Kaip pasidaryti hadronų greitintuvą namuose. Kodėl mums reikia hadronų greitintuvo? Kam skirtas Didysis hadronų greitintuvas?

Beveik visą praėjusią savaitę naujienų žiniasklaidos kanalai buvo pilni pranešimų apie CERN, Didįjį hadronų greitintuvą ir jame rastą naują dalelę. Galiausiai paaiškėjo, kad tai tikrai Higso bozonas – dalelė, patvirtinanti standartinį modelį – tai reiškia, kad mokslininkai pagaliau gali būti tikri savo požiūriu į pasaulio sandarą.

Šiandien FURFUR publikuoja CERN tyrėjo Stepano Obrazcovo dienoraštį. Jis kalbėjo ne tik apie Higso bozono paieškas ir hadronų greitintuvo darbą, bet ir apie gyvenimo tradicijas šiame savo kalbą turinčiame mokslininkų mieste, roko grupes ir festivalius.

Apie pirmąjį apsilankymą:Pirmą kartą CERN pasirodžiau turbūt būdamas maždaug metų, o vėliau - maždaug penkerių metų, todėl man tai yra antroji namų vieta po Rusijos. Tada ten dirbo mano tėvas. Aš įsisavinau viską, kas vyksta aplinkui, kai kuriuos dalykus man aiškino jau vaikystėje. CERN yra nuolatinė ekspozicija turistams, kurioje aiškiai rodomi visokie paprasti dalykai: pavyzdžiui, yra kibirkšties kamera - joje dalelė praskrenda per kamerą, užpildytą dujomis ir su įtampa, ir sukelia kibirkštį. . Apskritai jis man paaiškino, kokios dalelės skrenda iš kosmoso, kodėl ir kada jos matomos ir pan.

Apie išsilavinimą: Vėliau baigiau Maskvos valstybinio universiteto Kosmoso fizikos katedrą. Kai buvome paskirti, nuėjau į hadroninių sąveikų laboratoriją Maskvos valstybinio universiteto Branduolinės fizikos mokslinio tyrimo institute (D.V. Skobelcyno Branduolinės fizikos tyrimų institutas). Taigi į CERN pradėjau važinėti dar studijuodamas - ten yra studentų vasaros mokykla, kurioje kiekvieną vasarą susirenka apie keturis šimtus studentų, o jau tada dėl diplomo temos pradėjau dirbti su hadronų greitintuvu. O dabar vykstu į komandiruotes ir kaupiu medžiagą disertacijai.

Taip naktį atrodo įėjimas į CERN

Apie darbą CERN: Verta pasakyti, kad aš atlieku ne vieną užduotį, o kelias iš karto - visi tai daro. Darbas CERN visada skirstomas į tyrimus ir paslaugas. Privalai atlikti aptarnavimo darbus, nes kiekvienas bendradarbiaujantis institutas įsipareigoja atlikti šį darbą, nesusijusį su jokiais atradimais. Tai yra, tai yra tam tikri mainai: atlikite eksperimentus su greitintuvu, tačiau tam taip pat turėsite stebėti detektorius. Galima tai pavadinti moksline veikla, tačiau ji yra labai taikomojo pobūdžio: detektoriaus kalibravimas, dalyvavimas pamainose prie detektoriaus, duomenų stebėjimas ir daug kitų dalykų, padedančių sukonfigūruoti šią milžinišką mašiną. Manoma, kad į komandiruotes vykstame daugiausiai atlikti aptarnavimo darbų.

Didysis hadronų greitintuvas CERN yra milžiniškas 28 kilometrų ilgio greitintuvo žiedas. Jo centre yra radioaktyvus dalelių šaltinis, kurios paleidžiamos spinduliu per mažą žiedą, tada per linijinį tunelį. Įsibėgėję jie eina į vidinį mažą žiedą, o paskui į pagrindinį. Šie protonų pluoštai paleidžiami žiedu, po du, skirtingomis kryptimis, stebimas jų judėjimas ir renkama statistika – per sekundę surenku du gigabaitus duomenų, o tai yra gana didelis kiekis per dieną.

Didysis hadronų greitintuvas turi keturis detektorius: CMS, ATLAS, LHCb ir ALICE. Dirbu su TVS - sveria apie 4,5 tūkst.t. O jo magnetinis laukas yra 4 Teslos (du kartus daugiau nei viso Žemės magnetinio lauko).

Pats CERN yra penkiolika minučių nuo Ženevos, pačioje Prancūzijos ir Šveicarijos pasienyje. Tai nėra mokslo miestas (ką žinome iš daugybės Sovietų Sąjungos projektų), nes nuolatinių gyventojų jame yra nemažai. Vietoje to yra didžiulis nakvynės namai, kuriuose trumpam atvykę apsistoja inžinieriai. Apskritai pati teritorija yra tiesiog didžiulė, nes į tyrimus įtrauktas didžiulis žmonių skaičius: vien viename eksperimente, kuriame dalyvauju aš, yra keturi tūkstančiai žmonių. Ir kiekvienas iš šių keturių tūkstančių nuolat kažką daro.

TVS detektoriaus vaizdas iš šono
TVS detektorius, vaizdas iš priekio. Detektoriai turi sluoksniuotą struktūrą – kiekvienas sluoksnis registruoja savo pokyčius aplinkoje

Dideliame žiede taip pat yra keturi skirtingi detektoriai, kurie renka duomenis. Atitinkamai, kai spinduliai jau cirkuliuoja aplink žiedą, įjungiami kolimatoriai (didžiuliai magnetai), kurie nukreipia pluoštus ir priverčia juos susidurti – pats susidūrimas įvyksta vieno iš detektorių centre. Kai protonai susiduria, gimsta naujos dalelės, kurias mes aptinkame. Tai yra eksperimento esmė. Tokie paleidimai ir susidūrimai vyksta ištisus metus – nėra taip, kad priešpriešinis stabdys buvo paleistas vieną kartą, atsitrenkė į kažką, ir viskas.

Kiekvienas detektorius turi valdymo kambarį: pats detektorius yra šachtoje, o valdymo kambarys yra paviršiuje, kuriame visą parą sėdi apie dvidešimt žmonių ir kiekvienas yra atsakingas už savo detektoriaus posistemį - jūs renkate įvairios informacijos iš sistemos dalių ir tada gali susidaryti bendrą vaizdą. Be žmonių, kurie sėdi posistemėse, taip pat yra žmonės, atsakingi už duomenų rinkimą, viso detektoriaus stebėjimą, yra pamainos viršininkas, asmuo, atsakingas už magnetą - jie visi sėdi vienoje patalpoje ir stebėti darbą.

Kitas detektorius – ALISA

Istoriškai mūsų laboratorijoje nagrinėjama sunkiųjų jonų fizika: tai yra tada, kai į žiedą šaudomi ne protonų pluoštai, o švino ar aukso jonų pluoštai. Ypatumas tas, kad susidūrus branduoliams terpė, kurioje įvyksta susidūrimas, tampa tankesnė. Jie pradėjo susidurti su jonais, nes buvo teorinių spėjimų, kad bus galima stebėti naują materijos būseną – kvarko-gliuono plazmą – kurioje Visata buvo kelios mikrosekundės po Didžiojo sprogimo. Tai itin tanki terpė, o tokios būsenos medžiaga turi ir kietos, ir dujinės, ir skystos, ir plazmos savybių. Eksperimento idėja yra palyginti, kas atsitinka susidūrus su protonais ir kai susiduriate su jonais. Kai susiduriate su švinu, terpė yra tokia tanki, kad kai kurios dalelės negali išskristi ir praskristi per šią terpę – jos joje užgęsta. Tai, kad tokia sąlyga tikrai egzistuoja, buvo patvirtinta 2010 metų pabaigoje.

