Церн адронный коллайдер


The Large Hadron Collider (LHC) is the world’s largest and most powerful particle accelerator. It first started up on 10 September 2008, and remains the latest addition to CERN’s accelerator complex. The LHC consists of a 27-kilometre ring of superconducting magnets with a number of accelerating structures to boost the energy of the particles along the way.

LS1,LHC
(Image: Anna Pantelia/CERN)

Inside the accelerator, two high-energy particle beams travel at close to the speed of light before they are made to collide. The beams travel in opposite directions in separate beam pipes – two tubes kept at ultrahigh vacuum. They are guided around the accelerator ring by a strong magnetic field maintained by superconducting electromagnets. The electromagnets are built from coils of special electric cable that operates in a superconducting state, efficiently conducting electricity without resistance or loss of energy. This requires chilling the magnets to ‑271.3°C – a temperature colder than outer space. For this reason, much of the accelerator is connected to a distribution system of liquid helium, which cools the magnets, as well as to other supply services.


LS1,Magnets,TI2,PMI2,LHC,dipole,descent,replacement
Replacing one of the LHC’s dipole magnets (Image: Maximilien Brice/CERN)

 

Thousands of magnets of different varieties and sizes are used to direct the beams around the accelerator. These include 1232 dipole magnets 15 metres in length which bend the beams, and 392 quadrupole magnets, each 5–7 metres long, which focus the beams. Just prior to collision, another type of magnet is used to «squeeze» the particles closer together to increase the chances of collisions. The particles are so tiny that the task of making them collide is akin to firing two needles 10 kilometres apart with such precision that they meet halfway.

All the controls for the accelerator, its services and technical infrastructure are housed under one roof at the CERN Control Centre. From here, the beams inside the LHC are made to collide at four locations around the accelerator ring, corresponding to the positions of four particle detectors – ATLAS, CMS, ALICE and LHCb.


Explore the CERN Control Centre with Google Street View (Image: Google Street View)

Источник: home.cern

Общая информация о проекте

ЦЕРН – это совместный проект, который финансируют более двадцати европейских государств, еще десяток стран и международных организаций имеют в нем статус наблюдателя или ассоциированного члена. Россия в 2012 году подала заявку на вступление, но в 2020 году отозвала ее обратно. При этом наша страна активно участвует в исследованиях ЦЕРНа. Сейчас в процессе вступления находятся Украина, Сербия и Турция.

Наиболее важным и известным проектом CERN, безусловно, является Большой адронный коллайдер (БАК) – ускоритель элементарных частиц.

Где же находится ЦЕРН? Если посмотреть на карту, несложно заметить, что он расположен на самой границе Франции и Швейцарии, неподалеку от Женевы. В этом городе размещена штаб-квартира организации.

www.home.cern – официальный сайт ЦЕРН, а эмблема организации представляет собой две пересекающиеся белые окружности на синем фоне с надписью CERN в центре.


И хотя физики, как правило, далеки от религии, сотрудники ЦЕРНа в виде неофициального талисмана выбрали индуистского бога Шиву. Во дворе центра даже установлена статуя Натараджа, одной из ипостасей этого грозного божества. Танец тандава, который он исполняет, считается одним из важнейших символов в индуизме, обозначающий цикличность мироздания, вечную смену разрушения и созидания. Когда танец остановится, Вселенная подойдет к своему концу.

На территории ЦЕРНа находятся две основные площадки и еще несколько вспомогательных. Здесь расположены офисы и кабинеты, склады, производственные помещения, лаборатории, конференц-залы, столовые, жилые здания. Ускорители частиц находятся как на поверхности, так и спрятаны глубоко под землей.

Первая основная площадка размещена неподалеку от городка Мерен (Швейцария), вторая расположена вблизи французской коммуны Превессен-Моэн. Вокруг основных площадок разбросаны более мелкие объекты и строения. В целом ЦЕРН занимает примерно 100 га швейцарской территории и 450 га французской.

