Po daugybės eksperimentų Didžiajame hadronų greitintuve (LHC), Europos branduolinių tyrimų centro (CERN) specialistai paskelbė atradę naują dalelę, vadinamą pentakvarku, kurią anksčiau prognozavo Rusijos mokslininkai.
Didysis hadronų greitintuvas (LHC) yra greitintuvas, skirtas elementarioms dalelėms (ypač protonams) pagreitinti.
Jis yra Prancūzijoje ir Šveicarijoje ir priklauso Europos branduolinių tyrimų tarybai (Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire, CERN).
Tuo metu mokslininkams nebuvo tiksliai aišku, kaip jų atrasta dalelė atitiko standartinio modelio prognozes. Iki 2013 m. kovo fizikai turėjo pakankamai duomenų apie dalelę, kad oficialiai paskelbtų, kad ji yra Higso bozonas.
2013 m. spalio 8 d. britų fizikas Peteris Higgsas ir belgas François Engleris, atradę elektrosilpnos simetrijos laužymo mechanizmą (kuris leidžia elementariosioms dalelėms turėti masę), buvo apdovanoti Nobelio fizikos premija už „teorinį mechanizmo, kuris suteikė įžvalga apie elementariųjų dalelių masių kilmę“.
2013 m. gruodžio mėn., atlikdami duomenų analizę naudojant neuroninius tinklus, CERN fizikai pirmą kartą atsekė Higso bozono skilimą į fermionus – tau leptonus ir b-kvarko bei b-antikvarko poras.
2014 metų birželį detektoriuje ATLAS dirbantys mokslininkai, apdoroję visą sukauptą statistiką, patikslino Higso bozono masės matavimo rezultatus. Jų duomenimis, Higso bozono masė yra 125,36 ± 0,41 gigaelektronvolto. Tai beveik identiška – tiek verte, tiek tikslumu – mokslininkų, dirbančių su TVS detektoriumi, rezultatams.
2015 m. vasario mėn. publikacijoje žurnale Physical Review Letters fizikai teigė, kad galima beveik visiško antimedžiagos nebuvimo Visatoje ir įprastos matomos materijos vyravimo priežastis gali būti Higso lauko – ypatingos struktūros, kurioje Higso bozonai – judėjimas. "gyvai". Rusų kilmės amerikiečių fizikas Aleksandras Kusenko iš Kalifornijos universiteto Los Andžele (JAV) ir jo kolegos mano, kad jiems pavyko rasti atsakymą į šią visuotinę mįslę iš duomenų, kuriuos surinko Didysis hadronų greitintuvas per pirmąjį jo veikimo etapą. , kai buvo atrastas bozonas Higsas, garsioji „Dievo dalelė“.
2015 m. liepos 14 d. tapo žinoma, kad Europos branduolinių tyrimų centro (CERN) specialistai po daugybės eksperimentų Didžiajame hadronų greitintuve (LHC) paskelbė atradę naują dalelę, vadinamą pentakvarku, kurią anksčiau prognozavo Rusijos mokslininkai. Pentakvarkų savybių tyrimas leis mums geriau suprasti, kaip veikia įprasta medžiaga. Pentakvarkų egzistavimo galimybė, Sankt Peterburgo Branduolinės fizikos instituto darbuotojai, pavadinti Konstantinovo Dmitrijaus Djakonovo, Maksimo Poliakovo ir Viktoro Petrovo vardais.
Pirmajame darbo etape LHC surinkti duomenys leido fizikai iš LHCb bendradarbiavimo, ieškančio egzotiškų dalelių to paties pavadinimo detektoriuje, „pagauti“ kelias penkių kvarkų daleles, kurios gavo laikinus pavadinimus Pc(4450). + ir PC(4380)+. Jie turi labai didelę masę – apie 4,4–4,5 tūkst. megaelektronvoltų, o tai yra maždaug keturis–penkis kartus daugiau nei tas pats skaičius protonų ir neutronų, taip pat gana neįprastą sukimąsi. Pagal savo prigimtį jie yra keturi „normalūs“ kvarkai, priklijuoti prie vieno antikvarko.
Statistinis atradimo patikimumas yra devynios sigmos, o tai prilygsta vienai atsitiktinei detektoriaus klaidai arba gedimui vienu atveju iš keturių milijonų milijardų (10-18 laipsnio) bandymų.
Vienas iš antrojo LHC paleidimo tikslų bus tamsiosios medžiagos paieška. Manoma, kad tokios materijos atradimas padės išspręsti paslėptos masės problemą, kuri visų pirma slypi anomaliai dideliame išorinių galaktikų regionų sukimosi greityje.
Medžiaga parengta remiantis informacija iš RIA Novosti ir atvirų šaltinių
Greitintuvo, kurį šiandien žinome kaip Didysis hadronų greitintuvas, sukūrimo istorija siekia 2007 m. Iš pradžių greitintuvų chronologija prasidėjo nuo ciklotrono. Prietaisas buvo mažas prietaisas, kuris lengvai tilpo ant stalo. Tada akceleratorių istorija pradėjo sparčiai vystytis. Atsirado sinchrofazotronas ir sinchrotronas.
Istorijoje bene įdomiausias laikotarpis buvo nuo 1956 iki 1957 m. Tais laikais sovietinis mokslas, ypač fizika, neatsiliko nuo užsienio brolių. Naudodamasis ilgamete patirtimi sovietų fizikas Vladimiras Veksleris padarė proveržį moksle. Jis sukūrė tuo metu galingiausią sinchrofazotroną. Jo darbinė galia buvo 10 gigaelektronvoltų (10 milijardų elektronvoltų). Po šio atradimo buvo sukurti rimti greitintuvų pavyzdžiai: didysis elektronų-pozitronų greitintuvas – šveicariškas greitintuvas Vokietijoje, JAV. Jie visi turėjo vieną bendrą tikslą – pagrindinių kvarkų dalelių tyrimą.
