Коллайдер что это такое
Большой адронный коллайдер — Википедия
| Large Hadron Collider | |
|---|---|
| Фрагмент LHC, сектор 3-4 | |
| Тип | Синхротрон |
| Назначение | Коллайдер |
| Страна | Швейцария/ Франция |
| Лаборатория | ЦЕРН |
| Годы работы | 2008 - |
| Эксперименты | |
| Частицы | p×p, Pb82+×Pb82+ |
| Энергия | 6,5 ТэВ |
| Периметр/длина | 26 659 м |
| Эмиттансы | 0,3 нм |
| Светимость | 2•1034 см−2c−1 |
| Географические координаты | 46°14′ с. ш. 6°03′ в. д.HGЯOL |
| Сайт | home.cern/topics/large-h… public.web.cern.ch/publi… |
| Медиафайлы на Викискладе | |
Большо́й адро́нный колла́йдер, сокращённо БАК (англ. Large Hadron Collider, сокращённо LHC) — ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в ЦЕРНе (Европейский совет ядерных исследований), находящемся около Женевы, на границе Швейцарии и Франции. БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 тысяч учёных и инженеров более чем из 100 стран[1], в том числе из России — 12 институтов и 2 федеральных ядерных центра (ВНИИТФ, ВНИИЯФ).
«Большим» назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м[2]; «адронным» — из-за того, что ускоряет адроны: протоны и тяжелые ядра атомов; «коллайдером» (англ. collider — сталкиватель) — из-за того, что два пучка ускоренных частиц сталкиваются во встречных направлениях в специальных местах столкновения — внутри детекторов элементарных частиц[3].
Детекторы элементарных частиц, предускорители БАК, ускорители БАК.Траектории протонов p и ионов свинца Pb начинаются в линейных ускорителях частиц (в точках p и Pb, соответственно). Далее частицы ускоряются в бустере протонного синхротрона (PS), далее в протонном суперсинхротроне (SPS) и, наконец, в кольцевых ускорителях БАК. Детекторы TOTEM и LHCf, отсутствующие на схеме, находятся рядом с детекторами CMS и ATLAS соответственно
Google Street View в сентябре 2013 года получил панорамные снимки коллайдера[4].
Основной источник: [5][6]Главная задача Большого адронного коллайдера — достоверно обнаружить хоть какие-нибудь отклонения от Стандартной модели[7].
Современное состояние в физике элементарных частиц[править | править код]
Карта с нанесённым на неё расположением Коллайдера В конце 1970-х годов физикам удалось разработать Стандартную модель (СМ), которая объединяет три из четырёх фундаментальных взаимодействий — сильное, слабое и электромагнитное. Гравитационное взаимодействие по-прежнему описывают в терминах ОТО. Таким образом, в настоящее время фундаментальные взаимодействия описываются двумя общепринятыми теориями: ОТО и СМ. Их объединения пока достичь не удалось из-за трудностей создания теории квантовой гравитации.
Поиск Новой физики[править | править код]
Как сказано выше, СМ не может считаться окончательной теорией элементарных частиц. Она должна быть частью некоторой более глубокой теории строения микромира, той частью, которая видна в экспериментах на коллайдерах при энергиях ниже примерно 1 ТэВ. Такие теории коллективно называют «Новая физика» или «За пределами Стандартной модели». Главная задача Большого адронного коллайдера — получить хотя бы первые намеки на то, что это более глубокая теория[8].
Для дальнейшего объединения фундаментальных взаимодействий в одной теории используются различные подходы: теория струн, получившая своё развитие в М-теории (теории бран), теория супергравитации, петлевая квантовая гравитация и др. Некоторые из них имеют внутренние проблемы, и ни у одной из них нет экспериментального подтверждения. Проблема в том, что для проведения соответствующих экспериментов нужны энергии сталкивающихся частиц, недостижимые на современных ускорителях заряженных частиц.
