Что такое большой андроидный коллайдер

Частица бога, багет и Шива-разрушитель: 10 фактов о Большом адронном коллайдере

Горячий, как ранняя Вселенная, и холодный, как абсолютный ноль; намного точнее, чем швейцарские часы, но настолько хрупкий, что его можно сломать куском багета; поражающий обывателей и даже ученых своей мощью и известный юмором своих сотрудников. Все это про LHC, юбилею которого посвящает этот материал Indicator.Ru.

Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider, LHC) — гигантский и мощнейшый аппарат, в котором можно ускорять и сталкивать частицы-адроны (протоны и тяжелые ионы), чтобы изучать то, на что они распадутся. На строительство этого сооружения — самого сложного экспериментального устройства из существующих и самого огромного цельного механизма из когда-либо созданных человеком — было потрачено около шести миллиардов долларов. И это не считая уже имеющейся инфраструктуры Европейского центра ядерных исследований!

Главная цель работы LHC — поиск отклонений от Стандартной модели. Это одна из важнейших физических концепций, которая описывает современный мир, но не может пока объяснить гравитацию, темную материю и темную энергию. На коллайдере удалось открыть бозон Хиггса (неуловимую прежде «частицу бога»), а также обнаружить и подтвердить существование тетракварков и пентакварков. Официальный запуск LHC состоялся 10 сентября 2008 года, то есть сегодня у него день рождения! В честь этого мы расскажем о его необычных и неожиданных сторонах.

Факт 1: Откуда взялась аббревиатура CERN

Давайте перестанем путаться раз и навсегда. Все мы постоянно употребляем слово «CERN» или «ЦЕРН», но о расшифровке мало кто задумывается. Многие считают его калькой с английской аббревиатуры. Но как из названия организации, создавшей коллайдер, получить такую аббревиатуру? По-русски это Европейский центр ядерных исследований, по-английски — European Organization for Nuclear Research. Дело в том, что построен коллайдер вблизи Женевы, на границе Франции и Швейцарии, поэтому организация носит французское название, Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, от которого и пошла аббревиатура. Да и звучит CERN благозвучнее, чем какой-нибудь EONR или ЕЦЯИ.

Факт 2: Жарче 100 000 Солнц

Коллайдер очень горяч. Чтобы смоделировать условия, близкие к последствиям Большого взрыва, ученые ускоряют и сталкивают на нем два пучка тяжелых ионов, получая температуры в сотни тысяч раз больше, чем в центре Солнца. Благодаря тому, что в 2012 году в LHC смогли достичь температуры в 5,5 триллиона градусов, физикам удалось получить кварк-глюонную плазму — раскаленный «суп» из свободных строительных элементов материи, словно прямиком из недр новорожденной Вселенной. Плотность такого вещества была больше, чем плотность нейтронных звезд.

Факт 3: Ледяное притяжение

В коллайдере около 9600 супермагнитов, которые по силе в 100 000 раз превосходят притяжение Земли и помогают гонять протоны на околосветовых скоростях. Обмотки этих магнитов сплетены из 36 «струн» толщиной по 15 мм. Каждая «струна» состоит из 6-9 тысяч отдельных нитей из ниобий-титанового сплава, диаметр которых составляет 7 мкм.

Источник

Кварки, бозоны и звёздный разрушитель. Для чего нужен Большой адронный коллайдер?

Что это такое?

Большой адронный коллайдер — ускоритель заряженных частиц, построенный с участием 10 тыс. ученых из 100 стран мира. В коллайдере, длина которого около 100 километров, а диаметр превышает 25 километров, учёные «гоняют» частицы в попытке обнаружить новые и ранее неизученные свойства элементарных частиц — протонов, нейтронов и электронов.

Найденный в 2012 году Бозон Хиггса — частица, которой, фактически, связываются электроны, протоны и нейтроны, простому обывателю не даст ничего. Но это пока. В перспективе Бозон Хиггса поможет создать новые системы связи и квантовые компьютеры, работа над которыми, к слову, уже началась.

Расширенное понимание природы и свойств Бозона Хиггса позволит создавать уникальные для техники будущего решения. Например, квантовый интернет с нулевой задержкой (пингом), который будет работать даже на Луне, или принципиально новые суперкомпьютеры, с помощью которых получится найти эффективное лекарство от рака или метод взрыва астероида, который угрожает Земле.

Антивещество – главная мечта ученых в ЦЕРН

Другое направление работ на Большом адронном коллайдере — поиск и «наработка» антиматерии — вещества с потенциально неисчерпаемым источником энергии. Антиматерия — это то, что возникло почти сразу после Большого взрыва и затем бесследно исчезло, оставив учёным лишь след из хлебных крошек.

