Зачем все-таки нужен адронный коллайдер?

Вы когда-нибудь задумывались откуда мы все появились? Задумывались как возникла наша Вселенная? И что было в начале всего? Конечно, это сложные вопросы на которые трудно дать ответы, однако, как это ни странно, приблизится к разгадкам всех этих тайн Вселенной, мы сможем с помощью труб, называемых адронным коллайдером.

Итак, в Дубне, в Институте Ядерных исследований, есть ускоритель Нуклотрон и вы только представьте, это настоящая машина времени! Он может «перенести» нас в прошлое более чем на 13 миллиардов лет. Итак, давайте же разберёмся, как же он это делает.

Зачем физикам вообще нужны ускорители? По сути, это их огромные микроскопы, они позволяют заглянуть вглубь материи и изучить её свойства. Конечно, всем знакомы обычные оптические микроскопы, но они ограничены длинной волны видимого света, поэтому в них невозможно разглядеть отдельные атомы, а тем более их структуру. Также существуют электронные микроскопы, в которых для освещения объекта, используется пучок электронов, а характерный размер электрона, меньше, чем длина волны видимого света, поэтому в такие микроскопы можно увидеть детали кристаллической решётки и отдельные атомы.

Но что, если хочется разглядеть ещё более мелкие детали? Тут возникает небольшая проблема: рассматриваемые элементы могут быть настолько малы, что частицы, которые используются для освещения, могут просто разрушить, то что мы исследуем. Но с другой стороны, это и хорошо, ведь по разлетающимся осколкам, мы можем более детально разглядеть строение вещества. Логично предположить, что чем больше скорость частиц при столкновении, тем условно на большее количество осколков можно разбить вещество и более детально его изучить. Именно поэтому физики и строят такие огромные ускорители, которые разгоняют и сталкивают частицы на скоростях, практически равных скорости света.

Ускоритель

Так как же устроены ускорители? Они бывают разных типов, но принцип один и тот же. В них используется сильное электрическое поле, чтобы разогнать частицы и сильное магнитное поле, чтобы изменить траекторию частиц и они двигались по окружности. Как раз здесь используются электромагниты из сверхпроводящих материалов, которые охлаждаются до очень низких температур (-269) и создают очень сильное магнитное поле. Раньше для этого использовался Синхрофазотрон, ускоритель, который был построен более 60 лет назад. Общий вес конструкции составляет 36 000 тонн. Такие масштабы связаны с тем, что в то время не умели сильно фокусировать пучок частиц, поэтому тоннель для их пролёта должен был быть огромным. Но всё же? Зачем всё это нужно? На ускорителях были найдены фундаментальные частицы материи, которые называются кварки. Мы знаем, что в центре каждого атома, находится ядро, которое состоит из протонов и нейтронов, которые как раз и состоят из кварков. Удерживаются вместе они благодаря особым силам, которые возникают из-за обмена перекидывания специальными виртуальными частицами — глюонами. При соударении частиц, кварки из которых они состоят по идее должны разлетаться в разные стороны. Однако они обладают следующим свойством. Мы не можем наблюдать кварки по отдельности, если два кварка будут удалятся друг от друга, то тогда между ними, в пустоте, возникнет ещё пара кварков, они притянутся к удаляемым и образуют с ними какие-то частицы. А при столкновении частиц, выделяется очень много энергии и она может преобразоваться в вещество имеющее массу, а точнее в кварки, которые обмениваются глюонами. Образование это может иметь размеры атомного ядра и называется кварк-глюонной плазмой. Это месиво из кварков и глюонов, которые ещё не успели объединиться в более крупные структуры. Именно в таком состоянии находилась наша Вселенная в первые миллионные доли секунды после большого взрыва. Только вообразите, когда-то, когда наша Вселенная была размером с футбольный мяч, когда ещё не существовало протонов и нейронов, она была с состоянии кварк-глюонной плазмы. И дальше события развивались так: через тысячную долю секунды, кварки начали объединятся в протоны и нейтроны, через сто секунд, появились первые ядра, через 380 000 лет начали образовываться первые атомы и только потом, через миллионы лет появились первые звёзды и галактики.

Последовательность событий

Но почему же галактики, звёзды, туманности, такие, а не какие-то другие? Ответы на эти вопросы можно получить, изучая то, что было в самом начале, то есть кварк-глюонную плазму. Так что ускорители, которые её создают, будут ещё долго служить на благо науке.

Кварк-глюонная плазма после столкновения частиц (разноцветные линии в центре)

Ускоритель Нуклотрон, станет частью масштабного проекта уровня mega science, под названием коллайдер NICA. Его ещё называют младшей сестрой (странно что сестрой, а не братом) большого адронного коллайдера, расположенного в Церне. Пока, никто не знает какую именно пользу, могут принести исследования в этой области, ведь они приносят плоды через десятилетия, но изучив материю на принципиально новом уровне, нам рано или поздно придёт осознание того, как это использовать. Нас может ожидать открытие новых измерений и параллельных Вселенных и многое другое, так что этот труд не напрасен.

Схема коллайдера NICA