Финансовые взносы стран-участниц проекта значительно различаются. Так, например, в 2009 году Германия выделила ЦЕРНу 144 млн евро, что составило почти 20% его бюджета, Франция – 111 млн (15,34%), Великобритания – 106,5 млн (14,7%). Пожертвования других государств существенно меньше: Словакия – 3,9 млн евро (0,54%), Болгария – 1,6 млн (0,22%). В 2008 году общие взносы всех членов составили примерно 990 млн долларов.

Также можно добавить, что за весомый вклад в развитие науки, в 2013 году ЦЕРН был награжден золотой медалью Нильса Бора.


У истоков ЦЕРНа или с чего все начиналось

Послевоенные годы – это эпоха появления международных организаций: ООН, ЮНЕСКО, ВОЗ. Европейские физики также решили не отставать от моды и предложили создать наднациональную структуру, которая занималась бы проведением экспериментальных исследований. Кроме очевидной выгоды от кооперации ученых, такой подход позволил разделить финансовые тяготы сразу на несколько государств, а они год от года становились все больше.

В 1952 году двенадцать европейских стран подписали соглашение о создании Европейского совета по ядерным исследованиям, который стали называть по первым буквам французского названия – CERN. Через два года организация получила официальный статус и постоянную прописку: из четырех возможных вариантов – Копенгаген, Париж, Арнем и Женева – был выбран последний. Еще в 1953 году в кантоне Женева провели референдум, на котором большинство проголосовавших поддержали идею строительства научного центра. Швейцарцы пообещали предоставить для размещения проекта 40 гектаров земли.

Изначально штат ЦЕРНа состоял из 114 сотрудников, директором организации был выбран лауреат Нобелевской премии Феликс Блох.

В момент создания проекта физика элементарных частиц в основном занималась изучением атомных составляющих, поэтому в аббревиатуре зашифровано понятие «ядерные исследования». Сегодня круг задач, стоящих перед учеными ЦЕРНа, стал гораздо шире. Можно добавить, что, кроме физики, в центре активно занимаются прикладными вопросами других научных дисциплин: медицина, энергетика, фармацевтика, информатика и др.

Ускорители элементарных частиц: от синхротрона до Большого коллайдера


Чем же занимается ЦЕРН? Его основной задачей всегда было изучение элементарных частиц, а главным инструментом для этого – различного типа ускорители. Любое подобное устройство – это настоящее чудо инженерной мысли, в котором использованы новейшие технические достижения.

Конструкционно ускоритель представляет собой обычную вакуумную трубку, где при помощи магнитов и электрических полей частицы разгоняются до огромных скоростей. Все это окружено мириадами датчиков, десятками вспомогательных систем, мощнейшими вычислительными машинами.

Первый ускоритель – синхроциклотрон SC – был запущен в ЦЕРНе в  1957 году. Он мог разгонять частицы с энергией 600 МэВ и проработал вплоть до 1990 года. В 1959 году началась эксплуатация протонного синхротрона PS с энергией 28 ГэВ.


В 1971 году было завершено строительство первого в мире ускорителя протонов ISR с пересекающимися накопительными кольцами. Причем его размеры были настолько грандиозны, что часть устройства находилась в Швейцарии, а другая – во Франции.

Через несколько лет ученым ЦЕРНа удалось экспериментально подтвердить электрослабую теорию. Для этого в центре установили уникальную пузырьковую камеру «Гаргамель», изготовленную во Франции.

Вскоре в эксплуатацию был запущен протонный суперколлайдер SPS с энергией 300 ГэВ, благодаря чему в 1983 году были зарегистрированы W- и Z-бозоны. За это достижение Симон ван дер Меер и Карло Руббиа получили Нобелевскую премию. Необходимо отметить, что в этом эксперименте участвовали все ускорители ЦЕРНа.

