Еще несколько лет назад предрекали, что, как только в действие будет пущен адронный коллайдер, наступит конец света. Этот огромный ускоритель протонов и ионов, построенный в швейцарском ЦЕРНе, по праву признается самым большим экспериментальным сооружением в мире. Он был построен десятками тысяч ученых из многих стран мира. Его поистине можно назвать международным институтом. Однако все начиналось на совершенно ином уровне, первым делом для того, чтобы можно было в ускорителе определить скорость движения протона. Именно об истории создания и этапах развития подобных ускорителей и будет рассказано ниже.
История становления
После того как было обнаружено наличие альфа-частиц и непосредственно начали изучаться атомные ядра, люди начали пытаться проводить над ними эксперименты. Поначалу ни о каких ускорителях протонов здесь речь даже и не шла, поскольку уровень технологий был относительно невысок. Истинная эра создания ускорительной техники началась только в 30-е годы прошлого века, когда ученые начали целенаправленно разрабатывать схемы ускорения частиц. Двое ученых из Великобритании первыми в 1932 году сконструировали особый генератор постоянного напряжения, позволивший остальным начать эпоху ядерной физики, которую стало возможным применять на практике.
Появление циклотрона
Циклотрон, а именно так назывался первый ускоритель протонов, в качестве задумки появился у ученого Эрнеста Лоуренса еще в 1929 году, однако сконструировать его он смог только в 1931 году. Удивительно, но первый образец был достаточно маленьким, всего около десятка сантиметров в диаметре, а потому мог разгонять протоны всего немного. Вся концепция его ускорителя заключалась в использовании не электрического, а магнитного поля. Ускоритель протонов в подобном состоянии был направлен не на непосредственный разгон положительно заряженных частиц, а на искривление их траектории до того состояния, чтобы они летали по окружности в замкнутом состоянии.
Именно это и позволило создать циклотрон, состоящий из двух полых половинчатых дисков, внутри которых и вращались протоны. Все остальные циклотроны строились на данной теории, однако для того, чтобы получить намного большую мощность, они становились все более громоздкими. К 40-м годам стандартный размер такого ускорителя протонов стал равняться зданиям.
Именно за изобретение циклотрона в 1939 году Лоуренсу была присуждена Нобелевская премия по физике.
Синхрофазотроны
Однако по мере того, как ученые пытались сделать ускоритель протонов более мощным, начались проблемы. Часто они были чисто техническими, поскольку требования к образуемой среде были невероятно высоки, однако частично они были и в том, что частицы попросту не ускорялись, как требовалось от них. Новый прорыв в 1944 году сделал Владимир Векслер, который придумал принцип автофазировки. Что удивительно, то же сделал годом позже и американский ученый Эдвин Макмиллан. Они предлагали настроить электрическое поле так, чтобы оно влияло на сами частицы, при необходимости подгоняя их или, наоборот, замедляя. Это позволило сохранить движение частиц в виде одного сгустка, а не расплывчатой массы. Такие ускорители получили название синхрофазотрон.
Коллайдер
Для того чтобы ускоритель разгонял протоны до кинетической энергии, стали требоваться еще более мощные сооружения. Так на свет и появились коллайдеры, которые работали с помощью применения двух пучков частиц, которые раскручивались бы в противоположные стороны. А поскольку располагали их навстречу друг другу, то происходило бы сталкивание частиц. Впервые на свет идея появилась еще в 1943 году у физика Рольфа Видероэ, однако развить ее смогли только в 60-х годах, когда появились новые технологии, которые могли бы осуществить данный процесс. Это позволило увеличить число новых частиц, которые бы появлялись в результате сталкивания.
Все наработки за последующие годы непосредственно привели к постройке огромного сооружения - Большого адронного коллайдера в 2008 году, который по своей структуре представляет кольцо длиной в 27 километров. Считается, что именно проведенные в нем эксперименты помогут понять то, как был образован наш мир, и его глубинное устройство.
Запуск Большого адронного коллайдера
Первая попытка отправить в эксплуатацию этот коллайдер была предпринята в сентябре 2008 года. 10 сентября считается днем его официального запуска. Однако после серии успешных испытаний случилась авария - уже через 9 дней он вышел из строя, а потому его были вынуждены закрыть на ремонт.
