Большой Адронный Коллайдер

Оглавление

Введение. 2

1. Определение  адронного коллайдера 3

2.Поставленные  задачи 4

2.1.Проблема  противоречия ОТО и СМ 4

2.2.Изучение  t-кварков 5

2.3.Изучение  механизма электро-слабой симметрии 6

2.4.Изучение  кварк-глюонной плазмы 6

2.5.Поиск суперсимметрии 8

2.6.Изучение  фотон-адронных и фотон-фотонных  столкновений 10

2.7.Проверка  экзотических теорий 10

3.Из истории  адронного коллайдера 11

3.1.Строительство 11

3.2.Испытания 12

4.Технические  характеристики 15

4.1.Процесс  ускорения частиц в коллайдере 15

4.2.Потребление  энергии 16

5.Неконтролируемые  физические процессы 16

5.1.Аргументы  в пользу катастрофического сценария 16

5.2.Аргументы  против катастрофического сценария 17

5.2.1.Сравнение  с природными скоростями и  энергиями 17

5.2.2.Микроскопические  черные дыры 18

5.2.3.Страпельки 22

5.2.4.Машина  времени 23

Заключение. 23

Введение.

10 сентября 2008 года был  произведен официальный запуск  Большого адронного коллайдера. По прогнозам создателей данного  проекта, результаты опытов с  БАК должны перевернуть современные  представления о физической картине  мира.

Нами был проведен опрос  среди учащихся 10 класса, в ходе которого были заданы следующие вопросы: Знаете ли вы, что такое БАК? Имеете ли вы представление о целях запуска  БАК?  Когда и кем был запущен  БАК? Знаете ли вы об итогах его запуска? Результаты опроса были такими: всего 5 учащихся класса имеют частичное  представление о БАК.

В связи с недостаточной  осведомленностью большого количества людей о современных достижениях  физики, которые предположительно имеют большое влияние на наше будущее, нам показалось интересным выбрать тему «Большой адронный коллайдер» для научной работы в 10 классе.

Перед нами поставлены следующие  цели и задачи:

1. Познакомиться с устройством БАК
2. Изучит основные физические задачи, которые лежат в основе данного проекта
3. Получить информацию о результатах испытаний БАК

В ходе научной работы мы убедились, что в книжных источниках нет никакой информации, посвященной БАК из-за новизны и противоречивости данного проекта, поэтому основную информацию мы нашли в сети интернет и в ссылках на научные статьи в газетах и журналах.

1. Определение адронного  коллайдера

Большой адро́нный колла́йдер (англ. Large Hadron Collider, LHC; сокр. БАК) — ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (фр. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, CERN), на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы. По состоянию на 2008 год БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире.

Большим БАК назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м; адронным — из-за того, что он ускоряет адроны, то есть частицы, состоящие из кварков; коллайдером (англ. collide — сталкиваться) — из-за того, что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных местах.

2.Поставленные задачи

2.1.Проблема противоречия ОТО и СМ

В начале XX века в физике появились две основополагающие теории — общая теория относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна, которая описывает Вселенную на макроуровне, и квантовая теория поля или стандартная модель, которая описывает Вселенную на микроуровне. Проблема в том, что эти теории несовместимы друг с другом.

В рамках теории относительности, являющейся дальнейшим развитием специальной теории относительности, постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а деформацией самого пространства-времени, которая связана, в частности, с присутствием массы-энергии. Таким образом, в ОТО гравитация не является силовым взаимодействием.

Согласно СМ же, весь материальный мир состоит из кварков (образующих, в частности протоны и нейтроны, то есть ядерную материю) и лептонов (наиболее известным из которых является электрон). Взаимодействие кварков и лептонов происходит посредством обмена частицами-переносчиками: глюонами (сильное взаимодействие), бозонами (слабое взаимодействие) и фотонами (электромагнитное взаимодействие). Существенной чертой СМ является то, что частицы приобретают массу за счет взаимодействия со скалярными полями, носящими название полей Хиггса. Следует заметить, что экспериментального наблюдения кванта этих полей или хиггсовского бозона произведено еще не было.