Принцип получения антиматерии объяснять нет смысла — он слишком сложен для понимания даже тем, кто разбирается в точных науках, но про потенциальное применение антиматерии поговорить всё-таки стоит. В 2010 году учёные из ЦЕРН пояснили, что потенциально антиматерия обладает огромным запасом энергии. Если допустить, что двигатель, основанный на взаимодействии (или, точнее, противодействии) материи и антиматерии поместить в космический корабль, то незначительного количества вещества, нескольких миллиграммов, будет достаточно для полета хотя бы к краю Солнечной системы и возвращения.

Тот же самый принцип и с обычными высокопроизводительными реакторами. Искусственное получение антиводорода, к примеру, считают вменяемой, пусть и очень дорогой альтернативой пока нереализованным видам энергетики, таких, как термоядерный синтез.

БАК очень интересовал армию США, но никто не знает – почему

Известно, что через ведущие НИИ США DARPA заказывало разработку специальных детекторов для коллайдера и в ведомстве живо интересовались результатами работ по этой теме. Что именно интересовало американских военных сказать сложно, однако американские вузы, тесно связанные с DARPA, а также Министерство энергетики США, Национальная ускорительная лаборатория Ферми и Национальный научный фонд будут активно участвовать и в другой, более крупной программе.

Через несколько лет на том же месте, где сейчас находится Большой адронный коллайдер, начнётся строительство суперколлайдера нового типа. В новом ускорителе частиц энергия столкновения должна увеличиться до 100 тераэлектронвольт (ТэВ), при том, что сейчас получают 14 ТэВ. Официально декларируется и цель — поиск новых частиц или сил природы, а также расширение или замена текущей стандартной модели физики элементарных частиц.

К чему приведут такие эксперименты сказать сложно. Физики считают, что включение в «крайние режимы» маловероятно, однако в действительности увеличение мощности суперколлайдера на несколько порядков может привести либо к трагедии, либо к получению супероружия. В 2008 году двое американцев даже пытались засудить Минэнерго США за участие в разгоне субатомных частиц до 99,99% скорости света.

Источник

История, мифы и факты

Идея создания коллайдера была озвучена в 1984 году. А сам проект на строительство коллайдера был одобрен и принят аж в 1995 году. Разработка принадлежит Европейскому центру ядерных исследований (CERN). Вообще запуск коллайдера привлек к себе большое внимание не только ученых, но и простых людей со всего мира. Говорили о всевозможных страхах и ужасах, связанных с запуском коллайдера.

Впрочем, кто-то и сейчас, вполне возможно, ждет апокалипсиса, связанного с работой БАК и тресется от одной мысли о том, что будет, если ч взорвется большой адронный коллайдер. Хотя, в первую очередь все боялись черной дыры, которая, сначала будучи микроскопической, разрастется и благополучно поглотит сначала сам коллайдер, а за ним Швейцарию и весь остальной мир. Также большую панику вызывала аннигиляционная катастрофа. Группа ученых даже подала в суд, пытаясь остановить строительство. В заявлении говорилось, что сгустки антиматерии, которые могут быть получены в коллайдере, начнут аннигилировать с материей, начнется цепная реакция и вся Вселенная будет уничтожена. Как говорил известный персонаж из «Назад в Будущее»:

Вся Вселенная, конечно, в самом худшем случае. В лучшем – только наша галактика. Доктор Эмет Браун.

А теперь попытаемся понять, почему он адронный? Дело в том, что он работает с адронами, точнее разгоняет, ускоряет и сталкивает адроны.

Адроны – класс элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию. Адроны состоят из кварков.

Как работает большой адронный коллайдер

В составе коллайдера 4 гигантских детектора: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb. Помимо основных больших детекторов, есть еще и вспомогательные. Детекторы предназначены для фиксации результатов столкновений частиц. То есть после того, как на околосветовых скоростях сталкиваются два протона, никто не знает чего ожидать. Чтобы «увидеть», что получилось, куда отскочило и как далеко улетело, и существуют детекторы, напичканные всевозможными датчиками.

Результаты работы большого адронного коллайдера.

Зачем нужен коллайдер? Ну уж точно не для того, чтобы уничтожить Землю. Казалось бы, какой смысл сталкивать частицы? Дело в том, что вопросов без ответов в современной физике очень много, и изучение мира с помощью разогнанных частиц может в буквальном смысле открыть новый пласт реальности, понять устройство мира, а может быть даже ответить на главный вопрос «смысла жизни, Вселенной и вообще».

Какие открытия уже совершили на БАК? Самое знаменитое – это открытие бозона Хиггса (ему мы посвятим отдельную статью). Помимо того были открыты 5 новых частиц, получены первые данные столкновений на рекордных энергиях, показано отсутствие асимметрии протонов и антипротонов, обнаружены необычные корреляции протонов. Список можно продолжать долго. А вот микроскопических черных дыр, которые наводили страх на домохозяек, обнаружить не удалось.