Новые испытания начались только в 2009 году, однако вплоть до 2014 года сооружение работало на крайне пониженной энергии, чтобы не допустить новых поломок. Именно в это время и был открыт бозон Хиггса, который вызвал всплеск в научной среде.
На данный момент практически все исследования проводятся в области тяжелых ионов и легких ядер, после чего БАК вновь будет закрыт на модернизацию вплоть до 2021 года. Считается, что работать он сможет приблизительно до 2034 года, после чего для дальнейших исследований потребуется создать новые ускорители.
Сегодняшняя картина
На данный момент конструкционный предел ускорителей достиг своего пика, поэтому единственным вариантом становится создание линейного ускорителя протонов наподобие тех, что сейчас используют в медицине, но гораздо более мощных. ЦЕРН пытался воссоздать миниатюрную версию устройства, однако заметного продвижения в этой области так и не появилось. Данную модель линейного коллайдера планируют непосредственно подключить к БАК, чтобы спровоцировать плотность и интенсивность протонов, которые далее будут направлены непосредственно в сам коллайдер.
Заключение
С появлением ядерной физики началась эпоха развития ускорителей частиц. Они пережили многочисленные этапы, каждый из которых принес многочисленные открытия. Сейчас невозможно найти человека, который никогда бы в жизни не слышал о Большом адронном коллайдере. Его упоминают в книгах, фильмах - предрекая то, что он поможет раскрыть все тайны мира или попросту закончит его. Доподлинно неизвестно, к чему приведут все эксперименты ЦЕРНа, однако с использованием ускорителей ученые смогли ответить на многие вопросы.
→ Большой Адронный КоллайдерБольшой адронный коллайдер (или по английски Large Hadron Collider, LHC) — ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и ионов свинца и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (Conseil Europe"en pour la Recherche Nucle"aire, CERN), на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы. По состоянию на 2008 год БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире.
Идея проекта Большого адронного коллайдера родилась в 1984 году и была официально одобрена десятью годами позже. Его строительство началось в 2001 году, после окончания работы предыдущего ускорителя — Большого электрон-позитронного коллайдера.
Ускоритель расположен в том же туннеле, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер. Туннель с длиной окружности 26,7 км проложен на глубине около ста метров под землёй на территории Франции и Швейцарии. Для удержания и коррекции протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км. Последний из них был установлен в туннеле 27 ноября 2006 года. Магниты будут работать при температуре 1,9 K (-271 C). Строительство специальной криогенной линии для охлаждения магнитов закончено 19 ноября 2006 года.
Скорость частиц в БАК на встречных пучках близка к скорости света в вакууме. Разгон частиц до таких больших скоростей достигается в несколько этапов. На первом этапе низкоэнергетичные линейные ускорители Linac 2 и Linac 3 производят инжекцию протонов и ионов свинца для дальнейшего ускорения. Затем частицы попадают в PS-бустер и далее в сам PS (протонный синхротрон), приобретая энергию в 28 ГэВ. После этого ускорение частиц продолжается в SPS (протонный суперсинхротрон), где энергия частиц достигает 450 ГэВ. Затем пучок направляют в главное 26,7-километровое кольцо и в точках столкновения детекторы фиксируют происходящие события. Мы здесь не поясняем тонкостей кострукции а лишь пытаемся подчеркнуть все грандиозность установки.
На БАКе запланировано огромное количество различных исследований. Попробуем рассказать о некоторых из них. Энергии пучков на коллайдере будет достаточно для того, чтобы более детально изучить кварковую структуру протона и других частиц состоящих из кварков (их называют адронами). Ранее эта структура уже изучалась на Теватроне.
На этом ускорителе планируется получить состояние вещества которое называется Кварк - Глюонная плазма. Это состояние достигается когда несколько протонов на больших энергиях сталкиваются. При этом в небольшом объеме пространства энергия оказывается столь велика, что весь этот объем заполнен кварками (внутренними составляющими протона) и глюонами (элементарными частицами, переносчиками сильного взаимодействия). Кварки в этом состоянии непрерывно аннигилируют и вновь рождаются из вакуума. Такое состояние для кварков называется ассимтотическая свобода. Говоря о таком состоянии трудно сказать отнести это состояние к веществу или к состоянию самого пространства. Изучение этого особенно интересно так как по современным представлениям пространство всей нашей вселенной в первые мгновения своего образования находилось в таком состоянии. Также изучение кварк-глюонной плазмы позволит лучше понять сильное взаимодействие.
