Kaip sukurti hadronų greitintuvą namuose. Didelis hadronų greitintuvas (LHC arba LHC)

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 atidžiau 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 statomas 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):

Natalija Demina lankėsi Europos branduolinių tyrimų centre (CERN) jo 60-mečio išvakarėse. Ji įsitikinusi, kad po modernizavimo Didysis hadronų greitintuvas bus pasirengęs naujiems atradimams.

Aš niekada nevažinėjau dviračiu per Didįjį hadronų greitintuvo tunelį. Nors dvi dešimtys dviračių, pakabintų ant specialaus stovo ar atsiremtų į sieną, aiškiai laukė susidomėjusiųjų. Buvome tik apačioje, kai staiga pasigirdo sirena. Mūsų grupė buvo nedelsiant nuskubta į liftą, kuris mus iškėlė į paviršių, 90 metrų aukštyn. „Jeigu tunelyje kils gaisras, viskas bus užpildyta specialiomis putomis, kuriomis galėsite kvėpuoti., – nuramino mus linksmas lydintis žmogus Afrošveicaras Abdillah Abal. – Ar bandėte juo kvėpuoti?- paklausiau. — Ne!- atsakė jis, ir visi nusijuokė.

Į pastatą, kuriame vyksta eksperimentas ALISA, po kelių minučių atvyko ugniagesių komanda. Signalizacijos priežasties paieška tęsėsi apie valandą – paaiškėjo, kad tunelyje suveikė deguonies lygio jutiklis, tačiau leistis žemyn mums nebeleido.

Aš pats CERN atrodo kaip miestas, prie įėjimo jus pasitiks užtvara su apsaugininku, kuris patikrins jūsų leidimą ar rezervaciją vietiniame hostelio viešbutyje. „Anksčiau buvo lengviau, sako senbuviai. — Visa tai pasirodė tik po kelių nemalonių incidentų, tarp jų ir su žaliais.. Kokie dar incidentai? CERN yra atviras pasauliui kiekvieną dieną savo teritorijoje ir viduje muziejus („Mokslo ir inovacijų sfera“) Moksleiviai, studentai ir mokytojai atvyksta į ekskursijas ir jiems pasakojama apie vieno geriausių pasaulyje fizinių centrų praeitį, dabartį ir ateitį. Atrodo, kad CERN yra viskas: paštas, skanus nebrangus savitarnos restoranas, bankas, japoniškos sakuros ir rusiški beržai. Beveik rojus – ir darbuotojams, ir lankytojams. Tačiau taip pat yra nedaug žmonių, kuriems reikia „atsitikimų“, pavyzdžiui, oro, ir mes turime sugebėti tam kažkaip pagrįstai atsispirti.

Pats 27 kilometrų žiedas yra 50-150 m gylyje tiek Prancūzijos, tiek Šveicarijos teritorijoje. Iš Ženevos centro į CERN įprastu miesto tramvajumi nuvažiuosite vos per 20-30 minučių. Siena tarp dviejų šalių beveik nematoma ir iki šiol jos man nesakė: "Žiūrėk, čia yra siena", nebūčiau jos pastebėjęs. Automobiliai ir pėstieji važiuoja nesustodami. Pats vaikščiojau pirmyn atgal, nuo viešbučio iki CERN, juokdamasis iš savęs, kad važiuoju vakarieniauti iš Prancūzijos į Šveicariją.

Prieš atvykdamas į CERN, aš nežinojau apie Rusijos gynybos pramonės vaidmenį statant greitintuvą, kuris liko iš SSRS laikų. Taigi CMS detektoriaus hadrono galo kalorimetrui reikėjo pagaminti didelį kiekį specialių plokštelių iš žalvario. Kur galiu gauti žalvario? Paaiškėjo, kad Šiaurėje, mūsų karinio jūrų laivyno įmonėse, susikaupė daug panaudotų šovinių, todėl jos buvo išlydytos.