Эйнштейн многие годы пытался  разработать единую теорию поля, но безуспешно, поскольку игнорировал квантовую механику. В конце 1960-х физикам удалось разработать. Стандартную модель (СМ), которая объединяет три из четырёх фундаментальных взаимодействий — сильное, слабое и электромагнитное. Гравитационное взаимодействие по-прежнему описывают в терминах ОТО. Таким образом, в настоящее время фундаментальные взаимодействия описываются двумя общепринятыми теориями: ОТО и СМ. Их объединения пока достичь не удалось из-за трудностей создания теории квантовой гравитации.

Для дальнейшего объединения  фундаментальных взаимодействий в  одной теории используются различные  подходы: теория струн, теория супергравитации, петлевая квантовая гравитация и др. Некоторые из них имеют внутренние проблемы, и ни у одной из них нет экспериментального подтверждения. Проблема в том, что для проведения соответствующих экспериментов нужны энергии, недостижимые на современных ускорителях заряженных частиц.

БАК позволит провести эксперименты, которые ранее было невозможно провести и, вероятно, подтвердит или опровергнет  часть этих теорий.

2.2.Изучение t-кварков

Ква́рк — фундаментальная частица в Стандартной модели, обладающая электрическим зарядом +(2/3)e, и не наблюдающаяся в свободном состоянии. Из кварков состоят адроны, в частности, протон и нейтрон.

Слово «кварк» было заимствовано Гелл-Манном из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», где в одном из эпизодов звучит фраза «Three quarks for Muster Mark!» (обычно переводится как «Три кварка для мистера Марка!»). Само слово «quark» в этой фразе предположительно является звукоподражанием крику морских птиц.

 В настоящее время  известно 6 разных «сортов» кварков. К одному из этих «сортов» и принадлежит t-кварк.

t-кварк или истинный кварк (англ. truth) или верхний кварк (англ. top) — кварк с зарядом +(2/3)e, принадлежащий к третьему поколению. Был открыт в 1995 г. в экспериментах на коллайдере Теватрон, который в настоящее время (до запуска Большого адронного коллайдера) является единственным в мире экспериментальным комплексом, где могли появляться t-кварки.

t-кварки интересуют физиков не только сами по себе, но и как «рабочий инструмент» для изучения хиггсовского бозона. Один из наиболее важных каналов рождения хиггсовского бозона в БАК — ассоциативное рождение вместе с t-кварк-антикварковой парой. Для того, чтобы надёжно отделять такие события от фона, надо вначале хорошо изучить свойства самих топ-кварков.

2.3.Изучение механизма электро-слабой симметрии

Одной из основных целей  проекта является экспериментальное  доказательство существования бозона Хиггса — частицы, предсказанной шотландским физиком Питером Хиггсом в 1960 году в рамках Стандартной Модели. Бозон Хиггса является квантом так называемого поля Хиггса, при прохождении через которое частицы испытывают сопротивление, представляемое нами как масса. Сам бозон нестабилен и имеет большу́ю массу (более 120 ГэВ). На самом деле, физиков интересует не столько сам хиггсовский бозон, сколько хиггсовский механизм нарушения симметрии электрослабого взаимодействия. Именно изучение этого механизма, возможно, натолкнёт физиков на новую теорию мира, более глубокую, чем СМ.

2.4.Изучение кварк-глюонной плазмы

Ожидается, что в ускорителе в режиме ядерных столкновений будут  происходить не только протон-протонные  столкновения, но и столкновения ядер свинца. При неупругом столкновении двух ядер на ультрарелятивистских скоростях  на короткое время образуется и затем  распадается плотный и очень  горячий комок ядерного вещества или кварк-глюонная плазма.

Кварк-глюонная плазма (хромоплазма) – состояние вещества в физике высоких энергий и физике элементарных частиц, при котором адронное вещество переходит в состояние, аналогичное состоянию, в котором находятся электроны и ионы в обычной плазме.

  Обычно вещество в адронах находится в так называемом бесцветном («белом») состоянии. То есть, кварки различных цветов компенсируют друг друга. Аналогичное состояние есть и у обычного вещества — когда все атомы электрически нейтральны, то есть, положительные заряды в них компенсированы отрицательными. При высоких температурах может происходить ионизация атомов, при этом заряды разделяются, и вещество становится, как говорят, «квазинейтральным». То есть, нейтральным остаётся всё облако вещества в целом, а отдельные его частицы нейтральными быть перестают. Точно так же, по-видимому, может происходить и с адронным веществом — при очень высоких энергиях, цвет выходит на свободу и делает вещество «квазибесцветным».

