К основным детекторам большого адронного коллайдера относятся


Что такое большой адронный коллайдер?

Большой адронный коллайдер (сокр. БАК, англ. LHC) – это самый большой и мощный ускоритель частиц в мире, расположенный на франко-швейцарской границе около города Женева. Он предназначен для ускорения и столкновения встречных пучков протонов и тяжелых ионов (ионов свинца). БАК создан при Европейском совете ядерных исследований ЦЕНР. В его строительстве и обслуживании, участвовало более 10 тыс инженеров и ученых из более чем 100 стран мира. Стоимость проекта оценивается в 10 млрд. долларов.

Коллайдер по сути является замкнутой туннельной системой, расположенной под земной поверхностью на глубине до 180 м. Название «коллайдер» уместно перевести на русский как «устройство для сталкивания». А сталкивает он адроны (класс составных частиц, подверженных сильному взаимодействию). Отсюда и название «адронный коллайдер». Приставку «большой» он получил за свои внушительные размеры, длина основного туннеля БАК составляет 26,7 км.


По большей части эксперименты проводятся с протонами. Протон – элементарная частица, составляющая часть атома, ее отличительное свойство – наличие положительного заряда. БАК разгоняет потоки протонов внутри подземного туннеля до более 99,9% скорости света, направляя их навстречу друг другу. При столкновении на такой скорости моделируются условия, сходные с состоянием нашей Вселенной на ранних стадиях ее существования.

Каково происхождение протонов для экспериментов в БАК?
Их получают методом ионизации атома водорода. Как известно, в его составе имеется 1 протон и 1 электрон. Ионизация помогает избавиться от электрона, и сохранить необходимый для научных опытов протон.

Предназначение

Большой адронный коллайдер помогает исследовать сами элементарные частицы и особенности процессов их взаимодействия. БАК уже принес науке немало бесценных сведений в области квантовой физики, и ученым не терпится получить больше информации о том, как устроены наше пространство и время. Процессы, уловленные детекторами БАК во время столкновения протонов, дают исследователям возможность прийти к лучшему пониманию того, что представляла собой Вселенная в продолжение первых мгновений после Большого взрыва.


Как известно, к началу 1970-х физики разработали так называемую Стандартную модель (СМ), в которой объединились 3 из 4 фундаментальных взаимодействий (кроме гравитационного):

— сильное;

— слабое;

— электромагнитное.

Однако СМ невозможно принять исчерпывающей теорией элементарных частиц. Предположительно, она – не более чем фрагмент более масштабной теоретической картины устройства микромира. Основополагающая цель создание Большого адронного коллайдера – приблизиться к пониманию сущности новой теории (поиск новой физики).

В наше время наука применяет различные способы объединения фундаментальных взаимодействий:

— теория струн;

— теории супергравитации;

— петлевая квантовая гравитация и пр.

Не все они являются совершенными, и ни одна из них не была подтверждена экспериментальным методом. Препятствие заключается в недостатке энергии, доступной ученым на современных устройствах для ускорения частиц.

Большой адронный коллайдер дал науке возможность реализовать эксперименты с недоступной прежде энергией, и по-видимому, это позволит оценить корректность некоторых из вышеупомянутых теоретических подходов. В частности, имеется большое число теоретических систем, допускающих наличие такого явления, как суперсимметрия – в частности, теория струн (она же теория суперструн), которая в случае доказанного отсутствия суперсимметрии утратит свой логический смысл. Соответственно, если будет получено доказательство существования суперсимметрии, то это станет и косвенным аргументом в подтверждение правоты данных теорий.


Исследование топ-кварков

Эти частицы – наиболее тяжелые не только из кварков, но также из всех известных науке элементарных частиц. Их масса слишком велика для того, чтобы топ-кварки можно было изучать на большинстве ускорителей. Помимо прямого научного интереса, данные частицы используются как средство для исследований бозона Хиггса. Бозоны появляются на свет в БАК совместно с парой топ-кварк/антикварк. Поэтому следует лучше представлять свойства кварков, чтобы выделять из их среды бозоны.

Исследование электрослабой симметрии

Среди основных задач БАК, помимо подтверждения существования бозона Хиггса, следует отметить то, каким образом данная нестабильная частица оказывает влияние на симметрию электрослабого взаимодействия. Бозон, как известно, — квант такого физического явления, как поле Хиггса. Преодолевающее эту среду элементарные частицы сталкиваются с сопротивлением, что физика осознает как поправки к массе.

Исследование кварк-глюонной плазмы

Помимо прочих экспериментов, в БАК проводятся опыты со столкновением ядер атомов свинца. В процессе неупругого контакта пары таких ядер на ультрарелятивистских скоростях на короткий срок появляется и исчезает сгусток ядерного в-ва высокой плотности и температуры. Изучение характерных для этого процессов (преобразование в-ва в кварк-глюонную плазму) необходимо для выстраивания более корректной теоретической модели сильных ядерных взаимодействий, которая позволит добиться существенного прогресса как собственно в физической науке, так и в понимании астрономических процессов.