Кроме того, как уже многим известно, планируется обнаружение частицы, которая называется бозон Хиггса. Интересно не само по себе обнаружение частицы а исследования некоторого механизма нарушения симметрии Хиггса вызываемого этой частицей. Это процессы, по ситу, представляю собой теорию слабого взаимодействия, понимание механизмов которой необходимо для того, чтобы понять устройство вселенной.
Большой Адронный коллайдер привлекает к себе внимание еще и потому, что согласно мнению некоторых псевдоученых некоторые процессы в коллайдере способны уничтожить все планету. Действительно, когда плотность энергии в пространстве столь велико то в нем могут рождать совершенно различные объекты, в том числе и микроскопические черные дыры. Однако появление черных дыр, согласно теории, очень маловероятно. Да и потом микроскопические черные дыры не опасны, так как не способны поглощать все вокруг.
Также существует мнение что в коллайдре возможно спровоцировать новый большой взрыв который может разрушить все нашу вселенную. Такое тоже практически невозможно. Дело в том, что в космическом пространстве встречаются частицы с энергиями еще большими чем будут получены в ускорителе. Эти частицы на протяжении всего существования человечества прилетали не землю никогда не провоцируя образование черных дыр.
БАК открывает гигантские перспективы для науки на много лет вперед. остается только ждать, когда его откроют.
11 августа успешно завершена первая часть предварительных испытаний. Во время испытаний пучок заряженных частиц прошёл чуть более трёх километров по одному из колец БАК. Таким образом, учёным удалось проверить работу синхронизации предварительного ускорителя, так называемого протонного суперсинхротрона (SPS), и системы правой доставки луча.
24 августа прошёл второй этап испытаний. Была протестирована инжекция протонов в ускорительное кольцо БАК в направлении против часовой стрелки.
10 сентября был произведён официальный запуск коллайдера. В 12:24:30 по московскому времени (по официальной информации, в 12:28 по московскому времени) запущенный пучок протонов успешно прошёл весь периметр коллайдера по часовой стрелке. В 17:02 по московскому времени запущенный против часовой стрелки пучок протонов также успешно прошёл весь периметр коллайдера.
12 сентября , примерно в 00:30 по московскому времени, команде БАК удалось запустить и непрерывно удерживать циркулирующий пучок в течение 10 минут. Чуть позже пучок был запущен вновь и циркулировал уже непрерывно, прерываясь лишь в случае необходимости. На этом задача по установлению циркулирующего пучка завершилась, и физики приступили к подробным тестам магнитной системы.
19 сентября , в 14:05 по московскому времени, в ходе тестов магнитной системы сектора 3-4 произошёл инцидент, в результате которого БАК вышел из строя. Согласно данным предварительного расследования, подтверждённым и детализированным позднее, один из электрических контактов между сверхпроводящими магнитами расплавился под действием возникшей из-за увеличения силы тока электрической дуги, которая пробила изоляцию гелиевой системы охлаждения (криогенной системы), что привело к выбросу около 6 тонн жидкого гелия в туннель и, как следствие, резкому росту температуры. Для восстановления криогенной системы потребуется вернуть этот участок ускорителя к комнатной температуре, а после ремонта — охладить его снова до рабочей температуры.
23 сентября официальный представитель ЦЕРНа сообщил, что БАК возобновит работу не раньше весны 2009 года.
БАК − это крупнейший в мире и самый мощный ускоритель частиц. Ускорители были изобретены в 30-х годах 20 века, для получения частиц высоких энергий, чтобы исследовать структуру атомного ядра. В электрических и магнитных полях ускоренные частицы достигают огромных энергий.
В круговом ускорителе пучок частиц проходит многократно круговые петли, в линейном ускорителе пучок частиц движется от одного конца до другого.
В БАКе, для достижения более высоких энергий пучков частиц, используется ряд объеденных последовательно ускорителей.
Первый ускоритель
в цепи, ускоряет протоны до энергии 50 МэВ
. Для того чтобы атомы водорода потеряли свои электроны и остались только протоны их пропускают через электрическое поле. К тому времени, когда протоны достигают другого конца ускорителя они приобретают энергию 50 МэВ и прибавил 5 %
по массе.
