Particule de collisionneur de hadrons. Qu'est-ce que le Grand collisionneur de hadrons

Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) est un accélérateur de particules chargées qui aidera les physiciens à en apprendre beaucoup plus sur les propriétés de la matière qu'on ne le pensait auparavant. Les accélérateurs sont utilisés pour produire des particules élémentaires chargées de haute énergie. Le fonctionnement de presque tous les accélérateurs repose sur l’interaction de particules chargées avec des champs électriques et magnétiques. Le champ électrique agit directement sur la particule, c'est-à-dire qu'il augmente son énergie, et le champ magnétique, créant la force de Lorentz, ne fait que défléchir la particule sans changer son énergie et définit l'orbite sur laquelle les particules se déplacent.

Un collisionneur (anglais collide - « to collide ») est un accélérateur utilisant des faisceaux en collision, conçu pour étudier les produits de leurs collisions. Permet de conférer une énergie cinétique élevée aux particules élémentaires de matière, de les diriger les unes vers les autres afin de produire une collision.

Pourquoi "grand hadron"

Le collisionneur est en fait appelé grand en raison de sa taille. La longueur de l'anneau principal de l'accélérateur est de 26 659 m ; hadronique - du fait qu'il accélère les hadrons, c'est-à-dire les particules lourdes constituées de quarks.

Le LHC a été construit au centre de recherche du Conseil européen pour la recherche nucléaire (CERN), à la frontière entre la Suisse et la France, près de Genève. Aujourd'hui, le LHC est la plus grande installation expérimentale au monde. Le chef de file de ce projet à grande échelle est la physicienne britannique Lyn Evans, et plus de 10 000 scientifiques et ingénieurs de plus de 100 pays ont participé et participent encore à la construction et à la recherche.

Une petite excursion dans l'histoire

À la fin des années 60 du siècle dernier, les physiciens ont développé ce qu’on appelle le modèle standard. Il combine trois des quatre interactions fondamentales : forte, faible et électromagnétique. L'interaction gravitationnelle est encore décrite en termes de relativité générale. Autrement dit, les interactions fondamentales sont aujourd'hui décrites par deux théories généralement acceptées : la théorie de la relativité générale et le modèle standard.

On pense que le modèle standard devrait faire partie d'une théorie plus approfondie de la structure du micromonde, la partie visible dans les expériences menées auprès de collisionneurs à des énergies inférieures à environ 1 TeV (téraélectronvolt). L’objectif principal du Large Hadron Collider est d’obtenir au moins les premiers indices de cette théorie plus profonde.

Les principaux objectifs du collisionneur incluent également la découverte et la confirmation du boson de Higgs. Cette découverte confirmerait le modèle standard de l’origine des particules atomiques élémentaires et de la matière standard. Lorsque le collisionneur fonctionnera à pleine puissance, l’intégrité du modèle standard sera détruite. Les particules élémentaires dont nous ne comprenons que partiellement les propriétés ne pourront pas conserver leur intégrité structurelle. Le modèle standard a une limite d’énergie supérieure de 1 TeV, au-dessus de laquelle une particule se désintègre. À une énergie de 7 TeV, des particules d’une masse dix fois supérieure à celles actuellement connues pourraient être créées.

Caractéristiques

Il devrait entrer en collision dans l'accélérateur des protons d'une énergie totale de 14 TeV (soit 14 téraélectronvolts ou 14·1012 électronvolts) dans le système du centre de masse des particules incidentes, ainsi que des noyaux de plomb avec une énergie de 5 GeV (5,109 électronvolts) pour chaque paire de nucléons en collision.

La luminosité du LHC au cours des premières semaines de son fonctionnement ne dépassait pas 1 029 particules/cm²·s, mais elle continue d'augmenter constamment. L'objectif est d'atteindre une luminosité nominale de 1,7 × 1034 particules/cm² s, soit le même ordre de grandeur que les luminosités de BaBar (SLAC, USA) et Belle (KEK, Japon).

L'accélérateur est situé dans le même tunnel qui était autrefois occupé par le Grand collisionneur électron-positon, souterrain en France et en Suisse. La profondeur du tunnel est comprise entre 50 et 175 mètres et l'anneau du tunnel est incliné d'environ 1,4 % par rapport à la surface de la terre. Pour maintenir, corriger et focaliser les faisceaux de protons, 1624 aimants supraconducteurs sont utilisés, dont la longueur totale dépasse 22 km. Les aimants fonctionnent à une température de 1,9 K (−271 °C), légèrement inférieure à la température à laquelle l'hélium devient superfluide.

Détecteurs BAK

Le LHC dispose de 4 détecteurs principaux et 3 détecteurs auxiliaires :

• ALICE (Une expérience sur un grand collisionneur d'ions)
• ATLAS (un appareil toroïdal pour le LHC)
• CMS (solénoïde compact à muons)
• LHCb (expérience de beauté du Grand collisionneur de hadrons)
• TOTEM (Mesure de section efficace élastique et diffractive TOTal)
• LHCf (L'avant du Grand collisionneur de hadrons)
• MoEDAL (Détecteur monopôle et exotiques au LHC).

Le premier d’entre eux est configuré pour étudier les collisions d’ions lourds. La température et la densité énergétique de la matière nucléaire formée dans ce cas sont suffisantes pour la naissance du plasma de gluons. Le système de suivi interne (ITS) d'ALICE se compose de six couches cylindriques de capteurs en silicium qui entourent le point d'impact et mesurent les propriétés et les positions précises des particules émergentes. De cette manière, les particules contenant un quark lourd peuvent être facilement détectées.

Le second est destiné à étudier les collisions entre protons. ATLAS mesure 44 mètres de long, 25 mètres de diamètre et pèse environ 7 000 tonnes. Au centre du tunnel, des faisceaux de protons entrent en collision, ce qui en fait le capteur le plus grand et le plus complexe de ce type jamais construit. Le capteur enregistre tout ce qui se passe pendant et après la collision de protons. L'objectif du projet est de détecter des particules qui n'ont jamais été enregistrées ou détectées auparavant dans notre univers.

CMS est l'un des deux grands détecteurs de particules universels du LHC. Environ 3 600 scientifiques de 183 laboratoires et universités dans 38 pays soutiennent les travaux du CMS (la photo montre le dispositif CMS).