Исследование фотонных взаимодействий

ЭМ взаимодействие понимается как обмен фотонами. Проще говоря, фотоны считаются носителями ЭМ поля. Протоны же обладают электрическим зарядом и электростатическим полем, которое допустимо считать совокупностью виртуальных фотонов.

Когда протоны приходят в столкновение, окружающие их фотоны вступают во взаимодействие. Тем самым, изучая процесс столкновения протонов, физики занимаются исследованием поведения фотонов высокой энергии.

Помимо этого, имеет место особая разновидность реакций – прямое взаимодействие пары фотонов.

Как устроен БАК

Коллайдер состоит из 3 базовых структур;

— ускоритель элементарных частиц. Он позволяет разогнать и столкнуть адроны (тяжелые элементарные частицы из кварков), используя электрические магниты огромной мощности, которые распределены параллельно всей протяженности подземного туннеля;

— детекторы. Процесс, а также итоги взаимодействия ускоренных магнитами протонов невозможно наблюдать непосредственно в туннеле, по этой причине особые устройства-детекторы собирают максимально возможный объем информации с целью дальнейшей ее обработки;


— грид. Детекторы набирают петабайты экспериментальных данных. Для того, чтобы корректно обработать столь внушительный массив информации, применяют грид-систему – компьютерную сеть, расположенную в 36 государствах, она формирует своего рода единый супер-компьютер. Но даже он способен интерпретировать приблизительно 1% параметров реакции в БАК.

Детекторы

ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)
ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment)

CMS (Compact Muon Solenoid)
LHCf (The Large Hadron Collider forward)

TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement)
MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC).

ATLAS, ALICE, CMS, LHCb — это большие детекторы, расположенные вокруг точек столкновения пучков. Детекторы TOTEM и LHCf являются вспомогательными, находятся в нескольких десятках метров от точек столкновения и используются параллельно с основными.

ATLAS и CMS участвовали в поиске бозона Хиггса, а также тёмной материи. Детектор ALICE — изучает кварк-глюонную плазму при столкновении тяжёлых ионов свинца. LHCb — исследует физику b-кварков, для лучшего понимания различия между антиматерией и материей. TOTEM — изучает рассеивание частиц на малые углы (а также ведет анализ не столкнувшихся частиц). LHCf — исследует космические лучи, которые моделируются теми же не сталкивающимися частицами. MoEDAL — нацелен на поиск медленно движущихся тяжёлых частиц

Как работает БАК


В туннеле коллайдера частицы разгоняют почти до скорости света, при этом увеличивая их массу в несколько тысяч раз. Весь процесс можно разделить на 5 ключевых этапов:

  1. Сначала атомы водорода поступают в начальную камеру линейного ускорителя (Linac 2), где от них отделяют электроны. Это нужно для того, чтобы у них был положительный заряд и их можно было ускорять с помощью электрического поля.
  2. Проходя линейный ускоритель, пучок протонов достигает 1/3 скорости света и попадает в бустер (PS buster) с длинной пути 157 метров. Там он делится на четыре меньших пучка, каждый из которых разгоняется в отдельном кольце бустера (для максимального повышения плотности потока частиц). С помощью пульсирующего электрического поля происходит ускорение частиц, в то время как магнитное поле способствует их движению по кругу. Бустер разгоняет частицы до 91,6% скорости света и делает пучки протонов плотными.
  3. На выходе из бустера частицы собираются воедино и поступают в кольцо протонного синхротрона (PS) с длинной 628 метров. Циркулируя по кругу в течение 1,2 секунды, они достигают более чем 99,9% скорости света. Стоит отметить, что на этом этапе достигается предел скорости, когда пульсирующее электрическое поле больше не может ускорять частицы. Однако вместо этого прикладываемая энергия увеличивает массу протонов. Таким образом, протонный синхротрон увеличивает кинетическую энергию частиц до 28 ГэВ (частицы становятся в 28 раз тяжелее, чем были).

  4. Затем пучок поступает в протонный суперсинхротрон (SPS) — огромное 7-ми километровое кольцо — «разгон» в котором дает частицам энергию порядка 450 ГэВ. Это последняя подготовительная ступень разгона перед перемещением в основное кольцо Большого адронного коллайдера.
  5. Основное кольцо БАК, длинна которого составляет 26659 метров, состоит из двух вакуумных трубок, в которых протонные пучки движутся в противоположных направлениях. Эти трубки пересекаются в четырех точках, где размещены детекторы. Там и происходит столкновение частиц и сбор данных. Однако перед встречным столкновением, основное кольцо БАК увеличивает их кинетическую энергию до 7 ТэВ (делая частицы в 7000 раз тяжелее, чем в состоянии покоя).

