Учёные из Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN) зафиксировали образование атомов золота в ходе экспериментов с ионами свинца в Большом адронном коллайдере (БАК). В результате сближений тяжёлых ядер, ускоренных почти до скорости света, было создано около 86 млрд ядер золота — всего 29 пикограммов, или триллионные доли грамма, что сопоставимо с массой нескольких бактерий.

Источник изображений: CERN

Речь идёт не о прямых столкновениях, а о близком прохождении тяжёлых ядер свинца, движущихся по кольцу БАК со скоростью 99,999993 % от скорости света. При таких скоростях ядро с 82 протонами формирует уплощённое электромагнитное поле, направленное перпендикулярно траектории движения. Когда два ядра пролетают достаточно близко друг к другу, в результате их взаимодействия формируется фотонный импульс. Один из таких фотонов может нарушить внутреннюю структуру ядра, вызвав выброс протонов и нейтронов.

Свинец и золото находятся рядом в периодической таблице: у свинца 82 протона, у золота — 79. Если выбить из атома свинца несколько протонов и часть нейтронов, он может превратиться в атом золота. Этот процесс напоминает хризопею (др.-греч. χρυσός — золото) — превращение неблагородных металлов в золото, к которому стремились алхимики. Однако на практике для этого требуется ускоритель частиц, способный разогнать ядра до огромных энергий. Это крайне энергоёмкий и неэффективный способ получения золота, требующий сложного и дорогостоящего оборудования.

Физики использовали калориметры нулевой степени (ZDCs), входящие в состав установки ALICE, чтобы подсчитать количество свободных нейтронов, сопровождаемых одним, двумя или тремя протонами. Это позволило количественно оценить образование трёх элементов в рамках одного запуска БАК: золота, ртути (80 протонов, 121 нейтрон) и таллия (81 протон, 123 нейтрона). Таллий и ртуть формируются в значительно больших количествах по сравнению с золотом, однако образование золота всё же было зафиксировано — с максимальной скоростью около 89 000 ядер в секунду вблизи точки столкновения пучков в установке ALICE.

Детектор ALICE в БАК, используемый учёными CERN

Образующиеся при столкновениях ядра золота существуют лишь доли секунды. Почти сразу после формирования они сталкиваются со стенками БАК и распадаются в потоке протонов, нейтронов и электронов. Алхимики прошлого были бы глубоко разочарованы, но не современные учёные. Для них это захватывающая возможность наблюдать, как атомы сталкиваются почти на световых скоростях и как они меняются в результате этих взаимодействий.

По словам физика Марко ван Леувена (Marco van Leeuwen) из Утрехтского университета (Utrecht University), используемые детекторы ALICE способны фиксировать как масштабные лобовые столкновения, порождающие тысячи частиц, так и редкие события, при которых образуются лишь единичные ядра. Это открывает путь к экспериментальному изучению редких электромагнитных процессов ядерной трансмутации.

31 марта 2025 года Европейская организация ядерных исследований (CERN) сообщила, что не обнаружила технических препятствий для постройки нового европейского суперколлайдера с кольцом длиной до 100 км. Для начала работ требуется согласие стран-доноров выделить $17 млрд. Как только вопрос с финансированием будет решён, начнутся работы. Цена вопроса выше денежных знаков, отметили в ЦЕРН — Европу ждёт упадок, если Китай построит суперколлайдер первым.

Источник изображений: CERN

Проект «Будущий кольцевой коллайдер» (FCC, Future Circular Collider) необходим для того, чтобы Европа сохраняла своё глобальное лидерство в области фундаментальной физики, заявила глава ЦЕРН Фабиола Джанотти (Fabiola Gianotti) в интервью Agence France-Presse. «Существует реальная конкуренция», в частности, со стороны Китая, предупредила она, отметив, что гигантский проект FCC «абсолютно на верном пути», и призвав государства выделить финансирование, необходимое для продвижения вперёд.

Для реализации проекта FCC требуется финансирование в размере $17 млрд, но на деле это наверняка будет стоить ощутимо дороже. Работы продлятся около 20 лет и если начнутся в 2028 году, как ожидает руководство CERN, то свой «первый свет» коллайдер выдаст в 2048 году. Среди стран-доноров проекта числятся 23 европейские страны и Израиль. Российские и белорусские учёные, не отказавшиеся от гражданства, потеряли доступ к работе в проектах по БАК. Китайские учёные имеют статус наблюдателей с 1994 года, но обострение в случае с Тайванем может также лишить их доступа к коллайдеру. Европе придётся тянуть этот проект самостоятельно и многие европейские учёные не в восторге от этого, ведь это лишит финансирования множество «мелких» проектов.