Друзья, любите науку, и она обязательно полюбит Вас! А помочь Вам полюбить науку легко смогут наши авторы. Обращайтесь за помощью, и пусть учеба приносит радость!

Источник

Десять лет Большому адронному коллайдеру: чудо современной физики

10 сентября 2008 года в ЦЕРНе было официально объявлено о запуске Большого Адронного Коллайдера. Сегодня мы расскажем вам о том, как появилась идея этого грандиозного проекта и чем современная физика ему обязана.

Вначале о терминологии и ее следствиях. Адроны — это элементарные частицы. Конкретно БАК сделан для столкновений пучков протонов, запущенных в кольцо ускорителя на очень больших (меньше скорости света всего на 3 метра в секунду) скоростях. Сталкиваясь, они порождают уйму других частиц. Многие из них живут слишком недолго, чтобы их можно было непосредственно обнаружить. Физики регистрируют продукты их распада, а то и результаты последующих распадов.

Примерно один месяц в году вместо протонов в кольцо БАКа отправляются ионы свинца, которые тоже сталкиваются на приличных скоростях.

Коллайдер — это ускоритель, в котором сталкиваются пучки разогнанных частиц. Возможен и иной вариант — когда эти частицы бомбардируют неподвижную мишень. Нам это сейчас неинтересно, поскольку на БАКе этого нет.

Ну, а «большой» он из-за геометрических размеров. Длина основного кольца — 26 659 м. Сегодня это — самый большой ускоритель в мире.

Концепция коллайдера рождалась примерно с 1984 года. Спустя десять лет она получила официальное признание и началось проектирование. Для размещения конструкций был использован кольцевой тоннель, прежде занятый Большим электрон-позитронным коллайдером. Последний был демонтирован в 2000 году. Первые устройства БАК были смонтированы в следующем году.

Главная задача БАК (иногда используется латинская аббревиатура LHC) — поиск данных, свидетельствующих о том, что реальная физика элементарных частиц отличается от Стандартной модели. Последняя была сформулирована теоретиками во вторую половину XX века и описала взаимосвязь сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий и порождаемые ими последствия в мире элементарных частиц.

«За кадром» осталась гравитация. Она, очевидно, есть, но сформулировать теорию, объединяющую ее с другими взаимодействиями, ученые пока не смогли. Это порождает предположения, что Стандартная модель должна быть частью какой-то более общей концепции. В популярной литературе она условно называется «Новой физикой». Или — что Стандартная модель в принципе неверна и надо все придумывать заново. Последний вариант для большинства физиков даже симпатичнее, поскольку сулит большую свободу для творческой фантазии.

Отдельная тема — опыты со столкновенями ионов свинца, во время которых изучается кварк-глюонная плазма, очень интересный вид материи.

Что из этого вышло?

Да, по‑хорошему, ничего. Стандартная модель оказалась очень живучей, за десять лет так и не удалось найти чего-то существенно ставящего ее под сомнение. Было документировано несколько событий, которые не наблюдались ранее, но, в целом, не стали большим сюрпризом. Так, в 2011 году были открыты два новых вида распада Bs-мезонов — частиц, в составе которых есть как «странный кварк» (s-кварк), так и «прелестный кварк» (b-кварк).

Это самое громкое на сегодня открытие, сделанное на LHC. Частица была предсказана в рамках Стандартной модели еще в середине 60-х годов, но экспериментально ее обнаружить все это время не удавалось — имеющимся ускорителям не хватало мощности. Автор гипотезы британский физик Питер Хиггс неоднократно заявлял, что знаменитый бозон не будет открыт при его жизни. Он не был единственным скептиком — Стивен Хокинг даже выразил готовность заключить пари на небольшую сумму относительно того, что бозон Хиггса на БАКе обнаружен не будет.

Тем не менее, в июле 2012 года коллаборации ATLAS и CMS объявили о нахождении бозона массой 125.3 ± 0.6 ГэВ. Скорее всего, это и есть знаменитый бозон Хиггса, хотя некоторые специалисты в этом по‑прежнему не уверены.

Во всяком случае, Питер Хиггс за подтвердившееся предсказание получил Нобелевскую премию 2013 года. Нобелевский комитет очевидно торопился — лауреату было уже хорошо за 80.

Выплатил ли Хокинг свой проигрыш достоверно неизвестно, но можно предполагать, что его гораздо больше огорчило очередное подтверждение Стандартной модели. Как было бы здорово формулировать Новую Физику!

Большой адронный коллайдер проработает до 2037 года. Что будет следующим шагом в строительстве ускорителей пока не очень понятно. Физиков интересует увеличение светимости, т. е., выражаясь упрощенно, количества детектируемых столкновений. Может быть этого можно достичь на ускорителях традиционной, кольцевой, архитектуры. Все принципы и технологии освоены и изучены, но кольцо получается очень большим и дорогим.