Интересные факты:
Всего за 1 секунду частицы пролетают всю протяженность основного туннеля более 11000 раз (т.е на 1 цикл уходит не более, чем 0,0001 с). За ту же секунду в БАК происходит около 1 миллиарда столкновений, каждое их которых генерирует 1,5 мегабайта данных.

Каковы научные достижения БАК

Поскольку БАК располагает большей энергией в сравнении с коллайдерами ранних версий, он дал ученым возможность исследовать неизведанную до того область энергий и обрести научные данные, которые помогают уточнить некоторые теоретические построения.


Сегодня к наиболее заметным научным «прорывом», достигнутым при помощи коллайдера, относят открытие бозона Хиггса. Уже сейчас его многие называют одним из наиболее громких открытий XXI столетия, поскольку бозон Хиггса помогает объяснить наличие массы частиц в нашем пространстве. Следовательно, тем самым получено подтверждение Стандартной модели, на основе каковой в наше время физика моделирует поведение и реакции элементарных частиц. И как раз это их взаимодействие является фундаментом, на котором построено все наше мироздание.

Сущность действия бозона Хиггса заключается в том, что он участвует в формировании массы и обмене ею среди прочих элементарных частиц. Однако это крайне упрощенное изложение функций бозона, и всем заинтересовавшимся этой частицей рекомендуем изучить соответствующие научные публикации.

Прочие научные результаты БАК:

— проведены исследования базовых статистических параметров столкновений протонов, оценка числа рожденных адронов, корреляции мезонов;

— продемонстрировано, что не существует асимметрия протонов и антипротонов;

— наблюдались необычные корреляции протонов, летящих по весьма различным траекториям;

— уточнены параметры возможных контактных взаимодействий кварков;

— зафиксированы существенные признаки образования кварк-глюонной плазмы и т.д.

Способен ли БАК разрушить планету


С первых дней своей постройки адронный коллайдер вызывал всевозможные спекулятивные опасения и фантазии. В частности, в интернете прошел слух, что вследствие экспериментальной работы БАК способен создать черную дыру, и та проглотит Землю.

Разумеется, эти опасения имеют под собой определенную основу, однако:

— в случае, если теоретически БАК сформировал бы черную дыру, то ее размеры оказались бы микроскопическими. И есть предположение, что чем они миниатюрнее, тем быстрее такой объект аннигилируется, превращаясь в энергию, не успев нанести ни малейшего ущерба. Но здесь нельзя утверждать ничего наверняка, потому что все это основано на гипотезах и теориях.

С другой стороны, возможно, при столкновении в БАК недостаточно кинетической энергии, чтобы выполнилось условие R=2GM/c2 (гравитационный радиус), необходимое для образования черной дыры.

Планы на будущее

По мере того, как Большой адронный коллайдер приступит к работе на полной мощности и светимости (2021 — 2023 гг.), его разработчики планируют остановку на 2,5 года для модернизации детекторов и ускорителей (проект HL-LHC). Тем самым будет усилена светимость БАК и обеспечена возможность проведения опытов с еще большей энергией. Ученые также намерены организовать опыты путем столкновения протонов и электронов, что потребует дополнительного оборудования для разгона элементарных частиц.


Кроме того, в планах ЦЕРНа есть куда более амбициозный международный проект, создание коллайдера с 100 км. кольцом. Текущее название проекта Future Circular Collider (FCC, «Будущий циклический коллайдер»).

Дорогие друзья, мы все люди и можем ошибаться, а информация имеет тенденцию устаревать. Поэтому, если найдете неверную информацию или грубые смысловые и прочие ошибки, то, пожалуйста, дайте знать об этом в комментариях.

Источник: sci-news.ru

Как выглядит Большой адронный коллайдер

Это гигантский замкнутый туннель, построенный под землей. Он имеет длину 27 километров и уходит на глубину от 50 до 175 метров.

Находится коллайдер на границе Франции и Швейцарии, недалеко от города Женева.

Как работает Большой адронный коллайдер

Слово «коллайдер» в этом случае можно перевести как «сталкиватель». А сталкивает он адроны — класс частиц, состоящих из нескольких кварков, которые удерживаются сильной субатомной связью. Протоны и нейтроны являются примерами адрона.

БАК в основном использует столкновение протонов в своих экспериментах. Протоны — это части атомов с положительным зарядом. Коллайдер ускоряет эти протоны в тоннеле, пока они не достигнут почти скорости света. Различные протоны направлены через туннель в противоположных направлениях. Когда они сталкиваются, то можно зафиксировать условия, подобные ранней Вселенной.

Откуда берутся протоны в для столкновения?