La couche la plus interne est le tracker à base de silicium. Le tracker est le plus grand capteur au silicium au monde. Il dispose de 205 m2 de capteurs en silicium (soit à peu près la superficie d'un court de tennis) comprenant 76 millions de canaux. Le tracker permet de mesurer des traces de particules chargées dans un champ électromagnétique.

Au deuxième niveau se trouve un calorimètre électromagnétique. Le calorimètre à hadrons, au niveau suivant, mesure l'énergie des hadrons individuels produits dans chaque cas.

La couche suivante du Large Hadron Collider CMS est un énorme aimant. Le grand aimant solénoïde mesure 13 mètres de long et 6 mètres de diamètre. Il est constitué de bobines refroidies en niobium et titane. Cet énorme aimant solénoïde fonctionne à pleine puissance pour maximiser la durée de vie des particules de l'aimant solénoïde.

La cinquième couche est constituée de détecteurs de muons et d'un joug de retour. Le CMS est conçu pour étudier les différents types de physique qui pourraient être détectés dans les collisions énergétiques du LHC. Certaines de ces recherches visent à confirmer ou à améliorer les mesures des paramètres du modèle standard, tandis que de nombreuses autres visent à rechercher une nouvelle physique.

On peut beaucoup parler du Grand collisionneur de hadrons. Nous espérons que notre article a aidé à comprendre ce qu'est le LHC et pourquoi les scientifiques en ont besoin.

Beaucoup ont déjà, d’une manière ou d’une autre, entendu le terme « Grand collisionneur de hadrons ». Parmi ces mots, seul le mot « grand » est familier à l’homme du commun. Mais qu’est-ce que c’est réellement ? Et est-il possible pour un simple mortel de maîtriser ce terme physique ?

Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) est une installation permettant aux physiciens d'expérimenter des particules élémentaires. Selon la formulation, le LHC est un accélérateur de particules chargées utilisant des faisceaux en collision, conçu pour accélérer des ions lourds et des protons et étudier les produits de collision. En d’autres termes, les scientifiques font entrer en collision des atomes et voient ensuite ce qui en résulte.

Il s’agit à l’heure actuelle de la plus grande installation expérimentale au monde. La taille de cette installation peut être comparée à une ville d'un diamètre de près de 27 kilomètres, située à une centaine de mètres de profondeur. Cette installation est située près de Genève et sa construction a coûté 10 milliards de dollars.

L'une des tâches principales de l'installation LHC (selon les scientifiques) est la recherche du boson de Higgs. Encore une fois, en termes simples, il s’agit d’une tentative de trouver la particule responsable de la présence de masse.

En parallèle, des expériences de recherche sont menées au collisionneur :

— des particules hors du « Modèle Standard »,

— les monopôles magnétiques (particules avec un champ magnétique),

— en outre, l'étude de la gravité quantique et l'étude des trous microscopiques sont en cours.

Ceux-ci "trous noirs microscopiques" et ne donne pas la paix à beaucoup de gens. De plus, non seulement ceux pour qui la connaissance de la physique a pris fin à l'école sont inquiets, mais aussi ceux qui continuent de l'étudier à un niveau professionnel.

Ce qu'est un trou noir est connu de tous, aussi bien de l'école que des histoires et des films de science-fiction. Beaucoup (y compris des scientifiques) craignent que de telles expériences, dont certaines visent à tenter de recréer le « big bang » (après lequel, selon la théorie, l'univers est apparu) ne conduisent à l'effondrement inévitable de la planète entière.

Les scientifiques assurent que ces expériences ne présentent aucun danger. Mais il y a encore un fait que les sommités de la science ne prennent jamais en compte. Nous parlons d'armes.

Tout scientifique normal, faisant une découverte ou inventant quelque chose, le fait dans deux buts. Le premier objectif est d’aider le monde à vivre mieux, et le second, moins humain, mais humain, est de devenir célèbre.

Mais, pour une raison quelconque, toutes les inventions (sans exagération) prennent leur place dans la création d'outils destinés à tuer la même humanité et des scientifiques célèbres. Même les découvertes devenues monnaie courante pour nous (radio, moteurs mécaniques, télévision par satellite, etc.), sans parler de l'énergie atomique, ont fermement pris leur place dans l'industrie de défense.

En 2016, dans la région de Moscou, ils prévoient de lancer une installation similaire au LHC européen. Mais l’installation russe, contrairement à son « grand frère », doit en réalité recréer le « big bang » à petite échelle.

Et qui garantira que Moscou voisine (et avec elle la Terre) ne deviendra pas l’ancêtre d’un nouveau « trou noir » dans le vaste univers ?

(ou RÉSERVOIR)- actuellement l'accélérateur de particules le plus grand et le plus puissant au monde. Ce colosse a été lancé en 2008, mais il a longtemps fonctionné à capacité réduite. Voyons de quoi il s'agit et pourquoi nous avons besoin d'un grand collisionneur de hadrons.

Histoire, mythes et faits

L'idée de créer un collisionneur a été annoncée en 1984. Et le projet de construction du collisionneur lui-même a déjà été approuvé et adopté en 1995. Le développement appartient au Centre européen pour la recherche nucléaire (CERN). En général, le lancement du collisionneur a attiré beaucoup d'attention non seulement de la part des scientifiques, mais aussi des citoyens ordinaires du monde entier. Ils ont parlé de toutes sortes de peurs et d'horreurs associées au lancement du collisionneur.

Cependant, quelqu'un attend déjà, très probablement, une apocalypse associée aux travaux du LHC et craque à l'idée de ce qui se passerait si le Grand collisionneur de hadrons explosait. Bien que tout le monde ait eu peur d'un trou noir qui, d'abord microscopique, se développerait et absorberait en toute sécurité d'abord le collisionneur lui-même, puis la Suisse et le reste du monde. La catastrophe d’anéantissement a également provoqué une grande panique. Un groupe de scientifiques a même intenté une action en justice pour tenter d'arrêter la construction. La déclaration indique que les amas d'antimatière qui peuvent être produits dans le collisionneur commenceront à s'annihiler avec la matière, déclenchant une réaction en chaîne et l'Univers entier sera détruit. Comme le disait le célèbre personnage de Retour vers le futur :

L’Univers tout entier, bien sûr, se trouve dans le pire des cas. Au mieux, seulement notre galaxie. Dr Emet Brown.

