Ускоритель заряженных частиц — класс устройств для получения заряженных частиц (элементарных частиц, ионов) высоких энергий. Современные ускорители, подчас, являются огромными дорогостоящими комплексами, которые не может позволить себе даже крупное государство. Например, возводимый в настоящий момент Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе, представляет собой кольцо периметром 27 километров, потребляющее 12000 МВт. В основе работы ускорителя заложено взаимодействие заряженных частиц с электрическим и магнитным полями. Электрическое поле способно напрямую совершать работу над частицей, то есть увеличивать её энергию.

 

      

 

        Магнитное же поле, создавая силу Лоренца, лишь отклоняет частицу, не изменяя её энергии, и задаёт орбиту, по которой движутся частицы. Ускорители можно принципиально разделить на две большие группы. Это линейные ускорители, где пучок частиц однократно проходит ускоряющие промежутки, и циклические ускорители, в которых пучки движутся по замкнутым кривым типа окружностей, проходя ускоряющие промежутки помногу раз. Можно также классифицировать ускорители по назначению: коллайдеры, источники нейтронов, бустеры, источники синхротронного излучения, установки для терапии рака, промышленные ускорители.

 

 

 

 

 

 

     Большой адро́нный колла́йдер (англ. LHC, Large Hadron Collider) — ускоритель, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов, строящийся в настоящее время в исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire). Одной из основных целей проекта LHC является открытие бозона Хиггса — важнейшей из экспериментально не найденных частиц Стандартной Модели (СМ) — а также поиск явлений физики вне рамок СМ. Также большое внимание планируется уделить исследованиям свойств W и Z-бозонов, ядерным взаимодействиям при сверхвысоких энергиях, процессам рождения и распадов тяжёлых кварков (b и t).

 

 

        Идея проекта LHC родилась в 1984 году и была официально одобрена десятью годами позже. Строительство LHC началось в 2001 году после окончания работы предыдущего большого ускорителя CERN — электрон-позитронного коллайдера LEP (Large Electron-Positron Collider).

На коллайдере LHC предполагается сталкивать протоны с суммарной энергией 14 ТэВ (то есть 14 тераэлектронвольт или 14·1012 электронвольт) в системе центра масс налетающих частиц, а также ядра свинца с энергией 5,5 ГэВ (то есть 5,5·109 электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов.

Большой адронный коллайдер строится в существующем туннеле, который прежде занимал LEP. Туннель с длиной окружности 26,7 км проложен на глубине около ста метров под землёй на территории Франции и Швейцарии. Для удержания и коррекции протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км. Последний из них был установлен в туннеле 27 ноября 2006 года. Магниты будут работать при температуре −271 °C. Строительство специальной криогенной линии для охлаждения магнитов закончено 19 ноября 2006 года.

         Информация о запуске Большого адронного коллайдера (LHC) восьмого июля 2008 года, появившаяся на некоторых сайтах, не соответствует действительности. Большинство СМИ ссылались на размещённый в интернете счётчик, источник информации которого неизвестен. На официальном сайте БАК дата запуска коллайдера не указана. Однако 8 июля 2008 г. в вечерней программе «Время» на Первом канале была объявлена ориентировочная дата тестового запуска коллайдера — октябрь 2008 г. В официальном коротком техническом отчёте CERN упоминается о том, что не все сектора охлаждены до нужной температуры и что пробная циркуляция пучков начнётся не раньше сентября 2008 года.

         Первые тестовые столкновения с энергией 900 ГэВ (так называемый Commission Run) должны быть проведены осенью 2008 года. Энергия сталкивающихся пучков во время Commission Run будет в два раза ниже, чем энергия в системе центра масс на коллайдере Tevatron. В конце 2008 года планируется выход на энергию 7 ТэВ, затем коллайдер закроют на зимний период, в течение которого его постараются оптимизировать. Весной 2009 года ускоритель заработает на полную энергию 14 ТэВ и будет постепенно повышать светимость.

          После запуска LHC будет самым высокоэнергичным ускорителем элементарных частиц в мире, почти на порядок превосходя по энергии своих ближайших конкурентов — протон-антипротонный коллайдер Tevatron, который в настоящее время работает в Национальной ускорительной лаборатории им. Э. Ферми (США) и Релятивистский коллайдер тяжёлых ионов RHIC, работающий в Брукхейвенской лаборатории (США).