Для этого ионизируются атомы водорода. Атом водорода состоит из одного протона и одного электрона. Во время ионизации удаляется электрон и остаётся нужный для эксперимента протон.

БАК состоит из трёх основных частей:

  1. Ускоритель частиц. Разгоняет и сталкивает протоны с помощью системы мощных электромагнитов, расположенных вдоль всего тоннеля.
  2. Детекторы. Результаты столкновения нельзя наблюдать напрямую, поэтому мощные детекторы улавливают максимум данных и направляют их на обработку.
  3. Грид. С детекторов поступают петабайты данных. Для их интерпретации используется грид-инфраструктура — сеть из компьютеров в 36 странах, которые совместно образуют один суперкомпьютер. Но даже этого хватает только на обработку 1% данных.

Зачем нужен Большой адронный коллайдер

С помощью БАК можно изучить элементарные частицы и способы их взаимодействия. Он уже многому научил нас в области квантовой физики, и исследователи надеются узнать больше о структуре пространства и времени. Наблюдения, которые делают учёные, помогают понять, какой могла быть Вселенная в течение миллисекунд после Большого взрыва.

Читайте также: Что если изобретут телепортацию

Какие открытия совершили на БАК

На данный момент самое большое открытие — это бозон Хиггса. Это одно из важнейших открытий 21 века, объясняющее существование массы частиц во Вселенной. Это подтверждает Стандартную модель, с помощью которой сегодня физики описывают взаимодействие элементарных частиц. Именно на этом взаимодействии основано устройство всей Вселенной.

Суть работы бозона Хиггса в том, что благодаря ему другие элементарные частицы могут иметь и передавать свою массу. Но это очень и очень упрощённое понимание, и если Вам интересно, почитайте научную литературу.

С полным списком всех открытий на Большом адронном коллайдере можно ознакомиться на Википедии.

Может ли коллайер уничтожить Землю

С момента запуска БАК стал объектом разнообразных домыслов. Самый известный — в ходе экспериментов может образоваться чёрная дыра и поглотить планету.

Есть две причины, чтобы не волноваться.

  1. На БАК не происходит ничего такого, чего не делают космические лучи, которые ежедневно попадают на Землю, и эти лучи не создают чёрных дыр.
  2. Даже если Большой адронный коллайдер действительно создаст чёрную дыру, то она будет крошечной. Чем меньше чёрная дыра, тем короче ее жизнь. Такая чёрная дыра превратится в энергию, прежде чем сможет причинить вред людям.

Надеемся, Вам было интересно, как и нам во время работы над этим материалом!

Источник: topor.info

Так что теперь?

Если кратко, то теперь физики очень хотят найти что-то не предсказанное Стандартной моделью. Стандартная модель (обозначим ее, пожалуй, СМ для краткости) сама по себе очень хороша, но она не в состоянии описать множество интересных вещей, от темной материи до гравитации; более того, она формально допускает и некоторую свободу в отношении своего содержания.

Как несложно догадаться, для выхода за пределы СМ нужно найти что-то ранее неизвестное. А для этого, в свою очередь, нужна бóльшая светимость и бóльшая энергия частиц, чтобы обеспечить заметное число столкновений частиц с достаточной энергией. В ЦЕРН (Европейский центр ядерных исследований, где расположен БАК) уже приняли принципиальное решение провести на коллайдере еще одну серию экспериментов в 2021—2023 годах (так называемый Run 3), а потом провести капитальную модернизацию ускорителя. Светимость коллайдера после этого может вырасти в десять раз, но и уже к началу Run 3 ее рассчитывают поднять вдвое, достигнув того предела, на который указывают отвечающие за сверхпроводящие магниты инженеры.

Источник: tass.ru

«Если мы не найдем бозон Хиггса — это хороший результат»

— Физика — наука международная, — считает профессор Игорь Голутвин. — Она требует таких больших ресурсов, что предоставить их не может ни одна страна в одиночку. Я говорю не столько даже о финансовой стороне вопроса, сколько об интеллектуальной.

Игорь Голутвин

Игорь Анатольевич первый раз приехал в Женеву более 50 лет назад. Он — представитель старшего поколения физиков, изучающих элементарные частицы, своими глазами видел становление ЦЕРНа, принимал участие в сотнях экспериментов и издал множество научных работ. Является ведущим ученым Объединенного института ядерных исследований в Дубне и руководителем коллаборации RDMS в ЦЕРНе. В ее состав входят сотни представителей из стран бывшего СССР, в том числе белорусы.

В общем, Игорь Голутвин точно знает, на какие вопросы может ответить Большой адронный коллайдер.

— Я слышал недавно любопытную мысль: физики сейчас занимаются тем, чем занимаются теологи уже 20 веков — объясняют происхождение мира, устройство Вселенной, — продолжает ученый. — Для этого была придумана специальная машина — Большой адронный коллайдер. Идею подали, кстати, мой хороший знакомый, талантливый человек и лауреат Нобелевской премии, Карло Руббиа и инженер Джорджио Брианти.