Didysis hadronų greitintuvas buvo sukurtas visų pirma italų fiziko pastangomis. Jo vardas Carlo Rubbia, Nobelio premijos laureatas. Per savo karjerą Rubbia dirbo direktoriumi Europos branduolinių tyrimų organizacijoje. Tyrimų centro vietoje nuspręsta pastatyti ir paleisti hadronų greitintuvą.
Kur yra hadronų greitintuvas?
Susidūrėlis yra Šveicarijos ir Prancūzijos pasienyje. Jo apimtis yra 27 kilometrai, todėl ji vadinama dideliu. Akceleratoriaus žiedas eina giliai nuo 50 iki 175 metrų. Greitintuvas turi 1232 magnetus. Jie yra superlaidūs, o tai reiškia, kad iš jų galima sukurti maksimalų pagreičio lauką, nes tokiuose magnetuose energijos praktiškai nėra. Bendras kiekvieno magneto svoris yra 3,5 tonos, o ilgis - 14,3 metro.
Kaip ir bet kuris fizinis objektas, didelis hadronų greitintuvas generuoja šilumą. Todėl jis turi būti nuolat vėsinamas. Norint tai pasiekti, temperatūra palaikoma 1,7 K, naudojant 12 milijonų litrų skysto azoto. Be to, aušinimui sunaudojama 700 tūkstančių litrų, o svarbiausia – naudojamas dešimt kartų mažesnis nei įprastas atmosferos slėgis.
1,7 K temperatūra pagal Celsijaus skalę yra -271 laipsnis. Ši temperatūra yra beveik arti vadinamosios minimalios galimos ribos, kurią gali turėti fizinis kūnas.
Tunelio vidus ne mažiau įdomus. Yra niobio-titano kabeliai, turintys superlaidumo galimybes. Jų ilgis – 7600 kilometrų. Bendras kabelių svoris – 1200 tonų. Kabelio viduje yra 6300 laidų, kurių bendras atstumas yra 1,5 milijardo kilometrų. Šis ilgis lygus 10 astronominių vienetų. Pavyzdžiui, lygi 10 tokių vienetų.
Jei kalbėtume apie jo geografinę padėtį, galima sakyti, kad susidūrimo žiedai yra tarp Saint-Genis ir Forney-Voltaire miestų, esančių Prancūzijos pusėje, taip pat Meyrin ir Vessourat - Šveicarijos pusėje. Išilgai kraštinės skersmens eina mažas žiedas, vadinamas PS.
Egzistencijos prasmė
Norint atsakyti į klausimą „kam skirtas hadronų greitintuvas“, reikia kreiptis į mokslininkus. Daugelis mokslininkų teigia, kad tai yra didžiausias išradimas per visą mokslo istoriją ir kad be jo mokslas toks, kokį jį žinome šiandien, tiesiog neturi prasmės. Didžiojo hadronų greitintuvo egzistavimas ir paleidimas yra įdomus tuo, kad dalelėms susidūrus hadronų greitintuve įvyksta sprogimas. Visos mažiausios dalelės išsisklaido skirtingomis kryptimis. Susidaro naujos dalelės, galinčios paaiškinti daugelio dalykų egzistavimą ir prasmę.
Pirmas dalykas, kurį mokslininkai bandė rasti šiose sudužusiose dalelėse, buvo teoriškai fiziko Peterio Higgso numatyta elementarioji dalelė, pavadinta „Ši nuostabi dalelė yra informacijos nešėja“, manoma. Jis taip pat paprastai vadinamas „Dievo dalele“. Jo atradimas priartintų mokslininkus prie visatos supratimo. Pažymėtina, kad 2012 metais, liepos 4 d., Hadron Collider (jo paleidimas buvo iš dalies sėkmingas) padėjo atrasti panašią dalelę. Šiandien mokslininkai bando jį ištirti išsamiau.
Kiek laiko...
Žinoma, iš karto kyla klausimas: kodėl mokslininkai taip ilgai tiria šias daleles? Jei turite įrenginį, galite jį paleisti ir kiekvieną kartą užimti vis daugiau duomenų. Faktas yra tas, kad hadronų greitintuvo valdymas yra brangus pasiūlymas. Vienas paleidimas kainuoja daug pinigų. Pavyzdžiui, per metus suvartojama 800 milijonų kWh energijos. Tokį energijos kiekį, vertinant pagal vidutinius standartus, suvartoja miestas, kuriame gyvena apie 100 tūkstančių žmonių. Ir tai neapima priežiūros išlaidų. Kita priežastis – hadronų greitintuve protonams susidūrus įvykęs sprogimas yra susijęs su didelio duomenų kiekio gavimu: kompiuteriai nuskaito tiek informacijos, kad ją apdoroti reikia daug laiko. Nors kompiuterių, kurie priima informaciją, galia yra didelė net ir pagal šių dienų standartus.
Kita priežastis yra ne mažiau žinoma Mokslininkai, dirbantys su greitintuvu, yra įsitikinę, kad visos visatos matomas spektras yra tik 4%. Daroma prielaida, kad likusios yra tamsioji medžiaga ir tamsioji energija. Jie bando eksperimentiškai įrodyti, kad ši teorija yra teisinga.