„Vienu metu, kai amerikiečiai grasino SSRS „žvaigždžių karais“, akademikas Velikhovas pasiūlė į orbitą iškelti lazerinius ginklus. Lazeriams reikėjo specialių kristalų“, – man pasakė Vladimiras Gavrilovas, CMS eksperimento vadovas iš Teorinės ir eksperimentinės fizikos instituto (ITEP). — Šiam projektui buvo pastatytos kelios gamyklos. Bet paskui viskas žlugo, gamyklos neturėjo ką veikti. Paaiškėjo, kad gamykla Bogoroditske, Tulos regione, gali pagaminti CMS reikalingus kristalus..

ATLAS IR TVS EKSPERIMENTAI

Dideliame hadronų greitintuve vyksta keturi dideli eksperimentai ( ATLAS, TVS, ALISA Ir LHCb) ir trys maži ( LHCf, MOEDAL Ir TOTEMAS). Duomenų srautas iš keturių didelių eksperimentų siekia 15 petabaitų (15 milijonų GB) per metus, o tam įrašyti reikėtų 20 kilometrų krūvos kompaktinių diskų. Garbė atrasti Higso bozoną kartu priklauso ATLAS ir CMS, šiame bendradarbiavime dalyvauja daug mokslininkų iš Rusijos. Vos per 60 metų CERN dirbo daugiau nei tūkstantis Rusijos specialistų. ATLAS detektorius yra tiesiog nuostabus: 35 m aukščio, 33 m pločio ir beveik 50 m ilgio. Nikolajus Ziminas, Jungtinio branduolinių tyrimų instituto Dubnoje darbuotojas ir šis eksperimentas, daug metų dirbęs CERN, detektorių palygino su milžiniška lizdančia lėle. „Kiekvienas iš viršutinių detektorių sluoksnių supa ankstesnįjį, stengdamasis kiek įmanoma labiau uždengti erdvinį kampą. Idealiu atveju turite įsitikinti, kad visas išbėgančias daleles galima sugauti ir kad detektoriuje būtų sumažintos „negyvos zonos“., – pabrėžia jis. Kiekviena detektorių posistemė, „detektorių sluoksniai“, registruoja tam tikras daleles, susidarančias protonų pluoštų susidūrimo metu.

Kiek „matrioškų“ yra dideliame „matrioškų detektoriuje“? Keturios didelės posistemės, įskaitant miuonų ir kalorimetro sistemas. Dėl to skleidžiama dalelė kerta apie 50 detektoriaus „registracijos sluoksnių“, kurių kiekvienas renka tą ar kitą informaciją. Mokslininkai nustato šių dalelių trajektoriją erdvėje, jų krūvius, greitį, masę ir energiją.

Protonų pluoštai susiduria tik tose vietose, kurios yra apsuptos detektorių kitose greitintuvo vietose skrenda lygiagrečiais vamzdžiais.

Spinduliai įsibėgėjo ir paleido į Didįjį hadronų greitintuvą 10 valandų, per tą laiką nukeliauja 10 milijardų km atstumą, kurio pakanka nukeliauti iki Neptūno ir atgal. Beveik šviesos greičiu skriejantys protonai 27 kilometrų žiede atlieka 11 245 apsisukimus per sekundę!

Iš injektoriaus išeinantys protonai praleidžiami per greitintuvų kaskadą, kol patenka į didelį žiedą. „CERN, skirtingai nei Rusijos centrai, sugebėjo panaudoti kiekvieną greitintuvą, rekordinį savo laikui, kaip išankstinį greitintuvą kitam“, pažymi Nikolajus Ziminas. Viskas prasidėjo nuo Protonų sinchrotronas (PS, 1959), tada buvo Superprotono sinchrotronas (SPS, 1976), Tada Didelis elektronų-pozitronų greitintuvas (LEP, 1989). Tada LEP buvo išpjautas iš tunelio taupant pinigus, o jo vietoje pastatytas Didysis hadronų greitintuvas. „Tada bus iškirstas LHC, pastatytas superinis LHC, jau yra tokių idėjų. O gal jie iš karto pradės statyti FCC (Future Circular Colliders) ir atsiras 100 kilometrų 50 TeV greitintuvas., – tęsia savo istoriją Ziminas.

