Где находится большой адронный коллайдер


Большой Адронный Коллайдер

Координаты: 46°14′00″ с. ш. 6°03′00″ в. д. / 46.233333° с. ш. 6.05° в. д. (G)46.233333, 6.05

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, 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[1]; 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]


  • 1 Поставленные задачи
    • 1.1 Изучение топ-кварков
    • 1.2 Изучение механизма электрослабой симметрии
    • 1.3 Изучение кварк-глюонной плазмы
    • 1.4 Поиск суперсимметрии
    • 1.5 Изучение фотон-адронных и фотон-фотонных столкновений
    • 1.6 Проверка экзотических теорий
    • 1.7 Другое
  • 2 История строительства
    • 2.1 Испытания
      • 2.1.1 2008 год
      • 2.1.2 2009 год
  • 3 Технические характеристики
    • 3.1 Процесс ускорения частиц в коллайдере
    • 3.2 Потребление энергии
  • 4 Распределённые вычисления
  • 5 Неконтролируемые физические процессы
    • 5.1 Сравнение с природными скоростями и энергиями
    • 5.2 Микроскопические чёрные дыры
    • 5.3 Страпельки
    • 5.4 Машина времени
  • 6 Интересные факты
  • 7 Примечания
  • 8 См. также
  • 9 Ссылки
    • 9.1 Публикации и статьи
    • 9.2 Прочее

Поставленные задачи

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, которая описывает Вселенную на микроуровне. Проблема в том, что эти теории несовместимы друг с другом. Например, для адекватного описания происходящего в чёрных дырах нужны обе теории, а они вступают в противоречие.

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, получившая своё развитие в М-теории (теории бран), 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. Так, существует целый спектр физических теорий с размерностями больше четырёх, которые предполагают существование «суперсимметрии» — например, теория струн, которую иногда называют теорией суперструн именно из-за того, что без суперсимметрии она утрачивает физический смысл. Подтверждение существования суперсимметрии, таким образом, будет косвенным подтверждением истинности этих теорий.

Изучение топ-кварков

Топ-кварк — самый тяжёлый кварк и, более того, это самая тяжёлая из открытых пока элементарных частиц. Согласно последним результатам Тэватрона, его масса составляет 173,1 ± 1,3 ГэВ/c² [3]. Из-за своей большой массы топ-кварк до сих пор наблюдался пока лишь на одном ускорителе — Тэватроне, на других ускорителях просто не хватало энергии для его рождения. Кроме того, топ-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 топ-кварк-антикварковой парой. Для того, чтобы надёжно отделять такие события от фона, надо вначале хорошо изучить свойства самих топ-кварков.

Изучение механизма электрослабой 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.


зон 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/c²). 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.

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. Понимание происходящих при этом явлений (переход вещества в состояние кварк-глюонной плазмы и её остывание) нужно для построения более совершенной теории сильных взаимодействий, которая окажется полезной как для ядерной физики, так и для астрофизики.

Поиск суперсимметрии

Первым значительным научным достижением экспериментов на БАК может стать доказательство или опровержение «суперсимметрии» — теории, гласящей, что любая элементарная частица имеет гораздо более тяжёлого партнера, или «суперчастицу».


Изучение фотон-адронных и фотон-фотонных столкновений

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.

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.

Другое

Также ожидается обнаружение физических явлений вне рамок Стандартной Модели. Планируется исследование свойств W и Z-бозонов, ядерных взаимодействий при сверхвысоких энергиях, процессов рождения и распадов тяжёлых кварков (b и t).

История строительства


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.


Испытания

2008 год

11 августа успешно завершена первая часть предварительных испытаний.[4] 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.[5]

10 сентября был произведён официальный запуск коллайдера. В 12:24:30 по московскому времени[6] (по официальной информации, в 12:28 по московскому времени[7]) запущенный пучок протонов успешно прошёл весь периметр коллайдера по часовой стрелке. В 17:02 по московскому времени[8] 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.[9]

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.[10] 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.[11]

16 октября ЦЕРН распространил пресс-релиз, в котором описываются промежуточные результаты расследования инцидента, произошедшего 19 сентября.[12] Подробная техническая информация представлена в четырёхстраничном отчёте.[13]


21 октября состоялась торжественная церемония официального открытия (инаугурация) БАК.[14]

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.
рвая 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.[15] По последним данным[16] 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

9 февраля состоялось заседание директората ЦЕРНа, на котором был одобрен план работы БАК в 2009—2010 годах.[17] В соответствии с утверждённым расписанием, коллайдер будет охлаждён до рабочей температуры в августе, пучки начнут циркулировать в конце сентября, столкновения протонов начнутся в октябре. Главный пункт этого плана: БАК будет работать непрерывно вплоть до осени 2010 года, в том числе и в течение зимы (не считая небольшой рождественской паузы). В 2010 году также возможно выделение времени и для экспериментов по столкновению ядер.[18]

Технические характеристики

Светимость БАК во время первого пробега составит всего 1029 частиц/см²·с. Это весьма скромная величина. Однако, после запуска БАК для экспериментальных исследований, светимость будет постепенно повышаться от начальной 5·1032 до номинальной 1,7·1034 частиц/см²·с, что по порядку величины соответствует светимостям современных B-фабрик SLAC, США) и Belle (KEK, Япония). Выход на номинальную светимость планируется в 2010 году.