БАК позволит провести эксперименты, которые ранее были невозможны, и с помощью которых можно будет подтвердить или опровергнуть некоторые из этих теорий. Так, существует физические теории с размерностями больше четырёх, которые предполагают существование «суперсимметрии» — например, теория струн, которую иногда называют теорией суперструн именно из-за того, что без суперсимметрии она утрачивает физический смысл. Подтверждение существования суперсимметрии, таким образом, будет косвенным подтверждением истинности этих теорий.
Изучение топ-кварков[править | править код]
Топ-кварк — самый тяжёлый кварк и, более того, это самая тяжёлая из открытых пока элементарных частиц. Согласно последним результатам Тэватрона[9], его масса составляет 173,1 ± 1,3 ГэВ/c². Из-за своей большой массы топ-кварк до сих пор наблюдался пока лишь на одном ускорителе — Тэватроне, на других ускорителях просто не хватало энергии для его рождения. Кроме того, топ-кварки интересуют физиков не только сами по себе, но и как «рабочий инструмент» для изучения бозона Хиггса. Один из наиболее важных каналов рождения бозона Хиггса в БАК — ассоциативное рождение вместе с топ-кварк-антикварковой парой. Для того, чтобы надёжно отделять такие события от фона, предварительно необходимо изучение свойств самих топ-кварков.
Изучение механизма электрослабой симметрии[править | править код]
Диаграммы Фейнмана, показывающие возможные варианты рождения W- и Z-бозонов, которые в совокупности образуют нейтральный бозон ХиггсаОдной из основных целей проекта является экспериментальное доказательство существования бозона Хиггса — частицы, предсказанной шотландским физиком Питером Хиггсом в 1964 году в рамках Стандартной модели. Бозон Хиггса является квантом так называемого поля Хиггса, при прохождении через которое частицы испытывают сопротивление, представляемое нами как поправки к массе [10]. Сам бозон нестабилен и имеет большу́ю массу (более 120 ГэВ / c²). Физиков интересует не столько сам бозон Хиггса, сколько хиггсовский механизм нарушения симметрии электрослабого взаимодействия.
Изучение кварк-глюонной плазмы[править | править код]
Ожидается, что примерно в течение одного месяца в году ускоритель будет использоваться для ускорения тяжёлых ионов. В течение этого времени коллайдер будет разгонять и сталкивать в детекторах не протоны, а ионы свинца. При неупругом столкновении двух ядер на ультрарелятивистских скоростях образуется и затем распадается плотный и очень горячий комок ядерного вещества. Понимание происходящих при этом явлений (переход вещества в состояние кварк-глюонной плазмы и её остывание) нужно для построения более совершенной теории сильных взаимодействий, которая окажется полезной как для ядерной физики, так и для астрофизики.
Поиск суперсимметрии[править | править код]
Первым значительным научным достижением экспериментов на БАК может стать доказательство или опровержение «суперсимметрии» — теории, гласящей, что любая элементарная частица имеет гораздо более тяжёлого партнера, или «суперчастицу».
Изучение фотон-адронных и фотон-фотонных столкновений[править | править код]
Электромагнитное взаимодействие частиц описывается как обмен (в ряде случаев виртуальными) фотонами. Другими словами, фотоны являются переносчиками электромагнитного поля. Протоны электрически заряжены и окружены электростатическим полем, соответственно это поле можно рассматривать как облако виртуальных фотонов. Всякий протон, особенно релятивистский протон, включает в себя облако виртуальных частиц как составную часть. При столкновении протонов между собой взаимодействуют и виртуальные частицы, окружающие каждый из протонов. Математически процесс взаимодействия частиц описывается длинным рядом поправок, каждая из которых описывает взаимодействие посредством виртуальных частиц определённого типа (см.: диаграммы Фейнмана). Таким образом, при исследовании столкновения протонов косвенно изучается и взаимодействие вещества с фотонами высоких энергий, представляющее большой интерес для теоретической физики[11]. Также рассматривается особый класс реакций — непосредственное взаимодействие двух фотонов, которые могут столкнуться как со встречным протоном, порождая типичные фотон-адронные столкновения, так и друг с другом.