„Kodėl čia viskas taip gerai organizuota saugumo požiūriu? Nes žemiau yra daug pavojų. Pirma, pats požemis yra 100 metrų gylyje. Antra, yra daug kriogeninių technologijų, kurios veikia su dviem magnetiniais laukais. Vieną iš jų sudaro centrinis superlaidus solenoidas, kuris turi būti aušinamas. Antra, didžiausi magnetiniai toroidai pasaulyje. Tai 25 metrų spurgos viena kryptimi, o 6 metrų – kita. Kiekvienas iš jų cirkuliuoja 20 kA srove. Ir juos taip pat reikia aušinti skystu heliu. Turime 1,6 GJ sukauptos magnetinio lauko energijos, todėl jei kas nors atsitiks, detektoriaus sunaikinimo pasekmės gali būti katastrofiškos. Detektoriaus pluošto kameroje yra didelis vakuumas, o jei jis sugenda, gali įvykti sprogimas., - kalba Nikolajus Ziminas.

„Čia yra viena tuščiausių (vakuuminiu požiūriu) vietų Saulės sistemoje ir viena šalčiausių Visatoje: 1,9 K (-271,3 °C). Tuo pačiu metu viena karščiausių vietų Galaktikoje., – taip mėgsta sakyti CERN, ir visa tai nėra perdėta. LHC turi didžiausią pasaulyje aušinimo sistemą, reikalingą 27 kilometrų žiedui palaikyti superlaidumo būseną. Vamzdžiuose, kuriais skrenda protonų pluoštai, sukuriamas itin didelis 10-12 atmosferų vakuumas, kad būtų išvengta susidūrimų su dujų molekulėmis.

BENDRADARBIAVIMO RESPUBLIKOS

Darbas Didžiajame hadronų greitintuve vyksta nuolatinės mokslinės konkurencijos tarp bendradarbiavimo sąlygomis. Bet Higgso bozoną vienu metu atrado ir ATLAS grupė, ir CMS grupė. Vladimiras Gavrilovas (TVS) pabrėžia dviejų nepriklausomų bendradarbiavimo, atliekančių šią užduotį, svarbą vienu metu. „Pranešimas, kad buvo rastas Higso bozonas, buvo paskelbtas tik po to, kai abu bendradarbiavimo rezultatai buvo gauti visiškai skirtingais būdais, tačiau nurodant maždaug tuos pačius parametrus, kurių tikslumas įmanomas dviem detektoriams. Dabar šis tikslumas didėja, o rezultatų sutapimas dar geresnis“.. „CERN ir bendradarbiavimas yra du skirtingi dalykai. CERN yra laboratorija, ji suteikia jums greitintuvą, o bendradarbiavimas yra atskiros mokslininkų valstybės, turinčios savo konstituciją, savo finansus ir valdymą. O prie detektorių dirbantys žmonės 90% yra ne CERN, o institutų darbuotojai, už jų darbą apmoka dalyvaujančios valstybės ir institutai, o CERN į bendradarbiavimą įtraukiamas tokiais pat pagrindais kaip ir kiti institutai., paaiškina Olegas Fedinas iš Sankt Peterburgo Branduolinės fizikos instituto.

DIDŽIOJO HADRONŲ GAITINIMO ATEITIS

jau greitintuvas neveikia jau pusantrų metų, inžinieriai ir technikai tikrina ir pakeičia įrangą. „Pirmąsias sijas ketiname paleisti 2015 m. sausio mėn. Nežinau, kada ateis pirmieji įdomūs rezultatai. Greitintuvo energija padidės beveik dvigubai – nuo 7 iki 13 TeV – tai iš tikrųjų yra nauja mašina., mums pasakė CERN generalinis direktorius Rolf-Dieter Heuer.