Разогнанные протоны поступают в протонный синхротрон
, который состоит из четырех наложенных синхротронных колец. Получив пучки протонов с энергией 50 МэВ
, синхротрон ускоряет их до 1,4 ГэВ
.
Ускоренные пучки протонов поступают в следующий протонный синхротрон
(PS), который является важнейшим компонентом в ЦЕРНЕ. Окружность ускорителя 628 метров
, электромагниты находятся при обычной комнатной температуре. Ускоритель работает на частоте до 25 ГэВ
. Кроме протонов, ускоритель ускоряет альфа-частицы (ядра гелия), ядра кислорода и серы, другие ядра, электроны.
Далее протоны направляются в Super Proton Synchrotron (SPS) - Супер-Протонный Синхротрон
, где они ускоряются до 450 ГэВ
.
СПС имеет семикилометровую окружность и разгоняет поставленные пучки до энергий 450 ГэВ
. Он имеет 1317
электромагнитов при обычной комнатной температуре. Ускоритель умеет работать с различными видами частиц: ядрами серы и кислорода, электронами, позитронами, протонами и антипротонами.
Пучки протонов, с энергиями 450 ГэВ
поступают в Большой адронный коллайдер. БАК − это крупнейший в мире и самый мощный ускоритель частиц. Он начал свою работу 10 сентября 2008 года, и остается последним дополнением к ускорительному комплексу в ЦЕРН. БАК состоит из 27
-километрового кольца ускоряющих структур − сверхпроводящих магнитов.
Внутри ускорителя два высокоэнергетических пучка частиц движущихся со скоростями близкими к скорости света. Пучки движутся в противоположных направлениях в отдельных трубах в которых поддерживается состояние сверхвысокого вакуума.
В ускорителе имеется три отдельных вакуумных системы:
- Чтобы избежать столкновения с молекулами газа пучков частиц внутри ускорителя находится вакуум как и в межпланетном пространстве.
- Чтобы уменьшить количество тепла, которое просачивается из окружающей среды комнатной температуры в криогенную зону в которой поддерживается температура в 1,9 K (-271.3°C).
- Чтобы уменьшать потери тепла криогенно охлаждаемых магнитов.
Электромагниты находятся при температуре -271,3 °С
и построены из катушек со специальным электрическим кабелем, который работает в сверхпроводящем состоянии, эффективно проводит электричество без сопротивления или потери энергии. По этой причине, ускоритель подключен к системе жидкого гелия, который охлаждает магниты.
В БАК находятся тысячи магнитов, разных сортов и размеров. Они включают в себя 1232
дипольных магнита 15
метровой длины, по изгибу балки, и 392
квадрупольных магнита, каждый по 5-7
метров в длину, где фокусируются лучи. Незадолго до столкновения, другой тип магнитов используется, чтобы прижать частички ближе друг к другу, для увеличения вероятности столкновения. В коллайдере решается похожая по сложности задача, как если бы взять две швейные иглы, расположенных на расстоянии 10 км
, выстрелить навстречу друг друга с высокой вероятностью попадания. Пучки частиц настолько малы, что столкнуть их точно является сложнейшей задачей.
Пучки в 1-й
трубе циркулируют по часовой стрелке, пока пучки в другой трубе циркулируют против часовой стрелки. Время заполнения каждого кольца 4 минуты и 20 секунд
, и 20 минут
для того, чтобы достичь максимальной энергии 4 ТэВ
. Пучки могут циркулировать в течение многих часов внутри труб при нормальных условиях эксплуатации. Два пучка приводятся в столкновение внутри четырех детекторов − Алиса, Атлас, CMS и LHCb − где полная энергия при столкновении равна 8 ТэВ
.
Алис
а представляет собой детектор − 26 м
в длину, 16 м
в высоту, и шириной 16 м
. Применяется для изучения кварк-глюонной плазмы. Детектор находится в огромной пещере 56 м
под землей недалеко от поселка сен-Жени-Пуйи, Франция.
Атлас
это один из двух детекторов общего назначения, на Большом Адронном Коллайдере. 46 м
в длину, 25 м
в высоту и 25 м
в ширину, 7000
-тонный детектор ATLAS является наибольшим детектором частиц из когда-либо построенных. Он находится в пещере, в 100 м
под землей возле главного центра ЦЕРНА, недалеко от деревни Meyrin в Швейцарии.
