Задачи, стоящие перед LHC

Общий вид LHC — циклический (то есть кольцевой) коллайдер; пучки протонов или ядер свинца циркулируют в нём непрерывно, совершая свыше 10 тысяч оборотов в секунду и сталкиваясь на каждом круге со встречным пучком. На рисунке 1 показана схема расположения основных элементов ускорительного кольца LHC. Рис. 1. Общий вид ускорительного кольца LHC   Всё кольцо LHC поделено на восемь секторов, границы которых отмечены точками от 1 до 8. На каждом участке (1–2, 2–3 и т. д.) стоят в ряд магниты, управляющие протонным пучком. Благодаря магнитному полю поворотных магнитов сгустки протонов не улетают прочь по касательной, а постоянно поворачиваются, оставаясь внутри ускорительного кольца. Эти магниты формируют орбиту, вдоль которой движутся протоны. Кроме того, специальные фокусирующие магниты сдерживают поперечные колебания протонов относительно «идеальной» орбиты, не давая им задевать стенки довольно узкой (диаметром несколько сантиметров) вакуумной трубы. Внутри ускорителя идут рядом друг с другом две вакуумные трубы, по которым циркулируют два встречных протонных пучка, каждый в своем направлении. Эти две трубы объединяются в одну только в специально выделенных местах — в точках 1, 2, 5, 8. В этих точках происходят столкновения встречных протонных пучков, и именно вокруг них построены четыре основных детектора: два крупных — ATLAS и CMS, и два средних — ALICE и LHCb. Вблизи двух крупных экспериментов установлены также два специализированных мелких детектора — TOTEM и LHCf. В точке 4 расположена ускорительная секция. Именно здесь протонные пучки при разгоне получают с каждым оборотом дополнительную энергию. В точке 6 находится система сброса пучка. Здесь установлены быстрые магниты, которые в случае необходимости уводят пучки по специальному каналу прочь от ускорителя. В точках 3 и 7 установлены системы чистки пучка; кроме того, эти места зарезервированы для возможных будущих экспериментов. Протонные пучки попадают в LHC из предварительного ускорителя SPS. Линии передачи пучка (Tl2 и Tl8), соединяющие два этих кольцевых ускорителя вместе со специальными магнитами на каждом из них, составляют вместе инжекционный комплекс коллайдера LHC (от слова «инжекция» — впрыскивание пучка). Поскольку на SPS пучок крутится только в одну сторону, инжекционный комплекс состоит из двух линий и имеет несимметричный вид. В ускорительное кольцо SPS протоны попадают из источника через цепочку еще меньших ускорителей.   Заключение

Современная теория элементарных частиц опирается на определенную симметрию между электромагнитными и слабыми взаимодействиями — электрослабую симметрию. Считается, что эта симметрия была в ранней Вселенной и из-за нее частицы были поначалу безмассовы, но на каком-то этапе она самопроизвольно нарушилась, и частицы приобрели массу. В теории элементарных частиц для этого нарушения электрослабой симметрии был придуман хиггсовский механизм. Именно его должен будет изучить LHC.

Для этого в эксперименте потребуется открыть хиггсовский бозон — частицу-отголосок хиггсовского механизма. Если этот бозон будет найден и изучен, физики узнают, как протекало нарушение симметрии, и даже, возможно, создадут новую, более глубокую теорию нашего мира. Если этот бозон не будет найден (ни в каком виде), то потребуется серьезный пересмотр Стандартной модели элементарных частиц, поскольку без хиггсовского механизма она работать не может.

В экспериментах на ускорителях высоких энергий изучаются самые экстремальные состояния материи. Хотя эти экстремальные состояния возникают в крошечных объемах и на совершенно ничтожное время, эти объекты всё же «чужеродны» для привычного нам мира. Поэтому при проектировании новых ускорителей на сверхвысокие энергии полезно задавать себе вопрос: “не могут ли эксперименты на этом ускорителе нанести вред окружающему нас миру?”

Этот вопрос был, разумеется, поставлен перед началом работы над созданием LHC, и на него был дан отрицательный ответ. Физики-экспериментаторы — по-хорошему консервативные люди, и если бы существовали малейшие поводы для реальных сомнений в безопасности LHC, события развивались бы совсем иначе.

Для того чтобы максимально объективно изучить и изложить положение вещей, при LHC была создана специальная группа LSAG (the LHC Safety Assessment Group), которая снова перепроверила вопросы безопасности LHC. Ее окончательный отчет основан на более свежих теоретических, экспериментальных и наблюдательных данных и подтверждает, а иногда и усиливает более ранние выводы (подобные отчеты делались и раньше, в том числе и для других ускорителей).

Ниже перечислены четыре возможности, которые, в принципе, могли бы привести к «катастрофическому сценарию» экспериментов на LHC. Для каждого варианта кратко описано, при каких теоретических предположениях он мог бы реализоваться, и затем приведены экспериментальные или астрофизические данные, которые доказывают безопасность LHC.

Главный аргумент против «катастрофического сценария» заключается в том, что, по меркам природы, LHC — очень скромный эксперимент. Когда космические лучи бомбардируют Землю, то время от времени происходят столкновения, энергетически эквивалентные столкновениям на LHC. За всё время существования Земли она «накопила» столкновений в сто тысяч раз больше, чем планируется набрать на LHC за время его работы. Если же принять во внимание другие небесные тела, то число возрастает на порядки. Оценено, что каждую секунду во Вселенной происходят миллионы экспериментов, превосходящих LHC по энергии и количеству столкновений.

В прессе иногда пишут, что, согласно ЦЕРНу, официальная оценка вероятности катастрофического сценария — 1 шанс к 50 миллионам. Это неверная информация. Во-первых, в отчетах по безопасности фигурирует не сама вероятность, а ограничение сверху на эту вероятность (то есть утверждается, что эта вероятность заведомо меньше некоторого предела, но какая она на самом деле, не утверждается). Оценить вероятность того, что какая-то экзотическая теория окажется верной, вряд ли возможно, а из наблюдательных данных (то есть отсутствия свидетельств разрушения небесных тел под действием космических лучей) ничего, кроме ограничения сверху, определить нельзя. Во-вторых, фигурирующие в отчете ограничения сверху на много порядков меньше этого числа.