Предположительно, вещество Вселенной  находилось в состоянии кварк-глюонной плазмы в первые мгновения после Большого Взрыва. Кварк-глюонная плазма может на короткое время образовываться при соударениях частиц очень высоких энергий. Именно такого рода эксперименты будут проводиться на БАК, соответственно там и будет производиться изучение этого уникального вещества.

2.5.Поиск суперсимметрии

Суперсимме́трия — гипотетическая симметрия, связывающая бозоны и фермионы (квазичастицы) в природе. Абстрактное преобразование суперсимметрии связывает бозонное и фермионное квантовые поля, так что они могут превращаться друг в друга. Образно можно сказать, что преобразование суперсимметрии может переводить вещество во взаимодействие (или в излучение), и наоборот.

Основная физическая модель современной  физики высоких энергий — Стандартная модель — не является суперсимметричной, но может быть расширена до суперсимметричной теории. Минимальное суперсимметричное расширение Стандартной модели называется «минимальная суперсимметричная Стандартная модель» (МССМ). Первый вариант МССМ предложили в 1981 году американские физики Говард Джорджи и Савас Димопулос.

Достоинства суперсимметрии:

• Решение проблемы иерархии. Одно из её проявлений — величина радиационных поправок к массе бозона Хиггса. В рамках Стандартной модели поправки к массе скалярного поля имеют квадратичную форму и оказываются существенно больше, чем масса поля. Для сокращения таких поправок к массе Хиггса параметры Стандартной модели должны иметь очень точно определённые значения. В рамках МССМ поправки, как к фермионным массам, так и скалярным, имеют логарифмическую форму, и их сокращение происходит более естественно, но требует точной суперсимметрии. Кроме того, данное решение проблемы иерархии предполагает, что массы суперпартнёров не могут быть больше, чем несколько сотен ГэВ. Этот аргумент позволяет ожидать открытие суперсимметрии на коллайдере LHC.
• Унификация калибровочных бегущих констант. Известно, что в калибровочных теориях возникает явление бегущей константы, то есть значение константы взаимодействия изменяется в зависимости от того, на каком энергетическом масштабе наблюдается взаимодействие. Стандартная модель базируется на трёх различных калибровочных группах. Значения констант этих групп различны на малых энергиях, и с увеличением энергии они меняются. На энергетическом уровне порядка 100 ГэВ две константы становятся одинаковыми (явление электрослабого объединения). На энергетическом уровне 10¹⁶ ГэВ все три константы сходятся примерно к одному значению, но в Стандартной модели они не могут стать равными друг другу. То есть, строго говоря, в рамках Стандартной модели «великое объединение» (электрослабого и сильного взаимодействия) невозможно. Поправки за счёт новых полей МССМ меняют вид энергетической эволюции констант, так что они могут сойтись в одну точку.
• Тёмная материя. За последние годы в астрофизике наблюдаются явления, указывающие на существование тёмной материи. В МССМ естественно возникает кандидат на объяснение этого феномена — нейтралино, нейтральная стабильная частица

По состоянию на начало 2008 года суперсимметрия является физической гипотезой, не подтверждённой экспериментально. Совершенно точно установлено, что наш мир не является суперсимметричным в смысле точной симметрии, так как в любой суперсимметричной модели фермионы и бозоны, связанные суперсимметричным преобразованием, должны обладать одинаковыми массой, зарядом и другими квантовыми числами (за исключением спина). Данное требование не выполняется для известных в природе частиц. Предполагается, тем не менее, что существует энергетический лимит, за пределами которого поля подчиняются суперсимметричным преобразованиям, а в рамках лимита — нет. В таком случае частицы-суперпартнёры обычных частиц оказываются очень тяжёлыми по сравнению с обычными частицами. Поиск суперпартнёров обычных частиц — одна из основных задач современной физики высоких энергий. Ожидается, что Большой адронный коллайдер, возобновление работы которого планируется к 2009 году, сможет открыть и исследовать суперсимметричные частицы, если они существуют, или поставить под большое сомнение суперсимметричные теории, если ничего не будет обнаружено.

2.6.Изучение фотон-адронных и фотон-фотонных столкновений

Для начала следует вспомнить  определения фотона и адрона.

Фотон — элементарная частица, переносчик электромагнитного взаимодействия, квант электромагнитного излучения (в узком смысле − света). Это безмассовая частица, способная существовать, только двигаясь со скоростью света. Заряд фотона также равен нулю.