Новое кольцо ускорителя FCC будет более чем в три раза длиннее кольца Большого адронного коллайдера: 91 км против 27 км у БАК. Тоннели FCC должны пролегать на глубине 200 м под поверхностью земли или в два раза глубже, чем у БАК. Кольцо проляжет по территории Франции и Швейцарии. С местными землевладельцами и фермерами уже началась разъяснительная работа, ведь кому-то из них придётся расстаться со своей землёй

Ожидается, что БАК исчерпает свои возможности к 2041 году. Энергии столкновения частиц на БАК хватило для открытия частицы Хиггса — элементарной частицы, ответственной за характеристику массы элементарных частиц. Значительное увеличение энергии столкновений на FCC способно привести к открытию новой физики — новых частиц и иных взаимодействий между ними, что ещё дальше продвинет учёных по пути понимания сути нашей Вселенной.

Характерно, что одним из ключевых элементов агитации за проект FCC в Европе является угроза со стороны Китая. Мэр одного из городков, который надеется получить выгоду от реализации FCC, не скрывает, если FCC не будет построен здесь, прогресс пойдёт в другом направлении, предупреждает он в интервью AFP: «Это произойдёт в Китае, [что будет означать] упадок Европы».

Российские физики с 1 декабря 2024 года лишатся доступа к объектам Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН), среди которых Большой адронный коллайдер (БАК). Сообщение об этому опубликовано в журнале Nature.

Источник изображения: home.cern

Вместе с этим российские учёные должны сдать имеющиеся у них французские и швейцарские виды на жительство. При этом в Немецком синхротронном центре заявили, что отказ от сотрудничества с российскими физиками «оставит дыру». Там также отметили, что легко заменить российских учёных другими не удастся.

Продолжить исследования в ЦЕРНе смогут учёные, которые перешли из российских организаций в иностранные. По данным источника, около 90 россиян с 2022 года сделали такой выбор и еще 20 человек ищут места в зарубежных учреждениях в настоящее время. ЦЕРН также продолжит реализацию около 270 проектов с сотрудниками российского Объединённого института ядерных исследований на коллайдере NICA в подмосковной Дубне.

ЦЕРН объявил о прекращении сотрудничества с российскими учёными в марте этого года. В сообщении говорилось, что с организацией взаимодействуют менее 500 человек, связанных с учреждениями из России. В ЦЕРН также добавили, что ведётся подготовка по передаче задач на коллайдере другим группам специалистов. Вскоре после обострения ситуации на Украине в 2022 году ЦЕРН приостановил статус наблюдателя для России. Позднее организация не стала продлевать соглашения о сотрудничестве с Россией и Республикой Беларусь после истечения их сроков в 2024 году.

Топ-кварки или t-кварки, были обнаружены всего 30 лет назад. Они чрезвычайно массивны по сравнению с остальными элементарными частицами Стандартной модели. Это делает их уникальными и загадочными, открывая перспективы для новых открытий в области физики — неизвестных взаимодействий или частиц. Раскрывая секреты топ-кварков, учёные впервые смогли квантово запутать их пары, что произошло на Большом адронном коллайдере без экстремального охлаждения среды.

Художественное представление пары запутанных топ-кварков. Источник изображения: CERN

До сих пор исследователи создавали квантовую запутанность лёгких частиц в условиях низких энергий. Обычно это были фотоны. Квантовая запутанность означает, что мы можем узнать некоторые квантовые свойства одной частицы (например, фотона) по детектируемым свойствам другой частицы из запутанной пары, даже если первая находится на краю Вселенной. При этом никакой передачи информации или энергии не происходит. Нам просто становятся известны определённые квантовые характеристики фотона из запутанной пары.

Топ-кварки — это частицы совершенно другого масштаба по массе и энергии. Они были открыты последними из шести типов кварков. Масса топ-кварка в 184 раза превышает массу протона и, например, значительно больше массы атома вольфрама. Запутать пару топ-кварков — значит выйти на энергетический уровень выше 10 ТэВ (тераэлектронвольт). В случае фотонов или других лёгких частиц (фотоны не имеют массы) для предотвращения разрушения квантовых состояний и запутанности экспериментальные системы охлаждаются до абсолютного нуля, чтобы минимизировать все внутренние колебания. Это известная проблема квантовых вычислений, которые страдают от короткого времени когерентности.