 

 

       Светимость LHC во время Commission Run составит всего 1029 частиц/см²·с. Это весьма скромная величина. Однако, после запуска LHC для экспериментальных исследований светимость будет постепенно повышаться от начальной 5·1032 частиц/см²·с до номинальной 1,7·1034 частиц/см²·с, что по порядку величины соответствует светимостям современных B-фабрик BaBar (SLAC, США) и Belle (KEK, Япония). Выход на номинальную светимость планируется в 2010 году.

        Планируется, что на LHC будут работать четыре детектора: ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), CMS (Compact Muon Solenoid), LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment) и ALICE (A Large Ion Collider Experiment). Установки ATLAS и CMS предназначены для поиска бозона Хиггса и «нестандартной физики». Детектор LHCb оптимизирован под исследования физики b-кварков, а детектор ALICE для поиска кварк-глюонной плазмы или кварк-глюонной жидкости в столкновениях ионов свинца.

Россия принимает активное участие как в строительстве LHC, так и в создании всех четырёх детекторов, которые должны работать на коллайдере.

 

 

      Во время работы коллайдера расчётное потребление энергии комплексом ЦЕРНа составит 180 МВт. Предположительные энергозатраты ЦЕРНа 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.

 

Распределённые вычисления
Основная статья: LHC@home

 

      Для управления, хранения и обработки данных, которые будут поступать с ускорителя LHC и детекторов, создаётся распределённая вычислительная сеть LCG (LHC Computing GRID), использующая технологию Грид. Для определённых вычислительных задач будет задействован проект распределённых вычислений LHC@home.

 

 

 

         Некоторые специалисты и представители общественности высказывают опасения, что имеется отличная от нуля вероятность выхода проводимых в коллайдере экспериментов из-под контроля и развития цепной реакции, которая при определённых условиях теоретически может уничтожить всю планету. Точка зрения сторонников катастрофических сценариев, связанных с работой LHC, изложена на сайте. Из-за наличия подобных настроений в отношении проекта LHC иногда расшифровывают как Last Hadron Collider (Последний Адронный Коллайдер).

       В этой связи наиболее часто упоминается теоретическая возможность появления в коллайдере микроскопических черных дыр, а также теоретическая возможность образования сгустков антиматерии и магнитных монополей с последующей цепной реакцией захвата окружающей материи.

Указанные теоретические возможности были рассмотрены специальной группой CERN, подготовившей соответствующий доклад, в котором все подобные опасения признаются необоснованными. Адриан Кент опубликовал научную статью с критикой норм безопасности, которые продвигает CERN, поскольку ожидаемый ущерб (то есть произведение вероятности события на число жертв) является неприемлемым. А именно, при рисках глобальной катастрофы в 1 к 50 миллионам, которая является официальной оценкой CERN, математическое ожидание числа жертв составляет 120 человек, что является неприемлемо высоким по современным нормам безопасности.

     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. Упоминается также успешная работа ранее введённых в строй ускорителей, включая Релятивистский ионный коллайдер в Брукхейвене. Возможность образования микроскопических чёрных дыр не отрицается специалистами CERN, однако при этом заявляется, что такие объекты не могут возникать при энергиях коллайдера LHC в нашем четырёхмерном пространстве, так как для этого потребуется энергия большая на 16 порядков по сравнению с энергией пучков LHC. Гипотетические микроскопические чёрные дыры могут появляться в экспериментах на LHC в предсказаниях теорий с дополнительными пространственными измерениями. Такие теории пока не имеют каких-либо экспериментальных подтверждений. Однако, даже если черные дыры будут возникать при столкновении частиц на LHC, предполагается, что они будут чрезвычайно неустойчивыми вследствие излучения Хокинга и будут практически мгновенно испаряться в виде обычных частиц.

 

 

       По мнению сторонников катастрофического сценария, существует принципиальная разница между бомбардировкой Земли космическими частицами и экспериментами на ускорителе. В первом случае сталкиваются прилетающие из космоса ультрарелятивистские (летящие со скоростью, близкой к скорости света) элементарные частицы с элементарными частицами на Земле, скорость которых мала. Образующиеся частицы также являются ультрарелятивистскими и улетают в космическое пространство, не успев причинить Земле никакого вреда. В коллайдере сталкиваются пучки элементарных частиц, летящие с ультрарелятивистскими скоростями в противоположных направлениях. Образующиеся микроскопические чёрные дыры и другие опасные частицы могут вылетать с любыми скоростями.  Некоторые из них будут настолько медленными, что не смогут покинуть Землю.