Адрон — класс элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию и не являющихся истинно элементарными.

Протоны электрически заряжены, поэтому ультрарелятивистский протон порождает облако почти реальных фотонов, летящих рядом с протоном. Этот поток фотонов становится ещё сильнее в режиме ядерных столкновений, из-за большого электрического заряда ядра. Эти фотоны могут столкнуться как со встречным протоном, порождая типичные фотон - адронные столкновения, так и друг с другом.

2.7.Проверка экзотических теорий

Теоретики в конце XX века выдвинули огромное число необычных идей относительно устройства мира, которые все вместе называются «экзотическими моделями». Сюда относятся теории с сильной гравитацией на масштабе энергий порядка 1 ТэВ, модели с большим количеством пространственных измерений, преонные модели, в которых кварки и лептоны являются составными частицами, модели с новыми типами взаимодействия. Дело в том, что накопленных экспериментальных данных оказывается всё ещё недостаточно для создания одной-единственной теории. А сами все эти теории совместимы с имеющимися экспериментальными данными. Поскольку в этих теориях можно сделать конкретные предсказания для БАК, экспериментаторы планируют проверять предсказания и искать следы тех или иных теорий в своих данных. Ожидается, что результаты, полученные на ускорителе, смогут ограничить фантазию теоретиков, закрыв некоторые из предложенных конструкций.

3.Из истории адронного  коллайдера

3.1.Строительство

Идея проекта Большого адронного коллайдера родилась в 1984 году и была официально одобрена десятью годами позже. Его строительство началось в 2001 году, после окончания работы предыдущего ускорителя — Большого электрон-позитронного коллайдера.

В ускорителе 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 (5,5·10⁹ электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов. Таким образом, БАК будет самым высокоэнергичным ускорителем элементарных частиц в мире, на порядок превосходя по энергии своих ближайших конкурентов — протон-антипротонный коллайдер Тэватрон, который в настоящее время работает в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (США), и релятивистский коллайдер тяжёлых ионов RHIC, работающий в Брукхейвенской лаборатории (США).

Ускоритель расположен в  том же туннеле, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер. 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 1,9 K (−271 °C). Строительство специальной криогенной линии для охлаждения магнитов закончено 19 ноября 2006 года.

3.2.Испытания

2008 год

11 августа успешно завершена первая часть предварительных испытаний. Во время испытаний пучок заряженных частиц прошёл чуть более трёх километров по одному из колец БАК. Таким образом, учёным удалось проверить работу синхронизации предварительного ускорителя, так называемого протонного суперсинхротрона (SPS), и системы правой доставки луча. Эта система передаёт в основное кольцо разогнанные пучки таким образом, что они начинают двигаться по кольцу по часовой стрелке. В результате испытаний удалось оптимизировать работу системы.

24 августа прошёл второй этап испытаний. Была протестирована инжекция протонов в ускорительное кольцо БАК в направлении против часовой стрелки.

10 сентября был произведён официальный запуск коллайдера. В 12:24:30 по московскому времени (по официальной информации, в 12:28 по московскому времени) запущенный пучок протонов успешно прошёл весь периметр коллайдера по часовой стрелке. В 17:02 по московскому времени запущенный против часовой стрелки пучок протонов также успешно прошёл весь периметр коллайдера.

12 сентября, примерно в 00:30 по московскому времени, команде БАК удалось запустить и непрерывно удерживать циркулирующий пучок в течение 10 минут. Чуть позже пучок был запущен вновь и циркулировал уже непрерывно, прерываясь лишь в случае необходимости. На этом задача по установлению циркулирующего пучка завершилась, и физики приступили к подробным тестам магнитной системы.

19 сентября, в 14:05 по московскому времени, в ходе тестов магнитной системы сектора 3-4 (34) произошёл инцидент, в результате которого БАК вышел из строя. Согласно данным предварительного расследования, подтверждённым и детализированным позднее, один из электрических контактов между сверхпроводящими магнитами расплавился под действием возникшей из-за увеличения силы тока электрической дуги, которая пробила изоляцию гелиевой системы охлаждения (криогенной системы), что привело к выбросу около 6 тонн жидкого гелия в туннель и, как следствие, резкому росту температуры. Для восстановления криогенной системы потребуется вернуть этот участок ускорителя к комнатной температуре, а после ремонта — охладить его снова до рабочей температуры.

