Сучасні прискорювачі часток - це складні інженерні пристрої, які дозволяють фізикам проникати глибоко всередину матерії і досліджувати властивості простору на дуже коротких відстанях, так само як великі телескопи використовуються астрономами для вивчення Всесвіту на можливо далеких відстанях. У той час як астрономи вивчають великий або мегамир, фізики досліджують властивості дуже маленьких елементарних частинок або мікросвіт. Якщо телескопи «бачать» майже весь Всесвіт, то нові прискорювачі «бачать», що відбувається на відстанях в десятки тисяч разів менших розмірів атомних ядер. Атомні ядра в свою чергу в 10,000 - 100,000 раз дрібніше атомів. Перші прискорювачі, створені 80 років тому, застосовувалися для дослідження структури ядер, а також для їх розщеплення і в практичних цілях - в медицині, хімії біології. З тих пір фізики створювали все нові і нові прискорювачі, все більших і більших розмірів, які прискорювали частки майже до світлової швидкості. Причина, чому фізикам необхідні гігантські прискорювачі, проста: чим більше розмір прискорювача, тим більше енергія прискорених частинок і тим менше довжина хвилі частинки (тобто її «розмір»), тому така частка може глибоко проникати всередину простору і отримувати інформацію про будову матерії на дуже коротких відстанях. Масштаби відстаней мега - і мікросвіту, досліджуваних фізиками, відрізняються на 45 порядків (один порядок означає в 10 разів, тобто в 10 ^ 45). Як відзначали філософи, природа нескінченна не тільки вшир, але і всередину, а електрон також невичерпний як атом.
У 1987 р недалеко від Чикаго був побудований знаменитий Femilab, тобто прискорювач з довжиною кільця більше 6 км і з енергією частинок 1 ТеВ, тому він називається ще Теватрон. У мікросвіті енергія частинок вимірюється в еВ (1 Тев дорівнює трильйона еВ), який майже на 19 порядків менше Джоуля - одиниці енергії в макросвіті. Ця енергія грандіозна в мікросвіті, але незначна в великому світі і її можна порівняти, наприклад, з укусом комара. Інша назва цього прискорювача коллайдер від слова «collide», зіткнення. Два пучки часток, прискорені майже до швидкості світла, рухаються в протилежних напрямках і стикаються для народження величезної кількості нових частинок. Тому прискорювач називається ще прискорювачем на зустрічних пучках. Фізики досліджують ці нові частинки, використовуючи різні детектори. Серед цих частинок можуть бути, наприклад, кварки або бозони.
Інше цікаве запитання, який досліджується на БАК - куди зникла антиматерія або чому в нашому Всесвіті матерія превалює над антиматерією. Інтерес до антиречовини пов'язаний з тим, що стикаючись з матерією, воно повністю анігілює з утворенням максимально можливої енергії (100%). У цьому процесі вся маса перетворюється в енергію відповідно Е = Мс ^ 2 і цей процес є найпотужнішим джерелом енергії. Наприклад, під час вибуху водневої бомби виділяється енергія, еквівалентна анігілляціі всього 100 г. матерії і антиматерії. Майбутні польоти до зірок неможливі без використання антиречовини, застосування якого забезпечить польоти космічних кораблів зі швидкостями близькими до швидкості світла. Саме тому інтерес фізиків до отримання антиречовини надзвичайно високий, тому що ми будемо мати у своєму розпорядженні невичерпним джерелом енергії. Однак недавні експерименти показали, що в зіткненнях протонів утворюється більше частинок, ніж античастинок. Це вказує на асиметрію освіти речовини і антиречовини у Всесвіті. Хочу порекомендувати читачам цієї статті прочитати цікаву книгу Дена Брауна «Ангели і Демони», в якій він захоплююче описує пригоди фізика Леоніда Вітру про те, як вчені отримали 40 м антиречовини на найпотужнішому прискорювачі - синхрофазотрон і як демони хотіли використовувати його, щоб знищити Ватикан в Римі.
Причина, чому ми помічаємо тільки 4 з 11 вимірювань, полягає в тому, що ці вимірювання згорнуті, тобто заховані в просторі незначних розмірів, порівнянних з довжиною Планка і проявляються на відстанях, порівнянних з розміром струн. Цікаво, що освіта чорної міні діри на колайдері може служити прямим доказом існування додаткових вимірів. Тому фізики, що працюють на ВАК, займаються також пошуками міні чорних дір.
Інший напрямок досліджень - природа темної матерії і темної енергії. Видима матерія складає лише 4.6% маси Всесвіту. Решта - це, що ми не бачимо, внаслідок відсутності випромінювання від невидимої матерії. Незважаючи на відсутність випромінювання, існування темної матерії було доведено в астрономії непрямим шляхом. Вивчення так званих «гравітаційних лінз» показує, що зображення далеких галактик сильно спотворені через взаємодію випромінюваного ними світла з темною матерією. Вчені сьогодні знають, як темна енергія розподілена всередині Всесвіту. Складено навіть карта темної матерії. Що стосується темної енергії, ситуація тут менш певна. Причина, чому фізики досліджують темну енергію, це щоб зрозуміти, чому наш Всесвіт прискорюється. У Всесвіті, крім сил тяжіння, тобто гравітації, повинні бути присутніми і сили відштовхування (це інша назва темної енергії), відповідальні за прискорення Всесвіту. Слід зазначити, що ентузіазм вчених, які досліджують темну енергію на БАК, надзвичайно високий.
На ВАК вперше вдалося отримати нову речовину в екстремальному стані (так звану кварк-глюонна плазму) з температурою в 100,000 разів перевищує температуру в центрі нашого Сонця, т. Е. 4 трильйони С. Саме такою була температура Всесвіту через вельми короткий проміжок часу (10 ^ -11 сек) після Великого Вибуху. Інакше кажучи, сьогодні ми можемо відтворити в лабораторних умовах той момент часу в історії нашого Всесвіту, який дуже близький до нульового, відповідному точно Великого Вибуху. Ми знаємо всю історію нашого Всесвіту c цього моменту часу до наших днів. Прискорювачі з ще більшою енергією дозволять нам підійти ще ближче до нульового моменту часу, коли потужна суперсила народила наш Всесвіт. Розгадка природи суперсили є найбільш фундаментальною завданням всієї фізики, тому що вона дозволить нам пояснити походження нашого світу.