Может быть следующий флагман физики будет линейным ускорителем. Это существенно экономнее по энергии, но тогда нужны новые способы разгона частиц, иначе установка опять оказывается слишком большой — порядка сотен километров.

Может быть речь пойдет об ускорителе на основе иных принципов — фотонном или мюонном, но этих принципов в разработанном виде пока нет.

Отдельная интересная тема — вероятный ускоритель для изучения бозона Хиггса. БАК вполне подошел для его обнаружения, но изучать частицу на нем неудобно. Слишком много посторонних событий, на фоне которых трудно выявить нужное. Напрашивается конструкция, оптимизированная именно под бозон Хиггса, на которой его образование/распад регистрировались бы значительно чаще, чем сейчас и с меньшим количеством помех.

А как же черные дыры?

Это страшилка десятилетней давности: вот запустят свихнувшиеся очкарики свой коллайдер, в нем там возникнет маленькая черная дыра, она скушает вещество вокруг себя, подрастет, скушает еще и т. п. Короче говоря, в итоге поглощена будет вся планета.

Это смешно звучит, но были ведь пылкие люди, педалировавшие эту тему и даже подававшие судебные иски.

Прошло десять лет. Видимо, дыра родилась, поглотила все вокруг, включая нас, а мы этого и не заметили. Так и живем.

Так блэт, а когда там черную дыру сделают и на работу ходить не надо. А то давно обещали.

Надеюсь, что он не взорвался и не создал черную дыру 10 лет назад, потому что хочу верить в то, что происходит вокруг, и это не плод моей фантазии

Как время то летит! Мне вспоминается, что это было совсем недавно. Помню даже как пугали что коллайдер сделает чёрную дыру и все умрут.

То чувство, когда ничего не понял, но всё равно интересно

я бы лучше почитал про то, как рф продала необходимые для постройки технологии и почти ничего с этого не поимела

Как раз сейчас атомную физику и теорию поля начали изучать в институте. Хоть узнаю, зачем нужен коллайдер)

Псиионизационное излучение(я его только что придумал) БАК’а стабилизировало гиперпространство и пространство, да так, что все боги, демоны и загробные миры окрестностей схлопнулись. Также оно запустило цепную реакцию по преобразованию маны(тип энергии-излучения неквалифицированной в стандартной модели) в аналогичное излучение и деструктурировало энергетику потенциальных магов(Наиболее распространёнными последствиями являются раковыми опухолями).
Это происходило во смежном мире, но порталы(не смогли перенести ни одного живого человека) спасающихся магов перенесли часть излучения в наш мир. Увы, но способность излучения к саморепликации оказалось слишком сильна, и мы лишились магии задолго до задокументированных исторических событий.

«Физиков интересует увеличение светимости, т. е., выражаясь упрощенно, количества детектируемых столкновений»

100-километровому суперколлайдеру быть! Что нас ждёт за пределами известной физики?

100-километровому суперколлайдеру быть! Что нас ждёт за пределами известной физики?

Целью второго этапа станет поиск новых частиц или сил природы, а также расширение или, возможно, замена нынешней стандартной модели физики частиц. Начать строительство, согласно одобренному 19 июня документу, предполагается в 2038 году. Правда, проекту придётся преодолеть несколько серьёзных проблем.

Другая проблема заключается в том, что огромная часть технологий, которые потребуется для ускорителя второго этапа, ещё не разработаны. Хотя здесь есть и положительный момент — эти технологии станут предметом интенсивного изучения на ближайшие десятилетия. До создания нового коллайдера CERN будет продолжать эксплуатировать модернизированную версию нынешнего под названием High Luminosity LHC, который в настоящее время строится, а ориентировочно с 2024 года начнётся, собственно, модернизация, которая продлится около 2,5 лет. Так почему вообще коллайдер?

Дело в том, что на сегодняшний день у нас нет столь же надёжного эквивалентного способа искать ответы на вопросы мироздания. В конце концов, именно ускоритель частиц может помочь открыть антиматерию, которая позволит нам путешествовать между звёздами. Вполне вероятно, что в итоге мы дойдём и до строительства коллайдера космических масштабов, но для начала надо достичь текущую цель

В ЦЕРН уточнили свойства загадочной частицы X(3872)

Коллаборация LHCb (CERN, Европейская организация по ядерным исследованиям), в которую входят Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Новосибирский государственный университет (НГУ), объявила о новых данных, полученных при анализе частицы X(3872). Частица была обнаружена в 2003 г. в эксперименте Belle (KEK, Исследовательская организация ускорителей высоких энергий, Япония), но до сих пор специалистам не удалось прийти к единому мнению о кварковой структуре этой частицы. Участникам эксперимента LHCb удалось с лучшей в мире точностью измерить ширину и массу X(3872), а также сделать некоторые предположения о ее природе. Эксперименты на детекторе КЕДР электрон-позитронного коллайдера ВЭПП-4М ИЯФ СО РАН помогли специалистам CERN с высокой точностью измерить один из параметров X(3872). Результаты опубликованы на сайте ЦЕРН.

