Что же представляет из себя адронный коллайдер? Это ускоритель, разгоняющий частицы высокой энергии почти до скорости света с помощью воздействия электромагнитных полей. Такое название устройство получило потому, что работает с определенным классом частиц – адронами (составными частицами, подверженными сильному ядерному взаимодействию) – и в процессе сталкивает их (англ. collider – сталкиватель).

Первый в мире адронный коллайдер ISR был запущен еще в 1971 году в том же ЦЕРНе. Устройство было небольшим – 943 м в длину, а максимальная энергия частиц, до которой оно могло их разогнать, – 28 ГэВ. В 1980-х годах работу ISR остановили и направили финансовые средства, которые уходили на его содержание, на строительство более мощного электрон-позитронного коллайдера. Последний проработал до 2001 года, пока его не сменил Большой адронный коллайдер – на сегодняшний день самый мощный ускоритель адронов в мире.

БАК находится на границе между Францией и Швейцарией, возле Женевы, в тоннеле глубиной 100 м. Длина ускорителя – почти 27 км, а максимальная энергия частиц, до которой он может их разогнать, – 7 ТэВ, что почти в 230 раз больше, чем у первого адронного коллайдера.

Большой адронный коллайдер является самой крупной экспериментальной установкой в мире – в строительстве, которое длилось почти 10 лет, принимало участие более 10 000 ученых и инженеров из 100 стран. Затраты на создание БАКа оцениваются в Ђ4,6 млрд.

Для чего нужен Большой адронный коллайдер? В физике элементарных частиц есть важный постулат – Стандартная модель. Это теория, описывающая, как взаимодействуют элементарные частицы нашего мира: кварки, бозоны, лептоны, барионы. Ученым интересны эти отношения, потому что в результате них могут появиться новые или очень редкие элементы, которые слабо или вообще не изучены. Это, в свою очередь, позволит узнать больше о мире и его материи.

Чтобы открывать новые частицы, нужно проводить эксперименты. В этом ученым и помогают коллайдеры. Установки воспроизводят процессы, которые в действительности происходят в природе, то есть сталкивают друг с другом заряженные частицы материи – протоны с протонами или электроны с позитронами. После этого собранные данные фиксируются и передаются на компьютер. У ученых есть возможность детально изучить результаты взаимодействия заряженных частиц: обнаружить следы распада мюонов, пи– и К-мезонов и другие события, возникшие в коллайдере. Помимо поиска черных дыр и обнаружения бозона Хиггса, перед адронным коллайдером стоит еще несколько задач.

? Поиск суперсимметрии, то есть подтверждение теории о том, что у каждой элементарной частицы Вселенной есть суперсимметричный партнер. Если БАК сможет доказать это явление, то подтвердится, что Стандартная модель – не единственная теория устройства элементарных частиц, а лишь часть большой системы микромира.

? Изучение топ-кварков – самых тяжелых элементарных частиц. Их свойства недостаточно изучены и потому интересны физикам.

? Изучение кварк-глюонной плазмы, которая возникает при столкновении ядер свинца. Исследование этого явления поможет ученым построить более совершенные теории сильных взаимодействий частиц.

На сегодняшний день бозон Хиггса – единственное открытие, сделанное на Большом адронном коллайдере. Эта элементарная частица была необходима ученым, чтобы объяснить нарушение электрослабой симметрии, в результате которой другие частицы, которые изначально ничего не весили, приобрели массу.

Чтобы объяснить нарушение симметрии, в 1970-х годах Питер Хиггс и еще несколько ученых выдвинули теорию, согласно которой Вселенную пронизывает некое поле, при взаимодействии с которым частицы приобретают массу. Позже его назвали полем Хиггса. Для подтверждения теории ученым нужно было найти и доказать существование бозона Хиггса – основы материи поля Хиггса.

Несколько десятков лет Франсуа Энглерт и Питер Хиггс путем экспериментов пытались обнаружить бозон Хиггса, но все было безрезультатно. Эту частицу сложно увидеть, потому что она нестабильна, а появившись, сразу распадается – нужно было мощное оборудование, которое сможет запечатлеть следы ее распада. Однако с помощью экспериментов на электрон-позитронном коллайдере ученые смогли определить примерную массу бозона Хиггса, что значительно облегчило поиски.

Работы были продолжены на Большом адронном коллайдере, и в 2012 году экспериментаторы объявили, что каждый из них наблюдал новую частицу, которая своей массой и другими признаками похожа на бозон Хиггса. В 2013 году находку ученых официально признали, а Франсуа Энглерт и Питер Хиггс получили Нобелевскую премию за свои открытия. И кстати, инопланетяне тут были ни при чем. Если только не считать, что сами Энглерт и Хиггс были замаскировавшимися пришельцами.

А вот в 2020 году Нобелевская премия по физике, действительно, ушла в черную дыру. Награду получили астрофизики Роджер Пенроуз, Рейнхард Гензель и Андреа Гез. Каждый сделал свое открытие, находившееся в пограничных областях. В частности, Пенроузу премию присудили за открытие того, что образование черных дыр является надежным предсказанием общей теории относительности. А Гензель и Гез получили награду за открытие сверхмассивного объекта в центре Млечного Пути. Интересно, что на сегодня существуют два реалистичных и два гипотетических варианта создания черных дыр: катастрофически быстрое сжатие массивной звезды или центра части галактики; и, соответственно, сотворение черных дыр как последствия Большого взрыва и возникновение в ядерных реакциях высоких энергий.

Продолжая тему, дзен-канал «Популярная наука» замечает, что черные дыры не вечны. На первый взгляд, эти объекты лишь втягивают в себя все окружающее, но согласно квантовой теории тяготения, черная дыра, поглощая, должна непрерывно излучать, теряя при этом свою энергию. Чем больше «энергии-массы» потеряно, тем больше температура и скорость излучения, что в итоге приводит к взрыву. Остается ли что-то потом от черной дыры или нет, неизвестно. Ответ на этот вопрос может дать квантовая теория гравитации, над которой собираются хорошенько поработать в ближайшие пару десятков лет. При этом существуют три теории «функционирования» черных дыр. Согласно первой, черных дыр во Вселенной конечное количество, они находятся в каждой галактике, следовательно, они могут являться способом перемещения в пространстве, своеобразным телепортом – зашел в эту черную дыру, вышел из другой. Причем можно «регулировать» не только место, в которое попадешь, но и время (именно на это намекал Стивен Бассет, когда говорил, что пришельцы проникают в Солнечную систему через черные дыры). Вторая теория опирается на теорию множественности миров Хью Эверетта, согласно которой количество Вселенных бесконечно. Благодаря этому появилась гипотеза, что черные дыры являются проходом в другую Вселенную. Физические законы во всех Вселенных могут различаться, но лишь проходные пункты – черны дыры – незыблемы, хоть и не вечны.