Hadronų greitintuvas: už arba prieš
Iškelta tamsiosios materijos teorija sukėlė abejonių dėl hadronų greitintuvo saugumo. Iškilo klausimas: „Hadronų greitintuvas: už ar prieš? Jis nerimavo daugeliui mokslininkų. Visi didieji pasaulio protai yra suskirstyti į dvi kategorijas. „Oponentai“ pateikė įdomią teoriją, kad jei tokia materija egzistuoja, tada ji turi turėti jai priešingą dalelę. O dalelėms susidūrus akceleratoriuje atsiranda tamsi dalis. Kilo pavojus, kad tamsioji dalis ir ta dalis, kurią matome, susidurs. Tada tai gali sukelti visos visatos mirtį. Tačiau po pirmojo hadronų greitintuvo paleidimo ši teorija buvo iš dalies sugriauta.
Kitas pagal svarbą ateina visatos sprogimas, tiksliau, gimimas. Manoma, kad susidūrimo metu galima stebėti, kaip visata elgėsi pirmosiomis savo egzistavimo sekundėmis. Tai, kaip ji atrodė po Didžiojo sprogimo, atsirado. Manoma, kad dalelių susidūrimo procesas labai panašus į tą, kuris vyko pačioje Visatos pradžioje.
Kita ne mažiau fantastiška idėja, kurią išbando mokslininkai, yra egzotiški modeliai. Atrodo neįtikėtina, bet yra teorija, teigianti, kad yra ir kitų dimensijų ir visatų su panašiais į mus žmonėmis. Ir kaip bebūtų keista, čia gali padėti ir akceleratorius.
Paprasčiau tariant, greitintuvo tikslas yra suprasti, kas yra visata, kaip ji buvo sukurta, ir įrodyti arba paneigti visas egzistuojančias teorijas apie daleles ir susijusius reiškinius. Žinoma, tai užtruks metų, tačiau su kiekvienu paleidimu atsiranda naujų atradimų, kurie daro revoliuciją mokslo pasaulyje.
Faktai apie akceleratorių
Visi žino, kad greitintuvas pagreitina daleles iki 99% šviesos greičio, tačiau nedaugelis žino, kad šis procentas yra 99,9999991% šviesos greičio. Ši nuostabi figūra yra prasminga dėl tobulo dizaino ir galingų pagreičio magnetų. Taip pat reikia atkreipti dėmesį į keletą mažiau žinomų faktų.
Maždaug 100 milijonų duomenų srautų, gaunamų iš dviejų pagrindinių detektorių, per kelias sekundes galėtų užpildyti daugiau nei 100 000 kompaktinių diskų. Vos per vieną mėnesį diskų skaičius pasiektų tokį aukštį, kad sudėjus juos pakaktų pasiekti Mėnulį. Todėl buvo nuspręsta rinkti ne visus duomenis, kurie ateina iš detektorių, o tik tuos, kuriuos leis naudoti duomenų rinkimo sistema, kuri faktiškai veikia kaip gaunamų duomenų filtras. Nuspręsta užfiksuoti tik 100 įvykių, įvykusių sprogimo momentu. Šie įvykiai bus užfiksuoti didelio hadronų greitintuvo sistemos kompiuterių centro archyve, kuris yra Europos dalelių fizikos laboratorijoje, kurioje yra ir greitintuvas. Bus užfiksuoti ne tie įvykiai, kurie buvo užfiksuoti, o tie, kurie labiausiai domina mokslo bendruomenę.
Tolesnis apdorojimas
Įrašę bus apdorojami šimtai kilobaitų duomenų. Tam naudojami daugiau nei du tūkstančiai kompiuterių, esančių CERN. Šių kompiuterių užduotis – apdoroti pirminius duomenis ir iš jų suformuoti duomenų bazę, kuri bus patogi tolesnei analizei. Toliau sugeneruotas duomenų srautas bus siunčiamas į GRID kompiuterių tinklą. Šis interneto tinklas vienija tūkstančius kompiuterių, esančių skirtinguose institutuose visame pasaulyje, ir jungia daugiau nei šimtą didelių centrų, esančių trijuose žemynuose. Visi tokie centrai yra prijungti prie CERN naudojant šviesolaidį, kad būtų užtikrintas didžiausias duomenų perdavimo greitis.
Kalbant apie faktus, reikia paminėti ir fizinius konstrukcijos rodiklius. Greitintuvo tunelis nuo horizontalios plokštumos nukrypsta 1,4%. Tai buvo padaryta pirmiausia siekiant, kad didžioji dalis greitintuvo tunelio būtų patalpinta monolitinėje uoloje. Taigi įdėjimo gylis priešingose pusėse yra skirtingas. Jei skaičiuosime nuo ežero pusės, esančios netoli Ženevos, tada gylis bus 50 metrų. Priešingos dalies gylis yra 175 metrai.
Įdomu tai, kad Mėnulio fazės veikia greitintuvą. Atrodytų, kaip toks tolimas objektas gali paveikti tokiu atstumu. Tačiau pastebėta, kad per pilnatį, kai kyla potvynis, Ženevos apylinkėse žemė pakyla net 25 centimetrais. Tai turi įtakos greitintuvo ilgiui. Taip ilgis padidėja 1 milimetru, o spindulio energija taip pat pasikeičia 0,02%. Kadangi spindulio energija turi būti kontroliuojama iki 0,002%, tyrėjai turi atsižvelgti į šį reiškinį.
Įdomu ir tai, kad susidūrimo tunelis yra aštuonkampio, o ne apskritimo formos, kaip daugelis įsivaizduoja. Kampai sukuriami trumpomis atkarpomis. Juose yra sumontuoti detektoriai, taip pat sistema, valdanti greitėjančių dalelių spindulį.