Компактный Мюонный Соленоид
(CMS)-это универсальный детектор в БАКе. Он предназначен для решения широкого спектра физических задач, в том числе поиск Бозон Хиггса, поиск частицы, из которых может состоять темная материя. Хотя он решает похожие задачи с ATLAS, но использует другое техническое решение при проектировании детектора, другой магнит. Огромный соленоид магнит имеет форму цилиндрической катушки из сверхпроводящего кабеля, который генерирует поле 4 Тл
, что около 100000 раз
больше магнитного поля Земли.
Необычная особенность детектора CMS является то, что он был построен из 15
секций на уровне земли, прежде чем был опущен в подземную пещеру возле Cessy во Франции и разбираются. Полный детектор 21 м
в длину, 15 м
в ширину и 15 м
в высоту.
В Большом адронном коллайдере проводятся исследование различий между материей и антиматерией, изучаются частицы называемые "beauty quark", или "b-кварк".
Обилие различных типов кварков создаются в БАК прежде чем они быстро распадаются в другие формы. Чтобы поймать b-кварки, в БАКе разработана сложная подвижная система трековых детекторов возле траекторий пучков.
5600
-тонный детектор БАК состоит из переднего спектрометра и планарных детекторов. Это 21 м
в длину, 10 м
в высоту и 13 м
в ширину, детектор находится в 100 метрах под землей возле села Ферней-Вольтер, Франция.
По материалам
В 100 метрах под землей, на границе Франции и Швейцарии, расположено устройство, которое способно приоткрыть тайны мироздания. Или, по мнению некоторых, уничтожить всю жизнь на Земле.
Так или иначе, это самая большая машина в мире, и она используется для исследования мельчайших частиц во Вселенной. Это Большой адронный (не андроидный) коллайдер (LHC).
Краткое описание
LHC является частью проекта, который возглавляет Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН). Коллайдер включен в комплекс ускорителей ЦЕРН за пределами Женевы в Швейцарии и используется для разгона пучков протонов и ионов до скорости, приближающейся к скорости света, столкновения частиц друг с другом и записи результирующих событий. Ученые надеются, что это поможет больше узнать о возникновении Вселенной и о ее составе.
Что такое коллайдер (LHC)? Это самый амбициозный и мощный ускоритель частиц, построенный на сегодняшний день. Тысячи ученых из сотен стран сотрудничают и конкурируют друг с другом в поиске новых открытий. Для сбора данных экспериментов предусмотрены 6 участков, расположенные вдоль окружности коллайдера.
Сделанные с его помощью открытия могут стать полезными в будущем, но это не причина его постройки. Цель Большого адронного коллайдера - расширить наши знания о Вселенной. Учитывая, что LHC стоит миллиарды долларов и требует сотрудничества многих стран, отсутствие практического применения может быть неожиданным.
Для чего нужен Адронный коллайдер?
В попытке понять нашу Вселенную, ее функционирование и фактическую структуру, ученые предложили теорию, называемую стандартной моделью. В ней предпринята попытка определить и объяснить фундаментальные частицы, которые делают мир таким, каким он есть. Модель объединяет элементы теории относительности Эйнштейна с квантовой теорией. В ней также учтены 3 из 4 основных сил Вселенной: сильные и слабые ядерные взаимодействия и электромагнетизм. Теория не касается 4-й фундаментальной силы - силы тяжести.
Стандартная модель дала несколько предсказаний о Вселенной, которые согласуются с различными экспериментами. Но есть и другие ее аспекты, которые требовали подтверждения. Один из них - теоретическая частица, называемая бозоном Хиггса.
Его открытие дает ответ на вопросы о массе. Почему материя ею обладает? Ученые идентифицировали частицы, у которых нет массы, например, нейтрино. Почему у одних она есть, а у других - нет? Физики предложили много объяснений.
Самое простое из них - механизм Хиггса. Эта теория гласит, что существует частица и соответствующая ей сила, которая объясняет наличие массы. Ранее она никогда не наблюдалась, поэтому события, создаваемые LHC, должны были либо доказать существование бозона Хиггса, либо дать новую информацию.
Еще один вопрос, которым задаются ученые, связан с зарождением Вселенной. Тогда материя и энергия были одним целым. После их разделения частицы вещества и антиматерии уничтожили друг друга. Если бы количество их было равным, то ничего бы не осталось.