Essayons maintenant de comprendre pourquoi c'est hadronique ? Le fait est qu'il fonctionne avec les hadrons, ou plutôt accélère, accélère et entre en collision avec les hadrons.

Hadrons– une classe de particules élémentaires soumises à de fortes interactions. Les hadrons sont constitués de quarks.

Les hadrons sont divisés en baryons et mésons. Pour simplifier, disons que presque toute la matière connue est constituée de baryons. Simplifions encore plus et disons que les baryons sont des nucléons (protons et neutrons qui composent le noyau atomique).

Comment fonctionne le Grand collisionneur de hadrons

L'échelle est très impressionnante. Le collisionneur est un tunnel circulaire situé sous terre à une centaine de mètres de profondeur. Le Grand collisionneur de hadrons mesure 26 659 mètres de long. Les protons, accélérés à des vitesses proches de la vitesse de la lumière, volent dans un cercle souterrain à travers le territoire français et suisse. Pour être précis, la profondeur du tunnel varie de 50 à 175 mètres. Les aimants supraconducteurs sont utilisés pour focaliser et contenir des faisceaux de protons volants ; leur longueur totale est d'environ 22 kilomètres et ils fonctionnent à une température de -271 degrés Celsius.

Le collisionneur comprend 4 détecteurs géants : ATLAS, CMS, ALICE et LHCb. En plus des principaux grands détecteurs, il existe également des détecteurs auxiliaires. Les détecteurs sont conçus pour enregistrer les résultats des collisions de particules. Autrement dit, après la collision de deux protons à des vitesses proches de la lumière, personne ne sait à quoi s’attendre. Pour « voir » ce qui s’est passé, où il a rebondi et jusqu’où il a volé, il existe des détecteurs bourrés de toutes sortes de capteurs.

Résultats du Grand collisionneur de hadrons.

Pourquoi avez-vous besoin d'un collisionneur ? Eh bien, certainement pas pour détruire la Terre. Il semblerait, à quoi ça sert de faire entrer en collision des particules ? Le fait est qu'il y a beaucoup de questions sans réponse dans la physique moderne, et étudier le monde à l'aide de particules accélérées peut littéralement ouvrir une nouvelle couche de réalité, comprendre la structure du monde et peut-être même répondre à la question principale de « le sens de la vie, de l'Univers et en général » .

Quelles découvertes ont déjà été faites au LHC ? La chose la plus célèbre est la découverte le boson de Higgs(nous lui consacrerons un article séparé). De plus, ils étaient ouverts 5 nouvelles particules, les premières données sur les collisions à des énergies records ont été obtenues, l'absence d'asymétrie des protons et des antiprotons est montrée, Des corrélations inhabituelles de protons découvertes. La liste est longue. Mais les trous noirs microscopiques qui terrifiaient les femmes au foyer n’ont pas pu être détectés.

Et ce malgré le fait que le collisionneur n’a pas encore été accéléré jusqu’à sa puissance maximale. Actuellement, l’énergie maximale du Grand collisionneur de hadrons est 13 TeV(téra électron-Volt). Cependant, après une préparation appropriée, il est prévu que les protons soient accélérés jusqu'à 14 TeV. A titre de comparaison, dans les accélérateurs-précurseurs du LHC, les énergies maximales obtenues ne dépassaient pas 1 TeV. C’est ainsi que l’accélérateur américain Tevatron de l’Illinois pourrait accélérer des particules. L'énergie obtenue dans le collisionneur est loin d'être la plus élevée au monde. Ainsi, l’énergie des rayons cosmiques détectés sur Terre dépasse d’un milliard de fois l’énergie d’une particule accélérée dans un collisionneur ! Le danger du Grand collisionneur de hadrons est donc minime. Il est probable qu’une fois que toutes les réponses auront été obtenues grâce au LHC, l’humanité devra construire un autre collisionneur plus puissant.

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Le Grand collisionneur de hadrons a été appelé soit la « Machine apocalyptique », soit la clé du mystère de l'Univers, mais sa signification ne fait aucun doute.

Comme l’a dit un jour le célèbre penseur britannique Bertrand Russell : « la philosophie est ce que vous connaissez, la philosophie est ce que vous ne savez pas ». Il semblerait que la véritable connaissance scientifique ait longtemps été séparée de ses origines, que l'on retrouve dans la recherche philosophique de la Grèce antique, mais ce n'est pas tout à fait vrai.

Tout au long du XXe siècle, les scientifiques ont tenté de trouver dans la science une réponse à la question de la structure du monde. Ce processus s'apparentait à la recherche du sens de la vie : un grand nombre de théories, d'hypothèses et même d'idées folles. À quelles conclusions sont parvenus les scientifiques au début du 21e siècle ?

Le monde entier est composé de particules élémentaires, qui représentent les formes finales de toutes choses, c'est-à-dire ce qui ne peut être divisé en éléments plus petits. Ceux-ci incluent les protons, les électrons, les neutrons, etc. Ces particules sont en constante interaction les unes avec les autres. Au début de notre siècle, elle s'exprimait en 4 types fondamentaux : gravitationnel, électromagnétique, fort et faible. La première est décrite par la Théorie Générale de la Relativité, les trois autres sont combinées dans le cadre du Modèle Standard (théorie quantique). Il a également été suggéré qu’il existait une autre interaction, appelée plus tard champ de Higgs.

Peu à peu, l’idée de fédérer toutes les interactions fondamentales dans le cadre de « théories de tout", qui a d'abord été perçue comme une plaisanterie, mais s'est rapidement transformée en une direction scientifique puissante. Pourquoi est-ce nécessaire ? C'est simple! Sans comprendre comment fonctionne le monde, nous sommes comme des fourmis dans un nid artificiel : nous n’irons pas au-delà de nos capacités. La connaissance humaine ne peut pas (enfin, ou Au revoir ne peut pas, si vous êtes optimiste) couvrir la structure entière du monde.