В режиме ядерных столкновений, из-за большого электрического заряда ядра, влияние электромагнитных процессов имеет ещё большее значение.
Проверка экзотических теорий[править | править код]
Теоретики в конце XX века выдвинули огромное число необычных идей относительно устройства мира, которые все вместе называются «экзотическими моделями». Сюда относятся теории с сильной гравитацией на масштабе энергий порядка 1 ТэВ, модели с большим количеством пространственных измерений, преонные модели, в которых кварки и лептоны сами состоят из частиц, модели с новыми типами взаимодействия. Дело в том, что накопленных экспериментальных данных оказывается всё ещё недостаточно для создания одной-единственной теории. А сами все эти теории совместимы с имеющимися экспериментальными данными. Поскольку в этих теориях можно сделать конкретные предсказания для БАК, экспериментаторы планируют проверять предсказания и искать следы тех или иных теорий в своих данных. Ожидается, что результаты, полученные на ускорителе, смогут ограничить фантазию теоретиков, закрыв некоторые из предложенных построений.
Предлагается осуществлять поиск параллельных вселенных. По мнению учёных для этих целей необходимо создание в БАК мини-чёрных дыр. Планируется, после модернизации, увеличение возможности коллайдера работать с энергиями до 14 ТэВ.[12]
Другое[править | править код]
Также ожидается обнаружение физических явлений вне рамок Стандартной Модели. Планируется исследование свойств W и Z-бозонов, ядерных взаимодействий при сверхвысоких энергиях, процессов рождения и распадов тяжёлых кварков (b и t).
Ускоритель рассчитывался на столкновения протонов с суммарной энергией 14 ТэВ (то есть 14 тераэлектронвольт или 14⋅1012 электронвольт) в системе центра масс налетающих частиц, а также на столкновения ядер свинца с энергией 10 ТэВ (10⋅1012 электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов [источник не указан 1213 дней]. На конец 2016 года БАК, в котором энергия столкновений протонов лишь чуть ниже проектной, уже заметно превосходит предыдущего рекордсмена — протон-антипротонный коллайдер Тэватрон, который до конца 2011 года работал в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (США). Также на порядок удалось превзойти по энергии остальные коллайдеры, в том числе и релятивистский коллайдер тяжёлых ионов RHIC, работающий в Брукхейвенской лаборатории (США).
Достигнутая к концу 2016 года светимость коллайдера несколько превосходит проектную светимость в 1⋅1034 /см²•с[13], что по порядку величины соответствует светимостям BaBar (SLAC, США) и Belle (KEK, Япония).
Ускоритель расположен в том же туннеле, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер. Туннель с длиной окружности 26,7 км проложен под землёй на территории Франции и Швейцарии. Глубина залегания туннеля — от 50 до 175 метров, причём кольцо туннеля наклонено примерно на 1,4 % относительно поверхности земли. Для удержания, коррекции и фокусировки протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км. Магниты работают при температуре 1,9 K (−271 °C), что немного ниже температуры перехода гелия в сверхтекучее состояние.
Подземный зал, в котором смонтирован детектор ATLAS (октябрь 2004 года)Процесс ускорения частиц в коллайдере[править | править код]
Скорость частиц в БАК на встречных пучках близка к скорости света в вакууме. Разгон частиц до таких больших энергий достигается в несколько этапов. На первом этапе низкоэнергетичные линейные ускорители Linac 2 и Linac 3 производят инжекцию протонов или ионов свинца, сгруппированных в сгустки, в бустер протонного синхротрона PS и далее в сам PS (протонный синхротрон), в котором они приобретают энергию 28 ГэВ. При этой энергии они движутся со скоростью, близкой к световой. Далее ускорение частиц продолжается в кольцевом ускорителе SPS (протонный суперсинхротрон), где каждая из частиц сгустка приобретает энергию 450 ГэВ. Затем протонный пучок[14] направляют в главное 26,7-километровое кольцо, доводя энергию протонов до максимальных 7 ТэВ, и далее в заданный момент времени встречные пучки отклоняются так, чтобы их место столкновения находилось внутри выбранного детектора, регистрирующего частицы, образованные в результате столкновений. Два встречных пучка протонов при полном заполнении могут содержать 2808 сгустков каждый. Сгустки располагаются в постоянных позициях относительно друг друга, которые синхронно движутся вдоль кольца. Сгустки в определённой последовательности могут сталкиваться в ряде точек кольца, в четырёх из которых построены детекторы частиц[15].