На БАК будут работать шесть детекторов:

  • ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
  • ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)
  • CMS (Compact Muon Solenoid)
  • LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment)
  • TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement)
  • LHCf (The Large Hadron Collider forward).

Детекторы ATLAS и CMS предназначены для поиска бозона Хиггса и «нестандартной физики», в частности тёмной материи, ALICE — для изучения кварк-глюонной плазмы в столкновениях тяжёлых ионов свинца, LHCb — для исследования физики b-кварков, что позволит лучше понять различия между материей и антиматерией, TOTEM — для изучения несталкивающихся частиц (forward particles), что позволит точнее измерить размер протонов, а также контролировать светимость коллайдера, и, наконец, LHCf — для исследования космических лучей, моделируемых с помощью тех же несталкивающихся частиц.[19]

Россия принимает активное участие как в строительстве БАК, так и в создании всех детекторов, которые должны работать на коллайдере.[20]

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.

Потребление энергии

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

Распределённые вычисления

Для управления, хранения и обработки данных, которые будут поступать с ускорителя БАК и детекторов, создаётся распределённая вычислительная сеть LCG (англ. LHC Computing GRID ), использующая технологию грид. Для определённых вычислительных задач будет задействован проект распределённых вычислений [email protected]

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.[21] Из-за подобных настроений БАК иногда расшифровывают как Last Hadron Collider (Последний Адронный Коллайдер).

В этой связи наиболее часто упоминается теоретическая возможность появления в коллайдере микроскопических чёрных дыр[22], а также теоретическая возможность образования сгустков антиматерии и магнитных монополей с последующей цепной реакцией захвата окружающей материи.

Указанные теоретические возможности были рассмотрены специальной группой CERN, подготовившей соответствующий доклад, в котором все подобные опасения признаются необоснованными.[23][24] Английский физик-теоретик Эдриан Кент опубликовал научную статью[25] с критикой норм безопасности, принятых CERN, поскольку ожидаемый ущерб, то есть произведение вероятности события на число жертв, является, по его мнению, неприемлемым. Тем не менее, максимальная верхняя оценка вероятности катастрофического сценария на БАК составляет 10-31.[26]

В качестве основных аргументов в пользу необоснованности катастрофических сценариев приводятся ссылки на то, что Земля, Луна и другие планеты постоянно бомбардируются потоками космических частиц с гораздо более высокими энергиями. Упоминается также успешная работа ранее введённых в строй ускорителей, включая релятивистский коллайдер тяжёлых ионов RHIC в Брукхейвене. Возможность образования микроскопических чёрных дыр не отрицается специалистами CERN, однако при этом заявляется, что в нашем трёхмерном пространстве такие объекты могут возникать только при энергиях, на 16 порядков больших энергии пучков в БАК. Гипотетически микроскопические чёрные дыры могут появляться в экспериментах на БАК в предсказаниях теорий с дополнительными пространственными измерениями. Такие теории пока не имеют каких-либо экспериментальных подтверждений. Однако, даже если чёрные дыры будут возникать при столкновении частиц в БАК, предполагается, что они будут чрезвычайно неустойчивыми вследствие излучения Хокинга и будут практически мгновенно испаряться в виде обычных частиц.

21 марта 2008 года в федеральный окружной суд штата Гавайи (США) был подан иск[27][28] Уолтера Вагнера (англ. Walter L. Wagner) и Луиса Санчо (англ. Luis Sancho), в котором они, обвиняя CERN в попытке устроить конец света, требуют запретить запуск коллайдера до тех пор, пока не будет гарантирована его безопасность.

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[29][30][31][32] (см.: Зэватрон). 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.

Микроскопические чёрные дыры

Если чёрные дыры могут возникать в ходе столкновения элементарных частиц, они также будут и распадаться на элементарные частицы, в соответствии с принципом CPT-инвариантности, являющимся одним из самых фундаментальных принципов квантовой механики.