L’une des théories les plus célèbres prétendant « tout embrasser » est considérée la théorie des cordes. Cela implique que l’Univers entier et nos vies sont multidimensionnels. Malgré la partie théorique développée et le soutien de physiciens célèbres tels que Brian Greene et Stephen Hawking, elle n'a aucune confirmation expérimentale.

Des décennies plus tard, les scientifiques en ont eu assez de diffuser depuis les tribunes et ont décidé de construire quelque chose qui devrait mettre les points sur les i une fois pour toutes. À cet effet, la plus grande installation expérimentale au monde a été créée - Grand collisionneur de hadrons (LHC).

"Au collisionneur!"

Qu'est-ce qu'un collisionneur ? En termes scientifiques, il s'agit d'un accélérateur de particules chargées conçu pour accélérer les particules élémentaires afin de mieux comprendre leur interaction. En termes non scientifiques, il s’agit d’une grande arène (ou bac à sable, si vous préférez) dans laquelle les scientifiques se battent pour confirmer leurs théories.

L'idée de faire entrer en collision des particules élémentaires et de voir ce qui se passe en premier est venue du physicien américain Donald William Kerst en 1956. Il a suggéré que grâce à cela, les scientifiques pourraient pénétrer les secrets de l'Univers. Il semblerait qu’il y ait un problème à faire entrer en collision deux faisceaux de protons dont l’énergie totale est un million de fois supérieure à celle de la fusion thermonucléaire ? Les temps étaient propices : la guerre froide, la course aux armements et tout ça.

Histoire de la création du LHC

L'idée de créer un accélérateur pour produire et étudier des particules chargées est apparue au début des années 1920, mais les premiers prototypes n'ont été créés qu'au début des années 1930. Au départ, il s’agissait d’accélérateurs linéaires à haute tension, c’est-à-dire que des particules chargées se déplaçaient en ligne droite. La version en anneau a été introduite aux États-Unis en 1931, après quoi des dispositifs similaires ont commencé à apparaître dans un certain nombre de pays développés - Grande-Bretagne, Suisse et URSS. Ils ont reçu le nom cyclotrons, et a ensuite commencé à être activement utilisé pour créer des armes nucléaires.

Il convient de noter que le coût de construction d’un accélérateur de particules est incroyablement élevé. L'Europe, qui n'a pas joué un rôle primordial pendant la guerre froide, a confié sa création Organisation européenne pour la recherche nucléaire (en russe, souvent lu comme CERN), qui entreprit plus tard la construction du LHC.

Le CERN a été créé à la suite des inquiétudes mondiales concernant la recherche nucléaire aux États-Unis et en URSS, qui pourrait conduire à une extermination générale. Les scientifiques ont donc décidé d’unir leurs forces et de les orienter dans une direction pacifique. En 1954, le CERN connaît sa naissance officielle.

En 1983, sous les auspices du CERN, les bosons W et Z ont été découverts, après quoi la question de la découverte des bosons de Higgs n'est plus qu'une question de temps. La même année, les travaux de construction du Grand collisionneur électron-positon (LEPC) ont commencé, qui a joué un rôle primordial dans l'étude des bosons découverts. Cependant, même alors, il est devenu clair que la puissance de l'appareil créé s'avérerait bientôt insuffisante. Et en 1984, la décision fut prise de construire le LHC, immédiatement après le démantèlement du BEPK. C'est ce qui s'est passé en 2000.

La construction du LHC, qui a débuté en 2001, a été facilitée par le fait qu'elle s'est déroulée sur le site de l'ancien BEPK, dans la vallée du Léman. En lien avec les questions de financement (en 1995, le coût était estimé à 2,6 milliards de francs suisses, en 2001 il dépassait 4,6 milliards, en 2009 il s'élevait à 6 milliards de dollars).

À l'heure actuelle, le LHC est situé dans un tunnel d'une circonférence de 26,7 km et traverse les territoires de deux pays européens : la France et la Suisse. La profondeur du tunnel varie de 50 à 175 mètres. Il convient également de noter que l'énergie de collision des protons dans l'accélérateur atteint 14 téraélectronvolts, soit 20 fois supérieure aux résultats obtenus avec BEPK.

"La curiosité n'est pas un vice, mais c'est une chose très dégoûtante."

Le tunnel de 27 kilomètres du collisionneur du CERN est situé à 100 mètres sous terre, près de Genève. Il y aura ici d’énormes électroaimants supraconducteurs. A droite se trouvent les wagons de transport. Juhanson / wikipedia.org (CC BY-SA 3.0)

Pourquoi cette « machine apocalyptique » artificielle est-elle nécessaire ? Les scientifiques s’attendent à voir le monde tel qu’il était immédiatement après le Big Bang, c’est-à-dire au moment de la formation de la matière.

Objectifs que les scientifiques se sont fixés lors de la construction du LHC :

1. Confirmation ou réfutation du modèle standard dans le but de créer davantage une « théorie du tout ».
2. Preuve de l'existence du boson de Higgs en tant que particule de la cinquième force fondamentale. Selon les recherches théoriques, cela devrait influencer les interactions électriques et faibles, brisant leur symétrie.
3. L'étude des quarks, qui sont une particule fondamentale 20 000 fois plus petite que les protons qui les composent.
4. Obtenir et étudier la matière noire, qui constitue la majeure partie de l'Univers.

Ce sont loin d’être les seuls objectifs assignés au LHC par les scientifiques, mais les autres sont plus connexes ou purement théoriques.

Qu’avez-vous réalisé ?

Sans aucun doute, la réalisation la plus importante et la plus significative a été la confirmation officielle de l'existence le boson de Higgs. La découverte de la cinquième interaction (le champ de Higgs), qui, selon les scientifiques, affecte l'acquisition de masse par toutes les particules élémentaires. On pense que lorsque la symétrie est brisée lors de l'influence du champ de Higgs sur d'autres champs, les bosons W et Z deviennent massifs. La découverte du boson de Higgs est si importante qu’un certain nombre de scientifiques lui ont donné le nom de « particules divines ».

