Ускорение элементарных частиц, о котором в последнее время говорят только применительно к Большому адронному коллайдеру, заинтересовало ученых как самостоятельный процесс. Ведь попытки запустить самый большой в мире ускоритель частиц не могли провалиться только из-за погрешностей в строении самого коллайдера. Проблема может быть еще и в теории.
Чтобы лучше понять механизм ускорения частиц, который в масштабах эксперимента должен был привести к моделированию Большого взрыва, исследователи решили найти более успешные, природные аналоги ускорителя элементарных частиц. И вот японские ученые представили доказательства того, что гигантскими ускорителями элементарных частиц являются грозы.
В рамках исследования они разместили специальные датчики на высоте около 3 км над уровнем моря на территории обсерватории Нокинура, где грозы — явление достаточно частое. В результате ученым удалось зарегистрировать гамма-излучение грозы, вспышка которой продолжалась примерно 90 с, а ее источник располагался на высоте примерно 90 м над детекторами. Столь небольшое расстояние позволило исследователям в деталях изучить вспышку. Ее зарождение происходит внутри облаков, где электроны ускоряются лавинообразно: разогнанные частицы создают электромагнитное поле, которое в свою очередь выбивает электроны из молекул газов, составляющих воздух. При этом процессе и выделяются гамма-лучи. Предполагается, что в качестве первых быстрых электронов выступают высокоэнергетические частицы, пришедшие из космоса.
Многие физики полагают, что дальнейшие наблюдения позволят связать ускорение электронов, порождающее молнии, с ускорением частиц внутри Большого адронного коллайдера, чтобы посмотреть, насколько эти процессы похожи и чем отличаются. Для сравнения, энергия некоторых фотонов вспышки молнии достигает 20 мегаэлектронвольт, или 20·10⁶ электронвольт. Ученые же планируют разогнать в коллайдере протоны с суммарной энергией 14 тераэлектронвольт, или 14·10¹² электронвольт, что почти в миллион раз больше энергии частиц молнии.
«На самом деле коллайдер не способен сконцентрировать такое количество энергии, — пояснил в одном из интервью профессор теоретической физики в Университете Беркли Уолтер Вагнер. — Установка должна разогнать триллионы частиц почти до скорости света и заставить их сталкиваться. То есть общее ускорение при столкновении вдвое превысит скорость света. В результате концентрация энергии составит 1,15 трлн электронвольт. Это должно соответствовать количеству энергии, выделенному во время Большого взрыва, когда зародилась Вселенная. Проблема в том, что, во-первых, все, что мы знаем о подобной концентрации энергии, известно лишь на уровне теории. И во-вторых, именно для подтверждения этих теорий и строился коллайдер».
Сегодня у специалистов CERN (Европейский совет ядерных исследований) получилось разогнать частицы в коллайдере лишь до появления небольших сгустков электроэнергии — шаровых молний, мощность которых равняется примерно 105 кВт, что эквивалентно мощности 100 электрических чайников. Плотность энергии шаровых молний (кВт ч на килограмм массы), которые возникали в результате испытания коллайдера, оказалась в тысячи раз выше, чем у современных аккумуляторов. Поэтому скептики, не верящие в сверхвозможности БАК, называют его генератором шаровых молний.
«Некоторые физики действительно сравнивают столкновения частиц в пучке космического излучения с условиями, которые будут созданы в туннеле европейского центра. Так, доктор Хоратуи Настасе из Брауновского университета считает, что шаровая молния, зафиксированная в процессе работы Ионного коллайдера (не путать с Большим адронным. — РБК daily), была аналогом двойной черной дыры, — отмечает Уолтер Вагнер. — Действительно, в отдельных случаях единичный протон может разогнаться до световой скорости в момент столкновения с относительно неподвижной частицей на Земле и все продукты этого столкновения исчезнут в космосе. Но ситуация с коллайдером совершенно другая. В столкновениях будут задействованы тысячи протонов и антипротонов, движущихся со скоростью в 99,9999991 процента от скорости света. Все частицы, полученные в результате этих столкновений, могут быть притянуты земной гравитацией, в том числе и первая миниатюрная черная дыра, возникшая в первые секунды после того, как коллайдер выйдет на полную мощность».
Таким образом, исследователи настаивают на том, что, хотя механизмы ускорения элементарных частиц в грозовых облаках и Большом адронном коллайдере одинаковы, мощность ускоренных частиц, преобразующихся в молнию, является максимумом, выход за рамки которого может привести к катастрофе. И тот факт, что коллайдер должен разогнать частицы в миллион раз быстрее, нежели это происходит в естественных условиях, вызывает справедливые опасения. Тем не менее, изучая поведение электронов в молнии, физики-ядерщики вполне могут скорректировать алгоритм работы БАК для того, чтобы получить желаемый результат, значительно снизив риск образования черных дыр и антиматерии.