Далее, если бы гипотеза существования стабильных чёрных микро-дыр была верна, то они бы образовывались в больших количествах в результате бомбардировки Земли космическими элементарными частицами. Но бо́льшая часть прилетающих из космоса высокоэнергетических элементарных частиц обладают электрическим зарядом, поэтому часть чёрных дыр были бы электрически заряжены. Эти заряженные чёрные дыры захватывались бы магнитным полем Земли и, будь они в самом деле опасны, давно разрушили бы Землю. Механизм Швиммера, делающий чёрные дыры электрически нейтральными, очень похож на эффект Хокинга и не может работать, если эффект Хокинга не работает.

К тому же, любые чёрные дыры, заряженные или электрически нейтральные, захватывались бы белыми карликами и нейтронными звёздами (которые, как и Земля, бомбардируются космическим излучением) и разрушали их. В результате время жизни белых карликов и нейтронных звёзд было бы гораздо короче, чем наблюдаемое в действительности. Кроме того, разрушаемые белые карлики и нейтронные звёзды испускали бы дополнительное излучение, которое в действительности не наблюдается.

Наконец, теории с дополнительными пространственными измерениями, предсказывающие возникновение микроскопических чёрных дыр, не противоречат экспериментальным данным, только если количество дополнительных измерений не меньше трёх. Но при таком количестве дополнительных измерений должны пройти миллиарды лет, прежде чем чёрная дыра причинит Земле сколько-нибудь существенный вред.

Страпельки

Элементарные частицы, состоящие из «верхних», «нижних» и «странных» кварков, и даже более сложные структуры, аналогичные атомным ядрам, обильно производятся в лабораторных условиях, но распадаются за время порядка 10-9 сек. Это обусловлено гораздо большей массой странного кварка по сравнению с верхним и нижним. Вместе с тем существует гипотеза, что достаточно большие «странные ядра», состоящие из примерно равного количества верхних, нижних и странных кварков, могут быть более стабильными. Дело в том, что кварки относятся к фермионам, а принцип Паули запрещает двум одинаковым фермионам находиться в одном и том же квантовом состоянии, вынуждая частицы, «не успевшие» занять низкоэнергетичные состояния, размещаться на более высоких энергетических уровнях. Поэтому если в ядре имеется три разных сорта («аромата») кварков, а не два, как в обычных ядрах, то большее количество кварков может находиться в низкоэнергетических состояниях, не нарушая принципа Паули. Такие гипотетические ядра, состоящие из трёх сортов кварков, и называются страпельками.

Предполагается, что страпельки, в отличие от обычных атомных ядер, могут оказаться устойчивыми по отношению к спонтанному делению даже при больши́х массах.[33][34] Если это верно, то страпельки могут достигать макроскопических и даже астрономических размеров и масс.

Предполагается также, что столкновение страпельки с ядром какого-нибудь атома может вызывать его превращение в странную материю, которое сопровождается выделением энергии. В результате во все стороны разлетаются всё новые страпельки, что теоретически может приводить к цепной реакции.

Однако даже в этой ситуации коллайдер не представляет сколько-нибудь новой по сравнению с предшествующими ускорителями опасности, поскольку энергии столкновения частиц в нём на порядки выше[23][24], чем те, при которых могут эффективно образовываться ядра (будь то обычные или страпельки). Так что если бы страпельки могли возникать в БАК, они бы в ещё больших количествах возникали и в релятивистском ускорителе тяжёлых ионов RHIC (англ.), поскольку количество столкновений там выше, а энергии ниже. Но этого не происходит.

Машина времени

По информации международного издания New Scientist, профессор, доктор физико-математических наук Ирина Арефьева и член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук Игорь Волович[35] полагают, что этот эксперимент может привести к созданию машины времени.[36][37] Они считают, что протонные столкновения могут породить пространственно-временны́е «кротовые норы».

Противоположных взглядов придерживается доктор физико-математических наук из НИИ ядерной физики МГУ Эдуард Боос, отрицающий возникновение на БАК макроскопических чёрных дыр, а следовательно, «кротовых нор» и путешествий во времени.[38]

Интересные факты

  • В филк-группа Les Horribles Cernettes (LHC, та же аббревиатура, что и у БАК). Первая песня этого коллектива «Collider» была посвящена парню, который забыл о своей девушке, будучи увлечённым созданием коллайдера.[39]
  • В научно-фантастическом телесериале Лексс (The Lexx, показ стартовал в апреле 1997 года) в четвёртом сезоне главные герои оказываются на Земле. Обнаруживается, что Земля относится к планетам «типа 13», на последней стадии развития. Планеты типа 13 всегда уничтожают себя сами, в результате неудачного опыта по определению массы бозона Хиггса на сверхмощном ускорителе элементарных частиц, при этом сжимаясь до размеров горошины. В конечном итоге, Земля была уничтожена.
  • В шестой серии тринадцатого сезона мультсериала Южный Парк с помощью магнита из Большого адронного коллайдера была достигнута сверхсветовая скорость на конкурсе Дерби соснового леса (Pinewood Derby)