Apie verslo keliones: Atvažiuoju vieną kartą vasarą ir vieną kartą žiemą, dviem mėnesiams. Iš nakvynės namų į darbą nueisiu pusę minutės. Jis turi savo vidinį mažą pasaulį, kuriame yra daug žmonių, ir jis gerokai skiriasi nuo įprasto pasaulio. Riba tarp to, kad, atrodo, dirbate, ir atsipalaidavimo yra neryški. Tai yra nesibaigiantis procesas, kurio negalima sustabdyti. Iš viso ten gyvena apie trisdešimt tūkstančių žmonių, jautiesi kaip mažas sraigtelis didžiulėje mašinoje. Sunku ką nors sugalvoti ar atrasti pačiam, kai esi įtrauktas į tokį milžinišką aparatą.

Vaizdas iš CERN nakvynės namų kambario

Apie CERN struktūrą: Pagal savo struktūrą CERN yra tarptautinis bendradarbiavimas, kuriame dalyvauja 150 institutų iš 37 šalių, o savo darbuotojų mažai. Dauguma ten dirbančių žmonių nėra CERN darbuotojai, jie užima kai kurias pareigas bendradarbiaujančiuose institutuose, kaip ir mano atveju. O Tsernovskio personalą sudaro tik šauniausi, labai nusipelnę Nobelio premijos laureatai, sudarię visą gyvenimą trunkančią sutartį, kurie jau suprato viską, ką galėjo šiame gyvenime, ir gyvena name kalno papėdėje, važiuojant iš ten vintažine. automobiliai. Apskritai, senstančios roko žvaigždės iš fizikos.

CERNĖJE YRA DAUG ŽMONIŲ IR VISI KAŽKO DYDŽIA. Pvz., YRA MUZIKOS KLUBAS IR APIE 15 GRUPIŲ, KURIŲ VASARĄ PRADEDA HARDRONIC FESTIVALĄ

Apie specializaciją: Kiekvienas fizikas toli gražu nėra universalus. Jie skirstomi į skirtingas kategorijas: jei globaliai, tai eksperimentuotojai ir teoretikai, o tarp jų – tie, kurie užsiima analize. Savo ruožtu eksperimentuotojai skirstomi į tuos, kurie dirba su detektoriaus fizika ir tuos, kurie dirba su greitintuvo fizika. Tai yra, tie, kurie greitina daleles, ir tie, kurie jas registruoja, yra dvi skirtingos sritys, o greitintuvai yra gana aukštai vertinami, nes jų pasaulyje mažiau – jie ruošiami ne Maskvoje, tik Novosibirske. Su detektoriumi dirbantys fizikai mažai ką žino apie greitintuvą, jie praktiškai nesutampa su greitintuvais, tai dvi atskiros kastos. Vieni paleidžia, kiti pagauna.

Apie pavarų perjungiklius: Kai dirbate pamainoje – rytinė, popietinė ir naktinė, kiekviena aštuonių valandų trukmės – yra krūva monitorių, o galvoje vienu metu turite turėti daug informacijos. Be to, viskas taip sumaniai sudėliota, kad prieš tapdamas pamaininiu darbuotoju turi praeiti mokymus – tris pamainas, kai sėdi su visaverčiu pamaininiu darbuotoju, tada, kai išmoksti, tau duoda studentų. Taip atsitiko, kad mokiau suaugusiuosius, kurie išmano fiziką daug geriau už mane. Šiame darbe daug ką nuveiksi vienas, todėl jis lavina tavo gebėjimą bendrauti. Kai vyksta susirašinėjimas tarp rusų (o jų yra daug), mes gauname pusiau anglų, pusiau rusų kalbą, nes daugeliui žodžių nėra rusiškų analogų. Shifter yra pavarų perjungiklis anglų kalba. Mes nevadiname vienas kito pamainininkais, o vadiname pamainininkais. Ir niekas ten nesako „Higso bozonas“, visi sako tik „Higsas“.

Vienas iš Hardronic Fest koncertų

Apie pramogas: CERN yra beprotiškai daug žmonių, ir jie visi kažkuo domisi – ten yra interesų klubai – nuo sunkiosios atletikos ir chorinio dainavimo iki šachmatų ir frisbio. Yra muzikos klubas – trys repeticijų salės – ir apie penkiolika kolektyvų, kurie vasarą organizuoja festivalį „Hardronic“ – jis vyksta dvi dienas su didžiule didžiule scena. Ten dirba grupės, kurias sudaro vien mokslininkai. Nedaug neįprasto – dažniausiai kai kurios koverinės juostos, bet vis tiek. Ten irgi šiek tiek groju – kai keliauju, visada pasiimu gitarą. Repeticijų salėje yra visa įranga įrašymui – groju su metronomu, įrašinėju būgnus, tada miksuoju.

Apie prieigą prie informacijos: Komandiruotėse buvau aštuonis kartus – iš viso daugiau nei metus. Bet man nėra skirtumo, kur dirbti – čia ar ten, nes prie CERN serverių jungiatės net per atstumą. Yra gigabitiniai tinklai, jungiantys institucijas visame pasaulyje. Dalis duomenų saugomi kietuosiuose diskuose, tačiau didžioji dalis – specialiu robotu valdomose kasetėse. Rašai tik vieną komandą sėdėdamas Maskvoje – robotas CERN’e nueina į norimą skyrių, išima tavo kasetę, įdeda, nuskaito, perkelia į kietąjį diską ir gauni duomenis.

Higso bozonas yra dalelė, atsakinga už medžiagos masės suteikimą. Visos dalelės yra lauke, kuris sukuria Higso bozoną. Būdami šioje srityje jie turi masę. Egzistuoja vadinamasis standartinis modelis – tai pasaulio sandaros modelis, kurį mes visi patiriame nuo mokyklos laikų. Jame visos sąveikos skirstomos į keturis tipus: stipriąją, silpnąją, elektromagnetinę ir gravitacinę. Kiekviena sąveika turi nešiklį – pavyzdžiui, elektroną elektromagnetiniame. Taigi, visos nešiklio dalelės jau seniai buvo atrastos ir užfiksuotos, išskyrus Higso bozoną. Faktas, kad jis egzistuoja, rodo, kad šis modelis yra nuoseklus ir atrodo, kad mes gana gerai suprantame, kas vyksta Visatoje. Bet kokiu atveju, standartinis modelis yra tik modelis, mes visada kalbame apie modelius. Bet koks modelis yra teisingas tik iki tam tikros dešimtosios dalies.

Du detektoriai – CMS ir ATLAS – didžiajame hadronų greitintuve ieško ir tiria Higso bozoną. Pastaruosius dvejus metus jie neatrado Higgso, tačiau metodiškai uždarė sritis, kuriose jis negali egzistuoti. Ir liko labai mažas langelis, kuriame jis galėjo atsidurti. Pernai buvo surengtas didelis visų bendradarbiavimo dalyvių susirinkimas, kuriame jie paskelbė, kad 2012 metais tikrai pavyks išsiaiškinti, ar Higso bozonas iš tiesų egzistuoja, ar ne.

ATLAS detektoriaus vaizdas iš šono. Jo vaizdas iš priekio matomas pačiame pirmajame šios medžiagos paveiksle

Apie perdegimo procesą: Kai pirmą kartą buvo paleistas akceleratorius, buvo karštas laikas, nes nuolat kažkas lūždavo. Mes tai pavadinome „perdegimo procesu“ – tai yra, kai detektorius tik pradėjo veikti, viskas, kas nepatikima, turėjo sugesti, kad vėliau darbas grįžtų į įprastą ritmą. Palaipsniui detektorius miršta: kai kurios dalys – dėl to, kad ten yra daug radiacijos, tiesiogiai susidūrimo metu ir visos šios medžiagos susidėvi – praranda savo savybes. Šių metų pabaigoje įvyks didelis greitintuvo išjungimas metams ar net dvejiems atnaujinimui, jie įsigis į detektorius ir pakeis kai kuriuos magnetus pačiame akceleratoriuje, kad būtų pasiekti iš pradžių nurodyti pajėgumai.