Les quarks se combinent en particules (protons, neutrons et autres), appelées hadrons. Ce sont eux qui accélèrent et entrent en collision dans le LHC, d’où son nom. Lors du fonctionnement du collisionneur, il a été prouvé qu'il est tout simplement impossible de séparer un quark d'un hadron. Si vous essayez de faire cela, vous arracherez simplement un autre type de particule élémentaire, par exemple un proton - méson. Bien qu'il ne s'agisse que d'un hadron parmi d'autres et qu'il ne contienne rien de nouveau, une étude plus approfondie de l'interaction des quarks devrait être menée par petites étapes. Dans la recherche des lois fondamentales du fonctionnement de l’Univers, la précipitation est dangereuse.

Bien que les quarks eux-mêmes n’aient pas été découverts lors de l’utilisation du LHC, leur existence a été, jusqu’à un certain point, perçue comme une abstraction mathématique. Les premières particules de ce type ont été découvertes en 1968, mais ce n’est qu’en 1995 que l’existence d’un « vrai quark » a été officiellement prouvée. Les résultats expérimentaux sont confirmés par la capacité à les reproduire. Par conséquent, l’obtention d’un résultat similaire par le LHC n’est pas perçue comme une répétition, mais comme une preuve solidifiante de leur existence ! Bien que le problème de la réalité des quarks n'ait disparu nulle part, car ils sont simplement ne peut pas être sélectionné des hadrons.

Quels sont vos plans?

La tâche principale consistant à créer une « théorie du tout » n'a pas été résolue, mais une étude théorique des options possibles pour sa manifestation est en cours. Jusqu'à présent, l'un des problèmes de la combinaison de la Théorie Générale de la Relativité et du Modèle Standard reste la portée différente de leur action, et donc la seconde ne prend pas en compte les caractéristiques de la première. Il est donc important d’aller au-delà du modèle standard et d’atteindre les limites Nouvelle physique.

Supersymétrie – les scientifiques pensent qu'il relie les champs quantiques bosoniques et fermioniques, à tel point qu'ils peuvent se transformer l'un en l'autre. C'est précisément ce type de conversion qui va au-delà du modèle standard, puisqu'il existe une théorie selon laquelle la cartographie symétrique des champs quantiques est basée sur gravitons. Ils peuvent donc être une particule élémentaire de la gravité.

Madala Boson– l’hypothèse de l’existence du boson Madala suppose qu’il existe un autre champ. Ce n'est que si le boson de Higgs interagit avec des particules et de la matière connues que le boson de Madala interagit avec matière noire. Malgré le fait qu'il occupe la majeure partie de l'Univers, son existence n'est pas incluse dans le modèle standard.

Trou noir microscopique - L'une des recherches du LHC consiste à créer un trou noir. Oui, oui, exactement cette région noire et dévorante de l’espace. Heureusement, aucun progrès significatif n’a été réalisé dans ce sens.

Aujourd'hui, le Large Hadron Collider est un centre de recherche polyvalent, sur la base des travaux desquels sont créées et confirmées expérimentalement des théories qui nous aideront à mieux comprendre la structure du monde. Il y a souvent des vagues de critiques autour d’un certain nombre d’études en cours qualifiées de dangereuses, notamment celles de Stephen Hawking, mais le jeu en vaut vraiment la chandelle. Nous ne pouvons pas naviguer dans l’océan noir qu’est l’Univers avec un capitaine qui n’a ni carte, ni boussole, ni connaissance de base du monde qui nous entoure.

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L'accélérateur de particules à collision le plus puissant au monde

L'accélérateur de particules chargées à faisceaux de collision le plus puissant au monde, construit par le Centre européen de recherche nucléaire (CERN) dans un tunnel souterrain de 27 kilomètres de long à une profondeur de 50 à 175 mètres à la frontière de la Suisse et de la France. Le LHC a été lancé à l'automne 2008, mais en raison d'un accident, ses expériences n'ont commencé qu'en novembre 2009 et il a atteint sa capacité nominale en mars 2010. Le lancement du collisionneur a attiré l'attention non seulement des physiciens, mais aussi des gens ordinaires, car les médias ont exprimé des inquiétudes quant au fait que les expériences menées au collisionneur pourraient conduire à la fin du monde. En juillet 2012, le LHC a annoncé la découverte d'une particule très probablement le boson de Higgs. Son existence a confirmé l'exactitude du modèle standard de la structure de la matière.

Arrière-plan

Les accélérateurs de particules ont commencé à être utilisés en science à la fin des années 20 du 20e siècle pour étudier les propriétés de la matière. Le premier accélérateur en anneau, le cyclotron, a été créé en 1931 par le physicien américain Ernest Lawrence. En 1932, l'Anglais John Cockcroft et l'Irlandais Ernest Walton, utilisant un multiplicateur de tension et le premier accélérateur de protons au monde, parviennent pour la première fois à diviser artificiellement le noyau d'un atome : l'hélium est obtenu en bombardant du lithium avec des protons. Les accélérateurs de particules fonctionnent en utilisant des champs électriques qui sont utilisés pour accélérer (souvent à des vitesses proches de la vitesse de la lumière) et maintenir les particules chargées (telles que les électrons, les protons ou les ions plus lourds) sur une trajectoire donnée. L'exemple quotidien le plus simple d'accélérateurs est celui des téléviseurs équipés d'un tube cathodique, , , , .

Les accélérateurs sont utilisés pour diverses expériences, notamment la production d’éléments super-lourds. Pour étudier les particules élémentaires, on utilise également des collisionneurs (de collision - «collision») - des accélérateurs de particules chargées sur des faisceaux en collision, conçus pour étudier les produits de leurs collisions. Les scientifiques transmettent des énergies cinétiques élevées aux faisceaux. Les collisions peuvent produire de nouvelles particules jusqu’alors inconnues. Des détecteurs spéciaux sont conçus pour détecter leur apparition. Au début des années 1990, les collisionneurs les plus puissants étaient en service aux États-Unis et en Suisse. En 1987, le collisionneur Tevatron a été lancé aux États-Unis, près de Chicago, avec une énergie de faisceau maximale de 980 gigaélectronvolts (GeV). Il s'agit d'un anneau souterrain de 6,3 kilomètres de long. En 1989, le Grand collisionneur électron-positon (LEP) a été mis en service en Suisse sous les auspices du Centre européen pour la recherche nucléaire (CERN). Pour cela, à une profondeur de 50 à 175 mètres dans la vallée du lac Léman, un tunnel circulaire de 26,7 kilomètres de long a été construit en 2000, il a été possible d'atteindre une énergie de faisceau de 209 GeV, , , .