См. также

  • Международный линейный коллайдер

Ссылки

  • Большой адронный коллайдер — научно-популярный проект, посвящённый БАК
  • The ultimate guide to the LHC(англ.) — официальный FAQ по LHC, подготовленный CERN
  • Официальный сайт LHC(англ.)
  • «Россия в эксперименте ATLAS» — официальный сайт российских участников проекта
  • «Что такое LHC?» — перевод официальных страниц проекта [email protected]

Публикации и статьи

  • Н. Никитин, Время искать Хиггс
  • Институт физики высоких энергий в проекте LHC
  • Создание торцевых адронных калориметров детектора CMS
  • Игорь Иванов. Столкновение на встречных курсах // Вокруг света : журнал. — июль 2007. — № 7 (2802).
  • Клаус Бахман. Фабрика элементарных частиц // GEO : журнал. — август 2007. (только первая страница)
  • Европейский центр ядерных исследований, CERN, на прошлой неделе опубликовал очередной доклад, посвященный безопасности готовящегося к запуску Большого Адронного Коллайдера (LHC), ускорителя протонов, в котором могут быть воспроизведены вселенские процессы. «Эхо Москвы» (26 июня 2008). Проверено 10 августа 2008.
  • Много фотографий со стройки LHC
  • Фабрика открытий — В мире науки
  • Большой адронный коллайдер — путь к катастрофе или открытиям?
  • Чёрные дыры в Большом адронном коллайдере
  • Степан Столяров. Большой адронный коллайдер. Не очень. BrainBang : журнал (5 июня 2008). — «мы решили выяснить, насколько же он все-таки, хм, большой». Проверено 13 октября 2008.
  • Большой адронный коллайдер (БАК) и Черные дыры.

Источник: dic.academic.ru

Самый мощный в мире ускоритель заряженных частиц на встречных пучках

Самый мощный в мире ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, построенный Европейским центром по ядерным исследованиям (CERN) в подземном тоннеле протяженностью 27 километров на глубине 50-175 метров на границе Швейцарии и Франции. БАК был запущен осенью 2008 года, однако из-за аварии эксперименты на нем начались только в ноябре 2009 года, а на проектную мощность он вышел в марте 2010 года. Запуск коллайдера привлек внимание не только физиков, но и простых обывателей, поскольку в СМИ высказывались опасения по поводу того, что эксперименты на коллайдере могут привести к концу света. В июле 2012 года было объявлено об обнаружении при помощи БАК частицы, которая с высокой вероятностью представляла собой бозон Хиггса — его существование подтверждало правильность Стандартной модели строения вещества.

Предыстория

Впервые ускорители частиц стали использоваться в науке в конце 20-х годов XX века для исследования свойств материи. Первый кольцевой ускоритель, циклотрон, был создан в 1931 году американским физиком Эрнестом Лоуренсом (Ernest Lawrence). В 1932 году англичанин Джон Кокрофт (John Cockcroft) и ирландец Эрнест Уолтон (Ernest Walton) при помощи умножителя напряжения и первого в мире ускорителя протонов сумели впервые осуществить искусственное расщепление ядра атома: при бомбардировке лития протонами был получен гелий. Ускорители частиц работают за счет электрических полей, которые используются для ускорения (во многих случаях до скоростей, приближенных к скорости света) и удержания на заданной траектории заряженных частиц (например, электронов, протонов или более тяжелых ионов). Простейший бытовой пример ускорителей — это телевизоры с электронной лучевой трубкой [50], [34], [70], [71], [72].

Ускорители используются для разнообразных экспериментов, в том числе для получения сверхтяжелых элементов [24]. Для исследования элементарных частиц также используются коллайдеры (от collide — «столкновение») — ускорители заряженных частиц на встречных пучках, предназначенные для изучения продуктов их соударений. Ученые придают пучкам большие кинетические энергии. При столкновениях могут образоваться новые, ранее неизвестные частицы. Специальные детекторы призваны уловить их появление [71]. На начало 1990-х годов наиболее мощные коллайдеры действовали в США и Швейцарии [65]. В 1987 году в США недалеко от Чикаго был запущен коллайдер Тэватрон (Tevatron) с максимальной энергией пучка 980 гигаэлектронвольт (ГэВ). Он представляет собой подземное кольцо длиной 6,3 километра [28], [65], [50]. В 1989 году в Швейцарии под эгидой Европейского центра по ядерным исследованиям (CERN) был введен в эксплуатацию Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP). Для него на глубине 50-175 метров в долине Женевского озера был построен кольцевой тоннель длинной 26,7 километра, в 2000 году на нем удалось добиться энергии пучка в 209 ГэВ [64], [62], [46], [63].