Следующим ускорителем центра стал коллайдер LEP с 27-километровым кольцом и энергией в 45 ГэВ. Он начал работу в 1989 году. В 2000 году его демонтировали, чтобы получить место для Большого адронного коллайдера, работа которого началась в 2008 году.

Large Hadron Collider и частица Бога

Большой адронный коллайдер, без сомнения, основной проект исследовательского центра. Это настолько верно, что нередко ЦЕРН и адронный коллайдер воспринимаются как слова-синонимы. Еще можно сказать, что БАК – это самый известный ускоритель частиц в мире. Он уже прочно вошел в массовую культуру и стал «персонажем» книг, фильмов, компьютерных игр и даже песен. После публикации романа Дэна Брауна «Ангелы и демоны», в котором «засветился» коллайдер, ЦЕРН в Швейцарии стал настоящим местом паломничества для туристов.


БАК предназначен для изучения результатов соударения протонов и других тяжелых частиц, разогнанных до огромных скоростей. Сегодня БАК – крупнейшая установка подобного типа в мире. Длина его кольцевого туннеля 27 км, максимальная проектная энергия – 14 ТэВ, для разгона и удержания частиц используется 1624 сверхпроводящих магнита, работающих при температуре −271 °C. Вес этой конструкции достигает 40 тыс. тонн.

Результаты экспериментов фиксируются с помощью сложнейшей системы, в состав которой входят тысячи камер и различных счетчиков. В настоящее время на БАКе работают четыре основных и три дополнительных детектора.

В строительстве коллайдера принимали участие 10 тыс. инженеров и ученых из 100 стран мира. Пробный запуск ускорителя состоялся 10 сентября 2008 года, это событие транслировалось в прямом эфире телеканала Евроньюз. По состоянию на 2009 год, строительство и эксплуатация коллайдера обошлись в 6 млрд долларов.

На сегодняшний день главным научным результатом работы БАКа является обнаружение Бозона Хиггса, которое произошло в 2012 году. Данное открытие завершило Стандартную модель взаимодействия элементарных частиц.

Перед запуском коллайдера наблюдалась определенная истерия, связанная с неминуемым концом света, к которому якобы приведет работа установки. О чем только не писала желтая пресса в те дни: и о миниатюрных черных дырах, которые поглотят наш мир, и об открытии портала в ад, и о появлении нового измерения. Не слишком адекватные люди даже обвинили ученых в сатанизме, сумев найти на логотипе ЦЕРНа три шестерки, означающие знак Дьявола.


Европейский Центр ядерных исследований и Всемирная паутина

В ЦЕРНе занимаются не только элементарными частицами. Многие годы он был и остается крупнейшим и одним из самых передовых инженерных центров в мире. Особенно весомы достижения ученых ЦЕРНа в области информатики и вычислительной техники.

Первый компьютер появился здесь  в 1958 году, а уже через четыре года компания IBM специально для ЦЕРНа создала вычислительную машину, способную записывать данные на магнитные ленты и подключаться непосредственно к детекторам.

В конце 80-х годов именно в ЦЕРНе были заложены принципы работы интернета. В то время уже получили широкое распространение персональные компьютеры, и у сотрудника ЦЕРНа Тима Бернерса-Ли появилась идея создания локальной сети для обмена информацией между ними.

Для этого он предложил использовать систему из трех составляющих:

  • веб-страницы с данными, представленными в виде гипертекста (текста, содержащего ссылки на другие документы;
  • веб-сервер – компьютер, имеющий доступ в Сеть, где находятся веб-страницы;
  • веб-браузер – специальная программа для просмотра гипертекстовых документов на вычислительной машине пользователя.

Годом позже Тим Бернерс-Ли и Роберт Кайлиау разработали первый рабочий прототип подобной системы, который использовался в ЦЕРНе для доступа к научной документации, справочной службе и местной новостной сети. Первоначально ее предполагалось использовать только для научных исследований, но именно из этого проекта выросла «Всемирная Паутина» (World Wide Web). По-настоящему она стала массовой только после создания Бернесом-Ли спецификации URI, HTTP и HTML.