Профессор Голутвин считает, что Большой адронный коллайдер — идеальная экспериментальная установка, созданная на пределе инженерных возможностей человечества. Воплотить нечто большее было бы попросту невозможно, а построить меньшее — значит, сознательно уменьшить потенциал лаборатории.

— Большой адронный коллайдер мы называем машиной открытий, — говорит Игорь Анатольевич. — И, как это принято в научном мире, любое открытие должно быть подтверждено. Именно для этого сооружено два разных по устройству, но одинаковых по предназначению детектора (эксперимента).

Профессор называет коллайдер «началом новой эры»:

— Когда-то писали клинописью или делали наскальные рисунки, затем появилась принципиально другая письменность, потом книги, компьютеры — люди узнавали все больше и больше. Так вот, информация с детекторов Большого адронного коллайдера — это совсем другой уровень, на порядок выше. За один только год ее набирается столько, сколько потребило бы 2 миллиарда пользователей интернета.

Большая часть анализа информации обрабатывается автоматически — для этого работают мощности как самого ЦЕРНа, так и многочисленных компьютеров, распределенных по миру и связанных между собой в системе ГРИД. Об этом, как и об устройстве самого коллайдера, мы расскажем ниже.

В обывательской среде ходит достаточно много информации о коллайдере и его предназначении — раскруткой «брендов» типа «бозон Хиггса» или «темная материя» занимаются в основном журналисты. Игорь Голутвин описывает задачи ускорителя с долей философии:

— Ученые понимают строение вещества достаточно неплохо, но до определенного уровня, — говорит профессор. — Все, что находится за пределами нашего видения, описывается в теории, при помощи так называемой стандартной модели. Она всем хороша, кроме нескольких «мелочей»: например, в ней не учитывается существование гравитации, а также используется много свободных параметров — целых 26 «подгоночных» величин, вписанных, по сути, от руки.

Игорь Анатольевич доступным для нас языком раскрывает проблему объяснения массы веществ. Стандартная модель описывает их так, как будто они ничего не весят: тем не менее все мы носители своих килограммов, равно как всё, что существует во Вселенной.

— Одна из «красивых» теорий, объясняющая существование массы, как раз увязана с бозоном Хиггса, — продолжает физик. — Кроме того, за последнее десятилетие ученые сделали вывод, что видимая нами часть материи составляет всего 4% от общей ее массы. Так появился термин «темная материя», и мы надеемся понять, что это такое.

Ученый называет «громадным заблуждением» расхожее мнение, будто коллайдер существует только для поиска одного лишь бозона Хиггса. По его мнению, популярность в народе этой проблемы связана с особенностями финансирования научных программ со стороны политических властей: еще во времена попытки построить большой коллайдер на территории США деньги выделялись под конкретный проект или задачу и требовали отчетности. Так «бозон Хиггса» стал сверхзадачей.

— Да, это важнейшая проблема физики, — считает Игорь Голутвин. — И финансирование в огромных размерах (например, ЦЕРН под это выделил 700 миллионов долларов) должно как-то оправдываться, это такой своеобразный критерий.

По оценкам ученого, с достоверностью 98% к концу следующего года станет известно, существует бозон Хиггса или нет.

— На мой взгляд, доказательство отсутствия этой частицы было бы очень хорошим результатом, — заключает профессор. — Представляете, сколько сразу предположений отпадет?

Игорь Голутвин говорит, что коллайдер выполняет и другие важные задачи: он, возможно, станет дорогой в научную физику будущего, знания, которые сейчас даже не предсказываются и не укладываются в существующие теории. Ученые ЦЕРНа надеются приблизиться к пониманию барионной асимметрии Вселенной, кварк-глюонной плазмы, суперсимметрии, физики пространства-времени, природы нейтрино и много чего другого.

Как это работает?

Европейская организация по ядерным исследованиям расположена на территории двух стран — Швейцарии и Франции. Основное количество зданий и площадок разместилось внутри кольца Большого адронного коллайдера. Здесь и кабинеты ученых, и конференц-залы, и центры управления экспериментами, и цеха, и лаборатории, и даже два ресторана с гостиницей.

От площадки до площадки можно путешествовать на велосипедах или автомобилях. Детей, кстати, на день оставляют в имеющемся здесь детском саду.

Экскурсию по ЦЕРНу для нас провел Николай Зимин, физик-экспериментатор и участник эксперимента ATLAS. Он родился в Казахстане, учился в Томске, работает в Дубне, находясь как бы в длительной командировке в Швейцарии уже более 20 лет и помня, как все начиналось.