В СССР в 1980-е годы был создан проект Ускорительно-накопительного комплекса (УНК) — сверхпроводящего протон-протонного коллайдера в Институте физики высоких энергий (ИФВЭ) в Протвино. Он превосходил бы по большинству параметров LEP и Тэватрон и должен был позволить разгонять пучки элементарных частиц с энергией 3 тераэлектронвольта (ТэВ). Его основное кольцо длиной 21 километр был построено под землей в 1994 году, однако из-за нехватки средств проект в 1998 году был заморожен, построенный в Протвино тоннель — законсервирован (были достроены только элементы разгонного комплекса), а главный инженер проекта Геннадий Дуров уехал на работу в США [26], [69], [54], [26], [40], [69], [27], [29]. По мнению некоторых российских ученых, если бы УНК был достроен и введен в строй, не было бы необходимости в создании более мощных коллайдеров [27], [40], [28]: высказывалось предположение, что для получения новых данных о физических основах мироустройства достаточно было преодолеть на ускорителях порог энергии в 1 ТэВ [53], [74]. Заместитель директора НИИ ядерной физики МГУ и координатор участия российских институтов в проекте создания Большого адронного коллайдера Виктор Саврин, вспоминая об УНК, утверждал: «Ну три тераэлектронвольта или семь. А там три тераэлектронвольта можно было довести до пяти потом» [40]. Впрочем, США тоже отказались от строительства собственного Сверхпроводимого суперколлайдера (SSC) в 1993 году, причем по финансовым соображениям [66], [17], [27].

Вместо строительства собственных коллайдеров физики разных стран решили объединиться в рамках международного проекта, идея создания которого зародилась еще в 1980-х годах [36], [23]. После окончания экспериментов на швейцарском LEP его оборудование было демонтировано, и на его месте начато строительство Большого адронного коллайдера (БАК, Large Hadron Collider, LHC) — самого мощного в мире кольцевого ускорителя заряженных частиц на встречных пучках, на котором будут сталкиваться пучки протонов с энергиями столкновения до 14 ТэВ и ионы свинца с энергиями столкновения до 1150 ТэВ [65], [26], [37], [64], [62], [46].

Цели эксперимента

Основной целью строительства БАК было уточнение или опровержение Стандартной модели — теоретической конструкции в физике, описывающей элементарные частицы и три из четырех фундаментальных взаимодействия: сильное, слабое и электромагнитное, за исключением гравитационного [37], [26]. Формирование Стандартной модели было завершено в 1960-1970-х годах, и все сделанные с тех пор открытия, по мнению ученых, описывались естественными расширениями этой теории [53], [58]. При этом Стандартная модель объясняла, каким образом взаимодействуют элементарные частицы, но не отвечала на вопрос, почему именно так, а не иначе [74].

  • Одной из главных задач БАК называли экспериментальное доказательство существования бозона Хиггса. Согласно Стандартной модели, бозон Хиггса фактически создает всю массу во Вселенной. Существование этой частицы было предсказано еще в 1960 году британским физиком Питером Хиггсом (Peter Higgs), однако до сооружения БАК ее не удавалось обнаружить экспериментально. При столкновении двух заряженных частиц на БАК они аннигилируются и выделяется энергия достаточная для «рождения» искомой частицы — бозона Хиггса [68], [37], [67], [36].
  • При помощи БАК физики, возможно, смогут ответить на вопрос, почему видимая материя составляет всего около 4 процентов Вселенной, в то время как остальная часть — это темная материя и «темная энергия», которые участвуют только в гравитационном взаимодействии [37], [36], [44].
  • При помощи БАК физики надеются лучше понять, что представляла из себя Вселенная в первые мгновения после Большого Взрыва [67], [31], [37], [34].
  • Ученые также рассчитывают ответить на другой важный вопрос, стоящий перед Стандартной моделью: почему в существующей Вселенной так мало антиматерии, хотя, теоретически, после Большого Взрыва антиматерии и материи должно было образоваться поровну? [67].
  • Возможно, БАК поможет доказать или опровергнуть теорию о том, что кроме привычных нам четырех измерений (пространства и времени) существуют и другие измерения, которые постулируются в «теории струн», описывающей явления, которые выходят за рамки Стандартной модели и ее более простых расширений [53], [56], [67].

Ученые отмечали, что если бы на БАК не удалось добиться открытия бозона Хиггса (в прессе его иногда называли «частицей бога» [26], [72], [36]) — это поставило бы под вопрос всю Стандартную модель, что потребовало бы полного пересмотра существующих представлений об элементарных частицах [52], [72], [68], [43], [37]. В то же время в случае подтверждения Стандартной модели некоторые области физики требовали дальнейшей экспериментальной проверки: в частности, нужно было доказать существование «гравитонов» — гипотетических частиц, отвечавших за гравитацию [52], [37], [26].