«Как правило, если какая-то частица открыта, то уже через пару лет у специалистов появляется понимание, что она из себя представляет. Исследование X(3872) уникально в том смысле, что на протяжении уже семнадцати лет с ее открытия у нас все еще нет представления о ее внутренней структуре, – рассказал сотрудник коллаборации LHCb, старший научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной физики им. А.И. Алиханова НИЦ «Курчатовский институт» (ИТЭФ), кандидат физико-математических наук Иван Беляев. – Нам были известны лишь ее довольно необычные свойства. Во-первых, при большой массе X(3872) ее ширина настолько маленькая, что мы практически не видели ее, а, во-вторых, ее масса совпадает с суммой масс двух других частиц – D0 и D*0 (D-ноль-мезон и возбужденный D-ноль-мезон)».

Частица X(3872) очень интересна специалистам. Статья, в которой сообщалось об открытии этого состояния, высокоцитируемая, на нее дается свыше 1700 ссылок. Это самая цитируемая работа эксперимента Belle. При этом для подобных экспериментальных работ уже 500 ссылок считается рекордом.

«Гипотез о природе частицы X(3872) довольно много, но основных три, – рассказал главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН, участник коллаборации LHCb, доктор физико-математических наук Семен Эйдельман. – Например, гипотеза тетракварка предполагает, что частица состоит из c кварка и анти-c кварка, а также пары легких кварка и антикварка (u или d). Другая гипотеза описывает X(3872) как молекулу. Третья гипотеза, которую выдвинул выдающийся российский и американский физик-теоретик Михаил Волошин (Университет Миннесоты), называется адрочармоний – состояние, в центре которого связанные c и анти c кварки, а вокруг них облако легких пи-мезонов, то есть совокупность легкого адрона и чармония». Семен Эйдельман пояснил, что сегодня физическое сообщество склоняется к мнению, что X(3872) – это и обычное связанное состояние c кварка и анти c кварка, и молекула одновременно.

Источник

Большой Адронный Коллайдер (БАК или LHC)

Большой Адронный Коллайдер (БАК или LHC)

Словосочетание «Большой адронный коллайдер» настолько глубоко осело в массмедиа, что о данной установке знает подавляющее количество людей, в числе которых и те, чья деятельность никоим образом не связано с физикой элементарных частиц, и с наукой вообще.

Действительно, столь масштабный и дорогой проект не мог обойти стороной СМИ – кольцевая установка длиной почти в 27 километров, ценою в десяток миллиардов долларов, с которой работает несколько тысяч научных сотрудников со всего мира. Немалую лепту в популярность коллайдера внесла так называемая «частица Бога» или бозон Хиггса, который был успешно разрекламирован, и за который Питер Хиггс получил нобелевскую премию по физике в 2013-м году.

Большой адронный коллайдер под землей комплекса ЦЕРНа

Далее разберемся подробнее в задачах и работе Большого адронного коллайдера.

Предыстория

Прежде всего следует отметить, что Большой адронный коллаейдер не строился с нуля, а возник на месте своего предшественника — Большого электрон-позитронного коллайдера (Large Electron-Positron collider или LEP). Работа над 27-микилометровом тоннелем началась в 1983-м году, где в дальнейшем планировалось расположить ускоритель, который будет осуществлять столкновение электроном и позитронов. В 1988-м году кольцевой тоннель сомкнулся, при этом рабочие подошли к проведению тоннеля столь тщательно, что расхождение между двумя концами тоннеля составило всего 1 сантиметр.

Инфографика Большого адронного коллайдера

Ускоритель проработал до конца 2000-го года, когда достиг своего пика – энергии в 209 ГэВ. После этого начался его демонтаж. За одиннадцать лет своей работы LEP принес физике ряд открытий, в числе которых – открытие W и Z бозонов и их дальнейшие исследования. На основе результатов этих исследований был сделан вывод о сходстве механизмов электромагнитного и слабого взаимодействий, вследствие чего начались теоретические работы по объединению этих взаимодействий в электрослабое.

В 2001-м году на месте электрон-позитронного ускорителя началась постройка Большого адронного коллайдера. Строительство нового ускорителя завершилось в конце 2007-го года. Он располагался на месте LEP – на границе между Францией и Швейцарией, в долине Женевского озера (в 15 км от Женевы), на глубине ста метров. В августе 2008-го года начались испытания коллайдера, а 10-го сентября произошел официальный запуск БАКа. Как и в случае с предыдущим ускорителем, строительство и работа с установкой возглавляется Европейской организацией по ядерным исследованиям – ЦЕРН.