En URSS, dans les années 1980, le projet Accelerator-Storage Complex (UNC) a été créé - un collisionneur proton-proton supraconducteur à l'Institut de physique des hautes énergies (IHEP) de Protvino. Il serait supérieur à bien des égards au LEP et au Tevatron et devrait être capable d'accélérer des faisceaux de particules élémentaires d'une énergie de 3 téraélectronvolts (TeV). Son anneau principal, long de 21 kilomètres, a été construit sous terre en 1994. Toutefois, faute de fonds, le projet a été gelé en 1998, le tunnel construit à Protvino a été mis en veilleuse (seuls les éléments du complexe d'accélération ont été achevés) et le principal l'ingénieur du projet, Gennady Durov, est parti travailler aux États-Unis , , , , , , . Selon certains scientifiques russes, si l'UNK avait été achevé et mis en service, il n'aurait pas été nécessaire de créer des collisionneurs plus puissants : il a été suggéré que pour obtenir de nouvelles données sur les fondements physiques de l'ordre mondial, il fallait de quoi franchir le seuil énergétique de 1 TeV dans les accélérateurs, . Le directeur adjoint de l'Institut de recherche en physique nucléaire de l'Université d'État de Moscou et coordinateur de la participation des instituts russes au projet de création du Grand collisionneur de hadrons, Viktor Savrin, rappelant l'UNK, a déclaré : « Eh bien, trois téraélectronvolts ou sept. Et puis. trois téraélectronvolts pourraient être portés à cinq plus tard. Cependant, les États-Unis ont également abandonné la construction de leur propre supercollisionneur supraconducteur (SSC) en 1993, et ce pour des raisons financières.

Au lieu de construire leurs propres collisionneurs, des physiciens de différents pays ont décidé de s'unir dans le cadre d'un projet international, l'idée de créer remontant aux années 1980. Après la fin des expériences au LEP suisse, son équipement a été démantelé et à sa place a commencé la construction du Grand collisionneur de hadrons (LHC, Large Hadron Collider, LHC) - l'accélérateur annulaire de particules chargées sur faisceaux en collision le plus puissant au monde , sur lequel entrent en collision des faisceaux de protons avec des énergies allant jusqu'à 14 TeV et des ions de plomb avec des énergies de collision allant jusqu'à 1150 TeV, , , , , .

Objectifs de l'expérience

L'objectif principal de la construction du LHC était de clarifier ou de réfuter le modèle standard, une construction théorique en physique qui décrit les particules élémentaires et trois des quatre interactions fondamentales : forte, faible et électromagnétique, à l'exclusion des forces gravitationnelles. La formation du modèle standard a été achevée dans les années 1960 et 1970 et, selon les scientifiques, toutes les découvertes faites depuis lors ont été décrites comme des extensions naturelles de cette théorie. Dans le même temps, le modèle standard expliquait comment les particules élémentaires interagissent, mais ne répondait pas à la question de savoir pourquoi exactement de cette manière et pas autrement.

Les scientifiques ont noté que si le LHC n'avait pas réussi à découvrir le boson de Higgs (dans la presse on l'appelait parfois la « particule de Dieu », , ), il aurait remis en question l'ensemble du modèle standard, ce qui aurait nécessité une étude complète. révision des idées existantes sur les particules élémentaires, , , , . Dans le même temps, si le Modèle Standard était confirmé, certains domaines de la physique nécessitaient des vérifications expérimentales plus poussées : il fallait notamment prouver l'existence de « gravitons » - particules hypothétiques responsables de la gravité, , .

Caractéristiques techniques

Le LHC est situé dans un tunnel construit pour le LEP. La majeure partie se trouve sous le territoire français. Le tunnel contient deux tuyaux parallèles sur presque toute leur longueur et se croisant aux emplacements des détecteurs dans lesquels auront lieu des collisions de hadrons - des particules constituées de quarks (des ions plomb et des protons seront utilisés pour les collisions). Les protons commencent à accélérer non pas dans le LHC lui-même, mais dans des accélérateurs auxiliaires. Les faisceaux de protons « démarrent » dans l'accélérateur linéaire LINAC2, puis dans l'accélérateur du PS, après quoi ils pénètrent dans l'anneau de 6,9 ​​kilomètres de long du super synchrotron à protons (SPS) et finissent ensuite dans l'un des tubes du LHC, où pour Dans 20 minutes supplémentaires, une énergie allant jusqu'à 7 TeV sera transmise. Les expériences avec les ions plomb débuteront à l’accélérateur linéaire LINAC3. Les faisceaux sont retenus sur leur trajectoire par 1 600 aimants supraconducteurs, dont beaucoup pèsent jusqu'à 27 tonnes. Ces aimants sont refroidis par de l'hélium liquide à une température ultra-basse : 1,9 degrés au-dessus du zéro absolu, plus froide que l'espace.

À une vitesse de 99,9999991 pour cent de la vitesse de la lumière, effectuant plus de 11 000 cercles par seconde autour de l'anneau du collisionneur, des protons entreront en collision dans l'un des quatre détecteurs - les systèmes les plus complexes du LHC, , , , , . Le détecteur ATLAS est conçu pour rechercher de nouvelles particules inconnues qui pourraient fournir des indices aux scientifiques dans leur recherche d'une « nouvelle physique » autre que le modèle standard. Le détecteur CMS est conçu pour produire le boson de Higgs et étudier la matière noire. Le détecteur ALICE est conçu pour étudier la matière après le Big Bang et rechercher le plasma quark-gluon, tandis que le détecteur LHCb étudiera la raison de la prédominance de la matière sur l'antimatière et explorera la physique des quarks b. À l'avenir, trois autres détecteurs devraient être mis en service : TOTEM, LHCf et MoEDAL.