Ko Rolfas Heueris tikisi iš LHC paleidimo po modernizavimo? „Mano svajonė, kad čia, LHC, galėsime rasti tamsiosios medžiagos dalelių pėdsakų. Tai bus nuostabu. Bet tai tik svajonė! Negaliu garantuoti, kad rasime. Ir, žinoma, galime atrasti naujų dalykų. Viena vertus, yra standartinis modelis – jis nuostabiai gerai apibūdina pasaulį. Bet tai nieko nepaaiškina. Per daug parametrų įvesta rankiniu būdu. Standartinis modelis yra fantastiškas. Tačiau už standartinio modelio yra dar didesnė fantazija..

CERN 60-mečio išvakarėse Rolfas Heueris pažymi, kad visus šiuos metus mokslo centras gyveno vadovaudamasis šūkiu: „60 metų mokslo pasauliui“. Anot jo, „CERN to visiškai neignoravo, bet stengėsi laikytis kuo toliau nuo bet kokių politinių klausimų. Nuo pat CERN įkūrimo, kai buvo susiskaldymas tarp Vakarų ir Rytų, abiejų pusių atstovai čia galėjo dirbti kartu. Šiandien turime mokslininkų iš Izraelio ir Palestinos, Indijos ir Pakistano... Stengiamės likti nuošalyje nuo politikos, stengiamės dirbti kaip žmonijos atstovai, kaip normalūs žmonės“..

Šiame straipsnyje naudojama LHC vadovo brošiūra. Elektroninė versija – svetainėje

(arba TANKAS)– šiuo metu didžiausias ir galingiausias dalelių greitintuvas pasaulyje. Šis kolosas buvo paleistas 2008 m., tačiau ilgą laiką dirbo sumažintu pajėgumu. Išsiaiškinkime, kas tai yra ir kodėl mums reikia didelio hadronų greitintuvo.

Istorija, mitai ir faktai

Idėja sukurti greitintuvą buvo paskelbta 1984 m. O paties greitintuvo statybos projektas buvo patvirtintas ir priimtas jau 1995 m. Kūrimas priklauso Europos branduolinių tyrimų centrui (CERN). Apskritai greitintuvo paleidimas sulaukė didelio ne tik mokslininkų, bet ir paprastų žmonių iš viso pasaulio dėmesio. Jie kalbėjo apie visokias baimes ir siaubą, susijusią su susidūrimo įtaiso paleidimu.

Tačiau kažkas net ir dabar, labai tikėtina, laukia apokalipsės, susijusios su LHC darbu, ir krenta nuo minties, kas bus, jei sprogs Didysis hadronų greitintuvas. Nors visų pirma visi bijojo juodosios skylės, kuri iš pradžių, būdama mikroskopinė, išaugs ir saugiai sugers pirmiausia patį susidūrėją, o paskui – Šveicariją ir likusį pasaulį. Didelę paniką sukėlė ir susinaikinimo katastrofa. Grupė mokslininkų netgi padavė ieškinį, siekdami sustabdyti statybas. Pareiškime teigiama, kad antimedžiagos gumulėliai, kurie gali susidaryti greitintuve, pradės naikinti materiją, prasidės grandininė reakcija ir visa Visata bus sunaikinta. Kaip sakė žinomas veikėjas iš „Atgal į ateitį“:

Visa Visata, žinoma, yra blogiausiu atveju. Geriausiu atveju tik mūsų galaktika. Daktaras Emetas Brownas.

Dabar pabandykime suprasti, kodėl tai hadroninis? Faktas yra tas, kad jis veikia su hadronais, tiksliau, pagreitina, pagreitina ir susiduria su hadronais.

Hadronai– stipriai sąveikaujančių elementariųjų dalelių klasė. Hadronai yra pagaminti iš kvarkų.

Hadronai skirstomi į barionus ir mezonus. Kad būtų lengviau, tarkime, kad beveik visa mums žinoma medžiaga susideda iš barionų. Dar labiau supaprastinkime ir sakykime, kad barionai yra nukleonai (protonai ir neutronai, sudarantys atomo branduolį).