Apie tai, kas toliau: Visas šis greitintuvo projektavimo darbas prasidėjo devintojo dešimtmečio pabaigoje, mano tėvas sugebėjo visa tai dalyvauti - kažkur iki 1994 m. Po to kilo konfliktas tarp rusų ir amerikiečių, ir jis išvyko. Rusijoje ruošiama daug vaikinų, kurie paskui eis dirbti į CERN, pas mus yra daug akceleratorių, jau sukaupta nemažai patirties. O vėliau 400 studentų per metus baigia studijas CERN vasarą. Tai yra, kartos keičiasi, bet eksperimentai tęsiasi.

Tikriausiai jau žinote, kad Europos branduolinių tyrimų centro (CERN) mokslininkai aptiko vadinamosios „dieviškosios dalelės“ – Higso bozono – egzistavimo požymių. Pažiūrėkime, kaip sekėsi.

2012 m. liepos 4 d. mokslininkai iš Europos branduolinių tyrimų centro CERN Šveicarijoje atrado Higso bozoną. subatominė dalelė, vadinama „dievo dalele“. „Dieviškosios“ dalelės paieškos tęsiasi beveik 50 metų. Higso bozonas buvo aptiktas atliekant eksperimentus Didžiajame hadronų greitintuve, kurio pagrindiniai greitintuvo žiedai yra 27 kilometrų požeminiame tunelyje.

Higgso bozonas yra esminis Standartinio modelio, fizinės teorijos, aprašančios visų elementariųjų dalelių sąveiką, elementas: jis paaiškina tokio reiškinio kaip masė buvimą.

Pažvelkime į fantastišką, iki 6 milijardų dolerių vertės mašiną, kuri atrado Higso bozoną. Sveiki atvykę į subatominių dalelių pasaulį!

Nuotraukoje: Anglų fizikas teoretikas, Edinburgo karališkosios draugijos narys Peteris W. Higgsas. Būtent jis septintajame dešimtmetyje numatė Higso bozono, atsakingo už visų elementariųjų dalelių masę, egzistavimą.

Savo kalbose Piteris teigė, kad jei bozonas nebus atrastas, tai reikštų, kad jis ir daugelis kitų fizikų nebesupras, kaip sąveikauja elementarios dalelės. Higgso dalelė yra tokia svarbi, kad amerikiečių fizikas ir Nobelio premijos laureatas Leonas Ledermanas pavadino ją „Dievo dalele“.

Taigi, kaip jau minėta, Higso bozonas buvo atrastas atliekant eksperimentus Didžiajame hadronų greitintuve. Jis buvo pastatytas tyrimų įstaigoje Europos branduolinių tyrimų tarybos (CERN) centras netoli Ženevos, Šveicarijos ir Prancūzijos pasienyje. (Anjos Niedringhaus nuotrauka | AP):

Didysis hadronų greitintuvas yra didžiausias eksperimentinis objektas pasaulyje. Tai milžiniškas įkrautų dalelių greitintuvas, skirtas pagreitinti protonus ir sunkiuosius jonus. Pažiūrėkime, kaip jis buvo sukurtas. Nuotraukoje: Prancūzijoje ir Šveicarijoje tiesiamas požeminis tunelis, kurio apimtis beveik 27 km, 2000 m. Tunelio gylis yra nuo 50 iki 175 metrų. (Laurento Guiraudo nuotrauka | © 2012 m. CERN):

Statybose ir tyrimuose dalyvavo ir dalyvauja daugiau nei 10 000 mokslininkų ir inžinierių iš daugiau nei 100 šalių, įskaitant Rusiją. Nuotraukoje: montuojamas galas hadrono kalorimetras. ATLAS detektorius, kuri būtent skirta Higso bozono ir „nestandartinės fizikos“, ypač tamsiosios medžiagos, paieškai. Iš viso Didysis hadronų greitintuvas valdo 4 pagrindinius ir 3 pagalbinius detektorius. 2003 m. rugpjūčio 12 d. (Nuotrauka Maximilien Brice | © 2012 CERN):

Didžiuliu greitintuvas pavadintas dėl savo dydžio: pagrindinio akceleratoriaus žiedo ilgis siekia 26 659 metrus. eiti aplinkui 27 km požeminis tunelis, skirtas žiediniam greitintuvui, geriausiai transportuojamas, 2005 m. spalio 24 d. (Laurento Guiraudo nuotrauka | © 2012 m. CERN):

Elektromagnetinis kalorimetras- prietaisas, matuojantis dalelių energiją. Surinkus tai daugiau nei 6 metrų aukščio ir 7 metrų pločio siena. Susideda iš 3300 blokų. (Nuotrauka Maximilien Brice | © 2012 CERN):

Idėja sukurti Didįjį hadronų greitintuvą gimė 1984 m. ir buvo oficialiai patvirtinta po dešimties metų. Jo statyba prasidėjo 2001 m. Nuotraukoje: Didžiojo hadronų greitintuvo žiedinis greitintuvas, esantis požeminiame tunelyje tiesiai po Ženevos tarptautiniu oro uostu, 2007 m. gegužės 31 d. (Keystone, Martial Trezzini nuotrauka | AP):

Pagrindinis tikslas Didžiojo hadronų greitintuvo konstravimas buvo standartinio modelio paaiškinimas arba paneigimas – teorinis fizikos darinys, kurio formavimas buvo baigtas 1960–1970 m., apibūdinantis elementarias daleles ir tris iš keturių pagrindinių sąveikų (išskyrus gravitacinę): stiprus, silpnas ir elektromagnetinis. Pagrindinė užduotis Didysis hadronų greitintuvas sugebėjo eksperimentiškai įrodyti Higso bozono egzistavimą. Jis buvo aptiktas 2012 m. liepos 4 d.

Tai yra ALICE dalis- viena iš šešių eksperimentinių įrenginių, pastatytų dideliame hadronų greitintuve. 3584 švino volframo kristalai. ALICE yra optimizuota tirti sunkius jonų susidūrimus. (Nuotrauka Maximilien Brice | © 2012 CERN):

Kolideris oficialiai paleistas 2008 metų rugsėjo 10 dieną. Duomenys, gaunami iš Didžiojo hadronų greitintuvo, apdorojami 140 duomenų centrų, esančių 33 šalyse visame pasaulyje. Kiekvienais metais turime apdoroti 15 milijonų gigabaitų duomenų! Nuotraukoje: duomenų centras Ženevoje, 2008 m. spalio 3 d. (Valentino Flauraud nuotrauka | Reuters):

ATLAS detektorius 2005 m. lapkričio 11 d. surinkimo metu. Bendri detektoriaus ATLAS matmenys: ilgis - 46 metrai, skersmuo - 25 metrai, bendras svoris - apie 7000 tonų. Šis detektorius naudojamas atliekant to paties pavadinimo eksperimentą, skirtą itin sunkių elementariųjų dalelių, įskaitant naujai atrastą Higso bozoną, paieškai. (Nuotrauka Maximilien Brice | © 2012 CERN):

Kompaktiškas miuono solenoidas– vienas iš dviejų didelių universalių elementariųjų dalelių detektorių, sukurtų Europos branduolinių tyrimų centre ir skirtų mikropasaulio savybėms tirti. Jis įsikūręs įspūdingų matmenų požeminiame urve: 53 metrų ilgio, 27 metrų pločio ir 24 metrų aukščio. (Nuotrauka Maximilien Brice | © 2012 CERN):

27 kilometrų požeminiame tunelyje yra du vamzdžiai, kurie eina lygiagrečiai ir susikerta tik detektorių vietose.