Pour traiter les résultats des expériences au LHC, un réseau informatique distribué dédié GRID sera utilisé, capable de transmettre jusqu'à 10 gigabits d'informations par seconde à 11 centres de calcul dans le monde. Chaque année, plus de 15 pétaoctets (15 000 téraoctets) d'informations seront lus par les détecteurs : le flux total de données de quatre expériences peut atteindre 700 mégaoctets par seconde, , , , . En septembre 2008, des pirates informatiques ont réussi à pirater la page Web du CERN et, selon eux, à accéder aux commandes du collisionneur. Cependant, les employés du CERN ont expliqué que le système de contrôle du LHC est isolé d'Internet. En octobre 2009, Adlen Ishor, l'un des scientifiques travaillant sur l'expérience LHCb au LHC, a été arrêté parce qu'il était soupçonné de collaboration avec des terroristes. Cependant, comme l'ont indiqué la direction du CERN, Ishor n'avait pas accès aux locaux souterrains du collisionneur et n'a rien fait qui puisse intéresser les terroristes. En mai 2012, Ishor a été condamné à cinq ans de prison.

Coût et historique de la construction

En 1995, le coût de construction du LHC était estimé à 2,6 milliards de francs suisses, sans compter le coût des expériences. Il était prévu que les expériences commenceraient dans 10 ans, en 2005. En 2001, le budget du CERN a été réduit et 480 millions de francs ont été ajoutés aux coûts de construction (le coût total du projet était alors d'environ 3 milliards de francs), ce qui a conduit au report de la construction du collisionneur jusqu'en 2007. En 2005, un ingénieur est décédé lors de la construction du LHC : la tragédie a été provoquée par la chute d'une charge d'une grue.

Le lancement du LHC n'a pas été reporté uniquement en raison de problèmes de financement. En 2007, il a été découvert que la fourniture par le Laboratoire Fermi de pièces d'aimants supraconducteurs ne répondait pas aux exigences de conception, ce qui a retardé d'un an le lancement du collisionneur.

Le 10 septembre 2008, le premier faisceau de protons a été lancé au LHC. Il était prévu que dans quelques mois les premières collisions auraient lieu au collisionneur, mais le 19 septembre, en raison d'une connexion défectueuse de deux aimants supraconducteurs au LHC, un accident s'est produit : les aimants ont été désactivés, plus de 6 tonnes d'hélium liquide s'est déversé dans le tunnel et le vide dans les tuyaux d'accélérateur a été rompu. Le collisionneur a dû être fermé pour réparation. Malgré l'accident, le 21 septembre 2008, une cérémonie a eu lieu pour mettre le LHC en service. Initialement, les expérimentations devaient reprendre en décembre 2008, mais la date de redémarrage a ensuite été reportée à septembre, puis à mi-novembre 2009, alors que les premières collisions n'étaient prévues qu'en 2010. Les premiers lancements tests de faisceaux d'ions plomb et de protons le long d'une partie de l'anneau du LHC après l'accident ont eu lieu le 23 octobre 2009. Le 23 novembre, les premières collisions de faisceaux ont eu lieu dans le détecteur ATLAS, et le 31 mars 2010, le collisionneur a fonctionné à pleine puissance : ce jour-là, une collision de faisceaux de protons a été enregistrée à une énergie record de 7 TeV. En avril 2012, une énergie de collision de protons encore plus élevée a été enregistrée - 8 TeV.

En 2009, le coût du LHC était estimé entre 3,2 et 6,4 milliards d'euros, ce qui en faisait l'expérience scientifique la plus coûteuse de l'histoire de l'humanité.

La coopération internationale

Il a été noté qu'un projet de l'ampleur du LHC ne peut être créé par un seul pays. Il a été créé grâce aux efforts de non seulement 20 États membres du CERN : plus de 10 000 scientifiques de plus de cent pays du monde ont participé à son développement. Depuis 2009, le projet LHC est dirigé par le directeur général du CERN, Rolf-Dieter Heuer. La Russie participe également à la création du LHC en tant que membre observateur du CERN : en 2008, environ 700 scientifiques russes ont travaillé au Grand collisionneur de hadrons, dont des employés de l'IHEP.

Pendant ce temps, des scientifiques d'un pays européen ont presque perdu l'occasion de participer à des expériences au LHC. En mai 2009, le ministre autrichien des Sciences, Johannes Hahn, a annoncé le retrait de son pays du CERN en 2010, expliquant que l'adhésion au CERN et la participation au programme LHC étaient trop coûteuses et n'apportaient pas de bénéfices tangibles à la science et aux universités autrichiennes. Il a été question d'économies annuelles possibles d'environ 20 millions d'euros, ce qui représente 2,2 pour cent du budget du CERN et environ 70 pour cent des fonds alloués par le gouvernement autrichien à la participation aux organisations internationales de recherche. L'Autriche a promis de prendre la décision finale sur le retrait à l'automne 2009. Cependant, le chancelier autrichien Werner Faymann a déclaré par la suite que son pays n'allait pas quitter le projet et le CERN.

Rumeurs de danger

Des rumeurs ont circulé dans la presse selon lesquelles le LHC constituerait un danger pour l'humanité, puisque son lancement pourrait conduire à la fin du monde. La raison en était les déclarations des scientifiques selon lesquelles des trous noirs microscopiques pourraient se former à la suite de collisions dans le collisionneur : des opinions sont immédiatement apparues selon lesquelles la Terre entière pourrait être « aspirée » par eux, et le LHC est donc une véritable « boîte de Pandore ». , . Il y avait aussi des opinions selon lesquelles la découverte du boson de Higgs conduirait à une croissance incontrôlée de la masse dans l'Univers, et des expériences de recherche de « matière noire » pourraient conduire à l'apparition d'« étranges » (la traduction du terme en russe appartient à l'astronome Sergei Popov) - « matière étrange » ", qui, au contact de la matière ordinaire, peut la transformer en "rayure". Une comparaison a été faite avec le roman Cat's Cradle de Kurt Vonnegut, dans lequel le matériau fictif Ice-Nine a détruit la vie sur la planète. Certaines publications, citant les opinions de scientifiques individuels, ont également déclaré que les expériences au LHC pourraient conduire à l'apparition de «trous de ver» à travers lesquels des particules ou même des êtres vivants pourraient être transférés vers notre monde depuis le futur. Cependant, il s’est avéré que les propos des scientifiques ont été déformés et mal interprétés par les journalistes : au départ, ils parlaient de « machines à remonter le temps microscopiques, à l’aide desquelles seules des particules élémentaires individuelles peuvent voyager dans le passé ».