Kaip veikia Didysis hadronų greitintuvas

Mastelis labai įspūdingas. Kolideris yra apskritas tunelis, esantis po žeme šimto metrų gylyje. Didysis hadronų greitintuvas yra 26 659 metrų ilgio. Protonai, įsibėgėję iki artimo šviesos greičio, požeminiu ratu skrieja per Prancūzijos ir Šveicarijos teritoriją. Tiksliau sakant, tunelio gylis svyruoja nuo 50 iki 175 metrų. Superlaidieji magnetai naudojami skraidančių protonų spinduliams sufokusuoti ir talpinti, jų bendras ilgis siekia apie 22 kilometrus, o jie veikia –271 laipsnio Celsijaus temperatūroje.

Kolideryje yra 4 milžiniški detektoriai: ATLAS, CMS, ALICE ir LHCb. Be pagrindinių didelių detektorių, yra ir pagalbinių. Detektoriai skirti užfiksuoti dalelių susidūrimo rezultatus. Tai yra, po dviejų protonų susidūrimo beveik šviesos greičiu niekas nežino, ko tikėtis. Norint „pamatyti“, kas atsitiko, kur atšoko ir kiek nuskriejo, yra detektoriai, prikimšti įvairiausių jutiklių.

Didžiojo hadronų greitintuvo rezultatai.

Kodėl jums reikia greitintuvo? Na, tikrai ne tam, kad sunaikintume Žemę. Atrodytų, kokia prasmė susidurti dalelėms? Faktas yra tas, kad šiuolaikinėje fizikoje yra daug neatsakytų klausimų, o pasaulio tyrinėjimas pagreitintų dalelių pagalba gali tiesiogine prasme atverti naują tikrovės sluoksnį, suprasti pasaulio sandarą ir galbūt net atsakyti į pagrindinį klausimą. „Gyvenimo prasmė, Visata ir apskritai“.

Kokie atradimai jau buvo padaryti LHC? Garsiausias dalykas yra atradimas Higso bozonas(jam skirsime atskirą straipsnį). Be to, jie buvo atviri 5 naujos dalelės, buvo gauti pirmieji duomenys apie susidūrimus esant rekordinėms energijoms, parodytas protonų ir antiprotonų asimetrijos nebuvimas, aptiktos neįprastos protonų koreliacijos. Sąrašas tęsiasi ilgai. Tačiau mikroskopinių juodųjų skylių, kurios baugino namų šeimininkes, aptikti nepavyko.

Ir tai nepaisant to, kad greitintuvas dar nebuvo pagreitintas iki maksimalios galios. Šiuo metu didžiausia Didžiojo hadronų greitintuvo energija yra 13 TeV(tera elektronas-voltas). Tačiau tinkamai paruošus, protonus planuojama paspartinti 14 TeV. Palyginimui, LHC greitintuvuose-pirmtakiuose maksimalios gautos energijos neviršijo 1 TeV. Taip amerikietiškas Tevatron greitintuvas iš Ilinojaus galėtų pagreitinti daleles. Kolideryje pasiekiama energija toli gražu nėra didžiausia pasaulyje. Taigi Žemėje aptiktų kosminių spindulių energija milijardą kartų viršija greitintuve paspartintos dalelės energiją! Taigi, Didžiojo hadronų greitintuvo pavojus yra minimalus. Tikėtina, kad gavus visus atsakymus naudojant LHC, žmonija turės sukurti dar vieną galingesnį greitintuvą.

Draugai, mylėkite mokslą, ir jis tikrai jus mylės! Ir jie gali lengvai padėti jums įsimylėti mokslą. Paprašykite pagalbos ir leiskite studijoms suteikti jums džiaugsmo!

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 prie tunelio priėjo taip atsargiai, kad neatitikimas tarp dviejų tunelio galų tesiekė 1 centimetrą.

