Основные этапы работы ЦЕРН

1954 год — начало строительства первого ускорителя: протонного синхроциклотрона, который заработал в 1957 году.
1959 год — запуск протонного синхротрона (PS), который стал на несколько лет самым мощным ускорителем в мире: он разгонял протоны до энергий 28 ГэВ.
1967 год — был построен первый в мире коллайдер — ускоритель, в котором осуществляются столкно­вения встречных пучков частиц.
1976 год — заработал суперпро­тонный синхротрон (SpS), который в 1981 году был приспособлен для протон-антипротонных столкновений.
1983 год — на SpS открыли W- и Z-бозоны — переносчики слабого взаимодействия. Важность открытия была столь высока, что на следующий год физики, обнаружившие эти частицы, получили Нобелевскую премию (Симон ван дер Мер, Карло Руббиа).
В начале 1980-х годов был предложен проект ускорителя, осуществляющего столкно­вения электронов и их антиподов — позитронов, — большой электрон-позитронный коллайдер (LEP). Осенью 1983 года началось строительство LEP. В долине Женевского озера на глубине ста метров был вырыт кольцевой туннель общей длиной 27 километров. Качество подземных работ было столь высоким, что, когда в 1988 году два конца туннеля соединились, расхождение между ними составило всего один сантиметр. В точках пересечения встречных пучков ускорителя были построены четыре эксперимен­тальные установки, каждая из которых состояла из большого числа детекторов частиц.

Ускоритель неоднократно пере­страивался для достижения всё бо́льших энергий частиц. То, как физики и инженеры пытались добиться повышения энергии столкно­вения, — отдельная и большая история. Не останавливаясь на ней, приведем лишь такой факт: ученые установили зависимость энергии разгоняемых частиц от положения Луны по отношению к Земле, от уровня воды в Женевском озере, от прибытия поездов на железно­дорожный вокзал Женевы и от многих других, казалось бы, незначи­тельных факторов. Причина их влияния — небольшие деформации кольца ускорителя, ухудшающие фокусировку пучков. Ювелирный учет таких тонкостей помог довести энергию столкновения до 210 ГэВ.

LEP за одиннадцать лет работы подарил физикам много интересных результатов, самые важные из которых — всестороннее изучение W- и Z-бозонов. Современные представ­ления о природе этого типа взаимо­действия сложились именно под влиянием результатов работы ускорителя LEP. Эксперименты на LEP позволили показать, что на самом деле слабое и электро­магнитное взаимо­действия имеют сходную природу и могут быть объединены в рамках одного взаимо­действия — электрослабого. А отсюда уже не так далеко до теории Великого объединения, над которой ломают головы физики всего мира.

Большой адронный коллайдер

В начале 1990-х, когда на новеньком ускорителе LEP еще не успела высохнуть краска, ученые в ЦЕРН уже начинали задумываться над тем, что бы такое построить следом за ним. И придумали — программу «Как все началось».

В декабре 1991 года Совет ЦЕРН одобрил проект ускорителя нового поколения — Большого адронного коллайдера (LHC). Для него был не нужен новый туннель — вполне годился и старый, тот, что был вырыт для LEP. Решено было, что «ускорители-старички» PS и SpS также не останутся без работы — они будут придавать частицам перво­начальную энергию.

Строительство LHC началось в ноябре 2000 года. В 27-километровом туннеле построено новое кольцо труб, в котором с помощью особым образом расположенных сверхпроводящих магнитов, поле которых составит более 8 тесла, будут одновременно разгоняться два пучка протонов. Важная характеристика — светимость, величина, пропор­циональная количеству протон-протонных соударений за единицу времени, — будет в сто раз больше достигнутых значений. За одну секунду на эксперимен­тальных установках LHC будет происходить более одного миллиарда соударений! Кроме протонов, на LHC планируется разгонять и тяжелые ядра атомов — например, свинца. Запуск LHC был намечен на 2008 год. В работе над созданием LHC принимают участие 720 российских ученых.

Большой адронный коллайдер - крупнейшая в мире установка для ускорения, накопления и столкновения пучков частиц сверхвысоких энергий. На ускорителе будут сталкиваться пучки протонов с энергиями до 7 тераэлектронвольт (ТэВ) и пучки ускоренных ядер с энергиями до 1150 ТэВ. Причем это будут не только самые энергичные, но и самые интенсивные пучки в мире. Длина вакуумного кольца, в котором будут ускоряться частицы, — 27 километров. Чтобы удержать пучок частиц в кольце, необходимы сильные магнитные поля, которые можно получить только с использованием эффекта сверхпроводимости. LHC будет самой большой сверхпроводящей установкой в мире с удерживающим магнитным полем величиной 10 Тесла. Около 4000 тонн металла будет охлаждено до температуры на 291° ниже комнатной (-271° по Цельсию, всего на 2° выше абсолютного нуля температур). В результате ток в 1,8 миллиона ампер будет проходить по сверхпроводящим кабелям почти без потерь.

Зачем физикам такой мощный ускоритель?

В 2008 году ученые планируют воспроизвести в ядерной лаборатории те далекие первозданные условия, когда еще не было протонов и нейтронов, а существовала сплошная кварк-глюонная плазма. Иными словами, исследователи надеются увидеть мир элементарных частиц в том виде, каким он был всего через доли микросекунд после Большого взрыва, то есть после образования Вселенной. Программа называется «Как все началось».

Кроме того, уже более 30 лет в научном мире выстраиваются теории, объясняющие наличие массы у элементарных частиц. Одна из них предполагает существование бозона Хиггса. Эту элементарную частицу называют ещё божественной, поскольку, возможно, именно благодаря хиггсовским полям наш мир приобретает массу и способность двигаться по инерции в нужном направлении. Как сказал один из сотрудников ЦЕРН, «поймав следы Хиггс-бозона, я приду к своей бабушке и скажу: погляди, пожалуйста, — вот из-за этой маленькой штучки у тебя столько лишних килограммов». Но эксперимен­тально существо­вание бозона пока подтвердить не удалось: все надежды — на ускоритель LHC.

Система GRID — продолжение WWW

Специалисты ЦЕРН подсчитали, что потоки данных, генерируемые LHC, будут огромными. Для сравнения можно сказать, что они превысят объемы всей телекомму­никационной инфор­мации, циркули­рующей сегодня по Европе. Четыре гигантских детектора этого ускорителя будут накапливать больше чем 10 миллионов гигабайтов данных о событиях при столкновении частиц в течение каждого года. Это эквивалентно содержанию примерно 20 миллионов компьютерных компакт-дисков. Существу­ющий сегодня способ исполь­зования компьютеров не позволит справиться с обработкой такого гигантского объема данных. Поэтому в ЦЕРН предложена принципиально новая концепция. По аналогии с электрическими сетями (electric power grid) ее назвали GRID.

Она заключается в возмож­ности производить вычисления с помощью глобальных компьютерных ресурсов, то есть, используя процессоры удаленных компьютеров. Другими словами, идея GRID проста: сеть — это и есть один огромный супер­компьютер, натянутый на Земной шар. GRID подсоединит миллионы компьютеров из всех регионов Земли к телескопам астрономов, микроско́пам биологов, суперкомпьютерам математиков и, наконец, к ускорителям физиков. Как обработать гигантские объемы данных? Где их хранить? Как получить доступ к ним с другого конца земного шара? GRID позволит решить такие задачи, оптимизировав работу с тераба́йтами информации. Ученые ЦЕРН уверены, что новая система произведет революцию, по своему значению подобную появлению интернета.