Сотрудники ЦЕРНа в тоннеле коллайдера

Вкратце стоит сказать об организации CERN (Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire). Данная организация выступает в роли крупнейшей мировой лаборатории в области физики высоких энергий. Включает три тысячи постоянных сотрудников, и еще несколько тысяч исследователей и ученых из 80 стран принимают участие в проектах ЦЕРНа.

На данный момент участниками проекта является 22 страны: Бельгия, Дания, Франция, Германия, Греция, Италия, Нидерланды, Норвегия, Швеция, Швейцария, Великобритания – учредители, Австрия, Испания, Португалия, Финляндия, Польша, Венгрия, Чехия, Словакия, Болгария и Румыния – присоединившиеся. Однако, как уже было сказано выше – еще несколько десятков стран так или иначе принимают участие в работе организации, и в частности – на Большом адронном коллайдере.

Как работает Большой адронный коллайдер?

Что такое Большой адронный коллайдер и как он работает – основные вопросы, интересующие общественность. Рассмотрим эти вопросы далее.

Коллайдер (collider) – в переводе с английского означает «тот, кто сталкивает». Задача такой установки состоит в столкновении частиц. В случае с адроннмы коллайдером, в роли частиц выступают адроны – частицы, участвующие в сильном взаимодействии. Таковыми являются протоны.

Получение протонов

Долгий путь протонов берет свое начало в дуоплазматроне – первой ступени ускорителя, куда поступает водород в виде газа. Дуоплазматрон представляет собой разрядную камеру, где через газ проводится электрический разряд. Так водород, состоящий всего из одного электрона и одного протона, теряет свой электрон. Таким образом образуется плазма – вещество, состоящее из заряженных частиц – протонов. Конечно, получить чистую протонную плазму сложно, поэтому далее образованная плазма, включающая также облако молекулярных ионов и электронов, проходит фильтрацию для выделения облака протонов. Под действием магнитов протонная плазма сбивается в пучок.

Физик Детлеф Кюхлер измеряет положение печи внутри источника ионов

Предварительный разгон частиц

Новообразованный пучок протонов начинает свой путь в линейном ускорителе LINAC 2, который представляет собой 30-тиметровое кольцо, последовательно увешенное несколькими полыми цилиндрическими электродами (проводниками). Создаваемое внутри ускорителя электростатическое поле градуировано таким образом, что частицы между полыми цилиндрами всегда испытывают ускоряющую силу в направлении следующего электрода. Не углубляясь целиком в механизм разгона протонов на данном этапе, отметим лишь, что на выходе с LINAC 2 физики получают пучок протонов с энергией 50 МэВ, которые уже достигают 31% скорости света. Примечательно, что при этом масса частиц возрастает на 5%.

Линейный ускоритель LINAC 2

К 2019-2020-му году планируется замена LINAC 2 на LINAC 4, который будет разгонять протоны до 160 МэВ.

Стоит отметить, что на коллайдере также разгоняют ионы свинца, которые позволят изучить кварк-глюонную плазму. Их разгоняют в кольце LINAC 3, аналогичном LINAC 2. В дальнейшем также планируются эксперименты с аргоном и ксеноном.

Далее пакеты протонов поступают в протон-синхронный бустер (PSB). Он состоит из четырех наложенных колец диаметром 50 метров, в которых располагаются электромагнитные резонаторы. Создаваемое ими электромагнитное поле имеет высокую напряженность, и проходящая через него частица получает ускорение в результате разности потенциалов поля. Так спустя всего 1,2 секунды частицы разгоняются в PSB до 91% скорости света и достигают энергии в 1,4 ГэВ, после чего поступают в протонный-синхротрон (PS). Диаметр PS составляет 628 метров и оснащен 27 магнитами, направляющими пучок частиц по круговой орбите. Здесь частиц протоны достигают 26 ГэВ.

Предпоследним кольцом для разгона протонов служит Суперпротонный-синхротрон (SPS), длина окружности которого достигает 7 километров. Будучи оснащенным 1317-ю магнитами SPS разгоняет частицы до энергии в 450 ГэВ. Спустя примерно 20 минут пучок протонов попадает в основное кольцо – Большой адронный коллайдер (LHC).

Разгон и столкновение частиц в LHC

Схема ускорителей LHC

Столкновение частиц происходит в четырех точках основного кольца LHC, в которых располагаются четыре детектора: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb.

Детекторы Большого адронного коллайдера

ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)

Логотип эксперимента ATLAS

— является одним из двух детекторов общего назначения на Большом адронном коллайдере (LHC). Он исследует широкий спектр физики: от поиска бозона Хиггса до частиц, которые могут составлять темную материю. Хотя он имеет те же научные цели, что и эксперимент CMS, ATLAS использует иные технические решения и другую конструкцию магнитной системы.

