Свойства темной материи и «частицы Бога»: что ученые намерены узнать с помощью адронного коллайдера и насколько они близки к разгадке тайны зарождения Вселенной

Что произошло

Ученые из Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN) запустили Большой адронный коллайдер (БАК) и разогнали до максимальной мощности — 13,6 тераэлектронвольт.

• В таком режиме он будет работать круглосуточно почти 4 года — до 2026-го. 
• Ученые перезапустили и начали разгонять коллайдер в апреле текущего года — в тот месяц он работал на 450 гигаэлектронвольт. 
• Текущий запуск прибора — третий по счету. Второй сеанс работы коллайдера был закончен в декабре 2018 года, после чего на протяжении 3 лет специалисты занимались его ремонтом и модернизацией. Работу предполагалось закончить в 2021 году, но в 2020-м планы ученых нарушила пандемия коронавируса — и третий пуск перенесли на 2022 год.

Как это работает

• Большой адронный коллайдер был впервые запущен в 2008 году, он располагается на 100-метровой глубине под швейцарско-французской границей. 
• Установка представляет собой 27-километровый кольцевой туннель, в котором установлен ускоритель заряженных частиц, позволяющий разгонять их и сталкивать на околосветовых скоростях. Вероятность таких столкновений ничтожно мала, но когда они происходят, ученые получают данные для корректирования законов физики.

• Внутри прибора ученые могут создать для своих экспериментов такие условия, которых нет больше нигде на Земле, — например, в 2012 году в БАК удалось достичь рекордной температуры в 5,5 трлн градусов (в 350 тыс. раз горячее, чем на Солнце).
• В общем смысле все это необходимо ученым, чтобы понять, как устроен окружающий мир и в буквальном смысле проникнуть в тайны мироздания, поскольку внутри коллайдера можно создать даже такие экстремальные условия, которые, по предположениям ученых, существовали во время зарождения Вселенной. 

За чем следить

• Предполагается, что коллайдер будет работать примерно до 2040 года, а после еще минимум 50 лет ученые будут обрабатывать полученные данные. 
• CERN готовится к новым научным открытиям. Среди прочего ученые намерены исследовать свойства бозона Хиггса, который также называют «частицей Бога». Сам бозон был обнаружен как раз благодаря столкновению частиц в коллайдере, и, как отмечают в СМИ, это было «одно из самых важных открытий в науке». Теперь новые, более высокие мощности работы коллайдера позволят ученым чаще наблюдать рождение бозонов и благодаря этому лучше понять их природу.
• Кроме того, в ходе экспериментов с коллайдером физики надеются приблизиться к пониманию того, как образуется темная материя, — сейчас ученые знают о ней только то, что она существует и влияет на движение планет, звезд и галактик. Однако исследователи затрудняются описать ее свойства, поскольку, в отличие от обычного вещества, она не поглощает, не отражает и не испускает свет.
• Также ученые надеются, что более высокие мощности коллайдера помогут им «открыть что-то новое, какую-то новую частицу» и, «возможно, новую физику».

История вопроса

Изначально коллайдер был создан в основном ради обнаружения частицы, которая получила название бозон Хиггса (в честь физика-теоретика Питера Хиггса, который ее описал). Эту частицу ученые всего мира пытались найти десятки лет.

• Это нужно, чтобы приблизиться к разгадке тайны возникновения вселенной. Ученые, как отмечал британский астрофизик Стивен Хокинг, стремятся найти «теорию всего», которая описывала бы все процессы во Вселенной и могла ответить на вопрос о ее возникновении.
• Начиная с 1990-х годов ученые начали склоняться к тому, что ответ на вопрос о возникновении Вселенной сможет дать теория струн. Однако она не объясняла, как так вышло, что элементарные частицы имеют определенную массу. Тогда ученые предположили, что на это влияет другая частица — ее впоследствии назвали бозоном Хиггса. Она, по сути, являлась недостающим элементом в Стандартной модели Вселенной.
• Наконец, в 2012 году ученые сообщили, что, предположительно, обнаружили искомый бозон. Окончательно все сомнения удалось развеять лишь в 2013 году, после серии тестов.
• Однако, несмотря на то что исследователям удалось обнаружить частицу, существование которой отвечает на вопрос «Почему во Вселенной действуют именно такие физические законы?», универсальную «теорию всего» ученым сформулировать пока не удалось.
• При этом коллайдер все же был построен не только ради обнаружения одного бозона. С его помощью проводятся сотни параллельных экспериментов, и уже было сделано множество открытий. Например, благодаря ему ученые смогли изучить свойства кварк-глюонной плазмы — вещества, которое, как считается, заполняло Вселенную в первые мгновения ее жизни.

Фото обложки: CERN