Большой адронный коллайдер под Швейцарией и Францией только что разогнал свои первые атомы почти до скорости света, и результаты «превысили все ожидания».
Этот тест в первую очередь был доказательством, что такое вообще возможно. В будущем подобные эксперименты могут привести к революционным открытиям и даже созданию новых типов материи, в том числе и темной материи.
БАК известен опытами, в которых ученые разгоняли в этом 27-километровом туннеле лучи протонов и сталкивали их друг с другом, чтобы выяснить, какие странные и необычные новые частицы появятся в процессе. Так в 2012 году эти эксперименты привели к открытию бозона Хиггса. С тех пор мы узнали о множесте новых странных субатомных частиц, которые намекают нам на существование новой физики, а заодно и помогают нам подтверждать пределы реальности.
Но несмотря на целое десятилетие активных экспериментов, исследователи лишь сейчас ввели в устройство не частицы, из которых состоят атомы, а целиком атомы свинца с одним электроном.
Это была эксперементальная проверка концепции для новой идеи под названием Фабрика Гамма, в рамках которой БАК превратят в фабрику по производству массивных частиц и даже новых типов материи, в том числе и темной.
«Мы исследуем новые возможности по расширению действующей исследовательской программы ЦЕРНа и его инфраструктуры, — говорит Микаэла Шауманн, инженер БАКа. — Поиск возможностей — это первый шаг».
Каждый год в течение четырех недель перед ежегодным зимним отключением БАКа, исследователи проводят эксперменты, сталкивая не протоны, а атомные ядра. Но в этом году они потратили несколько дней, пробуя нечто кардинально новое, — разгон целых атомов.
Почему же ученые ни разу не пробовали это сделать? Потому что атомы свинца очень хрупкие, и очень легко случано отцепить единственный электрон, из-за чего ядро врезается в стенку туннеля.
А пуск высокоэнергетических лучей атомов в очень дорогое устройство, окруженное очень чувствительными магнитами, это не слишком уж надежный опыт.
Поэтому во время подготовки к главному тесту, физики сначала разогнали в БАКе ядро ксенона, а заодно и протестировали частично лишенные электронов атомы свинца в Протонном суперсинхотроне, втором по размеру ускорителе в ЦЕРН.
Пуск атомов свинца в БАК стал финальным этапом.
Во время первого запуска команда запустила 24 группы атомов и получила стабильный низкий по энергии луч внутри БАКа, который держался в течение часа.
Затем они запустили БАК на полную мощность и поддерживали луч на протяжении примерно 2 минут.
«Если слишком много частиц сбиваются с курса, БАК автоматически отключает луч, — говорится Шауманн. — Наш главный приоритет – это защита БАКа и его магнитов».
После перенастройки магнитов команда сделала ещё одну попытку, на этот раз запустив лишь шесть пучков атомов, и на этот раз им удалось удерживать луч на протяжении двух часов, прежде чем они намеренно его сбросили.
«По нашим расчетам срок жизни такого типа луча внутри БАКа должен быть минимум 15 часов», – говорит физик Витолд Красны(Witold Krasny), руководитель команды исследователей, занимающейся экспериментами с атомами.
«Мы удивились, когда узнали, что срок жизни может достигать и 40 часов. Теперь перед нами стоит другой вопрос: сможем ли мы поддерживать такой же срок с более сильным лучом, если оптимизируем настройки коллиматора, который во время этого эксперимента был настроен на протоны».
Если ученым удастся оптимизировать эти лучи атомов, на следующем этапе они начнут стрелять лазером в уже двигающийся луч, заставляя электроны перескакивать на более высокий энергетический уровень.
Когда электрон перескакивает обратно на более низкий уровень, он выделяет энергию в форме частицы света.
Но внутри БАКа атом будет двигаться близко к скорости света, поэтому энергия этой частицы света будет чрезвычайно велика, а длина волны будет сжата, что превратит ее в гамма луч.
Эти гамма лучи будут достаточно мощными, чтобы производить кварки, электроны и мюоны. И теоретически они смогут трансформироваться в более массивные частицы и потенциально даже новые типы материи, в том числе и темную.
«Они также могут стать источником новых типов лучей, в том числе луча из мюонов», – написано в пресс-релизе ЦЕРНа.
Впереди ещё много экспериментов, но человечество сделало первый шаг на пути к новой эре науки в БАКе.