Детектор ATLAS и некоторые его сотрудники

Пучки частиц из LHC сталкиваются в центре детектора ATLAS, образуя встречные обломки в виде новых частиц, которые вылетают из точки столкновения во всех направлениях. Шесть различных детектирующих подсистем, расположенных в слоях вокруг точки столкновения, записывают пути, импульс и энергию частиц, позволяя их индивидуально идентифицировать. Огромная система магнитов искривляет пути заряженных частиц, так что их импульсы можно измерить.

Взаимодействия в детекторе ATLAS создают огромный поток данных. Чтобы обработать эти данные, ATLAS использует расширенную «триггерную» систему, позволяющую сообщать детектору, какие события записывать, а какие игнорировать. Затем для анализа зарегистрированных событий столкновения используются сложные системы сбора данных и вычисления.

Детектор ATLAS и его компоненты

Детектор имеет высоту 46 метров и ширину – 25 метров, при этом его масса составляет 7 000 тонн. Эти параметры делает ATLAS самым большим детектором частиц, когда-либо созданным. Он находится в тоннеле на глубине в 100 м вблизи главного объекта ЦЕРН, недалеко от деревни Мейрин в Швейцарии. Установка состоит из 4 основных компонентов:

Внутренний детектор ATLAS

LAr (Liquid Argon Calorimeter) — калориметр ATLAS

Мюонный спектрометр ATLAS

Магнитная система ATLAS

В эксперименте ATLAS (февраль 2012 г.) работают более 3 000 ученых из 174 институтов из 38 стран.

CMS (Compact Muon Solenoid)

Логотип эксперимента CMS

— является детектором общего назначения на Большом адронном коллайдере (LHC). Как и ATLAS, имеет широкую физическую программу, начиная от изучения стандартной модели (включая бозон Хиггса) до поиска частиц, которые могут составлять темную материю. Хотя он имеет те же научные цели, что и эксперимент ATLAS, CMS использует иные технические решения и другую конструкцию магнитной системы.

Детектор CMS построен вокруг огромного магнита соленоида. Представляет собой цилиндрическую катушку сверхпроводящего кабеля, которая генерирует поле в 4 тесла, примерно в 100 000 раз превышающее магнитное поле Земли. Поле ограничено стальным «хамутом», который является массивнейшим компонентом детектора, масса которого — 14 000 тонн. Полный детектор имеет длину — 21 м, ширину — 15 м и высоту — 15 м. Установка состоит из 4 основных компонентов:

Схема детектора CMS и его основные компоненты

Эксперимент CMS является одним из крупнейших международных научных исследований в истории, в котором принимают участие 4300 человек: физики в области элементарных частиц, инженеры и техники, студенты и вспомогательный персонал из 182 институтов, 42 стран (февраль 2014 года).

ALICE (A Large Ion Collider Experiment)

Логотип эксперимента ALICE

— представляет собой детектор тяжелых ионов на кольцах большого адронного коллайдера (LHC). Он предназначен для изучения физики сильно взаимодействующего вещества при экстремальных плотностях энергии, где образуется фаза вещества, называемая кварк-глюонной плазмой.

Вся обычная материя в сегодняшней вселенной состоит из атомов. Каждый атом содержит ядро, состоящее из протонов и нейтронов (кроме водорода, не имеющего нейтронов), окруженного облаком электронов. Протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из кварков, связанных вместе с другими частицами, называемыми глюонами. Никакой кварк никогда не наблюдался изолированно: кварки, а также глюоны, по-видимому, постоянно связаны вместе и ограничены внутри составных частиц, таких как протоны и нейтроны. Это называется конфайнментом.

Детектор ALICE и его компоненты

Столкновения в LHC создают температуры более чем в 100 000 раз более горячее, чем в центре Солнца. Колллайдер обеспечивает столкновения между свинцовыми ионами, воссоздавая условия, аналогичные тем, которые имели место сразу после Большого Взрыва. В этих экстремальных условиях протоны и нейтроны «расплавляются», освобождая кварки от их связей с глюонами. Это и есть кварк-глюонная плазма.

В эксперименте ALICE используется детектор ALICE массой 10 000 тонн, 26 м в длину, 16 м в высоту и 16 м в ширину. Устройство состоит из трех основных комплектов компонентов: трэкинговых устройств, калориметров и детекторов-идентификаторов частиц. Также его разделяют на 18 модулей. Детектор находится в тоннеле на глубине 56 м под, недалеко от деревни Сент-Денис-Пуйи во Франции.

Эксперимент насчитывает более 1 000 ученых из более чем 100 институтов физики в 30 странах.

LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment)

Логотип эксперимента LHCb

– в рамках эксперимента проводится исследование небольших различий между веществом и антиматерией, изучая тип частицы, называемый «бьюти-кварк» или «b-кварк».

Вместо того, чтобы окружать всю точку столкновения с помощью закрытого детектора, как ATLAS и CMS, эксперимент LHCb использует серию сабдетекторов для обнаружения преимущественно передних частиц — тех, которые были направлены вперед в результате столкновения в одном направлении. Первый сабдетектор установлен близко к точке столкновения, а остальные — один за другим на расстоянии 20 метров.