Технические особенности

БАК располагается в тоннеле, построенном для LEP. Большая его часть лежит под территорией Франции [37]. Тоннель содержит две трубы, которые почти на всей своей протяженности идут параллельно и пересекаются в местах расположения детекторов, в которых будут осуществляться столкновения адронов — частиц, состоящих из кварков (для столкновений будут использоваться ионы свинца и протоны). Разгоняться протоны начинают не в самом БАК, а во вспомогательных ускорителях. Пучки протонов «стартуют» в линейном ускорителе LINAC2, затем в ускорителе PS, после чего они попадают в кольцо супер протонного синхротрона (SPS) длинной 6,9 километра и уже после этого оказываются в одной из труб БАК, где еще в течение 20 минут им будет придана энергия до 7 ТэВ. Эксперименты с ионами свинца будут начинаться в линейном ускорителе LINAC3. Пучки удерживаются на траектории 1600 сверхпроводящими магнитами, многие из которых весят до 27 тонн. Эти магниты охлаждаются жидким гелием до сверхнизкой температуры: 1,9 градуса выше абсолютного нуля, холоднее открытого космоса [46], [71], [49], [43], [36], [34], [28], [73].

На скорости в 99,9999991 процента скорости света, совершая более 11 тысяч кругов по кольцу коллайдера в секунду, протоны будут сталкиваться в одном из четырех детекторов — наиболее сложных систем БАК [46], [39], [64], [43], [36], [71]. Детектор ATLAS предназначен для поиска новых неизвестных частиц, которые могут подсказать ученым пути поиска «новой физики», отличной от Стандартной модели. Детектор CMS предназначен для получения бозона Хиггса и исследования темной материи. Детектор ALICE предназначен для исследований материи после Большого Взрыва и поиска кварк-глюонной плазмы, а детектор LHCb будет исследовать причину превалирования материи над антиматерией и исследовать физику b-кварков [37], [72]. В будущем планируется ввести в строй еще три детектора: TOTEM, LHCf и MoEDAL [19], [74].

Для обработки результатов экспериментов на БАК будет использоваться выделенная распределенная компьютерная сеть GRID, способная передавать до 10 гигабит информации в секунду в 11 вычислительных центров по всему миру. Каждый год с детекторов будет считываться более 15 петабайт (15 тысяч терабайт) информации: суммарный поток данных четырех экспериментов может достигать 700 мегабайт в секунду [46], [64], [37], [45], [44]. В сентябре 2008 года хакерам удалось взломать веб-страницу CERN и, по их заявлениям, получить доступ к управлению коллайдером. Однако сотрудники CERN объяснили, что система управления БАК изолирована от интернета [32]. В октябре 2009 года по подозрению в сотрудничестве с террористами был арестован Адлен Ишор, который был одним из ученых работавших над экспериментом LHCb на БАК. Впрочем, как сообщило руководство CERN, Ишор не имел доступа к подземным помещениям коллайдера и не занимался ничем, что могло было заинтересовать террористов [15], [16]. В мае 2012 года Ишор был осужден на пять лет тюрьмы [4].

Стоимость и история строительства

В 1995 году стоимость создания БАК оценивалась в 2,6 миллиарда швейцарских франков без учета стоимости проведения экспериментов [36]. Планировалось, что эксперименты должны будут начаться через 10 лет — в 2005 году [64]. В 2001 году бюджет CERN был сокращен, а к стоимости строительства было добавлено 480 миллионов франков (общая стоимость проекта к тому времени составляла около 3 миллиардов франков), и это привело к тому, что пуск коллайдера был отложен до 2007 года [60]. В 2005 году при строительстве БАК погиб инженер: причиной трагедии стало падение груза с крана [55].

Запуск БАК переносился не только из-за проблем с финансированием. В 2007 году выяснилось, что поставленные Fermilab детали для сверхпроводящих магнитов не удовлетворяли конструкционным требованиям, из-за чего запуск коллайдера был перенесен на год [51].

10 сентября 2008 года в БАК был запущен первый пучок протонов [36]. Планировалось, что через несколько месяцев на коллайдере будут осуществлены первые столкновения [36], однако 19 сентября из-за дефектного соединения двух сверхпроводящих магнитов на БАК произошла авария: магниты были выведены из строя, в тоннель вылилось более 6 тонн жидкого гелия, в трубах ускорителя был нарушен вакуум. Коллайдер пришлось закрыть на ремонт. Несмотря на аварию 21 сентября 2008 года состоялась торжественная церемония введения БАК в строй. Первоначально опыты собирались возобновить уже в декабре 2008 года, однако затем дата повторного запуска была перенесена на сентябрь, а после — на середину ноября 2009 года, при этом первые столкновения планировалось провести лишь в 2010 году [26], [18], [25], [20]. Первые после аварии тестовые запуски пучков ионов свинца и протонов по части кольца БАК были произведены 23 октября 2009 года [13], [14]. 23 ноября в детекторе ATLAS были произведены первые столкновения пучков [12], а 31 марта 2010 года коллайдер заработал на полную мощность: в тот день было зарегистрировано столкновение пучков протонов на рекордной энергии в 7 ТэВ [10]. В апреле 2012 года была зафиксирована еще большая энергия столкновений протонов — 8 ТэВ [5].