Источник: MilitaryArms.ru

Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН) 15 января представила концепцию Будущего кольцевого коллайдера (Future Circular Collider, FCC) — нового масштабного проекта, который предлагается запустить после окончания срока работы Большого адронного коллайдера (БАК) в Женеве. Работа над концепцией шла с 2014 года с участием 1300 ученых из 150 учреждений со всего мира.

ЦЕРН предлагает построить в окрестностях Женевы 100-километровый круговой тоннель, который позволит во много раз увеличить энергию частиц и значительно расширить возможности исследований. Для сравнения, тоннель Большого адронного коллайдера, крупнейшего ускорителя частиц в мире, имеет протяженность около 27 километров.


Тоннель предполагается использовать для нескольких проектов. Первым — к 2040-м годам — планируется создать электрон-позитронный коллайдер, который проработает 15-20 лет (стоимость проекта с учетом строительства тоннеля — девять миллиардов евро). В ЦЕРНе говорят, что этот коллайдер станет «очень мощной „хиггсовской фабрикой“» и позволит зафиксировать «новые, редкие процессы и измерить известные частицы с беспрецедентной точностью».

После этого ученые хотят запустить новый адронный коллайдер с энергией до 100 тераэлектронвольт для столкновения протонов и тяжелых ионов (энергия БАК — 14 тераэлектронвольт). Достижение такой энергии сделает возможными «точные исследования того, как частицы Хиггса взаимодействуют друг с другом», и «подробное исследование роли спонтанного нарушения электрослабой симметрии в истории нашей Вселенной». Создание этого коллайдера обойдется, по прогнозам ученых, в 15 миллиардов евро.

Проект рассчитан на 70 лет и, как отмечают в ЦЕРН, будет работать на пользу физики элементарных частиц на протяжении всего XXI века. «Детальные изучения свойств [бозона Хиггса] — приоритет для любого будущего ускорителя частиц. <…> Вдобавок, экспериментальные свидетельства требуют от физики за пределами Стандартной модели объяснить такие наблюдения, как темная материя или доминирование материи над антиматерией», — заявили в ЦЕРН.

Аналогичный проект коллайдера со 100-километровым тоннелем существует в Китае — к 2030 году там планируют построить, как и в проекте ЦЕРНа, сначала электрон-позитронный ускоритель, а затем — протон-протонный.

Большой адронный коллайдер заработал в 2008 году в тоннеле, построенном для Большого электро-позитронного коллайдера в 1980-е годы. Одной из его целей было обнаружение бозона Хиггса — частицы, существование которой предсказали в 1960-е годы. Бозон Хиггса обнаружили в 2012 году. Коллайдер планируется модернизировать и использовать до 2035 года.

Источник: meduza.io

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

Предыстория

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

Инфографика Большого адронного коллайдера

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

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

Сотрудники ЦЕРНа в тоннеле коллайдера

ЦЕРН

Логотип CERN

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

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

Как работает Большой адронный коллайдер?

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

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

Получение протонов

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

Физик Детлеф Кюхлер измеряет положение печи внутри источника ионов

Предварительный разгон частиц

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

Линейный ускоритель LINAC 2

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

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

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

Протонный-синхротрон (PS)

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

Суперпротонный-синхротрон (SPS)

Разгон и столкновение частиц в LHC

Переходы между кольцами ускорителей происходят посредством электромагнитных полей, создаваемых мощными магнитами. Основное кольцо коллайдеро состоит из двух параллельных линий, в которых частицы движутся по кольцевой орбите в противоположном направлении. За сохранение круговой траектории частиц и направление их в точки столкновения отвечают около 10 000 магнитов, масса некоторых из них достигает 27 тонн. Во избежание перегрева магнитов используется контур гелия-4, по которому протекает примерно 96 тонн вещества при температуре -271,25 ° С (1,9 К). Протоны достигают энергии в 6,5 ТэВ (то есть энергия столкновения – 13 ТэВ), при этом их скорость на 11 км/ч меньше скорости света. Таким образом за секунду пучок протонов проходит большое кольцо коллайдера 11 000 раз. Прежде, чем произойдет столкновение частиц, они будут циркулировать по кольцу от 5 до 24 часов.