Nuotraukoje: tiesinis mažos energijos dalelių greitintuvas Linac2 esantis požeminiame tunelyje. Iš viso Didysis hadronų greitintuvas turi šešis pagrindinius greitintuvus. (Keystone, Martial Trezzin nuotrauka | AP):

Interjeras ATLAS detektorius, 2006 m. rugpjūčio 23 d. Detektorius sukuria didžiulį kiekį informacijos – apie 1 PB = 1024 TB neapdorotų duomenų per sekundę! (Claudia Marcelloni nuotrauka | © 2012 m. CERN):

2009 m. Didžiojo hadronų greitintuvo kaina buvo nuo 3,2 iki 6,4 milijardo eurų, todėl brangiausias mokslinis eksperimentas žmonijos istorijoje.

Apie Didįjį hadronų greitintuvą sklando daug gandų. Pavyzdžiui, kad jis kelia didžiulį pavojų žmonijai, o jo paleidimas galėtų atnešti pasaulio pabaigą. Priežastis buvo mokslininkų teiginiai, kad dėl dalelių susidūrimų greitintuve gali susidaryti mikroskopinės juodosios skylės: po to atsirado nuomonė, kad į jas gali būti „įsiurbta“ visa mūsų Žemė.

Taip pat buvo susirūpinta, kad Higso bozono atradimas sukels nekontroliuojamą masės augimą Visatoje. Buvo net pokštas: „Fizikai turi tradiciją kartą per 14 milijardų metų susiburti ir paleisti hadronų greitintuvą“. Gandų priežastis pasirodė banali: mokslininkų žodžius iškraipė ir neteisingai interpretavo žurnalistai. (Nuotrauka Michael Hoch | © 2012 CERN):

(Claudia Marcelloni nuotrauka/© CERN, 2012 m.):

Dar daugiau. Pasibaigus eksploatacijai 2012 m., greitintuvas bus uždarytas ilgalaikiam remontui. Numatoma, kad remontas truks mažiausiai pusantrų metų ir užtruks visus 2013 m. Kai kurie JAV ir Japonijos mokslininkai, baigę darbą su dideliu hadronų greitintuvu, siūlo pradėti naujo labai didelio hadronų greitintuvo darbą.

Nuotraukoje: aštuoni vamzdžiai yra magnetai, supantys kalorimetrą. Visa ši didžiulė struktūra yra vieno iš Didžiojo hadronų greitintuvo dalelių detektorių dalis. (Nuotrauka Maximilien Brice | © 2012 CERN):

Mokslininkų teigimu, atrastas Higso bozonas gali nušviesti Visatos kilmę ir suprasti, kokia buvo Visata pirmomis akimirkomis po Didžiojo sprogimo. (CERN nuotrauka | AP):

apgauti? Tai daugiau apie fiziką ir technologijas. nes Klausimas nėra ypač rimtas, todėl pateiksiu išsamias instrukcijas. BET atminkite, kad hadronų greitintuvų gamyba yra baudžiama pagal įstatymą, oru ir ryte.

Greitas vadovas, kaip sukurti kišeninį hadronų greitintuvą manekenams.
Taigi, perspėju – kol kas dar nėra iki galo išaiškintos greitintuvo savybės, o kur nuteka maždaug pusė greitintuvo energijos, nežinoma. Dėl šios priežasties 2034 m. Darthas Herohito uždraudė greitintuvą. Taigi kurkite greitintuvą savo rizika.
Na, pradėkime.
Pirmiausia turime kai ką paaiškinti - yra keletas hadronų greitintuvų tipų:

Perspektyvus – susidūrimai su vėlesnio pakartotinio žvalgymo galimybe

Exprapriatory – kovinis susidūrėjas su galimybe eksprapriacijai.

Su podvyperizpodpert – naujas greitintuvo modelis su įmontuotu podvyperizpodpert.

„Siemens“ prekės ženklai yra patys baisiausi greitintuvai, kurių gamyba griežtai draudžiama, nes tokio tipo greitintuvai, nesukeldami jokios išorinės žalos, tiesiogiai ardo žmogaus smegenis. Šio tipo greitintuvą išrado Darthas Herohito 5 mūsų eros amžiuje, būdamas Rytų Romos imperijoje. Sujungęs alyvos dėžę, didžiulio kovinio roboto vidurius ir nešvarią Chucko Norriso nosinę, jis gavo paprastą Siemens greitintuvą. Jį išbandęs Darthas hadronizavo daugiau nei 20 milijonų Žemės gyventojų smegenis (pasaulietiški mirtingieji tai vadino maro epidemija, o nuo to laiko žemiečiai buvo skiepijami – šis procesas neskausmingai pašalina smegenis ir leidžia joms egzistuoti be jos pagalbos. Štai kodėl daugumai žmonių „Siemens“ greitintuvai „nėra pavojingi“.

Namų gamybos technologija

Perspektyvūs kolidoriai

Tai padaryti labai paprasta: paimkite 1,5 litro plastikinį butelį, dugne išdeginkite skylę, ant viršaus uždėkite foliją ir pradurkite adata. (Paskutinis veiksmas turi būti kartojamas per ciklą mažiausiai 3000 kartų)

Eksprapriatoriaus greitintuvas

Ekspracinio greitintuvo gamybos technologija yra šiek tiek sudėtingesnė nei perspektyvaus greitintuvo gamybos technologija, jums reikės kibiro vandens, žirklių, folijos ir plastikinio 1,5 litro butelio. Nupjauname buteliuko dugną, ant viršaus uždedame foliją, praduriame, kolideris paruoštas.

Išlindo iš išsikišusio greitintuvo

Sunkiausia pagaminti išsikišusį greitintuvą! Paimamas tiriamasis ir daug žadantis greitintuvas. Išvalome butelius nuo visokių mėšlų, užkimšame skylutes folija, paimame cigaretę, užsidegame ir sudeginame skylutę savo išsikišusio koliderio korpuso šoniniame paviršiuje. Dabar, naudodami hašišo kurą, galime pagreitinti savo smegenis iki greičio, artėjančio prie šviesos greičio, kur vėliau susidaro juodosios skylės.

Kuras greitintuvui
Visi šioje apžvalgoje išvardyti greitintuvai veikia naudojant biokurą. Paprastai jo tiekėjas yra Centrinė Azija. Tačiau daugelio šalių vyriausybė nemiega, nes uždraudžiama „laikinai pereiti į kitus pasaulius“, degalai greitintuvams yra uždrausti. Šis draudimas buvo įvestas išankstiniu daugelio šalių vyriausybių susitarimu su ateivių žvalgyba, nes nežemiško intelekto atstovams atsibodo žemiečiai kviestiniai darbuotojai, atsirandantys jų paraleliuose pasauliuose, panaudojus hadronų greitintuvą.

Tęsiu savo pasakojimą apie apsilankymą atvirų durų dienoje CERN.

3 dalis. Kompiuterių centras.

Šioje dalyje kalbėsiu apie vietą, kur saugomas ir apdorojamas tai, kas yra CERN darbo produktas – eksperimentų rezultatai. Kalbėsime apie kompiuterių centrą, nors turbūt teisingiau jį būtų vadinti duomenų centru. Bet pirmiausia šiek tiek paliesiu skaičiavimo ir duomenų saugojimo CERN problemas. Kiekvienais metais vien Didysis hadronų greitintuvas sukuria tiek duomenų, kad jei būtų įrašytas į kompaktinį diską, jis būtų 20 kilometrų aukščio krūva. Taip yra todėl, kad greitintuvas susiduria 30 milijonų kartų per sekundę ir kiekvienas susidūrimas sukelia apie 20 įvykių, kurių kiekvienas detektoriuje sukuria daug informacijos. Žinoma, ši informacija iš pradžių apdorojama pačiame detektoriuje, vėliau patenka į vietinį skaičiavimo centrą ir tik tada perduodama į pagrindinį duomenų saugojimo ir apdorojimo centrą. Tačiau kiekvieną dieną reikia apdoroti maždaug petabaitus duomenų. Prie to reikia pridurti, kad šie duomenys turi būti ne tik saugomi, bet ir platinami tarp tyrimų centrų visame pasaulyje, be to, palaikoma maždaug 4000 WiFi tinklo vartotojų pačiame CERN. Reikia pridurti, kad Vengrijoje yra pagalbinis duomenų saugojimo ir apdorojimo centras, su kuriuo yra 100 gigabitų ryšys. Tuo pačiu metu CERN viduje nutiesta 35 000 kilometrų optinio kabelio.
Tačiau kompiuterių centras ne visada buvo toks galingas. Nuotraukoje parodyta, kaip laikui bėgant keitėsi naudojama įranga.