В 2009 году стоимость БАК оценивалась от 3,2 до 6,4 миллиарда евро, что делало его самым дорогим научным экспериментом в истории человечества [36].

Международное сотрудничество

Отмечалось, что проект масштаба БАК не под силу создать одной стране [57]. Он создавался усилиями не только 20 государств-участников CERN: в его разработке принимали участие более 10 тысяч ученых из более чем ста стран земного шара [34], [25], [30]. С 2009 года проектом БАК руководит генеральный директор CERN Рольф-Дитер Хойер (Rolf-Dieter Heuer) [25]. В создании БАК принимает участие и Россия как член-наблюдатель CERN [26]: в 2008 году на Большом адронном коллайдере работало около 700 российских ученых, в их числе были сотрудники ИФВЭ [28], [27].

Между тем, ученые одной из европейских стран едва не лишились возможности принять участие в экспериментах на БАК. В мае 2009 года министр науки Австрии Йоханнес Хан (Johannes Hahn) заявил о выходе страны из CERN с 2010 года, объяснив это тем, что членство в CERN и участие в программе создания БАК слишком затратно и не приносит ощутимой отдачи науке и университетам Австрии. Речь шла о возможной ежегодной экономии примерно 20 миллионов евро, составлявших 2,2 процента бюджета CERN и около 70 процентов средств, выделяемых на австрийским правительством на участие в международных исследовательских организациях. Окончательное решение о выходе Австрия пообещала принять осенью 2009 года [22]. Впрочем, впоследствии австрийский канцлер Вернер Файман (Werner Faymann) заявил, что его страна не собирается уходить из проекта и CERN [21].

Слухи об опасности

В прессе циркулировали слухи о том, что БАК представляет опасность для человечества, поскольку его запуск может привести к концу света. Поводом стали заявления ученых о том, что в результате столкновений в коллайдере могут образоваться микроскопические черные дыры: сразу появились мнения о том, что в них может «засосать» всю Землю, и потому БАК является настоящим «ящиком Пандоры» [39], [38], [43], [41], [37]. Также высказывались мнения о том, что обнаружение бозона Хиггса приведет к бесконтрольному росту массы во Вселенной, а эксперименты по поиску «темной материи» могут привести к появлению «страпелек» (strangelets, перевод термина на русский язык принадлежит астроному Сергею Попову [43]) — «странной материи», которая при соприкосновении с обычной материей может превратить ее в «страпельку». При этом приводилось сравнение с романом Курта Воннегута (Kurt Vonnegut) «Колыбель для кошки», где вымышленный материал «лед-девять» уничтожил жизнь на планете [59], [43]. Некоторые издания, ссылаясь на мнения отдельных ученых, заявляли также о том, что эксперименты на БАК могут привести к появлениям «чревоточин» (wormholes) во времени, через которые в наш мир из будущего могут перенестись частицы или даже живые существа [33], [48]. Впрочем, оказалось, что слова ученых были искажены и неверно интерпретированы журналистами: изначально речь шла «о микроскопических машинах времени, при помощи которых путешествовать в прошлое смогут только отдельные элементарные частицы» [47], [48].

Ученые неоднократно заявляли о том, что вероятность подобных событий ничтожно мала. Была даже собрана специальная Группа оценки безопасности БАК, которая провела анализ и выступила с отчетом о вероятности катастроф, к которым могут привести эксперименты на БАК. Как сообщили ученые, столкновения протонов на БАК будут не опаснее, чем столкновения космических лучей со скафандрами космонавтов: они имеют иногда даже большую энергию, чем та, что может быть достигнута в БАК. А что касается гипотетических черных дыр, то они «рассосутся», не долетев даже до стенок коллайдера [39], [33], [43], [38], [41], [44].

Впрочем, слухи о возможных катастрофах все равно держали общественность в напряжении. На создателей коллайдера даже подавали в суд: самые известные иски принадлежали американскому юристу и врачу Вальтеру Вагнеру (Walter Wagner) и профессору химии из Германии Отто Ресслеру (Otto Rossler). Они обвиняли CERN в том, что своим экспериментом организация подвергают опасности человечество и нарушают гарантированное Конвенцией по правам человека «право на жизнь», однако иски были отклонены [44], [39], [41], [43], [28]. Пресса сообщала, что из-за слухов о скором конце света после запуска БАК в Индии покончила с собой 16-летняя девушка [35].