Схема ускорителей LHC

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

Детекторы Большого адронного коллайдера

ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)

Логотип эксперимента ATLAS

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

Детектор ATLAS и некоторые его сотрудники

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

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

Детектор ATLAS и его компоненты

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

  • Внутренний детектор имеет цилиндрическую форму, внутреннее кольцо находится всего в нескольких сантиметрах от оси проходящего пучка частиц, а внешнее кольцо имеет диаметр в 2,1 метра и длину 6,2 метра. Он состоит из трех различных систем датчиков, погруженных в магнитное поле. Внутренний детектор измеряет направление, импульс и заряд электрически заряженных частиц, образующихся при каждом протон-протонном столкновении. Основные элементы внутреннего детектора: пиксельный детектор (Pixel Detector), полупроводниковая система слежения (Semi-Conductor Tracker, SCT) и трековый детектор переходного излучения (Transition radiation tracker, TRT).

Внутренний детектор ATLAS

  • Калориметры измеряют энергию, которую частица теряет, когда проходит через детектор. Он поглощает частицы, возникающие при столкновении, тем самым фиксирую их энергию. Калориметры состоят из слоев «поглощающего» материала с высокой плотностью — свинца, чередующегося со слоями «активной среды» — жидкого аргона. Электромагнитные калориметры измеряют энергию электронов и фотонов при взаимодействии с веществом. Адронные калориметры измеряют энергию адронов при взаимодействии с атомными ядрами. Калориметры могут останавливать большинство известных частиц, кроме мюонов и нейтрино.

LAr (Liquid Argon Calorimeter) — калориметр ATLAS

  • Мюонный спектрометр – состоит из 4000 индивидуальных мюонных камер, использующих четыре различные технологи, позволяющие, идентифицировать мюоны и измерить их импульсы. Мюоны обычно проходят через внутренний детектор и калориметр, а потому требуется наличие мюонного спектрометра.

Мюонный спектрометр ATLAS

  • Магнитная система ATLAS изгибает частицы вокруг различных слоев детекторных систем, что упрощает отслеживание треков частиц.

Магнитная система ATLAS

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

CMS (Compact Muon Solenoid)

Логотип эксперимента CMS

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

Детектор CMS

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

  • Магнит соленоида – крупнейший магнит в мире, который служит для изгиба траектории заряженных частиц, вылетающих из точки столкновения. Искажение траектории позволяет различить положительно и отрицательно заряженные частицы (т.к. они изгибаются в противоположных направлениях), а также измерить импульс, величина которого зависит от кривизны траектории. Огромные размеры соленоида позволяют расположить трекер и калориметры внутри катушки.
  • Кремниевый трекер — состоит из 75 миллионов отдельных электронных датчиков, расположенных в концентрических слоях. Когда заряженная частица пролетает через слои трекера, она передает часть энергии каждому слою, объединение этих точек столкновения частицы с различными слоями позволяет в дальнейшем определить ее траекторию.
  • Калориметры – электронный и адронный см. калориметры ATLAS.
  • Саб-детекторы – позволяют детектировать мюоны. Представлены 1 400 мюонными камерами, которые слоями располагаются вне катушки, чередуясь с металлическими пластинами «хамута».