Dabar įvyko perėjimas nuo pagrindinių kompiuterių prie įprastų kompiuterių tinklelio. Šiuo metu centre yra 90 000 procesorių branduolių 10 000 serverių, kurie veikia 24 valandas per parą, 7 dienas per savaitę. Vidutiniškai šiame tinkle vienu metu vykdoma 250 000 duomenų apdorojimo užduočių. Šis skaičiavimo centras yra šiuolaikinių technologijų priešakyje ir dažnai stumia skaičiavimus ir IT į priekį, kad išspręstų problemas, reikalingas saugoti ir apdoroti tokius didelius duomenų kiekius. Užtenka paminėti, kad pastate, esančiame netoli kompiuterių centro, Timas Bernersas-Lee išrado pasaulinį tinklą (pasakykite tai tiems alternatyviai gabiems idiotams, kurie naršydami internete sako, kad fundamentinis mokslas nėra naudingas).

Tačiau grįžkime prie duomenų saugojimo problemos. Nuotraukoje matyti, kad priešpilio laikais duomenys anksčiau buvo saugomi magnetiniuose diskuose (Taip, taip, prisimenu šiuos 29 megabaitų diskus ES kompiuteryje).

Pažiūrėti, kaip sekasi šiandien, einu į pastatą, kuriame yra kompiuterių centras.

Keista, bet žmonių ten nėra labai daug ir aš gana greitai įeinu į vidų. Mums rodomas trumpas filmukas, o paskui vedami prie užrakintų durų. Mūsų gidas atidaro duris ir atsiduriame gana didelėje patalpoje, kur yra spintos su magnetinėmis juostomis, ant kurių įrašoma informacija.

Didžiąją kambario dalį užima būtent šios spintelės.

Jie saugo apie 100 petabaitų informacijos (atitinka 700 metų Full HD vaizdo įrašo) 480 milijonų failų. Įdomu tai, kad maždaug 10 000 fizikų visame pasaulyje 160 skaičiavimo centrų turi prieigą prie šios informacijos. Šioje informacijoje yra visi eksperimentiniai duomenys nuo praėjusio amžiaus 70-ųjų. Jei atidžiai įsižiūrėsite, pamatysite, kaip šios magnetinės juostos yra spintelių viduje.

Kai kuriuose stovuose yra procesoriaus modulių.

Ant stalo yra mažas ekranas, kas naudojamas duomenims saugoti.

Šis duomenų centras sunaudoja 3,5 megavatų elektros energijos ir turi savo dyzelinį generatorių elektros energijos tiekimo nutraukimo atveju. Taip pat reikėtų pasakyti apie aušinimo sistemą. Jis yra pastato išorėje ir varo šaltą orą po netikromis grindimis. Vandens aušinimas naudojamas tik nedaugelyje serverių.

Jei pažvelgsite į spintelės vidų, pamatysite, kaip vyksta automatinis magnetinių juostų mėginių ėmimas ir įkėlimas.

Tiesą sakant, ši patalpa – ne vienintelė patalpa, kurioje stovi kompiuterinė įranga, tačiau tai, kad lankytojai bent čia buvo įleisti, jau kelia pagarbą organizatoriams. Nufotografavau, kas buvo rodoma ant stalo.

Po to atsirado kita lankytojų grupė ir mūsų buvo paprašyta išeiti. Padarau paskutinę nuotrauką ir išeinu iš duomenų centro.

Kitoje dalyje kalbėsiu apie dirbtuves, kuriose kuriama ir komplektuojama unikali įranga, kuri naudojama fiziniuose eksperimentuose.

Frazė „Didysis hadronų greitintuvas“ taip giliai įsišaknijo žiniasklaidoje, kad apie šią instaliaciją žino didžiulis skaičius žmonių, įskaitant tuos, kurių veikla niekaip nesusijusi su elementariųjų dalelių fizika ar su mokslu apskritai.

Išties, tokio didelio masto ir brangaus projekto negalėjo ignoruoti žiniasklaida – beveik 27 kilometrų ilgio žiedo instaliacija, kainavusi dešimtis milijardų dolerių, su kuria dirba keli tūkstančiai mokslininkų iš viso pasaulio. Didelį indėlį į greitintuvo populiarumą įnešė sėkmingai išreklamuotas vadinamasis „Dievo dalelė“ arba Higso bozonas, už kurį Peteris Higgsas 2013 metais gavo Nobelio fizikos premiją.

Visų pirma, reikia pastebėti, kad Didysis hadronų greitintuvas buvo pastatytas ne nuo nulio, o atsirado jo pirmtako Didžiojo elektronų-pozitronų greitintuvo (LEP) vietoje. 27 kilometrų tunelio darbai buvo pradėti 1983 m., kur vėliau buvo planuota rasti greitintuvą, kuris susidurtų su elektronais ir pozitronais. 1988 metais žiedinis tunelis užsidarė, o darbininkai taip atsargiai priėjo prie tunelio, kad neatitikimas tarp dviejų tunelio galų buvo tik 1 centimetras.

Greitintuvas veikė iki 2000 m. pabaigos, kai pasiekė didžiausią 209 GeV energiją. Po to prasidėjo jo išmontavimas. Per vienuolika veiklos metų LEP atnešė daug atradimų fizikoje, įskaitant W ir Z bozonų atradimą ir tolesnius jų tyrimus. Remiantis šių tyrimų rezultatais, prieita prie išvados, kad elektromagnetinės ir silpnosios sąveikos mechanizmai yra panašūs, dėl to buvo pradėtas teorinis šių sąveikų sujungimo į elektrosilpną darbas.

2001 metais elektronų-pozitronų greitintuvo vietoje pradėtas statyti Didysis hadronų greitintuvas. Naujojo akceleratoriaus statybos buvo baigtos 2007 m. pabaigoje. Jis buvo įsikūręs LEP vietoje – Prancūzijos ir Šveicarijos pasienyje, Ženevos ežero slėnyje (15 km nuo Ženevos), šimto metrų gylyje. 2008-ųjų rugpjūtį prasidėjo greitintuvo bandymai, o rugsėjo 10 dieną įvyko oficialus LHC paleidimas. Kaip ir ankstesniame greitintuve, objekto statybai ir eksploatacijai vadovauja Europos branduolinių tyrimų organizacija – CERN.

CERN

Verta trumpai paminėti CERN organizaciją (Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire). Ši organizacija veikia kaip didžiausia pasaulyje didelės energijos fizikos laboratorija. Apima tris tūkstančius nuolatinių darbuotojų, o dar keli tūkstančiai tyrėjų ir mokslininkų iš 80 šalių dalyvauja CERN projektuose.

Šiuo metu projekte dalyvauja 22 šalys: Belgija, Danija, Prancūzija, Vokietija, Graikija, Italija, Nyderlandai, Norvegija, Švedija, Šveicarija, Didžioji Britanija – steigėjai, Austrija, Ispanija, Portugalija, Suomija, Lenkija, Vengrija , Čekija, Slovakija, Bulgarija ir Rumunija – prisijungė. Tačiau, kaip minėta aukščiau, dar kelios dešimtys šalių vienaip ar kitaip dalyvauja organizacijos darbe, o ypač prie didžiojo hadronų greitintuvo.

Kaip veikia Didysis hadronų greitintuvas?

Kas yra Didysis hadronų greitintuvas ir kaip jis veikia, yra pagrindiniai visuomenės interesai. Pažvelkime į šiuos klausimus toliau.