Николай Зимин

— Организован центр по принципу ООН, — говорит наш экскурсовод. — Почти 60 лет назад свои подписи под его созданием поставили представители 12 стран, еще 10 присоединилось до конца XX века (а Югославия — покинула), 6 имеют статус наблюдателя. Финансирование ЦЕРНа ведется пропорционально ВВП стран — наибольший вклад вносит Германия (порядка 20% от бюджета — 200 миллионов евро в год).

Пока мы идем в отдаленное здание музея, Николай показывает нам бытовые особенности лаборатории — почти круглосуточно работающее кафе, отделение банка и туристическое агентство, отделение связи и почты.

— У ученых, как вы понимаете, рабочий день не нормирован, поэтому раньше даже рестораны работали без перерывов круглые сутки, — продолжает физик. — Однако несколько лет назад случился неприятный инцидент — в ЦЕРН забрели местные хулиганы и устроили драку с работником ресторана. Была усилена проходная система, а ночью работают только кофейные автоматы. Раньше ведь даже забора не было.

Николай Зимин вспоминает этапы «научной войны» между европейским и советскими центрами по ядерным исследованиям. Тогда они шли нога в ногу, и Советы иногда опережали своих коллег.

— Дубненцы придумали по поводу запуска своего самого мощного на тот момент ускорителя — синхрофаза — отправить в Женеву бутылку водки с наказом выпить в день запуска здесь аналогичного устройства. Бутылка вернулась спустя какое-то время в Дубну, выпитая, разумеется. А внутри — график осциллографа, подтверждающий запуск ускорителя в ЦЕРНе.

Теперь, конечно, ускорители уже не те. Большой адронный коллайдер — главная гордость ЦЕРНа — повсеместно изображен на многочисленных рисунках, коллажах, графиках. Остановившись около одного из них, Николай Зимин коротко описал его характеристики:

— Окружность ускорителя составляет 27 километров, сам он состоит из разнообразных сверхпроводящих магнитов в количестве 12 тысяч штук, из них 1,2 тысячи — дипольные магниты, придающие круговую траекторию летящим частицам. Они, кстати, охлаждены до температуры 1,9 Кельвина, что несколько холоднее даже, чем в открытом космосе. Только так можно добиться от гелия, использующегося в конструкции коллайдера, сверхтекучего состояния. Сам тоннель находится под землей, на глубине от 50 до 150 метров (в зависимости от рельефа).

— Коллайдер создан для того, чтобы разгонять протоны до рекордно больших энергий на скорости, меньшей скорости света на миллионные доли, и сталкивать их, — продолжает Николай Зимин.

Зачем?

— Представьте, что мы знаем строение вещества только до определенного уровня, — отвечает научный сотрудник. — Оно состоит из молекул и атомов, те — из ядер и электронов, ядра — из протонов и нейтронов, а еще глубже — из кварков. Что дальше — не знаем. Возможно, узнаем при помощи Большого адронного коллайдера.

Протоны «рождаются» в линейном ускорителе, проходят начальный этап ускорения и попадают в первое малое кольцо, где достигают энергии 25 ГэВ. Отсюда их путь лежит в ускоритель SPS, где получаемая энергия повышается до 450 ГэВ. Наконец, последний этап — «впрыск» в самое большое кольцо и достижение энергии 3,5 ТэВ, половинной от запланированной.

Раскрутив в кольце до невообразимых скоростей, протоны заставляют сталкиваться друг с другом, порождая так называемые «события». Как раз в местах столкновений установлены детекторы — установки, регистрирующие столкновения, — ATLAS и CMS.

— «События» — это регистрация продуктов распада столкновения, большое количество вторичных частиц, порожденных огромными энергиями. Изучая их, мы можем попытаться понять, что существовало в первые микроскопические доли секунд после Большого взрыва, и, возможно, заглянем в новые глубины строения вещества.

В музее нас ожидает сюрприз: среди устаревших научных установок стоит настоящий артефакт компьютерной эпохи — компьютер Next, детище команды Стива Джобса времен ухода из Apple. Устройство стало первым сервером, на котором заработал интернет в привычном нам гипертекстовом виде. Создал его на тот момент сотрудник ЦЕРНа Бернерс-Ли.

— Я хорошо помню лекцию, где Тим представлял проект гипертекстового интернета, — вспоминает по случаю Николай Зимин. — Я тогда еще слабо знал английский, но посетить семинар меня уговорил приятель. По прошествии стольких лет, конечно, ни капли не жалею об этом. Его идея родилась благодаря особенностям нашего центра: нужно было ускорить обмен информацией между учеными, занятыми в разнообразных экспериментах. Именно так возникла мысль о создании чего-то, что могло бы ускорить, упростить и удешевить этот процесс. Никто и не думал, что это найдет такое широкое применение и перевернет мир, обеспечив всему человечеству доступ к разнообразнейшей информации.