Для запутывания пар топ-кварков этого не потребовалось. Авторы исследования из коллаборации ATLAS создали необходимые для этого условия в процессе эксперимента на коллайдере БАК. Статья о работе вышла в журнале Nature. Похожую работу независимо также проделали учёные из коллаборации CMS, но их работа пока есть лишь на сайте препринтов arXiv.orgc.

Топ-кварки, благодаря своим свойствам, оказались удобным объектом для изучения запутанности с использованием относительно простых средств, по сравнению с другими случаями, и при этом на совершенно новом уровне энергий. Хотя стоит признать, что Большой адронный коллайдер трудно назвать «подручным инструментом», это вряд ли позволит в ближайшее время перевести эксперименты с топ-кварками в практическую плоскость квантовых вычислений или криптографии. Тем не менее, изучение квантовой запутанности на столь высокой энергетической ступени — это не просто шаг вперёд, это прорыв!

Физики коллаборации FASER впервые смогли получить нейтрино высоких энергий в земной лаборатории. Рукотворные нейтрино были произведены на Большом адронном коллайдере (БАК). Характеристики этих частиц полностью соответствовали Стандартной модели. Учёным впервые удалось буквально пощупать эти неуловимые частицы, что поможет проверять теории в фундаментальной физике и расширять её границы.

Трек нейтрино на фотоэмульсионной плёнке. Источник изображений: FASER

Нейтрино низких энергий регистрируются достаточно давно, например, это могут быть солнечные нейтрино. Также учёные научились регистрировать нейтрино сверхвысоких энергий, приходящие из глубин космоса. Для этого глубоко под землёй или в толще льдов (например, в Антарктике и на Байкале) размещаются детекторы, которые способны уловить эти частицы со сверхвысокой энергией. Полученные результаты соответствуют теории и служат доказательством правоты учёных.

Нейтрино высоких энергий регистрируются крайне редко и никогда не были получены на Земле искусственным путём. Речь идёт о диапазоне энергий от 200–300 ГэВ (гигаэлектронвольт) до 10 ТэВ. Впервые заявка о проникновении учёными в данный диапазон энергий была сделана в марте 2023 года. Что отдельно приятно, за анализ значительной части экспериментов и его теоретическое обоснование надо благодарить российский Объединённый институт ядерных исследований (ОИЯИ). Не исключено, что в подготовке новой работы, опубликованной в прошлом месяце в журнале Physical Review Letters, также принимали участие российские физики.

Схема установки с детектором

Исследователи изучили часть объёма детектора FASER𝜈 в эквиваленте около 129 кг (общий вес детектора достигает 1,1 т — его датчики состоят из чередующихся пластинок вольфрама и фотоэмульсии). Учёным удалось выявить четырёх кандидатов в события от взаимодействий электронных нейтрино и восемь кандидатов события от взаимодействий мюонных нейтрино — все с достоверностью выше 5 «сигма», что эквивалентно открытию. Все кандидаты в рукотворные нейтрино были в малоизученном на практике диапазоне энергий от 520 до 1760 ГэВ. Измеренные характеристики частиц полностью соответствуют Стандартной модели, что стало очередным доказательством, что земная наука немного разбирается в том, как устроен наш мир.

Президент России Владимир Путин сегодня посетил Объединённый институт ядерных исследований в подмосковной Дубне, где дал старт технологическому пуску ускорительного комплекса NICA (Nuclotron based ion collider facility). Он также отметил, что из-за санкций проект создания коллайдера «сдвигается вправо», но все «принципиальные вопросы» решаются.

Источник изображения: minobrnauki.gov.ru

«К сожалению, по известным всем обстоятельствам произошли сбои, но с этими сбоями мы справляемся. Несмотря на то, что проект немножко сдвигается вправо, но, как сейчас мне рассказали, все принципиальные вопросы решаются. У наших партнёров тоже, скажу, к сожалению, сдвижки идут даже больше, чем у нас», — сказал президент.