Collider - išvertus iš anglų kalbos reiškia "tas, kuris susiduria". Tokios sąrankos tikslas yra susidurti su dalelėmis. Hadronų greitintuvo atveju daleles vaidina hadronai – dalelės, dalyvaujančios stiprioje sąveikoje. Tai protonai.

Protonų gavimas

Ilga protonų kelionė kyla iš duoplazmatrono – pirmosios akceleratoriaus pakopos, kuri vandenilį gauna dujų pavidalu. Duoplazmatronas yra iškrovimo kamera, kurioje elektros iškrova atliekama per dujas. Taigi vandenilis, susidedantis tik iš vieno elektrono ir vieno protono, praranda savo elektroną. Tokiu būdu susidaro plazma – medžiaga, susidedanti iš įkrautų dalelių – protonų. Žinoma, sunku gauti gryną protonų plazmą, todėl gauta plazma, kurioje taip pat yra molekulinių jonų ir elektronų debesis, filtruojama, kad būtų atskirtas protonų debesis. Veikiant magnetams, protonų plazma išmušama į spindulį.

Preliminarus dalelių pagreitis

Naujai suformuotas protonų pluoštas savo kelionę pradeda tiesiniame greitintuve LINAC 2, kuris yra 30 metrų žiedas, nuosekliai pakabintas keliais tuščiaviduriais cilindriniais elektrodais (laidininkais). Greitintuvo viduje sukuriamas elektrostatinis laukas yra sugraduotas taip, kad dalelės tarp tuščiavidurių cilindrų visada patirtų greitėjimo jėgą kito elektrodo kryptimi. Šiame etape visiškai nesigilindami į protonų pagreičio mechanizmą, pastebime tik tai, kad LINAC 2 išvestyje fizikai gauna 50 MeV energijos protonų spindulį, kuris jau pasiekia 31% šviesos greičio. Pastebėtina, kad tokiu atveju dalelių masė padidėja 5%.

Iki 2019-2020 metų planuojama LINAC 2 pakeisti LINAC 4, kuris pagreitins protonus iki 160 MeV.

Verta paminėti, kad greitintuvas taip pat pagreitina švino jonus, todėl bus galima tirti kvarko-gliuono plazmą. Jie pagreitinami žiede LINAC 3, panašiai kaip LINAC 2. Ateityje taip pat planuojami eksperimentai su argonu ir ksenonu.

Tada protonų paketai patenka į protonų sinchroninį stiprintuvą (PSB). Jį sudaro keturi vienas ant kito išdėstyti 50 metrų skersmens žiedai, kuriuose yra elektromagnetiniai rezonatoriai. Jų sukurtas elektromagnetinis laukas yra didelio intensyvumo, o per jį einanti dalelė gauna pagreitį dėl lauko potencialų skirtumo. Taigi, jau po 1,2 sekundės dalelės PSB pagreitėja iki 91% šviesos greičio ir pasiekia 1,4 GeV energiją, o po to patenka į protonų sinchrotroną (PS). PS yra 628 metrų skersmens ir jame yra 27 magnetai, nukreipiantys dalelių spindulį apskrita orbita. Čia dalelių protonai pasiekia 26 GeV.

Priešpaskutinis protonų greitinimui skirtas žiedas yra Super Proton Synchrotron (SPS), kurio apimtis siekia 7 kilometrus. Įrengtas 1317 magnetų, SPS pagreitina daleles iki 450 GeV energijos. Maždaug po 20 minučių protonų spindulys patenka į pagrindinį žiedą – Didįjį hadronų greitintuvą (LHC).

Dalelių pagreitis ir susidūrimas LHC

Perėjimai tarp akceleratoriaus žiedų vyksta per elektromagnetinius laukus, kuriuos sukuria galingi magnetai. Pagrindinis greitintuvo žiedas susideda iš dviejų lygiagrečių linijų, kuriose dalelės juda apskrita orbita priešinga kryptimi. Apie 10 000 magnetų yra atsakingi už dalelių apskritimo trajektorijos palaikymą ir nukreipimą į susidūrimo taškus, kai kurie iš jų sveria iki 27 tonų. Siekiant išvengti magnetų perkaitimo, naudojama helio-4 grandinė, per kurią -271,25 ° C (1,9 K) temperatūroje teka maždaug 96 tonos medžiagos. Protonai pasiekia 6,5 TeV energiją (tai yra, susidūrimo energija yra 13 TeV), o jų greitis yra 11 km/h mažesnis už šviesos greitį. Taigi per sekundę protonų spindulys 11 000 kartų praeina per didelį greitintuvo žiedą. Prieš susidurdamos dalelės, jos cirkuliuos aplink žiedą 5–24 valandas.

Dalelių susidūrimai įvyksta keturiuose pagrindinio LHC žiedo taškuose, kur yra keturi detektoriai: ATLAS, CMS, ALICE ir LHCb.

Dideli Hadron Collider detektoriai

ATLAS (toroidinis LHC aparatas)

- yra vienas iš dviejų bendrosios paskirties detektorių, esančių dideliame hadronų greitintuve (LHC). Jis tyrinėja platų fizikos spektrą – nuo Higso bozono paieškos iki dalelių, kurios gali sudaryti tamsiąją medžiagą. Nors ATLAS turi tuos pačius mokslinius tikslus kaip ir TVS eksperimentas, ATLAS naudoja skirtingus techninius sprendimus ir skirtingą magnetinės sistemos dizainą.

LHC dalelių pluoštai susiduria ATLAS detektoriaus centre, sukurdami artėjančias šiukšles naujų dalelių pavidalu, kurios išskrenda iš susidūrimo taško visomis kryptimis. Šešios skirtingos aptikimo posistemės, išdėstytos sluoksniais aplink smūgio tašką, registruoja dalelių kelią, impulsą ir energiją, todėl jas galima identifikuoti atskirai. Didžiulė magnetų sistema išlenkia įkrautų dalelių kelius, kad būtų galima išmatuoti jų impulsus.

ATLAS detektoriaus sąveika sukuria didžiulį duomenų srautą. Šiems duomenims apdoroti ATLAS naudoja pažangią „trigerio“ sistemą, kad nurodytų detektoriui, kuriuos įvykius įrašyti, o kuriuos ignoruoti. Įrašytiems susidūrimo įvykiams analizuoti naudojamos sudėtingos duomenų gavimo ir skaičiavimo sistemos.

Detktorius yra 46 metrų aukščio ir 25 metrų pločio, o jo masė – 7000 tonų. Dėl šių parametrų ATLAS yra didžiausias kada nors sukurtas dalelių detektorius. Jis yra tunelyje 100 m gylyje netoli pagrindinės CERN aikštelės, netoli Meyrin kaimo Šveicarijoje. Diegimą sudaro 4 pagrindiniai komponentai:

Vidinis detektorius yra cilindro formos, vidinis žiedas yra vos keli centimetrai nuo praeinančio dalelių pluošto ašies, o išorinis žiedas yra 2,1 metro skersmens ir 6,2 metro ilgio. Jį sudaro trys skirtingos jutiklių sistemos, panardintos į magnetinį lauką. Vidinis detektorius matuoja kiekvieno protono ir protono susidūrimo metu susidariusių elektriškai įkrautų dalelių kryptį, impulsą ir krūvį. Pagrindiniai vidinio detektoriaus elementai yra: pikselių detektorius, puslaidininkinis sekiklis (SCT) ir perėjimo spinduliuotės sekiklis (TRT).

Kalorimetrai matuoja energiją, kurią dalelė praranda, kai praeina pro detektorių. Jis sugeria daleles, susidarančias susidūrimo metu, taip užfiksuodamas jų energiją. Kalorimetrai susideda iš didelio tankio „sugeriančios“ medžiagos – švino – sluoksnių, besikeičiančių su „aktyviosios terpės“ – skysto argono – sluoksniais. Elektromagnetiniai kalorimetrai matuoja elektronų ir fotonų energiją, kai jie sąveikauja su medžiaga. Hadronų kalorimetrai matuoja hadronų energiją, kai jie sąveikauja su atominiais branduoliais. Kalorimetrai gali sustabdyti daugumą žinomų dalelių, išskyrus miuonus ir neutrinus.