Struktūra
Hadronų greitintuvas, kurio paleidimas apima daug dalių ir daug mokslininkų jaudulio, yra nuostabus įrenginys. Visas greitintuvas susideda iš dviejų žiedų. Mažas žiedas vadinamas protonų sinchrotronu arba, naudojant jo santrumpas, PS. Didysis žiedas yra Super protonų sinchrotronas arba SPS. Kartu du žiedai leidžia dalims įsibėgėti iki 99,9% šviesos greičio. Tuo pačiu metu greitintuvas taip pat padidina protonų energiją, padidindamas jų bendrą energiją 16 kartų. Tai taip pat leidžia dalelėms susidurti viena su kita maždaug 30 milijonų kartų per sekundę. per 10 valandų. 4 pagrindiniai detektoriai sukuria mažiausiai 100 terabaitų skaitmeninių duomenų per sekundę. Duomenų gavimą lemia individualūs veiksniai. Pavyzdžiui, jie gali aptikti elementarias daleles, kurios turi neigiamą elektros krūvį ir taip pat turi pusę sukimosi. Kadangi šios dalelės yra nestabilios, jų tiesioginis aptikimas neįmanomas, galima tik aptikti jų energiją, kuri bus išspinduliuota tam tikru kampu spindulio ašies atžvilgiu. Šis etapas vadinamas pirmuoju paleidimo lygiu. Šį etapą stebi daugiau nei 100 specialių duomenų apdorojimo plokščių, kuriose yra integruota įgyvendinimo logika. Ši darbo dalis pasižymi tuo, kad duomenų gavimo laikotarpiu per sekundę atrenkama daugiau nei 100 tūkstančių duomenų blokų. Tada šie duomenys bus naudojami analizei, kuri atliekama naudojant aukštesnio lygio mechanizmą.
Kitame lygyje esančios sistemos, atvirkščiai, gauna informaciją iš visų detektorių gijų. Detektoriaus programinė įranga veikia tinkle. Ten jis naudos daugybę kompiuterių, kad apdorotų tolesnius duomenų blokus, vidutinis laikas tarp blokų yra 10 mikrosekundžių. Programos turės sukurti dalelių žymes, atitinkančias pradinius taškus. Rezultatas bus sugeneruotas duomenų rinkinys, susidedantis iš impulsų, energijos, trajektorijos ir kitų, atsiradusių vieno įvykio metu.
Akceleratoriaus dalys
Visą greitintuvą galima suskirstyti į 5 pagrindines dalis:
1) Elektronų-pozitronų greitintuvo greitintuvas. Dalį sudaro apie 7 tūkstančiai superlaidžių savybių turinčių magnetų. Jų pagalba spindulys nukreipiamas per apskritą tunelį. Jie taip pat sutelkia spindulį į vieną srautą, kurio plotis sumažinamas iki vieno plauko pločio.
2) Kompaktiškas miuono solenoidas. Tai bendros paskirties detektorius. Toks detektorius naudojamas ieškant naujų reiškinių ir, pavyzdžiui, ieškant Higgso dalelių.
3) LHCb detektorius. Šio prietaiso reikšmė – ieškoti kvarkų ir jiems priešingų dalelių – antikvarkų.
4) Toroidinis montavimas ATLAS. Šis detektorius skirtas miuonams aptikti.
5) Alisa. Šis detektorius fiksuoja švino jonų susidūrimus ir protonų ir protonų susidūrimus.
Problemos paleidžiant hadronų greitintuvą
Nepaisant to, kad aukštųjų technologijų buvimas pašalina klaidų galimybę, praktiškai viskas yra kitaip. Akseleratoriaus surinkimo metu pasitaikydavo vėlavimų ir gedimų. Reikia pasakyti, kad ši situacija nebuvo netikėta. Įrenginys turi tiek daug niuansų ir reikalauja tokio tikslumo, kad mokslininkai tikėjosi panašių rezultatų. Pavyzdžiui, viena iš problemų, su kuria mokslininkai susidūrė paleidimo metu, buvo magneto, kuris sufokusavo protonų pluoštus prieš pat jų susidūrimą, gedimas. Šią rimtą avariją lėmė dalis tvirtinimo sunaikinimo dėl magneto praradimo superlaidumui.
Ši problema iškilo 2007 m. Dėl šios priežasties kolaiderio paleidimas buvo kelis kartus atidėtas ir tik birželio mėnesį paleidimas įvyko beveik po metų.
Naujausias greitintuvo paleidimas buvo sėkmingas, surinkta daug terabaitų duomenų.
2015 m. balandžio 5 d. paleistas Hadron Collider sėkmingai veikia. Per mėnesį spinduliai bus varomi aplink žiedą, palaipsniui didinant jų galią. Tyrimui kaip tokiam nėra jokio tikslo. Spindulio susidūrimo energija padidės. Vertė bus padidinta nuo 7 TeV iki 13 TeV. Toks padidėjimas leis mums pamatyti naujas dalelių susidūrimų galimybes.
2013 ir 2014 metais vyko rimtos tunelių, greitintuvų, detektorių ir kitos įrangos techninės apžiūros. Rezultatas buvo 18 dvipolių magnetų su superlaidžia funkcija. Pažymėtina, kad bendras jų skaičius yra 1232 vnt. Tačiau likę magnetai neliko nepastebėti. Likusiose buvo pakeistos aušinimo apsaugos sistemos, sumontuotos patobulintos. Taip pat patobulinta magnetinė aušinimo sistema. Tai leidžia jiems išlikti žemoje temperatūroje su maksimalia galia.
Jei viskas klostysis gerai, kitas akceleratoriaus paleidimas įvyks tik po trejų metų. Pasibaigus šiam laikotarpiui, planuojami planiniai greitintuvo tobulinimo ir techninės apžiūros darbai.
