Цель создания большого адронного коллайдера

Цель создания большого адронного коллайдера, Зачем он нужен? Почему построен?

Еще в начале XX века в физике появились две основополагающие теории — общая теория относительности Альберта Эйнштейна, которая описывает Вселенную на микроуровне и квантовая теория поля, которая описывает Вселенную на микроуровне. Однако проблема в том, что эти теории несовместимы друг с другом. Например, для адекватного описания происходящего в черных дырах нужны обе теории, а они вступают в противоречие.

Эйнштейн многие годы пытался разработать единую теорию поля, но безуспешно, поскольку игнорировал квантовую механику. В конце 1960-х годов физикам удалось разработать Стандартную модель, которая объединяет три из четырех фундаментальных взаимодействий — сильное (его носителями являются частицы-глюоны), слабое (переносится векторными или калибровочными бозонами) и электромагнитное (его носителями являются частицы-фотоны). Однако четвертое — гравитационное (его носителями являются гравитоны) взаимодействие, по-прежнему описываются только в терминах общей теории относительности. Стандартная модель не может объяснить, почему одни частицы имеют большую массу, а другие не имеют ее вовсе. Есть гипотеза, что за массу отвечает особая частица — бозон Хиггса (предсказанный шотландским физиком Питером Хиггсом в 1964 году в рамках Стандартной модели).

Таким образом, в настоящее время фундаментальные взаимодействия описываются двумя общепринятыми теориями: общей теорией относительности и стандартной моделью. И, несмотря на предпринимаемые физиками усилия, их объединения пока достичь не удалось. Нет экспериментального подтверждения выдвигаемых гипотез — проблемы в том, что для проведения соответствующих экспериментов нужны энергии, недостижимые на современных ускорителях заряженных частиц.

Согласно Стандартной модели, все элементарные частицы относятся либо к классу лептонов (классу частиц-переносчиков взаимодействия), либо к классу адронов построенных из кварков. Элементарные и слабое взаимодействие удалось описать как разные проявления единой силы, а все силы, действующие во Вселенной (сильные, слабые, электромагнитные и гравитационные) при высоких энергиях сливаются воедино и проявляют себя как одна сила. Первыми объединяются слабое ядерное и электромагнитное взаимодействия, такое объединения двух сил можно наблюдать даже лабораторно при энергиях, развиваемых современными ускорителями элементарных частиц.

Сила, образованная таким объединением слабого и электромагнитного взаимодействия проявляется как сила электрослабого взаимодействия. Первые 10 в минус десятой степени секунды после Большого взрыва не было грани между слабым ядерным и электромагнитными силами. В следствие расширения Вселенной с момента Большого взрыва ее температура стала понижаться. Лишь после того, как средняя температура Вселенной понизилась до 10 в 14-ой степени К, все четыре наблюдаемых сегодня силовых взаимодействия разделились и стали проявлять себя как самостоятельные. Пока температура была выше  10 в 14-ой степени К, действовали только 3 силы: сильное, электрослабое и гравитационная.

Электрослабое взаимодействие начинает объединяться с сильным взаимодействием при температуре порядка 10 в 27-ой степени К. В лабораторных условиях такие энергии недостижимы. Даже БАК сможет разогнать частицы до энергий, которые составляют всего 10-8% от энергии, которая необходима для объединения электрослабого и сильного ядерного взаимодействия. Теории описывающие эти процессы, называют «теорией Великого объединения» или «теорией Большого объединения«. Напрямую проверить справедливость этой теории нельзя, но можно проверить прогнозы, которые она дает для процессов, протекающих на более низких энергиях (т.е. в областях экспериментально достижимых энергий). НА сегодняшний день все предсказания «теорий Великого объединения» для относительно низких энергий подтверждены экспериментально.

Таким образом, Стандартная модель представляет собой теорию строения Вселенной, но она не полна, т.к. не включает в себя гравитацию. На уровне «теория Большого объединения» возможности человечества в плане проверки универсальных теорий исчерпываются.

Теории, которые пытаются объединить все четыре типа взаимодействия, называют «Универсальными теориями«, «Теориями всего сущего» или «Теорией великого объединения«. Если бы у нас была такая теория, то это бы означало, что человечеству удалось построить замкнутую физическую картину мира, она бы включала в себя все базовые принципы и законы мироздания, и во всей Вселенной уже не было бы того, что мы не можем понять и списать. Эта заветная цель современной физики пока ещё далека от того, чтобы быть достигнутой, но уже сейчас делаются попытки построения таких теорий.

Мощность Большого адронного коллайдера позволяет физикам рассчитывать по крайней мере на то. что они смогут найти убедительные подтверждения верности Стандартной модели. В частности, они рассчитывают обнаружить Бозон Хиггса, выявить неэлементарность кварков. В столкновениях пучков тяжелых ядер физики надеются создать и условия Большого взрыва — отправной точки развития Вселенной. Считается, что в первые мгновения после взрыва существовала лишь кваркглюонная плазма, при этом в небольшом объеме пространства энергия оказывается столь велика, что весь этот объем заполнен кварками (внутренними составляющими протона) и глюонами (элементарными частицами, переносчиками сильного взаимодействия). Кварки в этом состоянии непрерывно аннигилируют и вновь рождаются из вакуума. Говоря о таком состоянии, трудно сказать — отнести это состояние к веществу или к состоянию самого пространства.

По прошествии одной сотой доли микросекунды после Большого взрыва кварки объединились по три и образовали протоны и нейтроны. До сих пор ни в одном эксперементе не удалось «расколоть» протон и выбить из него отдельные кварки. Но, возможно, Большой адронный коллайдер справится с этой задачей. В любом случае, запуск БАКа может кардинально перевернуть наше представления о пространстве и времени. Таким образом, сегодня мы находимся на пороге революции наших представлений о природе.

Комментарий “Цель создания большого адронного коллайдера

Комментарии закрыты