LAr (Liquid Argon Calorimeter) – ATLAS kalorimetras

Miuonų spektrometras – susideda iš 4000 atskirų miuonų kamerų, naudojančių keturias skirtingas technologijas miuonams identifikuoti ir jų momentui matuoti. Miuonai paprastai praeina per vidinį detektorių ir kalorimetrą, todėl reikalingas miuonų spektrometras.

ATLAS magnetinė sistema sulenkia daleles aplink skirtingus detektorių sistemų sluoksnius, todėl lengviau sekti dalelių pėdsakus.

ATLAS eksperimente (2012 m. vasario mėn.) dalyvauja daugiau nei 3000 mokslininkų iš 174 institucijų 38 šalyse.

CMS (kompaktiškas miuono solenoidas)

— yra bendros paskirties didelio hadronų greitintuvo (LHC) detektorius. Kaip ir ATLAS, jis turi plačią fizikos programą, pradedant nuo standartinio modelio (įskaitant Higgso bozono) tyrimo iki dalelių, kurios gali sudaryti tamsiąją medžiagą, paieškos. Nors CMS turi tuos pačius mokslinius tikslus kaip ir ATLAS eksperimentas, CMS naudoja skirtingus techninius sprendimus ir skirtingą magnetinės sistemos dizainą.

CMS detektorius yra pastatytas aplink didžiulį solenoidinį magnetą. Tai cilindrinė superlaidžio kabelio ritė, kuri sukuria 4 Tesla lauką, maždaug 100 000 kartų didesnį už Žemės magnetinį lauką. Lauką riboja plieninis „jungas“, kuris yra masyviausias detektoriaus komponentas, sveriantis 14 000 tonų. Visas detektorius yra 21 m ilgio, 15 m pločio ir 15 m aukščio Instaliaciją sudaro 4 pagrindiniai komponentai:

Solenoidinis magnetas yra didžiausias magnetas pasaulyje ir padeda lenkti įkrautų dalelių, išmestų iš smūgio taško, trajektoriją. Trajektorijos iškraipymas leidžia atskirti teigiamai ir neigiamai įkrautas daleles (nes jos lenkiasi priešingomis kryptimis), taip pat išmatuoti impulsą, kurio dydis priklauso nuo trajektorijos kreivumo. Didžiulis solenoido dydis leidžia sekiklį ir kalorimetrus patalpinti ritės viduje.
Silicon Tracker – susideda iš 75 milijonų atskirų elektroninių jutiklių, išdėstytų koncentriniais sluoksniais. Kai įkrauta dalelė skrenda per sekiklio sluoksnius, ji perduoda dalį energijos kiekvienam sluoksniui, derindama šiuos dalelės susidūrimo taškus su skirtingais sluoksniais, leidžia toliau nustatyti jos trajektoriją.
Kalorimetrai – elektronų ir hadronų, žr. ATLAS kalorimetrus.
Subdetektoriai – leidžia aptikti miuonus. Jas vaizduoja 1400 miuonų kamerų, išsidėsčiusių sluoksniais už ritės ribų, pakaitomis su metalinėmis „jungo“ plokštėmis.

CMS eksperimentas yra vienas didžiausių tarptautinių mokslo tyrimų istorijoje, kuriame dalyvauja 4300 žmonių: dalelių fizikų, inžinierių ir technikų, studentų ir pagalbinio personalo iš 182 institucijų, 42 šalių (2014 m. vasario mėn.).

ALISA (didelio jonų greitintuvo eksperimentas)

- yra sunkiųjų jonų detektorius ant Didžiojo hadronų greitintuvo (LHC) žiedų. Jis skirtas tirti stipriai sąveikaujančios medžiagos fiziką esant ekstremaliam energijos tankiui, kai susidaro medžiagos fazė, vadinama kvarko-gliuono plazma.

Visa įprastinė medžiaga šiandieninėje visatoje yra sudaryta iš atomų. Kiekviename atome yra protonų ir neutronų branduolys (išskyrus vandenilį, kuris neturi neutronų), apsuptas elektronų debesies. Protonai ir neutronai, savo ruožtu, yra sudaryti iš kvarkų, sujungtų su kitomis dalelėmis, vadinamomis gliuonais. Niekada nebuvo pastebėtas kvarkas atskirai: atrodo, kad kvarkai, kaip ir gliuonai, yra nuolat sujungti ir apriboti sudedamosiomis dalelėmis, tokiomis kaip protonai ir neutronai. Tai vadinama uždarymu.

Susidūrimai LHC sukuria daugiau nei 100 000 kartų aukštesnę temperatūrą nei Saulės centre. Greitintuvas įgalina susidūrimus tarp švino jonų, atkuriant sąlygas, panašias į tas, kurios įvyko iškart po Didžiojo sprogimo. Esant tokioms ekstremalioms sąlygoms, protonai ir neutronai „tirpsta“, išlaisvindami kvarkus nuo ryšių su gliuonais. Tai kvarko-gliuono plazma.

ALICE eksperimentui naudojamas 10 000 tonų sveriantis 26 m ilgio, 16 m aukščio ir 16 m pločio detektorius. Prietaisą sudaro trys pagrindiniai komponentų rinkiniai: sekimo prietaisai, kalorimetrai ir dalelių identifikatorių detektoriai. Jis taip pat padalintas į 18 modulių. Detektorius yra tunelyje, esančiame 56 m gylyje, netoli Saint-Denis-Pouilly kaimo Prancūzijoje.

Eksperimente dalyvauja daugiau nei 1000 mokslininkų iš daugiau nei 100 fizikos institutų 30 šalių.

LHCb (didelio hadronų greitintuvo grožio eksperimentas)

– Eksperimente tiriami nedideli materijos ir antimaterijos skirtumai, tiriant dalelių tipą, vadinamą grožio kvarku arba b kvarku.

Užuot apsupę visą susidūrimo tašką uždaru detektoriumi, pvz., ATLAS ir CMS, LHCb eksperimentas naudoja daugybę antrinių detektorių, kad aptiktų daugiausia į priekį nukreiptas daleles - tas, kurios buvo nukreiptos į priekį susidūrimo viena kryptimi. Pirmasis antrinis detektorius sumontuotas arti susidūrimo vietos, o kiti vienas po kito 20 metrų atstumu.

LHC sukuria daugybę įvairių tipų kvarkų, kol jie greitai suyra į kitas formas. Norėdami sugauti b kvarkus, buvo sukurti sudėtingi judančio sekimo detektoriai, skirti LHCb, esantys netoli dalelių pluošto judėjimo per greitintuvą.

5600 tonų LHCb detektorius susideda iš tiesioginio spektrometro ir plokščių detektorių. Jis yra 21 metro ilgio, 10 metrų aukščio ir 13 metrų pločio ir yra 100 metrų po žeme. LHCb eksperimente (2013 m. spalio mėn.) dalyvauja apie 700 mokslininkų iš 66 skirtingų institutų ir universitetų.

Kiti eksperimentai greitintuve

Be pirmiau minėtų eksperimentų su dideliu hadronų greitintuvu, yra dar du eksperimentai su instaliacijomis:

LHCf (didysis hadronų greitintuvas į priekį)— tiria daleles, išmetamas į priekį susidūrus dalelių pluoštams. Jie imituoja kosminius spindulius, kuriuos mokslininkai tiria kaip eksperimento dalį. Kosminiai spinduliai yra natūraliai atsirandančios įkrautos dalelės iš kosmoso, nuolat bombarduojančios žemės atmosferą. Jie susiduria su branduoliais viršutiniuose atmosferos sluoksniuose, sukeldami dalelių kaskadą, pasiekiančią žemės lygį. Studijuodami, kaip susidūrimai LHC viduje sukuria tokias dalelių kaskadas, fizikai padės interpretuoti ir kalibruoti didelio masto kosminių spindulių eksperimentus, kurie gali apimti tūkstančius kilometrų.