Reikėtų pažymėti, kad remontas kainuoja gana centus, neatsižvelgiant į išlaidas. 2010 m. hadronų greitintuvo kaina yra 7,5 milijardo eurų. Šis skaičius iškelia visą projektą į pirmąją vietą brangiausių projektų mokslo istorijoje sąraše.
Didysis hadronų greitintuvas (LHC) yra įkrautų dalelių greitintuvas, padėsiantis fizikai sužinoti apie medžiagos savybes daug daugiau, nei buvo žinoma anksčiau. Greitintuvai naudojami didelės energijos įkrautoms elementarioms dalelėms gaminti. Beveik bet kurio greitintuvo veikimas pagrįstas įkrautų dalelių sąveika su elektriniais ir magnetiniais laukais. Elektrinis laukas tiesiogiai veikia dalelę, tai yra, padidina jos energiją, o magnetinis laukas, sukurdamas Lorenco jėgą, tik nukreipia dalelę, nekeisdamas jos energijos, ir nustato orbitą, kuria dalelės juda.
Collider (angl. collide - „susidūrti“) yra greitintuvas, naudojantis susidūrimo sijas, skirtas tirti jų susidūrimų produktus. Leidžia perduoti didelę kinetinę energiją elementarioms materijos dalelėms, nukreipti jas viena į kitą, kad susidarytų susidūrimas.
Kodėl "didelis hadronas"
Iš tikrųjų greitintuvas vadinamas dideliu dėl savo dydžio. Pagrindinio akceleratoriaus žiedo ilgis – 26 659 m; hadronas - dėl to, kad jis pagreitina hadronus, tai yra, sunkiąsias daleles, susidedančias iš kvarkų.
LHC buvo pastatytas Europos branduolinių tyrimų tarybos (CERN) tyrimų centre, Šveicarijos ir Prancūzijos pasienyje, netoli Ženevos. Šiandien LHC yra didžiausia eksperimentinė įranga pasaulyje. Šio didelio masto projekto vadovas yra britų fizikas Lyn Evans, o statybose ir tyrimuose dalyvavo daugiau nei 10 tūkstančių mokslininkų ir inžinierių iš daugiau nei 100 šalių.
Trumpa ekskursija į istoriją
Praėjusio amžiaus 60-ųjų pabaigoje fizikai sukūrė vadinamąjį standartinį modelį. Jis sujungia tris iš keturių pagrindinių sąveikų – stiprią, silpną ir elektromagnetinę. Gravitacinė sąveika vis dar apibūdinama bendrosios reliatyvumo teorijos požiūriu. Tai yra, šiandien fundamentalias sąveikas apibūdina dvi visuotinai priimtos teorijos: bendroji reliatyvumo teorija ir standartinis modelis.
Manoma, kad standartinis modelis turėtų būti kai kurios gilesnės mikropasaulio struktūros teorijos dalis, kuri matoma atliekant eksperimentus su greitintuvais, kurių energija yra mažesnė nei 1 TeV (teraelektronvoltas). Pagrindinis Didžiojo hadronų greitintuvo tikslas – gauti bent pirmąsias užuominas apie tai, kas yra ši gilesnė teorija.
Pagrindiniai greitintuvo tikslai taip pat yra Higso bozono atradimas ir patvirtinimas. Šis atradimas patvirtintų standartinį elementariųjų atominių dalelių ir standartinės medžiagos kilmės modelį. Kai greitintuvas veikia visu pajėgumu, standartinio modelio vientisumas bus sunaikintas. Elementariosios dalelės, kurių savybes mes suprantame tik iš dalies, negalės išlaikyti savo struktūrinio vientisumo. Standartinio modelio viršutinė energijos riba yra 1 TeV, kurią viršijus dalelė suyra. Esant 7 TeV energijai, būtų galima sukurti daleles, kurių masė yra dešimt kartų didesnė nei šiuo metu žinoma.
Specifikacijos
Tikimasi, kad greitintuve susidurs protonai, kurių bendra energija yra 14 TeV (tai yra 14 teraelektronvoltų arba 14·1012 elektronvoltų) krintančių dalelių masės centro sistemoje, taip pat švino branduoliai, kurių energija 5 GeV (5·109 elektronvoltai) kiekvienai susiduriančių nukleonų porai.
LHC šviesumas pirmosiomis jo veikimo savaitėmis buvo ne didesnis kaip 1029 dalelės/cm²·s, tačiau jis ir toliau nuolat didėja. Tikslas yra pasiekti 1,7 × 1034 dalelių/cm² s nominalų šviesumą, kuris yra toks pat kaip ir BaBar (SLAC, JAV) ir Belle (KEK, Japonija) šviesumas.
Greitintuvas yra tame pačiame tunelyje, kurį anksčiau užėmė Didysis elektronų-pozitronų greitintuvas, po žeme Prancūzijoje ir Šveicarijoje. Tunelio gylis yra nuo 50 iki 175 metrų, o tunelio žiedas žemės paviršiaus atžvilgiu pasviręs maždaug 1,4%. Protonų pluoštams sulaikyti, koreguoti ir fokusuoti naudojami 1624 superlaidūs magnetai, kurių bendras ilgis viršija 22 km. Magnetai veikia 1,9 K (–271 °C) temperatūroje, kuri yra šiek tiek žemesnė už temperatūrą, kurioje helis tampa superskysčiu.
BAK detektoriai
LHC turi 4 pagrindinius ir 3 pagalbinius detektorius:
- ALISA (didelio jonų greitintuvo eksperimentas)
- ATLAS (toroidinis LHC aparatas)
- CMS (kompaktiškas miuono solenoidas)
- LHCb (didelio hadronų greitintuvo grožio eksperimentas)
- TOTEMAS (TOTAL elastinio ir difrakcinio skerspjūvio matavimas)
- LHCf (didysis hadronų priešpriešinis greitintuvas)
- MoEDAL (Monopolio ir egzotikos detektorius LHC).