Les scientifiques ont déclaré à plusieurs reprises que la probabilité que de tels événements se produisent est négligeable. Un groupe spécial d'évaluation de la sécurité du LHC a même été constitué, qui a mené une analyse et publié un rapport sur la probabilité de catastrophes auxquelles pourraient conduire les expériences au LHC. Comme l'ont rapporté les scientifiques, les collisions de protons au LHC ne seront pas plus dangereuses que les collisions de rayons cosmiques avec les combinaisons spatiales des astronautes : elles ont parfois une énergie encore plus grande que celle qui peut être obtenue dans le LHC. Quant aux hypothétiques trous noirs, ils se « dissoudront » sans même atteindre les parois du collisionneur , , , , , .

Cependant, les rumeurs sur d’éventuelles catastrophes maintenaient toujours l’opinion publique en haleine. Les créateurs du collisionneur ont même été poursuivis en justice : les procès les plus célèbres appartenaient à l'avocat et médecin américain Walter Wagner et au professeur de chimie allemand Otto Rossler. Ils ont accusé le CERN de mettre l'humanité en danger avec son expérience et de violer le « droit à la vie » garanti par la Convention des droits de l'homme, mais leurs allégations ont été rejetées , , , , . La presse a rapporté qu'en raison de rumeurs sur la fin imminente du monde, une jeune fille de 16 ans s'est suicidée après le lancement du LHC en Inde.

Dans la blogosphère russe, le mème "cela ressemblerait plus à un collisionneur" est apparu, qui peut être traduit par "cela ressemblerait plus à la fin du monde, il est désormais impossible de regarder cette honte". La blague « Les physiciens ont pour tradition de se réunir et de lancer un collisionneur tous les 14 milliards d’années » était populaire.

Résultats scientifiques

Les premières données des expériences du LHC ont été publiées en décembre 2009. Le 13 décembre 2011, les spécialistes du CERN ont annoncé que grâce à des recherches au LHC, ils avaient réussi à réduire les limites de la masse probable du boson de Higgs à 115,5-127 GeV et à découvrir des signes de l'existence de la particule souhaitée avec une masse d'environ 126 GeV. Le même mois, la découverte d'une nouvelle particule, qui n'était pas le boson de Higgs et nommée χb (3P), était annoncée pour la première fois lors d'expériences au LHC.

Le 4 juillet 2012, la direction du CERN a officiellement annoncé la découverte avec une probabilité de 99,99995 pour cent d'une nouvelle particule dans la région de masse d'environ 126 GeV, qui, selon les scientifiques, était très probablement le boson de Higgs. Le chef de l'une des deux collaborations scientifiques travaillant au LHC, Joe Incandela, a qualifié ce résultat de « l'une des plus grandes observations dans ce domaine scientifique au cours des 30 à 40 dernières années », et Peter Higgs lui-même a déclaré la découverte de la particule. "la fin d'une époque en physique.", , .

Projets d'avenir

En 2013, le CERN prévoit de moderniser le LHC en installant des détecteurs plus puissants et en augmentant la puissance globale du collisionneur. Le projet de modernisation s’appelle le Super Large Hadron Collider (SLHC). Il est également prévu de construire un collisionneur linéaire international (ILC). Son tube fera plusieurs dizaines de kilomètres de long et il devrait être moins cher que le LHC car sa conception ne nécessite pas l'utilisation d'aimants supraconducteurs coûteux. L'ILC sera probablement construit à Doubna.

En outre, certains spécialistes et scientifiques du CERN des États-Unis et du Japon ont proposé, après l'achèvement du LHC, de commencer à travailler sur un nouveau très grand collisionneur de hadrons (VLHC).

Matériaux utilisés

Chris Wickham, Robert Evans. "C'est un boson :" La quête de Higgs porte une nouvelle particule. - Reuters, 05.07.2012

Lucy Christie, Marie Noëlle Blessig. Physique : découverte de la "particule de Dieu" ? - Agence France-Presse, 04.07.2012

Dennis au revoir. Les physiciens découvrent qu'une particule insaisissable est considérée comme la clé de l'univers. - Le New York Times, 04.07.2012

Adlène Hicheur condamne à cinq ans de prison, dont un avec sursis. - L'Express, 04.05.2012

Le collisionneur de particules intensifie sa quête d'exploration de l'univers. - Agence France-Presse, 06.04.2012

Jonathan Amos. Le LHC annonce la découverte de sa première nouvelle particule. - nouvelles de la BBC, 22.12.2011

Léonid Popov. La première nouvelle particule a été capturée au LHC. - membrane, 22.12.2011

Stephen Shankland. Les physiciens du CERN découvrent une trace du boson de Higgs. - CNET, 13.12.2011

Paul Rincón. LHC : le boson de Higgs "a peut-être été aperçu". - nouvelles de la BBC, 13.12.2011

Oui, nous l'avons fait! - Bulletin du CERN, 31.03.2010

Richard Webb. Les physiciens se précipitent pour publier les premiers résultats du LHC. - Nouveau scientifique, 21.12.2009

Communiqué de presse. Deux faisceaux en circulation provoquent les premières collisions dans le LHC. - CERN (cern.ch), 23.11.2009

Les particules sont de retour dans le LHC ! - CERN (cern.ch), 26.10.2009

Premiers ions plomb dans le LHC. - Tests d'injection du LHC (lhc-injection-test.web.cern.ch), 26.10.2009

Charles Bremner, Adam Sage. Adlène Hicheur, physicienne du collisionneur de hadrons, accusée de terrorisme. - Les temps, 13.10.2009

Dennis au revoir. Un scientifique français enquête dans le cadre d'une enquête formelle sur le terrorisme. - Le New York Times, 13.10.2009

Que reste-t-il du supercollisionneur supraconducteur ? La physique aujourd'hui, 06.10.2009

Le LHC fonctionnera à 3,5 TeV au début de l'année 2009-2010 et augmentera plus tard. - CERN (cern.ch), 06.08.2009

Comité des expériences LHC. - CERN (cern.ch), 30.06.2009