Но, к счастью для нас, во Вселенной материи было больше. Ученые надеются наблюдать антивещество во время работы LHC. Это могло бы помочь понять причину разницы в количестве материи и антиматерии, когда началась Вселенная.
Темная материя
Современное понимание Вселенной предполагает, что пока можно наблюдать лишь около 4% материи, которая должна существовать. Движение галактик и других небесных тел говорит о том, что существует гораздо больше видимого вещества.
Ученые назвали эту неопределенную материю темной. Наблюдаемая и темная материя составляют около 25%. Другие 3/4 исходят от гипотетической темной энергии, которая способствует расширению Вселенной.
Ученые надеются, что их эксперименты либо предоставят дополнительные доказательства существования темной материи и темной энергии, либо подтвердят альтернативную теорию.
Но это лишь верхушка айсберга физики элементарных частиц. Есть еще более экзотические и противоречивые вещи, которые необходимо выявить, для чего и нужен коллайдер.
Большой взрыв в микромасштабах
Сталкивая протоны с достаточно большой скоростью, LHC разбивает их на более мелкие атомные субчастицы. Они очень нестабильны, и до распада или рекомбинации существуют только долю секунды.
Согласно теории Большого взрыва, первоначально из них состояла все материя. По мере расширения и охлаждения Вселенной они объединились в более крупные частицы, такие как протоны и нейтроны.
Необычные теории
Если теоретические частицы, антиматерия и темная энергия, не являются достаточно экзотичными, некоторые ученые считают, что LHC может предоставить доказательства существования других измерений. Принято считать, что мир является четырехмерным (трехмерное пространство и время). Но физики предполагают, что могут существовать и другие измерения, которые люди не могут воспринимать. Например, одна версия теории струн требует наличия не менее 11 измерений.
Адепты этой теории надеются, что LHC предоставит доказательства предлагаемой ими модели Вселенной. По их мнению, фундаментальными строительными кирпичиками являются не частицы, а струны. Они могут быть открытыми или закрытыми, и вибрировать подобно гитарным. Различие в колебаниях делает струны разными. Одни проявляют себя в виде электронов, а другие реализуются как нейтрино.
Что такое коллайдер в цифрах?
LHC представляет собой массивную и мощную конструкцию. Он состоит из 8 секторов, каждый из которых является дугой, ограниченной на каждом конце секцией, называемой «вставкой». Длина окружности коллайдера равна 27 км.
Трубки ускорителя и камеры столкновений находятся на глубине 100 метров под землей. Доступ к ним обеспечивает сервисный туннель с лифтами и лестницами, расположенными в нескольких точках вдоль окружности LHC. ЦЕРН также построил наземные здания, в которых исследователи могут собирать и анализировать данные, генерируемые детекторами коллайдера.
Для управления пучками протонов, движущихся со скоростью равной 99,99% скорости света, используются магниты. Они огромны, весят несколько тонн. В LHC имеется около 9 600 магнитов. Они охлаждаются до 1,9К (-271,25 °C). Это ниже температуры космического пространства.
Протоны внутри коллайдера проходят по трубам со сверхвысоким вакуумом. Это необходимо, чтобы не было частиц, с которыми они могли бы столкнуться до достижения цели. Единственная молекула газа может привести к неудаче эксперимента.
На окружности большого коллайдера есть 6 участков, где инженеры смогут проводить свои эксперименты. Их можно сравнить с микроскопами с цифровой камерой. Некоторые из этих детекторов огромны - ATLAS представляет собой устройство длиной 45 м, высотой 25 м и весом 7 т.
В LHC задействовано около 150 млн датчиков, которые собирают данные и отправляют их в вычислительную сеть. Согласно ЦЕРН объем информации, получаемой во время экспериментов, составляет около 700 МБ/с.
Очевидно, что такому коллайдеру требуется много энергии. Его годовая потребляемая мощность составляет около 800 ГВт∙ч. Она могла быть намного больше, но объект не работает в зимние месяцы. По данным ЦЕРН стоимость энергии составляет порядка 19 млн евро.
Столкновение протонов
Принцип, лежащий в основе физики коллайдера, довольно прост. Сперва производится запуск двух пучков: одного - по часовой стрелке, а второго - против. Оба потока ускоряются до скорости света. Затем их направляют навстречу друг к другу и наблюдают результат.