Pirmasis iš jų yra sukonfigūruotas tirti sunkiųjų jonų susidūrimus. Šiuo atveju susidariusios branduolinės medžiagos temperatūros ir energijos tankio pakanka gliuono plazmos gimimui. ALICE vidinę sekimo sistemą (ITS) sudaro šeši cilindriniai silicio jutiklių sluoksniai, kurie supa smūgio tašką ir matuoja kylančių dalelių savybes bei tikslią padėtį. Tokiu būdu galima lengvai aptikti daleles, kuriose yra sunkus kvarkas.
Antrasis skirtas protonų susidūrimams tirti. ATLAS yra 44 metrų ilgio, 25 metrų skersmens ir sveria apie 7000 tonų. Tunelio centre susiduria protonų pluoštai, todėl tai yra didžiausias ir sudėtingiausias kada nors pastatytas tokio tipo jutiklis. Jutiklis registruoja viską, kas vyksta protonų susidūrimo metu ir po jo. Projekto tikslas – aptikti daleles, kurios anksčiau nebuvo registruotos ar aptiktos mūsų visatoje.
CMS yra vienas iš dviejų didžiulių universalių dalelių detektorių LHC. CMS darbą palaiko apie 3600 mokslininkų iš 183 laboratorijų ir universitetų 38 šalyse (Nuotraukoje parodytas TVS įrenginys).
Vidinis sluoksnis yra silicio pagrindu sukurtas sekiklis. Trakeris yra didžiausias pasaulyje silicio jutiklis. Jame yra 205 m2 silicio jutikliai (maždaug teniso korto ploto), apimantys 76 milijonus kanalų. Sekiklis leidžia išmatuoti įkrautų dalelių pėdsakus elektromagnetiniame lauke.
Antrame lygyje yra elektromagnetinis kalorimetras. Kitame lygyje hadronų kalorimetras matuoja kiekvienu atveju pagamintų atskirų hadronų energiją.
Kitas Large Hadron Collider CMS sluoksnis yra didžiulis magnetas. Didelis solenoidinis magnetas yra 13 metrų ilgio ir 6 metrų skersmens. Jį sudaro aušinami niobio ir titano ritės. Šis didžiulis solenoidinis magnetas veikia visu pajėgumu, kad maksimaliai padidintų solenoidinio magneto dalelių tarnavimo laiką.
Penktasis sluoksnis yra miuonų detektoriai ir grįžtamasis jungas. TVS sukurta siekiant ištirti įvairius fizikos tipus, kurie gali būti aptikti energinguose LHC susidūrimuose. Kai kurie iš šių tyrimų yra skirti patvirtinti arba pagerinti standartinio modelio parametrų matavimus, o daugelis kitų ieško naujos fizikos.
Galite daug kalbėti apie Didįjį hadronų greitintuvą ilgą laiką. Tikimės, kad mūsų straipsnis padėjo suprasti, kas yra LHC ir kodėl jo reikia mokslininkams.
Šiais metais mokslininkai planuoja branduolinėje laboratorijoje atgaminti tas tolimas nesugadintas sąlygas, kai nebuvo protonų ir neutronų, o ištisinė kvarko-gliuono plazma. Kitaip tariant, mokslininkai tikisi pamatyti elementariųjų dalelių pasaulį tokį, koks buvo tik mikrosekundžių dalis po Didžiojo sprogimo, tai yra, susiformavus Visatai. Programa vadinasi „Kaip viskas prasidėjo“. Be to, daugiau nei 30 metų mokslo pasaulyje buvo kuriamos teorijos, paaiškinančios masės buvimą elementariosiose dalelėse. Vienas iš jų rodo, kad egzistuoja Higso bozonas. Ši elementarioji dalelė dar vadinama dieviška. Kaip sakė vienas iš CERN darbuotojų, „pagavus Higso bozono pėdsakus, aš ateisiu pas savo močiutę ir pasakysiu: žiūrėk, prašau, dėl šito smulkmenos tu turi tiek daug papildomų svarų“. Tačiau bozono egzistavimas eksperimentiškai dar nepatvirtintas: visos viltys slypi LHC greitintuve.
Didysis hadronų greitintuvas yra dalelių greitintuvas, kuris leis fizikai įsiskverbti į materiją giliau nei bet kada anksčiau. Darbo prie greitintuvo esmė – ištirti dviejų protonų pluoštų, kurių bendra energija yra 14 TeV vienam protonui, susidūrimą. Ši energija yra milijonus kartų didesnė už energiją, išsiskiriančią per vieną termobranduolinės sintezės veiksmą. Be to, bus atliekami eksperimentai, kai švino branduoliai susiduria esant 1150 TeV energijai.
LHC greitintuvas bus naujas žingsnis prieš šimtmetį prasidėjusių dalelių atradimų serijoje. Tuo metu mokslininkai kaip tik buvo atradę visokių paslaptingų spindulių: rentgeno, katodinės spinduliuotės. Iš kur jie kilę, ar jų kilmė yra tokia pati ir, jei taip, kokia ji?
Šiandien turime atsakymus į klausimus, leidžiančius daug geriau suprasti Visatos kilmę. Tačiau pačioje XXI amžiaus pradžioje susiduriame su naujais klausimais, į kuriuos atsakymus mokslininkai tikisi gauti pasitelkę LHC greitintuvą. Ir kas žino, kokias naujas žmogaus žinių sritis apims būsimi tyrimai. Tuo tarpu mūsų žinios apie Visatą yra nepakankamos.
