Изучение фотон-адронных и фотон-фотонных столкновений

Электромагнитное взаимодействие частиц описывается как обмен (в ряде случаев виртуальными) фотонами. Другими словами, фотоны являются переносчиками электромагнитного поля. Протоны электрически заряжены и окружены электростатическим полем, соответственно это поле можно рассматривать как облако виртуальных фотонов. Всякий протон, особенно релятивистский протон, включает в себя облако виртуальных частиц как составную часть. При столкновении протонов между собой взаимодействуют и виртуальные частицы, окружающие каждый из протонов. Математически процесс взаимодействия частиц описывается длинным рядом поправок, каждая из которых описывает взаимодействие посредством виртуальных частиц определённого типа (см.: диаграммы Фейнмана). Таким образом, при исследовании столкновения протонов косвенно изучается и взаимодействие вещества с фотонами высоких энергий, представляющее большой интерес для теоретической физики. Также рассматривается особый класс реакций — непосредственное взаимодействие двух фотонов, которые могут столкнуться как со встречным протоном, порождая типичные фотон-адронные столкновения, так и друг с другом.

В режиме ядерных столкновений, из-за большого электрического заряда ядра, влияние электромагнитных процессов имеет ещё большее значение.

Протоны электрически заряжены, поэтому ультрарелятивистский протон порождает облако почти реальных фотонов, летящих рядом с протоном. Этот поток фотонов становится ещё сильнее в режиме ядерных столкновений, из-за большого электрического заряда ядра. Эти фотоны могут столкнуться как встречным протоном, порождая типичные фотон-адронные столкновения, так и друг с другом.

В ускорителе предполагается сталкивать протоны с суммарной энергией 14 ТэВ (то есть 14 тераэлектронвольт или 14·10+12 электронвольт), а также ядра свинца с энергией 5,5 ГэВ (5,5·10+9 электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов. Таким образом, БАК будет самым высокоэнергичным ускорителем элементарных частиц в мире.

Для удержания и коррекции протонных пучков используются 1 624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км. Магниты будут работать при температуре 1,9 K (−271 °C), которая достигается благодоря криогенной установке, работающей на жидком гелии.

Скорость частиц в БАК на встречных пучках близка к скорости света в вакууме. Разгон частиц до таких больших скоростей достигается в несколько этапов. На первом этапе низкоэнергетичные линейные ускорители Linac 2 и Linac 3 производят инжекцию протонов и ионов свинца для дальнейшего ускорения. Затем частицы попадают в PS-бустер и далее в сам PS (протонный синхротрон), приобретая энергию в 28 ГэВ. После этого ускорение частиц продолжается в SPS (протонный суперсинхротрон), где энергия частиц достигает 450 ГэВ. Затем пучок направляют в главное 26,7-километровое кольцо и в точках столкновения детекторы фиксируют происходящие события.

Процесс ускорения частиц в коллайдере и Потребление энергии

Скорость частиц в БАК на встречных пучках близка к скорости света в вакууме. Разгон частиц до таких больших энергий достигается в несколько этапов. На первом этапе низкоэнергетичные линейные ускорители Linac 2 и Linac 3 производят инжекцию протонов и ионовсвинца для дальнейшего ускорения. Затем частицы попадают в PS-бустер и далее в сам PS (протонный синхротрон), приобретая энергию в 28 ГэВ. При этой энергии они уже движутся со скоростью близкой к световой. После этого ускорение частиц продолжается в SPS (протонный суперсинхротрон), где энергия частиц достигает 450 ГэВ. Затем сгусток протонов направляют в главное 26,7-километровое кольцо, доводя энергию протонов до максимальных 7 ТэВ, и в точках столкновения детекторы фиксируют происходящие события. Два встречных пучка протонов при полном заполнении могут содержать 2808 сгустков каждый. На начальных этапах отладки процесса ускорения циркулируют лишь по одному сгустку в пучке длиной несколько сантиметров и небольшого поперечного размера. Затем начинают увеличивать количество сгустков. Сгустки располагаются в фиксированных позициях относительно друг друга, которые синхронно движутся вдоль кольца. Сгустки в определённой последовательности могут сталкиваться в четырёх точках кольца, где расположены детекторы частиц.