В рамках исследования они разместили специальные датчики на высоте около 3 км над уровнем моря на территории обсерватории Нокинура, где грозы — явление достаточно частое. В результате ученым удалось зарегистрировать гамма-излучение грозы, вспышка которой продолжалась примерно 90 с, а ее источник располагался на высоте примерно 90 м над детекторами. Столь небольшое расстояние позволило исследователям в деталях изучить вспышку. Ее зарождение происходит внутри облаков, где электроны ускоряются лавинообразно: разогнанные частицы создают электромагнитное поле, которое в свою очередь выбивает электроны из молекул газов, составляющих воздух. При этом процессе и выделяются гамма-лучи. Предполагается, что в качестве первых быстрых электронов выступают высокоэнергетические частицы, пришедшие из космоса.
Многие физики полагают, что дальнейшие наблюдения позволят связать ускорение электронов, порождающее молнии, с ускорением частиц внутри Большого адронного коллайдера, чтобы посмотреть, насколько эти процессы похожи и чем отличаются. Для сравнения, энергия некоторых фотонов вспышки молнии достигает 20 мегаэлектронвольт, или 20·10⁶ электронвольт. Ученые же планируют разогнать в коллайдере протоны с суммарной энергией 14 тераэлектронвольт, или 14·10¹² электронвольт, что почти в миллион раз больше энергии частиц молнии.
«На самом деле коллайдер не способен сконцентрировать такое количество энергии, — пояснил в одном из интервью профессор теоретической физики в Университете Беркли Уолтер Вагнер. — Установка должна разогнать триллионы частиц почти до скорости света и заставить их сталкиваться. То есть общее ускорение при столкновении вдвое превысит скорость света. В результате концентрация энергии составит 1,15 трлн электронвольт. Это должно соответствовать количеству энергии, выделенному во время Большого взрыва, когда зародилась Вселенная. Проблема в том, что, во-первых, все, что мы знаем о подобной концентрации энергии, известно лишь на уровне теории. И во-вторых, именно для подтверждения этих теорий и строился коллайдер».
Сегодня у специалистов CERN (Европейский совет ядерных исследований) получилось разогнать частицы в коллайдере лишь до появления небольших сгустков электроэнергии — шаровых молний, мощность которых равняется примерно 105 кВт, что эквивалентно мощности 100 электрических чайников. Плотность энергии шаровых молний (кВт ч на килограмм массы), которые возникали в результате испытания коллайдера, оказалась в тысячи раз выше, чем у современных аккумуляторов. Поэтому скептики, не верящие в сверхвозможности БАК, называют его генератором шаровых молний.
«Некоторые физики действительно сравнивают столкновения частиц в пучке космического излучения с условиями, которые будут созданы в туннеле европейского центра. Так, доктор Хоратуи Настасе из Брауновского университета считает, что шаровая молния, зафиксированная в процессе работы Ионного коллайдера (не путать с Большим адронным. — РБК daily), была аналогом двойной черной дыры, — отмечает Уолтер Вагнер. — Действительно, в отдельных случаях единичный протон может разогнаться до световой скорости в момент столкновения с относительно неподвижной частицей на Земле и все продукты этого столкновения исчезнут в космосе. Но ситуация с коллайдером совершенно другая. В столкновениях будут задействованы тысячи протонов и антипротонов, движущихся со скоростью в 99,9999991 процента от скорости света. Все частицы, полученные в результате этих столкновений, могут быть притянуты земной гравитацией, в том числе и первая миниатюрная черная дыра, возникшая в первые секунды после того, как коллайдер выйдет на полную мощность».
Таким образом, исследователи настаивают на том, что, хотя механизмы ускорения элементарных частиц в грозовых облаках и Большом адронном коллайдере одинаковы, мощность ускоренных частиц, преобразующихся в молнию, является максимумом, выход за рамки которого может привести к катастрофе. И тот факт, что коллайдер должен разогнать частицы в миллион раз быстрее, нежели это происходит в естественных условиях, вызывает справедливые опасения. Тем не менее, изучая поведение электронов в молнии, физики-ядерщики вполне могут скорректировать алгоритм работы БАК для того, чтобы получить желаемый результат, значительно снизив риск образования черных дыр и антиматерии.
Обсуждения Ускорение элементарных частиц