Здесь же расположен макет коллайдера, повторяющий настоящий один к одному. Николай Зимин рассказывает, как организован процесс столкновения протонов. Для этого в ускорителе встроены специальные камеры, «умеющие» магнитами сжимать их до пучков с микронными размерами, что обеспечивает вывод на пересекающиеся траектории.

— Одной из сложнейших задач при конструировании коллайдера была проблема эффективности столкновений, — подчеркивает ученый. — Наиболее информативные и важные для нас «события» происходят тогда, когда протоны сталкиваются «лоб в лоб», а не по касательной. В камере пучки фокусируются, сталкиваются какие-то из их частиц, остальные продолжают крутиться в ускорителе, ожидая, когда наступит их черед столкнуться. Дальше — дело анализа.

В коллайдере одновременно находятся 2808 «банчей» — нарезанных сгустков частиц. За 1 секунду они облетают окружность ускорителя 11 тысяч раз, порождая «события» каждые 25 наносекунд. Гигантский объем информации!

— Мы стараемся автоматически отбирать только самые-самые интересные «события», — уточняет Николай Зимин. — Например, когда сталкиваются «в лобовую» протоны, а еще лучше — кварки. Учитывая малые их размеры, такие столкновения крайне редки.

Продолжение специального репортажа о работе Большого адронного коллайдера читайте здесь. Вы узнаете о вкладе белорусов в создание проекта, побываете вместе с нами в компьютерном центре ЦЕРНа и увидите самый настоящий ключ от ускорителя!

Onliner.by благодарит белорусское представительство Samsung
за помощь в подготовке репортажа

Фото: Максим Малиновский, камера Samsung NX11

Источник: tech.onliner.by

Большой адронный коллайдер, сокращённо БАК (англ. Large Hadron Collider, сокращённо LHC) — ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в ЦЕРНе (Европейский совет ядерных исследований), находящемся около Женевы, на границе Швейцарии и Франции. БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 тыс. учёных и инженеров из более чем 100 стран.

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

Технические характеристики BAK

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 ГэВ (5·109 электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов. На начало 2010 года БАК уже несколько превзошел по энергии протонов предыдущего рекордсмена — протон-антипротонный коллайдер Тэватрон, который до конца 2011 года работал в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (США). Несмотря на то, что наладка оборудования растягивается на годы и ещё не завершена, БАК уже стал самым высокоэнергичным ускорителем элементарных частиц в мире, на порядок превосходя по энергии остальные коллайдеры, в том числе и релятивистский коллайдер тяжёлых ионов RHIC, работающий в Брукхейвенской лаборатории (США).

Светимость БАК во время первых недель работы пробега была не более 1029 частиц/см2·с, тем не менее она продолжает постоянно повышаться. Целью является достижение номинальной светимости в 1,7·1034 частиц/см2·с, что по порядку величины соответствует светимостям BaBar (SLAC, США) и Belle (англ.) (KEK, Япония).

Ускоритель расположен в том же туннеле, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер. Туннель с длиной окружности 26,7 км проложен под землёй на территории Франции и Швейцарии. Глубина залегания туннеля — от 50 до 175 метров, причём кольцо туннеля наклонено примерно на 1,4 % относительно поверхности земли. Для удержания, коррекции и фокусировки протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км. Магниты работают при температуре 1,9 K (-271 °C), что немного ниже температуры перехода гелия в сверхтекучее состояние.

Детекторы БАК

На БАК работают 4 основных и 3 вспомогательных детектора:

  • 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)
  • MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC).

ATLAS, CMS, ALICE, LHCb — большие детекторы, расположенные вокруг точек столкновения пучков. Детекторы TOTEM и LHCf — вспомогательные, находятся на удалении в несколько десятков метров от точек пересечения пучков, занимаемых детекторами CMS и ATLAS соответственно, и будут использоваться попутно с основными.

Детекторы ATLAS и CMS — детекторы общего назначения, 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 — предназначен для изучения рассеяния частиц на малые углы, таких что происходит при близких пролётах без столкновений (так называемые несталкивающиеся частицы, forward particles), что позволяет точнее измерить размер протонов, а также контролировать светимость коллайдера, и, наконец, LHCf — для исследования космических лучей, моделируемых с помощью тех же несталкивающихся частиц.

С работой БАК связан также седьмой, совсем незначительный в плане бюджета и сложности, детектор (эксперимент) MoEDAL, предназначенный для поиска медленно движущихся тяжёлых частиц.

Во время работы коллайдера столкновения проводятся одновременно во всех четырёх точках пересечения пучков, независимо от типа ускоряемых частиц (протоны или ядра). При этом все детекторы одновременно набирают статистику.