23 сентября официальный представитель ЦЕРНа сообщил, что БАК возобновит работу не раньше весны 2009 года.

16 октября ЦЕРН распространил пресс-релиз, в котором описываются промежуточные результаты расследования инцидента, произошедшего 19 сентября. Подробная техническая информация представлена в четырёхстраничном отчёте.

21 октября состоялась торжественная церемония официального открытия (инаугурация) БАК.

29 октября, в ходе восьмого заседания Комиссии по работе LHC (LHC Performance Committee), Роберто Сабан (Roberto Saban) озвучил подробности, касающиеся сектора 3-4 ускорительного кольца LHC, который пострадал во время сентябрьской аварии. Докладчик показал схему повреждённого участка ускорительного кольца, на которой было отмечено, насколько сместились те или иные магниты во время аварии. Новый анализ показал, что поднимать на поверхность для ремонта потребуется в 2-3 раза больше магнитов, чем было заявлено первоначально (речь уже идёт как минимум о полусотне магнитов и так называемых коротких прямых участков). Сейчас разрабатывается подробный план действий для того, чтобы к концу декабря 2008 года поднять на поверхность все магниты, требующие ремонта. Кроме того, оказалось, что на внутренних стенках вакуумных труб осели частички металлов (прежде всего, меди и нержавеющей стали) и некоторых других материалов (стекловолокна), выброшенные в вакуумную трубу в момент аварии. Они достаточно крупные, размером в десятки микронов, и от них необходимо избавиться, поскольку они будут мешать движению протонных пучков. Первая пробная чистка уже началась, и сейчас разрабатываются более надёжные крепления к полу и новая сеть клапанов, предотвращающих слишком сильный рост давления внутри криостатов в случае аварийной ситуации. Именно из-за резко возросшего давления в конечном счёте и произошло повреждение магнитов.. По последним данным  при благоприятном исходе ремонтных работ возобновление работы БАК произойдёт в июле 2009.

На следующем этапе  испытаний будут производиться  одновременные запуски пучков навстречу  друг другу, чтобы наблюдать, что  происходит при их «лобовых» столкновениях. Затем частицы будут сталкиваться на более высоких энергиях. Выход  на энергию 14 ТэВ протон-протонного столкновения намечен на 2009 год.

2009 год

На прошедшей в феврале 2009 года конференции Chamonix-2009 было решено произвести запуск в октябре-ноябре 2009 года, но он так и не был произведен. Точных сведений, подтвержденных надежными  источниками, о дате запуска БАК  на данный момент нет. Предположительно следующий запуск произойдет весной 2009 года.

4.Технические характеристики

4.1.Процесс ускорения частиц в коллайдере

Скорость частиц в БАК  на встречных пучках близка к скорости света в вакууме. Разгон частиц до таких больших скоростей достигается в несколько этапов. На первом этапе низкоэнергетичные линейные ускорители Linac 2 и Linac 3 производят инжекцию протонов и ионов свинца для дальнейшего ускорения. Затем частицы попадают в PS-бустер и далее в сам PS (протонный синхротрон), приобретая энергию в 28 ГэВ. После этого ускорение частиц продолжается в SPS (протонный суперсинхротрон), где энергия частиц достигает 450 ГэВ. Затем пучок направляют в главное 26,7-километровое кольцо и в точках столкновения детекторы фиксируют происходящие события.

4.2.Потребление энергии

Во время работы коллайдера расчётное потребление энергии  составит 180 МВт. Предположительные энергозатраты всего CERNа 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 CERN не производит энергию, имея лишь резервные дизельные генераторы.

5.Неконтролируемые физические  процессы

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 БАК, изложена на отдельном сайте. Из-за подобных настроений БАК иногда расшифровывают как Last Hadron Collider (Последний Адронный Коллайдер).

5.1.Аргументы в пользу  катастрофического сценария

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 же 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 виде, предложенном Эйнштейном, 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. Излучение Хокинга, приводящее к испарению чёрных дыр, также является гипотетическим — оно никогда не было экспериментально подтверждено. Поэтому есть достаточно большая вероятность того, что оно не действует.

Кроме того, высока вероятность  образования страпелек. В случае развития колоссальных энергий(10 в 39 ст. МэВ) возможен кварковый распад. Однако такой исход событий имеет вероятность куда ниже, чем образования черной дыры, или образования страпелек.