Кинетическая энергия всех сгустков адронов в БАКе при полном его заполнении сравнима с кинетической энергией реактивного самолета, хотя масса всех частиц не превышает нанограмма и их даже нельзя увидеть невооружённым глазом. Такая энергия достигается за счёт скорости частиц, близкой к скорости света.

Сгустки проходят полный круг ускорителя быстрее, чем за 0,0001 сек, совершая, таким образом, свыше 10 тыс. оборотов в секунду.

Во время работы коллайдера расчётное потребление энергии составит 180 МВт. Предположительные энергозатраты всего ЦЕРН на 2009 год с учётом работающего коллайдера — 1000 ГВт·ч, из которых 700 ГВт·ч придётся на долю ускорителя. Эти энергозатраты — около 10 % от суммарного годового энергопотребления кантона Женева. Сам ЦЕРН не производит энергию, имея лишь резервные дизельные генераторы.

Вопросы безопасности Большого адронного коллайдера

Основная критика

Некоторые специалисты и представители общественности высказывают опасения, что существует вероятность выхода проводимых в коллайдере экспериментов из-под контроля и развития цепной реакции, которая при определённых условиях теоретически может уничтожить всю планету. Из-за подобных настроений БАК иногда расшифровывают как Last Hadron Collider («Последний адронный коллайдер»). Аргументы скептиков, сомневающихся в безопасности БАК, изложены на соответствующих сайтах. Многие ученые считают недостаточно обоснованным обзор безопасности CERN «Review of the Safety of LHC Collisions» группы безопасности (LHC safety assessment group (LSAG)), представленной физиками-теоретиками Джоном Эллисом (John Ellis), Джианом Гуидче (Gian Giudice), Микеланджело Мангано (Michelangelo Mangano), Игорем Ткачевым и Урсом Видеманном (Urs Wiedemann), и требуют прекратить эксперименты на коллайдере и рассмотреть все аспекты безопасности экспериментов на коллайдере независимой междисциплинарной комиссией. В связи с опасностью экспериментов на БАК наиболее часто упоминается теоретическая возможность появления в коллайдере микроскопических чёрных дыра также теоретическая возможность образования сгустков антиматерии и магнитных монополей с последующей цепной реакцией захвата окружающей материи.Английский физик-теоретик Эдриан Кент опубликовал научную статьюс критикой норм безопасности, принятых CERN, поскольку ожидаемый ущерб (то есть произведение вероятности события на число жертв) является, по его мнению, неприемлемым.

Основная антикритика

В качестве основных аргументов в пользу необоснованности катастрофических сценариев приводятся ссылки на то, что Земля, Луна и другие планеты постоянно бомбардируются потоками космических частиц с гораздо более высокими энергиями. Такие природные частицы, энергии которых эквивалентны (и даже на порядки выше) энергиям на БАК, обнаруживают в космических лучах.

Часто в качестве гарантии безопасности упоминается успешная работа ранее введённых в строй коллайдеров RHIC и Теватрон. Но концентрация протонов и тяжелых ионов в БАК будет на порядок выше, чем в этих ускорителях. Поэтому коллайдеры, подобные LHC, могут представлять глобальную опасность, как реакционные системы, генерирующие уже не единичные явления, а экстремальные процессы, отсутствующие в земных условиях.

Возможность образования микроскопических чёрных дыр не отрицается специалистами CERN, однако при этом заявляется, что в нашем трёхмерном пространстве такие объекты могут возникать только при энергиях, на 16 порядков больших энергии пучков в БАК. Гипотетически микроскопические чёрные дыры могут появляться в экспериментах на БАК в предсказаниях теорий с дополнительными пространственными измерениями. Такие теории пока не имеют каких-либо экспериментальных подтверждений. Однако, даже если чёрные дыры будут возникать при столкновении частиц в БАК, предполагается, что они будут чрезвычайно неустойчивыми вследствие излучения Хокинга и будут практически мгновенно испаряться в виде обычных частиц. И для того, чтобы это произошло, микродыра должна разрастись до большого размера.

Указанные в критике теоретические возможности были рассмотрены специальной группой CERN, подготовившей соответствующий доклад, в котором все подобные опасения признаются необоснованными. По их расчетам максимальная верхняя оценка вероятности катастрофического сценария на БАК составляет 10⁻³¹.