Ускорение частиц в коллайдере

Скорость частиц в БАК на встречных пучках близка к скорости света в вакууме. Разгон частиц до таких больших энергий 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. При этой энергии они уже движутся со скоростью близкой к световой. После этого ускорение частиц продолжается в SPS (протонный суперсинхротрон), где энергия частиц достигает 450 ГэВ. Затем сгусток протонов направляют в главное 26,7-километровое кольцо, доводя энергию протонов до максимальных 7 ТэВ, и в точках столкновения детекторы фиксируют происходящие события. Два встречных пучка протонов при полном заполнении могут содержать 2808 сгустков каждый. На начальных этапах отладки процесса ускорения циркулируют лишь по одному сгустку в пучке длиной несколько сантиметров и небольшого поперечного размера. Затем начинают увеличивать количество сгустков. Сгустки располагаются в фиксированных позициях относительно друг друга, которые синхронно движутся вдоль кольца. Сгустки в определённой последовательности могут сталкиваться в четырёх точках кольца, где расположены детекторы частиц.

Кинетическая энергия всех сгустков адронов в БАКе при полном его заполнении сравнима с кинетической энергией реактивного самолета, хотя масса всех частиц не превышает нанограмма и их даже нельзя увидеть невооружённым глазом. Такая энергия достигается за счёт скорости частиц, близкой к скорости света.

Сгустки проходят полный круг ускорителя быстрее, чем за 0,0001 сек, совершая, таким образом, свыше 10 тыс. оборотов в секунду

Цели и задачи БАК

Главная задача Большого адронного коллайдера — выяснить устройство нашего мира на расстояниях меньше 10–19 м, «прощупав» его частицами с энергией несколько ТэВ. К настоящему времени уже накопилось много косвенных свидетельств того, что на этом масштабе физикам должен открыться некий «новый пласт реальности», изучение которого даст ответы на многие вопросы фундаментальной физики. Каким именно окажется этот пласт реальности — заранее не известно. Теоретики, конечно, предложили уже сотни разнообразных явлений, которые могли бы наблюдаться на энергиях столкновений в несколько ТэВ, но именно эксперимент покажет, что на самом деле реализуется в природе.

Поиск Новой физики
Стандартную модель не может считаться окончательной теорией элементарных частиц. Она должна быть частью некоторой более глубокой теории строения микромира, той частью, которая видна в экспериментах на коллайдерах при энергиях ниже примерно 1 ТэВ. Такие теории коллективно называют «Новая физика» или «За пределами Стандартной модели». Главная задача Большого адронного коллайдера — получить хотя бы первые намеки на то, что это за более глубокая теория.
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 были невозможны 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. 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 бозона Хиггса. Один из наиболее важных каналов рождения бозона Хиггса в БАК — ассоциативное рождение вместе с топ-кварк-антикварковой парой. Для того, чтобы надёжно отделять такие события от фона, предварительно необходимо изучение свойств 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 1964 году в рамках Стандартной модели. Бозон Хиггса является квантом так называемого поля Хиггса, при прохождении через которое частицы испытывают сопротивление, представляемое нами как поправки к массе. Сам бозон нестабилен и имеет большую массу (более 120 ГэВ/c2). На самом деле, физиков интересует не столько сам бозон Хиггса, сколько хиггсовский механизм нарушения симметрии электрослабого взаимодействия.
Изучение кварк-глюонной плазмы
Ожидается, что примерно один месяц в год будет проходить в ускорителе в режиме ядерных столкновений. В течение этого месяца коллайдер будет разгонять и сталкивать в детекторах не протоны, а ядра 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
Электромагнитное взаимодействие частиц описывается как обмен (в ряде случаев виртуальными) фотонами. Другими словами, фотоны являются переносчиками электромагнитного поля. Протоны электрически заряжены и окружены электростатическим полем, соответственно это поле можно рассматривать как облако виртуальных фотонов. Всякий протон, особенно релятивистский протон, включает в себя облако виртуальных частиц как составную часть. При столкновении протонов между собой взаимодействуют и виртуальные частицы, окружающие каждый из протонов. Математически процесс взаимодействия частиц описывается длинным рядом поправок, каждая из которых описывает взаимодействие посредством виртуальных частиц определённого типа (см.: диаграммы Фейнмана). Таким образом, при исследовании столкновения протонов косвенно изучается и взаимодействие вещества с фотонами высоких энергий, представляющее большой интерес для теоретической физики. Также рассматривается особый класс реакций — непосредственное взаимодействие двух фотонов, которые могут столкнуться как со встречным протоном, порождая типичные фотон-адронные столкновения, так и друг с другом.
В режиме ядерных столкновений, из-за большого электрического заряда ядра, влияние электромагнитных процессов имеет ещё большее значение.
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 сами состоят из частиц, 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 построений.
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).

Источник: xn--e1affgmmemd2h.xn--p1ai


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.