Напомним, NICA представляет собой сверхпроводящий коллайдер протонов и тяжёлых ионов. Он позволит учёным воссоздать условия, в которых пребывала Вселенная в первые мгновения после Большого взрыва, а именно получить кварк-глюонную плазму (КГП). Одной из ключевых научных задач NICA является исследование фазовой диаграммы сильно сжатой барионной материи. Подобная материя существует лишь в нейтронных звёздах и ядрах сверхновых звёзд, но с помощью коллайдера можно получить её в лабораторных условиях, чем в скором времени и займутся учёные в Дубне.

Реализация проекта началась в 2013 году и изначально планировалось завершить его в 2023 году. Решение о создание коллайдера приняли в 2011 году. Владимир Путин отметил, что реализация проекта идёт успешно, в том числе благодаря взаимодействию учёных «практически со всего мира». Президент добавил, что Россия «не закрывается на замок» и открыта для научного сотрудничества. В дополнение к этому Владимир Путин сообщил, что финансирование программы научных мегагрантов будет увеличено до 100 млн рублей в год, а сроки программы продлят с трёх до пяти лет. Президент не исключил, что к финансированию подобных грантов может быть привлечён частный бизнес.

Несмотря на климатическую повестку, Европейская организация по ядерным исследованиям (CERN) настаивает на необходимости построить в Европе более мощный кольцевой коллайдер. Возможности Большого адронного коллайдера себя почти исчерпали. Чтобы продвинуться в изучении тайн мироздания, необходимо сталкивать частицы с намного большими энергиями. Но ряд европейских учёных требуют остановиться и направить финансы на решение насущных проблем.

Сравнение БАК (LHC) и Future Circular Collider (FCC). Источник изображения: CERN

По мере продвижения в процессе технико-экономического обоснования проекта будущего коллайдера Future Circular Collider (FCC) его стоимость понемногу растёт. На нынешнем этапе проект оценивается примерно в $17 млрд. Если он будет утверждён, то платить придётся из бюджета ЕС и Великобритании. Причём для этого придётся экономить на определённых научных программах и довольно долго — не одно десятилетие. Поэтому учёных понять можно. Они живут и работают сейчас, и что произойдёт в 2050 году, когда заработает первая очередь FCC и, тем более, в 2070 году, когда планируют запустить вторую очередь — это волнует немногих.

Бывший главный научный советник правительства Великобритании, профессор сэр Дэвид Кинг (David King), назвал расходы на FCC «безрассудными», призвав перенаправить эти средства на решение неотложных глобальных проблем, таких как чрезвычайная ситуация с климатом. Ему вторит немецкий физик и популяризатор наук Сабина Хоссенфельдер (Sabine Hossenfelder), которая не верит в способность FCC добавить что-то новое к уже известной физике элементарных частиц.

Генеральный директор ЦЕРН, профессор Фабиола Джанотти (Fabiola Gianotti), в защиту проекта назвала коллайдер «прекрасной машиной», которая поможет человечеству добиться значительных успехов в понимании фундаментальной физики и внутреннего устройства Вселенной.

Большой адронный коллайдер начал работать с 2008 году. В 2012 году он, наконец, помог обнаружить неуловимую раньше частицу, бозон Хиггса, что формально завершило построение Стандартной модели в физике элементарных частиц. Диаметр кольца БАК составляет 27 км. Диаметр кольца коллайдера FCC будет 91 км. Это на несколько порядков увеличит энергию столкновений частиц, обещая обнаруживать неизвестные ранее взаимодействия между частицами и новые частицы. Даже тот самый бозон Хиггса будет производиться в большем объёме, что поможет лучше изучить его характеристики. Собственно будущий коллайдер уже называют «хиггсовской фабрикой».

Решение ЦЕРН создать FCC последовало после тщательных консультаций с участием физиков со всего мира. Целью процесса было оценить реакцию стран-членов, включая Великобританию, которая как и другие участники проекта оплатит счета за это монументальное научное начинание. Параллельно разрабатываются ещё четыре проекта перспективных коллайдеров, три из которых относятся к линейным. В ЦЕРН подсчитали, что только проект FCC окажется самым предпочтительным с точки зрения климатической повестки. Он будет меньше всего вырабатывать CO₂ в пересчёте на каждый полученный на нём бозон Хиггса.

Утверждение плана строительства FCC ожидается в 2025 году. Строительство тоннеля под кольцо коллайдера начнётся в 2033 году. Электрон-позитронный коллайдер начнёт работать в 2048 году. Ещё 20 лет спустя по кольцу FCC запустят более тяжёлые частицы — протоны, что ещё сильнее повысит энергию столкновений.