LHCf sudaro du detektoriai, esantys išilgai LHC, už 140 metrų abiejose ATLAS smūgio taško pusėse. Kiekvienas iš dviejų detektorių sveria vos 40 kilogramų, jų ilgis – 30 cm, aukštis – 80 cm, plotis – 10 cm. LHCf eksperimente dalyvauja 30 mokslininkų iš 9 institutų 5 šalyse (2012 m. lapkritis).

TOTEMAS (bendras skerspjūvis, elastinė sklaida ir difrakcijos disociacija)- eksperimentas su ilgiausiu montavimu ant greitintuvo. Jo misija yra tirti pačius protonus, tiksliai išmatuojant protonus, susidariusius per mažo kampo susidūrimus. Šis regionas yra žinomas kaip „pirmyn“ kryptis ir nėra prieinamas kitiems LHC eksperimentams. TOTEM detektoriai tęsiasi beveik pusę kilometro aplink TVS sąveikos tašką. TOTEM turi beveik 3000 kg įrangos, įskaitant keturis branduolinius teleskopus, taip pat 26 romėniškus puodų detektorius. Pastarasis tipas leidžia detektorius išdėstyti kuo arčiau dalelių pluošto. TOTEM eksperimente dalyvauja maždaug 100 mokslininkų iš 16 institutų 8 šalyse (2014 m. rugpjūčio mėn.).

Kodėl reikalingas Didysis hadronų greitintuvas?

Didžiausia tarptautinė mokslinė instaliacija tiria daugybę fizinių problemų:

Viršutinių kvarkų tyrimas. Ši dalelė yra ne tik sunkiausias kvarkas, bet ir sunkiausia elementarioji dalelė. Viršutinio kvarko savybių tyrimas taip pat prasmingas, nes tai yra tyrimo įrankis.
Higso bozono paieška ir tyrimas. Nors CERN teigia, kad Higso bozonas jau buvo atrastas (2012 m.), apie jo prigimtį žinoma labai mažai ir tolesni tyrimai galėtų suteikti daugiau aiškumo jo veikimo mechanizmui.

Kvarko-gliuono plazmos tyrimas. Švino branduoliams susidūrus dideliu greičiu, greitintuve susidaro . Jos tyrimai gali duoti rezultatų, naudingų tiek branduolinei fizikai (tobulinama stiprios sąveikos teorija), tiek astrofizikai (tyrinėjant Visatą pirmaisiais jos egzistavimo momentais).
Ieškokite supersimetrijos. Šiuo tyrimu siekiama paneigti arba įrodyti „supersimetriją“, teoriją, kad kiekviena elementarioji dalelė turi sunkesnį partnerį, vadinamą „superdalele“.
Fotono-fotono ir fotono-hadrono susidūrimų tyrimas. Tai leis geriau suprasti tokių susidūrimų procesų mechanizmus.
Egzotinių teorijų tikrinimas. Šiai užduočių kategorijai priklauso pačios netradicinės – „egzotiškos“, pavyzdžiui, paralelinių visatų paieška kuriant mini juodąsias skyles.

Be šių užduočių, yra daugybė kitų, kurių sprendimas taip pat leis žmonijai geriau suprasti gamtą ir mus supantį pasaulį, o tai savo ruožtu atvers galimybes naujų technologijų kūrimui.

Praktinė Didžiojo hadronų greitintuvo ir fundamentinio mokslo nauda

Visų pirma, reikia pažymėti, kad fundamentiniai tyrimai prisideda prie fundamentinio mokslo. Taikomasis mokslas užsiima šių žinių pritaikymu. Visuomenės segmentas, kuris nežino fundamentinio mokslo naudos, dažnai nesuvokia Higso bozono atradimo ar kvarko-gliuono plazmos sukūrimo kaip kažko reikšmingo. Tokių studijų ryšys su paprasto žmogaus gyvenimu nėra akivaizdus. Pažvelkime į trumpą branduolinės energijos pavyzdį:

1896 m. prancūzų fizikas Antoine'as Henri Becquerel atrado radioaktyvumo reiškinį. Ilgą laiką buvo manoma, kad žmonija greitai nepradės naudoti pramonėje. Likus penkeriems metams iki pirmojo istorijoje branduolinio reaktoriaus paleidimo, didysis fizikas Ernestas Rutherfordas, iš tikrųjų atradęs atomo branduolį 1911 m., pasakė, kad atominė energija niekada neras savo pritaikymo. Ekspertams pavyko permąstyti savo požiūrį į atomo branduolyje esančią energiją 1939 m., kai vokiečių mokslininkai Lise Meitner ir Otto Hahn atrado, kad urano branduoliai, apšvitinti neutronais, skyla į dvi dalis, išskirdami didžiulį energijos kiekį – branduolinę. energijos.

Ir tik po šios paskutinės grandies fundamentaliųjų tyrimų serijoje įsijungė taikomasis mokslas, kuris, remdamasis šiais atradimais, išrado įrenginį branduolinei energijai gaminti – atominį reaktorių. Atradimo mastą galima įvertinti pažvelgus į atominių reaktorių pagaminamos elektros energijos dalį. Taigi, pavyzdžiui, Ukrainoje atominės elektrinės pagamina 56 proc. elektros energijos, o Prancūzijoje – 76 proc.

Visos naujos technologijos yra pagrįstos tam tikromis esminėmis žiniomis. Štai dar keli trumpi pavyzdžiai:

1895 metais Vilhelmas Konradas Rentgenas pastebėjo, kad veikiama rentgeno spindulių fotografinė plokštelė tamsėja. Šiandien rentgenografija yra vienas iš dažniausiai medicinoje naudojamų tyrimų, leidžiantis ištirti vidaus organų būklę, nustatyti infekcijas ir patinimus.
1915 m. Albertas Einšteinas pasiūlė savo. Šiandien į šią teoriją atsižvelgiama eksploatuojant GPS palydovus, kurie poros metrų tikslumu nustato objekto vietą. GPS naudojamas korinio ryšio, kartografijos, transporto stebėjimo, bet pirmiausia navigacijos srityse. Palydovo, kuris neatsižvelgia į bendrąjį reliatyvumą, paklaida nuo paleidimo momento padidėtų 10 kilometrų per dieną! Ir jei pėsčiasis gali naudotis savo protu ir popieriniu žemėlapiu, tada oro linijų pilotai atsidurs keblioje situacijoje, nes per debesis plaukioti neįmanoma.

Jei šiandien dar nerastas praktinis LHC atradimų pritaikymas, tai nereiškia, kad mokslininkai „veltui blaškosi prie greitintuvo“. Kaip žinia, protingas žmogus iš turimų žinių visada siekia maksimaliai pritaikyti gamtą, todėl LHC tyrimų metu sukauptos žinios apie gamtą anksčiau ar vėliau tikrai ras savo pritaikymą. Kaip jau buvo parodyta aukščiau, ryšys tarp esminių atradimų ir juos naudojančių technologijų kartais gali būti visai neaiškus.

Galiausiai atkreipkime dėmesį į vadinamuosius netiesioginius atradimus, kurie nėra keliami kaip pirminiai tyrimo tikslai. Jie pasitaiko gana dažnai, nes norint padaryti esminį atradimą, paprastai reikia įdiegti ir naudoti naujas technologijas. Taigi, optikos plėtrai paskatino fundamentiniai kosmoso tyrimai, pagrįsti astronomų stebėjimais per teleskopą. CERN atveju taip atsirado visur paplitusi technologija: internetas, Timo Bernerso-Lee pasiūlytas projektas 1989 m., kad būtų lengviau rasti CERN organizacijos duomenis.