Оборудование, необходимое для достижения этой цели, намного сложнее. LHC является частью комплекса ЦЕРН. Прежде, чем какие-либо частицы войдут в LHC, они уже проходят ряд шагов.
Во-первых, для получения протонов ученые должны лишить атомы водорода электронов. Затем частицы направляются в установку LINAC 2, которая запускает их в ускоритель PS Booster. Эти машины для ускорения частиц используют переменное электрическое поле. Удерживать пучки помогают поля, создаваемые гигантскими магнитами.
Когда луч достигает нужного энергетического уровня, PS Booster направляет его в суперсинхротрон SPS. Поток ускоряется еще больше и делится на 2808 пучков по 1,1 x 1011 протонов. SPS вводит лучи в LHC по часовой и против часовой стрелки.
Внутри Большого адронного коллайдера протоны продолжают ускоряться в течение 20 минут. На максимальной скорости они совершают 11245 оборотов вокруг LHC каждую секунду. Лучи сходятся на одном из 6 детекторов. При этом происходит 600 млн столкновений в секунду.
Когда сталкиваются 2 протона, они расщепляются на более мелкие частицы, в том числе кварки и глюоны. Кварки очень неустойчивы и распадаются за долю секунды. Детекторы собирают информацию, отслеживая путь субатомных частиц, и направляют ее в вычислительную сеть.
Не все протоны сталкиваются. Остальные продолжают движение до секции сброса луча, где поглощаются графитом.
Детекторы
Вдоль окружности коллайдера расположены 6 секций, в которых производится сбор данных и проводятся эксперименты. Из них 4 детектора основные и 2 меньшего размера.
Самым крупным является ATLAS. Его размеры - 46 х 25 х 25 м. Трекер обнаруживает и анализирует импульс частиц, проходящих через ATLAS. Его окружает калориметр, измеряющий энергию частиц, поглощая их. Ученые могут наблюдать траекторию их движения и экстраполировать информацию о них.
Детектор ATLAS также имеет мюонный спектрометр. Мюоны - это отрицательно заряженные частицы в 200 раз тяжелее электронов. Они единственные способны проходить через калориметр без остановки. Спектрометр измеряет импульс каждого мюона датчиками заряженных частиц. Эти сенсоры могут обнаруживать флуктуации в магнитном поле ATLAS.
Компактный мюонный соленоид (CMS) является детектором общего назначения, который обнаруживает и измеряет субчастицы, высвобождаемые во время столкновений. Прибор находится внутри гигантского соленоидного магнита, который может создать магнитное поле, почти в 100 тысяч раз превышающее магнитное поле Земли.
Детектор ALICE разработан для изучения столкновений ионов железа. Таким образом исследователи надеются воссоздать условия, подобные тем, которые произошли сразу после Большого взрыва. Они ожидают увидеть, как ионы превращаются в смесь кварков и глюонов. Основным компонентом ALICE является камера TPC, служащая для изучения и воссоздания траектории частиц.
LHC служит для поиска доказательств существования антивещества. Он делает это путем поиска частицы, называемой прелестным кварком. Ряд субдетекторов, окружающих точку столкновения, имеет 20 метров в длину. Они могут улавливать очень неустойчивые и быстро распадающиеся частицы прелестных кварков.
Эксперимент ТОТЕМ проводится на участке с одним из малых детекторов. Он измеряет размер протонов и яркость LHC, указывающей на точность создания столкновений.
Эксперимент LHC имитирует космические лучи в контролируемой среде. Его целью является помощь в разработке широкомасштабных исследований реальных космических лучей.
На каждом участке детектирования работает команда исследователей, насчитывающая от нескольких десятков до более тысячи ученых.
Обработка данных
Неудивительно, что такой коллайдер генерирует огромный поток данных. 15 000 000 ГБ, ежегодно получаемых детекторами LHC, ставят перед исследователями огромную задачу. Ее решением является вычислительная сеть, состоящая из компьютеров, каждый из которых способен самостоятельно анализировать фрагмент данных. Как только компьютер завершит анализ, он отправляет результаты на центральный компьютер и получает новую порцию.
Ученые из ЦЕРН решили сосредоточиться на использовании относительно недорогого оборудования для выполнения своих расчетов. Вместо приобретения передовых серверов и процессоров используется имеющееся оборудование, которое может хорошо работать в сети. При помощи специального ПО сеть компьютеров сможет хранить и анализировать данные каждого эксперимента.