Rusijos mokslų akademijos narys korespondentas iš Aukštosios energijos fizikos instituto Sergejus Denisovas komentuoja:
– Šiame susidūrime dalyvauja daug rusų fizikų, kurie tam tikras viltis sieja su ten galinčiais įvykti atradimais. Pagrindinis įvykis, kuris gali įvykti, yra vadinamosios hipotetinės Higgso dalelės atradimas (Peteris Higgsas yra puikus škotų fizikas.). Šios dalelės vaidmuo yra nepaprastai svarbus. Ji atsakinga už kitų elementariųjų dalelių masės susidarymą. Jei tokia dalelė bus atrasta, tai bus didžiausias atradimas. Tai patvirtintų vadinamąjį standartinį modelį, kuris dabar plačiai naudojamas visiems mikrokosmoso procesams apibūdinti. Kol ši dalelė nebus atrasta, šis modelis negali būti laikomas visiškai pagrįstu ir patvirtintu. Tai, žinoma, yra pats pirmas dalykas, kurio mokslininkai tikisi iš šio greitintuvo (LHC).
Nors, paprastai kalbant, niekas šio standartinio modelio nelaiko didžiausia tiesa. Ir, greičiausiai, daugumos teoretikų nuomone, tai yra apytikslis arba, kartais sakoma, „mažos energijos aproksimacija“ bendresnei teorijai, kuri apibūdina pasaulį milijonus kartų mažesniais atstumais už branduolių dydį. Tai tarsi Niutono teorija yra „mažos energijos aproksimacija“ Einšteino reliatyvumo teorijai. Antroji svarbi užduotis, susijusi su greitintuvu, yra pabandyti peržengti šio standartinio modelio ribas, tai yra, pereiti prie naujų erdvės ir laiko intervalų.
Fizikai galės suprasti, kuria kryptimi reikia judėti, kad sukurtų gražesnę ir bendresnę fizikos teoriją, kuri prilygtų tokiems mažiems erdvės ir laiko intervalams. Ten tiriami procesai iš esmės atkartoja Visatos formavimosi procesą, kaip sakoma, „didžiojo sprogimo momentu“. Žinoma, tai tiems, kurie tiki šia teorija, kad Visata buvo sukurta tokiu būdu: sprogimas, tada procesai esant itin didelėms energijoms. Aptariamos kelionės laiku gali būti susijusios su šiuo Didžiuoju sprogimu.
Kad ir kaip būtų, LHC yra gana rimtas žingsnis į mikropasaulio gelmes. Todėl gali atsiverti visiškai netikėti dalykai. Pasakysiu viena: LHC galima atrasti visiškai naujų erdvės ir laiko savybių. Kokia kryptimi jie bus atveriami, dabar sunku pasakyti. Svarbiausia prasibrauti vis toliau.
Nuoroda
Europos branduolinių tyrimų organizacija (CERN) yra didžiausias pasaulyje dalelių fizikos tyrimų centras. Iki šiol dalyvaujančių šalių skaičius išaugo iki 20. Apie 7000 mokslininkų, atstovaujančių 500 tyrimų centrų ir universitetų, naudojasi CERN eksperimentine įranga. Beje, Rusijos branduolinės fizikos institutas SB RAS taip pat buvo tiesiogiai susijęs su Didžiojo hadronų greitintuvo darbu. Šiuo metu mūsų specialistai užsiima šiam greitintuvui Rusijoje sukurtos ir pagamintos įrangos montavimo ir bandymo darbais. Didysis hadronų greitintuvas turėtų būti paleistas 2008 m. gegužės mėn. Kaip teigė projekto vadovė Lyn Evans, akceleratoriui trūksta tik vienos dalies – didelio raudono mygtuko.
Žinia apie Europoje vykdomą eksperimentą sukrėtė visuomenės ramybę, pakilo į aptariamų temų sąrašo viršūnę. Hadronų greitintuvas pasirodė visur – televizijoje, spaudoje ir internete. Ką jau kalbėti, jei LJ vartotojai kuria atskiras bendruomenes, kuriose šimtai rūpestingų žmonių jau aktyviai išsakė savo nuomonę apie naują mokslo protą. „Delo“ siūlo jums 10 faktų, apie kuriuos negalite nežinoti hadronų greitintuvas.
Paslaptinga mokslinė frazė nustoja tokia būti, kai tik suprantame kiekvieno žodžio reikšmę. Hadronas– elementariųjų dalelių klasės pavadinimas. Greitintuvas- specialus greitintuvas, kurio pagalba galima perduoti didelę energiją elementarioms materijos dalelėms ir, pagreitinant jas iki didžiausio greičio, atkartoti jų susidūrimą tarpusavyje.
2. Kodėl visi apie jį kalba?
Europos branduolinių tyrimų centro CERN mokslininkų teigimu, eksperimentas leis miniatiūriškai atkurti sprogimą, dėl kurio prieš milijardus metų susiformavo Visata. Tačiau visuomenei labiausiai rūpi, kokios mini sprogimo pasekmės planetai, jei eksperimentas nepavyks. Kai kurių mokslininkų teigimu, susidūrus itin reliatyvistiniu greičiu priešingomis kryptimis skriejančioms elementarioms dalelėms, susidarys mikroskopinės juodosios skylės ir išskris kitos pavojingos dalelės. Nėra jokios ypatingos prasmės pasikliauti specialia spinduliuote, dėl kurios išgaruoja juodosios skylės – nėra jokių eksperimentinių įrodymų, kad ji veikia. Štai kodėl kyla nepasitikėjimas tokiomis mokslinėmis naujovėmis, kurias aktyviai skatina skeptiškai nusiteikę mokslininkai.