       Общая теория относительности в том виде, как её построил Эйнштейн, не допускает возникновения микроскопических чёрных дыр в коллайдере. Однако они будут возникать, если верны теории с дополнительными пространственными измерениями. По мнению сторонников катастрофического сценария, хотя такие теории и умозрительны, вероятность того, что они верны, составляет десятки процентов. Эффект Хокинга, приводящий к испарению чёрных дыр, также является гипотетическим: он никогда не был экспериментально подтверждён. Поэтому есть достаточно большая вероятность того, что он не действует.

        Кроме того, высока вероятность образования страпелек.

 

 

 

 

      Коллайдер предназначен для ускорения и сталкивания частиц (адронов, атомарных ядер). Однако, существуют природные источники частиц, скорость и энергия которых значительно выше, чем в коллайдере. Такие природные частицы обнаруживают в космических лучах. Поверхность планеты Земля частично защищена от этих лучей, но, проходя через атмосферу, частицы космических лучей сталкиваются с атомами и молекулами воздуха. В результате этих природных столкновений в атмосфере Земли рождается множество стабильных и нестабильных частиц. В результате, на планете уже в течении многих миллионов лет присутствует естественный радиационный фон. То же самое происходит и в этом коллайдере, однако с меньшими скоростями и энергиями, и в гораздо меньшем количестве, но под присмотром множества датчиков, позволяющих изучить происходящие при этом процессы.

 

    

     Если чёрные дыры могут возникать в ходе столкновения элементарных частиц, они также будут и распадаться на элементарные частицы, в соответствии с принципом CPT-инвариантности, являющимся одним из самых фундаментальных принципов квантовой механики. Далее, если бы гипотетические стабильные чёрные дыры существовали, они бы образовывались в больших количествах в результате бомбардировки Земли космическими элементарными частицами. Но большая часть прилетающих из космоса высокоэнергетических элементарных частиц обладают электрическим зарядом, поэтому часть чёрные дыр были бы электрически заряжены. Эти заряженные чёрные дыры захватывались бы магнитным полем Земли и, будь они в самом деле опасными, давно разрушили бы Землю. Механизм Швиммера, делающий чёрные дыры электрически нейтральными, очень похож на эффект Хокинга и не может работать, если не работает эффект Хокинга. К тому же, любые чёрные дыры, заряженные или электрически нейтральные, захватывались бы белыми карликами и нейтронными звёздами (которые, как и Земля, бомбардируются космическим излучением) и разрушали их. В результате время жизни белых карликов и нейтронных звёзд было бы гораздо короче, чем наблюдаемое в действительности, кроме того, разрушаемые белые карлики и нейтронные звёзды испускали бы излучение, которое в действительности не наблюдается. Наконец, теории с дополнительными пространственными измерениями, предсказывающие возникновение микроскопических чёрных дыр, не противоречат экспериментальным данным только если количество дополнительных измерений не меньше 3. Но при таком количестве дополнительных измерений должны пройти миллиарды лет, прежде чем чёрная дыра причинит Земле сколько-нибудь существенный вред.

 

     Частицы, состоящие из верхних, нижних и странных кварков, обильно производятся в лабораторных условиях, но распадаются за время порядка 10-9 сек. Существует гипотеза, что достаточно большие ядра, состоящие из примерно равного количества верхних, нижних и странных кварков, являются стабильными, поскольку кварки относятся к фермионам, а принцип Паули запрещает двум одинаковым фермионам находиться в одном и том же квантовом состоянии. Если в ядре есть 3 разных типа кварков, а не 2, как в обычных ядрах, то большее количество кварков могут находиться в низкоэнергетических состояниях, не нарушая принципа Паули. Такие гипотетические ядра, состоящие из 3 типов кварков, называются страпельками.

     Гипотетически возможно, что страпельки каким-то неизвестным нам образом катализируют превращение обычной материи в страпельки. Однако даже в этой ситуации коллайдер не представляет опасности, поскольку энергии столкновения частиц там на порядки выше, чем те, при которых могут образовываться ядра (будь то обычные или страпельки). Кроме того, если бы страпельки возникали в LHC, они бы в ещё больших количествах возникали и в Релятивистском Ускорителе Тяжёлых Ионов, поскольку количество столкновений там выше, а энергии ниже. Но этого не происходит.

 

 

      По информации международного издания New Scientist, профессор Ирина Арефьева и доктор физико-математических наук Игорь Волович полагают, что этот эксперимент может привести к созданию машины времени. Якобы протонные столкновения могут породить червоточины.

Противоположных взглядов придерживается доктор физико-математических наук из НИИ ядерной физики МГУ Эдуард Боос, отрицающий возникновение на БАКе чёрных дыр, а следовательно, и временных червоточин.