Схема детектора CMS и его основные компоненты

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

ALICE (A Large Ion Collider Experiment)

Логотип эксперимента ALICE

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

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

Детектор ALICE и его компоненты

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

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

Детектор ALICE

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

LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment)

Логотип эксперимента LHCb

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

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

Схема детектора LHCb и его основные компоненты

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

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

Детектор LHCb

Другие эксперименты на коллайдере

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

  • LHCf (Large Hadron Collider forward) — изучает частицы, выброшенные вперед после столкновения пучков частиц. Они имитируют космические лучи, исследованием которых и занимаются ученые в рамках эксперимента. Космические лучи — это естественные заряженные частицы из космического пространства, которые постоянно бомбардируют земную атмосферу. Они сталкиваются с ядрами в верхней атмосфере, вызывая каскад частиц, которые достигают уровня земли. Изучение того, как столкновения внутри LHC вызывают подобные каскады частиц, поможет физикам интерпретировать и откалибровать крупномасштабные эксперименты с космическими лучами, которые могут охватывать тысячи километров.

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

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

  • TOTEM (Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation) – эксперимент с самой длинной установкой на коллайдере. Его задачей является исследование самих протонов, путем точного измерения протонов, возникающих при столкновениях под малыми углами. Эта область известна как «прямое» направление и недоступна другим экспериментам LHC. Детекторы TOTEM распространяются почти на полкилометра вокруг точки взаимодействия CMS. TOTEM имеет почти 3 000 кг оборудования, в том числе четыре ядерных телескопа, а также 26 детекторов типа «римский горшок». Последний тип позволяет расположить детекторы максимально близко к пучку частиц. Эксперимент TOTEM включает около 100 ученых из 16 институтов в 8 странах (август 2014 года).

Схема расположения установок эксперимента TOTEM

Зачем нужен Большой адронный коллайдер?

Крупнейшая международная научная установка исследует широкий спектр физических задач:

  • Изучение топ-кварков. Данная частица является не только самым тяжелым кварком, но и самой тяжелой элементарной частицей. Исследование свойств топ-кварка также имеет смысл, потому что он является инструментом для исследования бозона Хиггса.
  • Поиск и изучение бозона Хиггса. Хотя ЦЕРН утверждает, что бозон Хиггса был уже обнаружен (в 2012-м году), пока о его природе известно совсем немного и дальнейшие исследования могли бы внести большую ясность в механизм его работы.

Детектор CMS

  • Изучение кварк-глюонной плазмы. При столкновениях ядер свинца на больших скоростях – в коллайдере образуется кварк-глюонная плазма. Ее исследование может принести результаты, полезные как для ядерной физики (улучшение теории сильных взаимодействий), так и для астрофизики (изучение Вселенной в ее первые моменты существования).
  • Поиск суперсимметрии. Это исследование направлено на опровержение или доказательство «суперсимметрии» — теории, согласно которой любая элементарная частица имеет более тяжелого партнера, называемого «суперчастицей».
  • Исследование фотон-фотонных и фотон-адронных столкновений. Позволит улучшить понимание механизмов процессов подобных столкновений.
  • Проверка экзотических теорий. К этой категории задач относятся самые нетрадиционные – «экзотические», например, поиск параллельных вселенных посредством создания мини-черных дыр.

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

Практическая польза Большого адронного коллайдера и фундаментальной науки

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

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

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

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

  • В 1895-м году Вильгельм Конрад Рентген заметил, что под действием рентгеновского излучения фотопластинка затемняется. Сегодня рентгенография – одно из наиболее применяемых исследований в медицине, позволяющая изучить состояние внутренних органов и обнаружить инфекции и опухали.
  • В 1915-м году Альберт Эйнштейн предложил свою Общую теорию относительности. Сегодня эта теория учитывается при работе GPS спутников, которые определяют местоположение объекта с точностью до пары метров. GPS применяется в сотовой связи, картографии, мониторинге транспорта, но в первую очередь – в навигации. Погрешность спутника, не учитывающего ОТО, с момента запуска росла бы на 10 километров в день! И если пешеход может воспользоваться разумом и бумажной картой, то пилоты авиалайнера попадут в затруднительную ситуацию, так как ориентироваться по облакам – невозможно.

Схема работы спутника с учетом ОТО

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

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

Источник: zen.yandex.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

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