3. Kaip tai veikia?
Elementariosios dalelės pagreitinamos į skirtingas orbitas priešingomis kryptimis, po to jos patalpinamos į vieną orbitą. Sudėtingo įrenginio vertė yra ta, kad jo dėka mokslininkai turi galimybę ištirti elementariųjų dalelių susidūrimo produktus, užfiksuotus specialiais detektoriais skaitmeninių fotoaparatų pavidalu, kurių skiriamoji geba yra 150 megapikselių, galinčių užfiksuoti 600 milijonų kadrų per vieną. antra.
4. Kada kilo mintis sukurti kolaiderį?
Idėja sukurti mašiną gimė dar 1984 m., tačiau tunelis pradėtas statyti tik 2001 m. Greitintuvas yra tame pačiame tunelyje, kuriame buvo ir ankstesnis greitintuvas – Didysis elektronų-pozitronų greitintuvas. 26,7 kilometro žiedas nutiestas maždaug šimto metrų gylyje po žeme Prancūzijoje ir Šveicarijoje. Rugsėjo 10 dieną greitintuve buvo paleistas pirmasis protonų pluoštas. Antrasis spindulys bus paleistas artimiausiomis dienomis.
5. Kiek kainavo statybos?
Kuriant projektą dalyvavo šimtai mokslininkų iš viso pasaulio, tarp jų ir Rusijos. Apskaičiuota, kad jo kaina siekia 10 milijardų dolerių, iš kurių 531 milijoną JAV investavo į hadronų greitintuvo statybą.
6. Kokį indėlį į akceleratoriaus kūrimą įnešė Ukraina?
Ukrainos teorinės fizikos instituto mokslininkai tiesiogiai dalyvavo statant hadronų greitintuvą. Jie sukūrė vidinę sekimo sistemą (ITS) specialiai tyrimams. Ji yra „Alisos“ širdis – dalis susidūrimo, kur turėtų įvykti miniatiūrinis „didysis sprogimas“. Akivaizdu, kad tai nėra pati svarbiausia automobilio dalis. Už teisę dalyvauti projekte Ukraina kasmet turi sumokėti 200 tūkst. Tai 500–1000 kartų mažiau nei kitų šalių įnašai į projektą.
7. Kada turėtume tikėtis pasaulio pabaigos?
Pirmasis elementariųjų dalelių pluoštų susidūrimo eksperimentas numatytas spalio 21 d. Iki to laiko mokslininkai planuoja pagreitinti daleles iki greičio, artimo šviesos greičiui. Pagal bendrąją Einšteino reliatyvumo teoriją juodosios skylės mums negresia. Tačiau, jei teorijos su papildomais erdviniais matmenimis pasirodys teisingos, mums nebeliks daug laiko išspręsti visas mūsų planetos problemas.
8. Kodėl juodosios skylės yra baisios?
Juodoji skylė– erdvėlaikio sritis, kurios gravitacinė trauka tokia stipri, kad net šviesos greičiu judantys objektai negali iš jos išeiti. Juodųjų skylių egzistavimą patvirtina Einšteino lygčių sprendiniai. Nepaisant to, kad daugelis jau įsivaizduoja, kaip Europoje susiformavusi juodoji skylė, augdama, praris visą planetą, pavojaus signalo skambinti nereikia. Juodosios skylės, kurie, remiantis kai kuriomis teorijomis, gali atsirasti dirbant susidūrimo, remiantis tomis pačiomis teorijomis, egzistuos tokį trumpą laiką, kad paprasčiausiai neturės laiko pradėti medžiagos absorbavimo proceso. Kai kurių mokslininkų teigimu, jie net nespės pasiekti susidūrimo sienelių.
9. Kuo moksliniai tyrimai gali būti naudingi?
Be to, kad šie tyrimai yra dar vienas neįtikėtinas mokslo laimėjimas, leisiantis žmonijai sužinoti elementariųjų dalelių sudėtį, tai nėra visa nauda, dėl kurios žmonija taip rizikavo. Galbūt artimiausiu metu jūs ir aš galėsime savo akimis pamatyti dinozaurus ir su Napoleonu aptarti efektyviausias karines strategijas. Rusijos mokslininkai mano, kad eksperimento dėka žmonija sugebės sukurti laiko mašiną.
10. Kaip moksliškai išmanyti hadronų greitintuvą?
Ir galiausiai, jei kas nors, apsiginklavęs atsakymu iš anksto, paklaus, kas yra hadronų greitintuvas, siūlome vertą atsakymą, kuris gali maloniai nustebinti bet kurį. Taigi, prisisekite saugos diržus! Hadron Collider yra įkrautų dalelių greitintuvas, skirtas pagreitinti protonus ir sunkiuosius jonus susidūrimo pluoštuose. Europos branduolinių tyrimų tarybos tyrimų centre pastatytas 27 kilometrų ilgio tunelis, nutiestas 100 metrų gylyje. Kadangi protonai yra elektriškai įkrauti, ultrareliatyvistinis protonas sukuria beveik tikrų fotonų debesį, skriejantį arti protono. Šis fotonų srautas branduolinio susidūrimo režime dar labiau sustiprėja dėl didelio branduolio elektrinio krūvio. Jie gali susidurti arba su artėjančiu protonu, sukeldami tipiškus fotonų ir hadronų susidūrimus, arba vienas su kitu. Mokslininkai baiminasi, kad dėl eksperimento erdvėje gali susidaryti erdvės ir laiko „tuneliai“, kurie yra tipologinis erdvės laiko bruožas. Eksperimento rezultatas taip pat gali būti įrodytas supersimetrijos egzistavimas, kuris taip taps netiesioginiu superstygų teorijos tiesos patvirtinimu.