Опасность для планеты?
Некоторые опасаются, что такой мощный коллайдер может представлять угрозу для жизни на Земле, в том числе участвовать в формировании черных дыр, «странной материи», магнитных монополий, радиации и т.д.
Ученые последовательно опровергают такие утверждения. Образование черной дыры невозможно, поскольку между протонами и звездами есть большая разница. «Странная материя» уже давно бы могла образоваться под действием космических лучей, и опасность этих гипотетических образований сильно преувеличена.
Коллайдер чрезвычайно безопасен: он отделен от поверхности 100-метровым слоем грунта, а персоналу запрещено находиться под землей во время проведения экспериментов.
Большой адронный коллайдер (англ. Large Hadron Collider, LHC; сокр. БАК) - ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений.
Коллайдер построен в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (фр. Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire, CERN), на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы. БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире...
Опасения по поводу возникновения в Большом адронном коллайдере (БАК) черных дыр, способных поглотить всю Вселенную, все-таки частично подтвердились. Эти дыры теоретически действительно могут возникнуть.
Первый запуск БАК осенью прошлого года сопровождался истерией по поводу возможного образования в нем черных дыр.
Как известно, во Вселенной обнаружены уже сотни таких объектов, которые обладают столь мощной гравитацией, что даже свет не может вырваться из их объятий. Черная дыра засасывает...
В Большом адронном коллайдере успешно прошло столкновение пучков протонов на рекордной энергии в 7 тераэлектронвольт.
Достигнутая энергия столкновения является максимальным значением, которое когда-либо удавалось получать в ускорителях элементарных частиц.
Предыдущий рекорд энергии столкновения был установлен в БАК 22 марта и составил 3,48 тераэлектронвольта.
Первые два запуска пучков протонов в Большом адронном коллайдере, предпринятые ранее во вторник, закончились неудачей. В первой...
В субботу, 26 июня, на Большом адронном коллайдере вновь начались столкновения протонов в пучках, содержащих около 100 миллиардов частиц. До этого около трех недель специалисты отлаживали системы безопасности ускорителя.
Повышение мер безопасности необходимо для того, чтобы обеспечить стабильную циркуляцию по кольцу ускорителя пучков протонов. Ученые постепенно повышают интенсивность сгустков в протонных пучках (элементарные частицы движутся по кольцу ускорителя не единой массой, а отдельными...
22 августа Большой адронный коллайдер (LHC) успешно прошел последнюю серию синхронизационных испытаний: как сообщается в пресс-релизе Европейской организации ядерных исследований (CERN), пучок частиц прошел по кольцу ускорителя против часовой стрелки примерно три километра (ранее аналогичные испытания были проведены при движении пучка по часовой стрелке).
Ожидается, что крупнейший в мире ускоритель элементарных частиц позволит обнаружить так называемые бозоны Хиггса и сымитировать состояние...
Большой адронный коллайдер был остановлен на несколько часов из-за течи в системе охлаждения.
"Датчики зафиксировали течь в контуре деминерализованной воды, которая охлаждает источники питания насосов криогенной системы охлаждения, а также источники питания магнитов", - сообщил собеседник агентства.
Предполагается, что время бездействия ускорителя составит около 6 часов.
При этом подчеркивается, что неполадки достаточно несущественные и работа ускорителя будет восстановлена в...
Большой адронный коллайдер, самый большой в истории ускоритель элементарных частиц, вновь запущен после технической остановки перед новым годом.
В субботу первые в 2010 году протоны были введены в 27-километровое кольцо ускорителя и прошли его в обе стороны.
Пока пучки протонов циркулировали на энергии предыдущей ступени ускорителя - протонного суперсинхротрона SBS - 450 гигаэлектронвольт. Однако в ближайшие несколько недель ученые рассчитывают довести энергию частиц до 3,5...
Большой адронный коллайдер после зимних каникул и нескольких недель тестов вышел на нормальный режим работы, говорится в сообщении в официальном микроблоге Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН). «Сезон физических исследований 2011 года начался», – говорится в сообщении.
Коллайдер, который начал работать в феврале 2010 года после нескольких месяцев калибровки, ликвидации мелких неполадок, в декабре того же года завершил свой первый рабочий год и был остановлен до середины февраля...