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-ąją įvyko oficialus LHC startas. 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 pagrindinio CERN objekto, 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 (Large Hadron Collider 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 matuojant protonus, susidariusius per mažo kampo susidūrimus. Šis regionas yra žinomas kaip „pirmyn“ kryptis ir yra neprieinamas 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 pėstysis gali naudotis savo protu ir popieriniu žemėlapiu, tada oro linijų pilotai atsidurs keblioje situacijoje, nes debesyse plaukioti neįmanoma.

Jei šiandien dar nėra rasta praktinio pritaikymo LHC padarytiems atradimams, tai nereiškia, kad mokslininkai „veltui blaškosi prie susidūrimo“. Kaip žinoma, 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 atkreipiame 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.

Didysis hadronų greitintuvas, veikiantis Šveicarijoje, yra garsiausias greitintuvas pasaulyje. Tai labai palengvino pasaulio bendruomenės ir žurnalistų sukeltas ažiotažas apie šio mokslinio projekto pavojų. Daugelis žmonių mano, kad tai vienintelis susidūrėjas pasaulyje, tačiau tai toli gražu netiesa. Be JAV uždaryto „Tevatron“, šiuo metu pasaulyje yra penki veikiantys greitintuvai.

Amerikoje RKTI (Relativistic Heavy Ion Collider) greitintuvas veikia Brookhaven laboratorijoje, kuri pradėjo veikti 2000 m. Norint jį pradėti eksploatuoti, reikėjo investuoti 2 mlrd. Be grynai teorinių eksperimentų, RHIC dirbantys fizikai kuria gana praktiškus projektus. Tarp jų:

aparatas vėžiui diagnozuoti ir gydyti (naudojant tikslinius pagreitintus protonus);
naudojant sunkiuosius jonų pluoštus, kad būtų sukurti filtrai molekuliniame lygmenyje;
vis efektyvesnių energijos kaupimo įrenginių kūrimas, o tai atveria naujas saulės energijos naudojimo perspektyvas.

Panašus sunkiųjų jonų greitintuvas statomas Rusijoje Dubnoje. Šiame NICA greitintuve Rusijos fizikai ketina tirti kvarko-gliuono plazmą.

Dabar Rusijos mokslininkai atlieka tyrimus Branduolinės fizikos institute, kur yra du greitintuvai – VEPP-4M ir VEPP-2000. Jų biudžetas yra 0,19 mlrd. USD pirmajam ir 0,1 mlrd. Pirmieji VEPP-4M bandymai prasidėjo dar 1994 m. Čia buvo sukurta technika, leidžianti didžiausiu visame pasaulyje tikslumu išmatuoti stebimų elementariųjų dalelių masę. Be to, BINP yra vienintelis institutas pasaulyje, kuris pats uždirba pinigų fundamentiniams fizikos tyrimams. Šio instituto mokslininkai kuria ir parduoda greitintuvų įrangą kitoms šalims, kurios nori turėti savo eksperimentinius įrenginius, bet neturi tokių įrenginių.

1999 m. Frascatti laboratorijoje (Italija) buvo paleistas greitintuvas Daphne, jo kaina buvo apie 1/5 milijardo dolerių, o didžiausia jo galia – 0,51 TeV. Tai buvo vienas pirmųjų didelės energijos greitintuvų, jame buvo gauta daugiau nei šimtas tūkstančių hiperjonų (atominių dalelių). Už tai Daphne buvo pavadinta dalelių gamykla arba f gamykla.

Likus dvejiems metams iki LHC paleidimo, 2006 m. Kinija paleido savo greitintuvą VERS II, kurio galia buvo 2,5 TeV. Šios statybos kaina buvo rekordiškai maža ir siekė 0,08 mlrd. Tačiau šios besivystančios šalies biudžetui tokia suma nebuvo nereikšminga; Kinijos vyriausybė skyrė šias lėšas, suprasdama, kad be fundamentinių mokslo šakų plėtros šiuolaikinės pramonės plėtra neįmanoma. Atsižvelgiant į gamtos išteklių išeikvojimą ir didėjantį energijos poreikį, dar skubiau investuoti į šią eksperimentinės fizikos sritį.