5.2.Аргументы против катастрофического  сценария

5.2.1.Сравнение с природными  скоростями и энергиями

Ускоритель предназначен для сталкивания таких частиц, как адроны и атомарные ядра. 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 течение многих миллионов лет присутствует естественный радиационный фон. То же самое (сталкивание элементарных частиц и атомов) будет происходить и в БАК, однако с меньшими скоростями и энергиями, и в гораздо меньшем количестве.

5.2.2.Микроскопические черные  дыры

Гипотетическая опасность, связанная с микроскопическими черными дырами, состоит в том, что если они смогут родиться в столкновении протонов на LHC и если они по каким-то причинам окажутся стабильными, то, провалившись в центр Земли, они начнут поглощать вещество и за короткое время разрушат Землю. Однако как теоретические, так и экспериментальные аргументы убедительно показывают, что такой сценарий невозможен.

Теоретические возможности

Еще десять лет назад возможность  создания микроскопических черных дыр  на ускорителе всерьез не рассматривалась. Дело в том, что в рамках «обычной» (то есть экспериментально проверенной) теории гравитации вероятность родить черную дыру исчезающе мала. Связано это с тем, что черная дыра — это гравитационный объект, а гравитация остается чрезвычайно слабой при энергиях, достижимых на ускорителях.

Несколько лет назад появился новый класс теорий, в которых гравитация становится сильной при энергиях столкновений порядка тераэлектронвольт (ТэВ, 10¹² эВ), то есть в области энергий LHC. В таких теориях рождение черных дыр (а также других гравитационных объектов) на LHC становится возможным и происходит довольно часто.

Важно, однако, понимать, что  все такие процессы остаются пока в высшей степени гипотетическими. В основе соответствующих теорий лежат интересные, но сугубо теоретические допущения — например, существование «больших» дополнительных пространственных измерений. Ни сами эти допущения, ни разнообразные последствия этих теорий пока не получили экспериментального подтверждения. Отражают ли эти теории реальность или являются лишь забавной математической конструкцией — пока неизвестно. Возможно, LHC прояснит этот вопрос, но на сегодняшний день большинство физиков настроены довольно скептично по отношению к этим теориям (хотя экспериментаторы на всякий случай проверяют те или иные их последствия в своих данных).

Если всё же одна из этих экзотических теорий действительно  относится к реальности, то, согласно ей, черные дыры будут рождаться на LHC. И согласно ей же, они будут тут же, прямо внутри вакуумной трубы, распадаться на обычные частицы. Детектор «увидит» лишь процесс pp → черная мини-дыра → частицы, и такая черная дыра просто не успеет ничего начать поглощать.

В принципе, возможен совсем уж экзотический вариант теории со стабильными черными дырами. Так может получиться, если в природе имеется некое новое взаимодействие с сохраняющимся зарядом, причем все известные частицы к этому взаимодействию нечувствительны, а черные дыры рождаются с этим новым зарядом. В силу закона сохранения нового заряда, черная дыра не сможет распасться полностью, но она не сможет и расти. Как только она поглотит частицу обычной материи, она тут же излучит полученную массу обратно, ведь обычное вещество новым зарядом не обладает. В результате активность такой черной дыры всегда будет оставаться очень низкой.

Оценки из астрофизических данных

Вне зависимости от теоретических  рассуждений, в отсутствии опасности можно убедиться и с помощью накопленных на сегодня астрофизических данных.

Предположим, что, благодаря  какому-то экзотическому механизму, микроскопические черные дыры всё же могут рождаться на LHC и оставаться стабильными. Тогда, проходя через обычное вещество, они будут его поглощать и из-за этого расти в размерах. Если такая черная дыра попадет внутрь Земли, то она быстро осядет в ее центре, начнет расти и в конце концов полностью разрушит Землю.

Однако если черные дыры могут рождаться на LHC, то они могут возникать и при бомбардировке Земли космическими лучами сверхвысоких энергий. Энергетический спектр космических лучей измерен хорошо; известно, что в них довольно часто встречаются и протоны с энергией выше 10¹⁷ эВ, что при столкновении с неподвижным протоном эквивалентно энергии LHC. Светимость таких столкновений с Землей за всё время ее жизни на несколько порядков превышает светимость LHC, поэтому рождение такой черной дыры в космических лучах даже более вероятно, чем на LHC. Поскольку Земля (да и другие небесные тела) дожили до наших дней и никакой катастрофы не случилось, значит, она не случится и в результате экспериментов на LHC.