Схема детектора LHCb и его основные компоненты

На LHC создается большое изобилие различных типов кварков, прежде чем они быстро распадаются на другие формы. Чтобы поймать b-кварки, для LHCb были разработаны сложные движущиеся следящие детекторы, расположенные вблизи движения пучка частиц по коллайдеру.

5600-тонный детектор LHCb состоит из прямого спектрометра и плоских детекторов. Это 21 метр в длину, 10 метров в высоту и 13 метров в ширину, он находится на глубине 100 метров под землей. Около 700 ученых из 66 различных институтов и университетов вовлечены в эксперимент LHCb (октябрь 2013 г.).

Другие эксперименты на коллайдере

Помимо вышеперечисленных экспериментов на Большом адронном коллайдере есть другие два эксперимента с установками:

Схема расположения детекторов эксперимента LHCf. Нейтральные частицы, которые родились в столкновении пучков протонов в детекторе ATLAS и вылетели вперед (волнистая оранжевая линия), не отклоняются магнитным полем, вследствие чего влетают в детектор LHCf. Схема не отражает реальные масштабы.

LHCf состоит из двух детекторов, которые расположены вдоль LHC, на расстоянии 140 метров с обеих сторон он точки столкновения ATLAS. Каждый из двух детекторов весит всего 40 килограммов и имеет размеры 30 см в длину, 80 см в высоту и 10 см в ширину. В эксперименте LHCf участвуют 30 ученых из 9 институтов в 5 странах (ноябрь 2012 г.).

Схема расположения установок эксперимента TOTEM

Зачем нужен Большой адронный коллайдер?

Крупнейшая международная научная установка исследует широкий спектр физических задач:

Кроме этих задач, существует еще множество других, решение которых также позволит человечеству понимать природу и окружающий нас мир на более качественном уровне, что в свою очередь откроет возможности для создания новых технологий.

Практическая польза Большого адронного коллайдера и фундаментальной науки

Прежде всего, следует отметить, что фундаментальные исследования привносят вклад в фундаментальную науку. Применением же этих знаний занимается прикладная наука. Сегмент общества, не осведомленный в пользе фундаментальной науки зачастую не воспринимает открытие бозона Хиггса или создание кварк-глюонной плазмы, как нечто значимое. Связь подобных исследований с жизнью рядового человека – неочевидно. Рассмотрим краткий пример с атомной энергетикой:

Материалы по теме

ИТЭР — международный термоядерный реактор (ITER)

В 1896-м году французский физик Антуан Анри Беккерель открыл явление радиоактивности. Долгое время считалось, что к ее промышленному использованию человечество перейдет нескоро. Всего за пять лет до запуска первого в истории ядерного реактора великий физик Эрнест Резерфорд, собственно открывший атомное ядро в 1911-м году, говорил, что атомная энергия никогда не найдет своего применения. Переосмыслить свое отношение к энергии, заключенной в ядре атома, специалистам удалось в 1939 году, когда немецкие ученые Лиза Мейтнер и Отто Ган обнаружили, что ядра урана при облучении их нейтронами делятся на две части с выделением огромного количества энергии — ядерной энергии.

И лишь после этого последнего звенья ряда фундаментальных исследований в игру вступила прикладная наука, которая на основе этих открытий изобрела устройство для получения ядерной энергии – атомный реактор. Масштаб открытия можно оценить, ознакомившись с долей выработки электроэнергии атомными реакторами. Так в Украине, например, на АЭС выпадает 56% выработки электроэнергии, а во Франции и вовсе – 76%.

Все новые технологии основываются на тех или иных фундаментальных знаниях. Приведем еще пару кратких примеров:

Схема работы спутника с учетом ОТО

Если сегодня практическое применение открытиям, произошедшим на LHC еще не найдено – это не значит, что ученые «возятся на коллайдере зря». Как известно, человек разумный всегда намеревается получить максимум практического применения из имеющихся знаний, а потому знания о природе, накопленные в процессе исследования на БАК, определенно найдут свое применение, рано или поздно. Как уже было продемонстрировано выше – связь фундаментальных открытий и использующих их технологий иногда может быть совсем не очевидна.

Напоследок, отметим так называемые косвенные открытия, которые не ставятся как изначальные цели исследования. Они встречаются довольно часто, так как для совершения фундаментального открытия, обычно, требуется внедрение и использование новых технологий. Так развитие оптики получило толчок от фундаментальных исследований космоса, строящихся на наблюдениях астрономов через телескоп. В случае с ЦЕРН – так возникла повсеместно применяемая технология – Интернет, проект, предложенный Тимом Бернерсом-Ли в 1989-м году для облегчения поиска данных организации ЦЕРН.

Похожие статьи

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

Источник