Навстречу темной материи. Ученые перезапустили Большой адронный коллайдер, чтобы сделать открытие века

Что происходит

Ученые из Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN) 22 апреля перезапустили Большой адронный коллайдер (БАК). Цель нового эксперимента — поиск пятой силы природы, которая, возможно, приблизит человечество к разгадке тайны темной материи.

• Это уже третий запуск БАК. Второй сеанс его работы приостановили в 2018 году для технического обслуживания и модернизации, но пауза затянулась  из-за пандемии. Ожидается, что третий сеанс работы коллайдера продлится до 2026 года.
• Ученые надеются благодаря работе БАК сделать открытия, которые приведут к научной революции.

Почему это важно

С помощью Стандартной модели (СМ) ученые описывают большинство процессов во Вселенной. Однако некоторые типы взаимодействия частиц объяснить пока невозможно, поэтому физики ищут пятую силу. 

• С ее помощью они надеются изучить природу явлений в космосе и происхождение жизни.
• Звезды и межзвездное вещество — это лишь 5% во Вселенной. Все остальное пока невозможно обнаружить, в том числе темную материю — это что-то вроде космической паутины, которая удерживает галактики вместе. 
• По мнению ученых, пятую силу также можно использовать как источник энергии, причем не только на Земле, — например, для полетов в дальний космос. С ее помощью, вероятно, можно достичь и скорости света. Предположительно, из 0,5 кг темной материи можно произвести в 5 млрд раз больше энергии, чем из 0,5 кг динамита.

История вопроса

Большой адронный коллайдер — это ускоритель в виде кольца, который разгоняет элементарные частицы почти до скорости света, а затем сталкивает их. 

• Он работает с определенным классом частиц — адронами, поэтому и называется адронный.
• БАК находится на границе между Францией и Швейцарией, возле Женевы, в тоннеле на глубине 100 м. Длина ускорителя — почти 27 км.
• Это самая крупная экспериментальная установка в мире. БАК строили 10 лет. В его создании участвовали свыше 10 тыс. ученых и инженеров из 100 стран. Потрачено было около €4,6 млрд. Впервые коллайдер запустили в 2008 году.
• В БАК воспроизводятся процессы, которые реально происходят в природе. Это нужно для того, чтобы найти новые частицы и новые типы взаимодействия между ними, например, ту самую пятую силу.

Пока единственным открытием, сделанным  с помощью БАК, стал бозон Хиггса или частица Бога. Ради ее обнаружения в том числе и был запущен коллайдер. Об открытии бозона Хиггса объявили в 2012 году. 

• В 1970-х годах физик-теоретик Питер Хиггс и еще несколько ученых предположили, что Вселенную пронизывает некое поле, при взаимодействии с которым частицы приобретают массу. Это поле и назвали полем Хиггса, а составляющие его частицы — бозоном Хиггса.
• Спустя 40 лет в ходе экспериментов в БАК ученые, в том числе российские, наконец, доказали существование этой частицы, а Хиггс получил Нобелевскую премию. 
• Ученые выяснили, что после Большого взрыва частицы приобрели массу под воздействием бозонов Хиггса. Они по сути ответили на вопрос, почему во Вселенной действуют именно такие физические законы. Поэтому бозон Хиггса стали называть частицей Бога.

Контекст

БАК будет работать примерно до 2040 года, а после еще минимум 50 лет ученые будут обрабатывать полученные данные. 

• После ныне действующего коллайдера CERN планирует построить новый. Длина Future Circular Collider, как ожидается, составит 100 км, а его мощность будет превосходить БАК минимум в 7 раз. 
• К 2030 году в Китае также намерены создать ускоритель — самый большой и мощный в мире, он будет в 7 раз больше БАК. Длина замкнутого контура коллайдера составит 100 км. 
• В подмосковной Дубне с 2016-го строится коллайдер NICA на базе Объединенного института ядерных исследований. Частично он был запущен в феврале 2022-го, а в полную силу заработает в 2023-м. Длина ускорителя составляет 503 метра. С его помощью ученые намерены выяснить, как в первые мгновения после Большого взрыва во Вселенной образовались протоны и нейтроны.