В русской блогосфере появился мем «скорее бы коллайдер», который можно перевести как «скорее бы конец света, невозможно больше смотреть на это безобразие» [42]. Популярностью пользовался анекдот «У физиков есть традиция — один раз в 14 миллиардов лет собираться и запускать коллайдер» [28].

Научные результаты

Первые данные экспериментов на БАК были опубликованы в декабре 2009 года [11]. 13 декабря 2011 года специалисты CERN заявили, что в результате исследований на БАК им удалось сузить границы вероятной массы бозона Хиггса до 115,5-127 ГэВ и обнаружить признаки существования искомой частицы с массой около 126 ГэВ [8], [9]. В том же месяце было впервые объявлено об открытии в ходе экспериментов на БАК новой частицы, не являвшейся бозоном Хиггса и получившей название χb (3P) [6], [7].

4 июля 2012 года руководство CERN официально заявило об обнаружении с вероятностью 99,99995 процента новой частицы в области масс около 126 ГэВ, которая, по предположениям ученых, скорее всего и была бозоном Хиггса. Этот результат руководитель одной из двух научных коллабораций, работавших на БАК, Джо Инкандела (Joe Incandela) назвал «одним из величайших наблюдений в этой области науки за последние 30-40 лет», а сам Питер Хиггс объявил обнаружение частицы «концом целой эры в физике» [3], [2], [1].

Источник: lenta.ru

/ТАСС-ДОСЬЕ/. Большой адронный коллайдер (Large hadron collider, БАК, LHC) — самый мощный в мире ускоритель заряженных частиц. Построен Европейской организацией по ядерным исследованиям (CERN).

БАК расположен в подземном кольцевом тоннеле окружностью 26 км 659 м неподалеку от Женевы на границе Швейцарии и Франции на глубине 100-175 м. Первоначально в этом тоннеле находился Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP), построенный в 1989 году. LEP позволял разгонять пучки частиц до энергий в 209 гигаэлектронвольт (ГэВ). К середине 1990-х гг. одной из главных задач физики стало уточнение или опровержение Стандартной модели элементарных частиц, в частности, экспериментальное доказательство существования бозона Хиггса. Его существование было предсказано в 1963 году группой ученых во главе с британским физиком Питером Хиггсом (Peter Higgs). За счет бозона Хиггса, согласно Стандартной модели, создается вся масса Вселенной. Существующей мощности LEP было недостаточно для обнаружения данной частицы, поэтому в декабре 1994 года совет CERN решил строить в тех же тоннелях БАК с мощностью пучка протонов в 4 тераэлектронвольта (ТэВ).

Проект БАК — крупномасштабная международная программа. В работе по сооружению и экспериментах на ускорителе участвовали около 100 тыс. человек из 44 стран мира, в том числе из России. Строительство коллайдера началось в 1998 году и завершилось в 2008 году. Первое испытание состоялось 10 сентября 2008 года, однако вскоре БАК был остановлен на несколько месяцев из-за аварии. В 2010 году мощность пучков была доведена до 3,5 ТэВ, что стало официальным началом исследовательской программы. 4 июля 2012 году с помощью БАК был открыт бозон Хиггса. 14 февраля 2013 года коллайдер был приостановлен для модернизации. После ее завершения мощность пучка на БАК должна возрасти к маю-июню 2015 года до 13 ТэВ, а затем — до 14 ТэВ.

Частицы в БАК попадают из каскада дополнительных ускорителей, разгоняющих протоны до 0,45 ТэВ. Ускоритель представляет собой две трубы, которые почти на всей своей протяженности идут параллельно в кольцевом тоннеле и пересекаются в местах расположения детекторов столкновений. В детекторах частицы, разогнанные с помощью сверхпроводящих магнитов, сталкиваются на скорости 99,9999991% от скорости света, составляющей 299 млн 792 тыс. 458 м в секунду.

Адронным коллайдер называется потому, что в его детекторах осуществляются столкновения адронов (класс элементарных частиц, состоящих из кварков).

После повторного запуска на БАК будут продолжены эксперименты по четырем основным направлениям: уточнение параметров бозона Хиггса; поиск ответа на вопросы о том, что представляла Вселенная в первые мгновения после Большого Взрыва; чем является темная материя и «темная энергия»; почему во Вселенной незначительный объем антиматерии.

Стоимость БАК составляла около 7,5 млрд евро (по состоянию на 2010 год), он являлся самым дорогим научным экспериментом в истории человечества. Ежегодно ускоритель потребляет около 1,3 тераватт-часов электроэнергии, столько же, сколько город с населением около 1 млн человек.

Источник: tass.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.