрическое сопротивление исчезает, и магниты могут создавать поля в тысячи раз сильнее земного без потерь.

Протоны разгоняются постепенно: сначала в маленьких линейных ускорителях, потом в бустерных кольцах — и наконец попадают в главное кольцо. Там они набирают энергию 6,5 тераэлектронвольт каждый. Затем — столкновение. В четырёх точках кольца стоят детекторы: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb. Именно они фиксируют, что происходит после столкновения.

Мы не «смотрим» на частицы. Мы считаем их тени на огромных цифровых камерах, которые срабатывают миллионы раз в секунду. Из этих теней мы восстанавливаем, что произошло. — Из интервью физика ЦЕРН, 2012

03 Бозон Хиггса и другие открытия

Самое знаменитое открытие БАК — бозон Хиггса. Его предсказали ещё в 1964 году: без него теория элементарных частиц не сходилась. Частицы должны были быть безмассовыми, но по факту имеют массу. Хиггс предложил механизм: есть поле, проходя через которое частицы «набирают» массу. А бозон Хиггса — это возбуждение этого поля, его можно зафиксировать.

Поймать его удалось только в 2012 году, на БАК. Два детектора — ATLAS и CMS — независимо друг от друга подтвердили: частица найдена, её масса около 125 ГэВ. В 2013 году Питер Хиггс и Франсуа Энглер получили за это Нобелевскую премию по физике.

Но БАК открыл не только бозон. Он изучает кварк-глюонную плазму — состояние материи, которое существовало через микросекунды после Большого взрыва. Он исследует асимметрию между материей и антиматерией — почему Вселенная состоит из материи, а не из ничего. Он ищет следы тёмной материи, суперсимметрии и других гипотетических явлений.

04 Что дальше

С 2022 года БАК работает в режиме Run 3 — с ещё более высокой интенсивностью столкновений. В 2026–2028 годах его ждёт серьёзная модернизация: HL-LHC (High-Luminosity LHC). Это увеличит количество столкновений в 5–10 раз и позволит искать редкие процессы, которые сейчас просто теряются в шуме.

Основные надежды связаны с тёмной материей, с проверкой Стандартной модели на прочность и с поиском «новой физики» — явлений, которые мы пока не можем объяснить. Возможно, именно там, на глубине 100 метров, в тоннеле длиной 27 километров, человечество найдёт ответы на вопросы, которые пока кажутся неразрешимыми.

Или не найдёт. Но сам факт, что мы построили такую машину и научились ей пользоваться — уже одно из самых впечатляющих достижений науки.