Кинетическая энергия всех сгустков адронов в БАКе при полном его заполнении сравнима с кинетической энергией реактивного самолета, хотя масса покоя всех частиц не превышает нанограмма и их даже нельзя увидеть невооружённым глазом. Такая энергия достигается за счёт скорости частиц, близкой к скорости света[16]. Скорость протонов с энергией 7 ТэВ всего на 3 метра в секунду меньше, чем скорость света (c).[17]
Сгустки проходят полный круг ускорителя быстрее, чем за 0,0001 сек, совершая, таким образом, свыше 10 тыс. оборотов в секунду[18].
Детекторы[править | править код]
Установка модуля YE+2 детектора CMS[19] (декабрь 2006 года)На БАК работают 4 основных и 3 вспомогательных детектора:
- ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
- ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)
- CMS (Compact Muon Solenoid)
- LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment)
- TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement)
- LHCf (The Large Hadron Collider forward)
- MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC).
ATLAS, CMS, ALICE, LHCb — большие детекторы, расположенные вокруг точек столкновения пучков. Детекторы TOTEM и LHCf — вспомогательные, находятся на удалении в несколько десятков метров от точек пересечения пучков, занимаемых детекторами CMS и ATLAS соответственно, и будут использоваться попутно с основными.
Детекторы ATLAS и CMS — детекторы общего назначения, предназначены для поиска бозона Хиггса и «нестандартной физики», в частности тёмной материи, ALICE — для изучения кварк-глюонной плазмы в столкновениях тяжёлых ионов свинца, LHCb — для исследования физики b-кварков, что позволит лучше понять различия между материей и антиматерией, TOTEM — предназначен для изучения рассеяния частиц на малые углы, таких что происходит при близких пролётах без столкновений (так называемые несталкивающиеся частицы, forward particles), что позволяет точнее измерить размер протонов, а также контролировать светимость коллайдера, и, наконец, LHCf — для исследования космических лучей, моделируемых с помощью тех же несталкивающихся частиц[20].
С работой БАК связан также седьмой, совсем незначительный в плане бюджета и сложности, детектор (эксперимент) MoEDAL[21], предназначенный для поиска медленно движущихся тяжёлых частиц.
Во время работы коллайдера столкновения проводятся одновременно во всех четырёх точках пересечения пучков, независимо от типа ускоряемых частиц (протоны или ядра). При этом все детекторы одновременно набирают статистику.
Потребление энергии[править | править код]
Во время работы коллайдера расчётное потребление энергии составит 180 МВт. Предположительные энергозатраты всего ЦЕРН на 2009 год с учётом работающего коллайдера — 1000 ГВт•ч, из которых 700 ГВт•ч придётся на долю ускорителя. Эти энергозатраты — около 10 % от общего годового энергопотребления кантона Женева. Сам ЦЕРН не производит энергию, имея лишь резервные дизельные генераторы.
Вопросы безопасности[править | править код]
Значительная доля внимания со стороны представителей общественности и СМИ связана с обсуждением катастроф, которые могут произойти в связи с функционированием БАК. Наиболее часто обсуждается опасность возникновения микроскопических чёрных дыр с последующей цепной реакцией захвата окружающей материи, а также угроза возникновения страпелек, гипотетически способных преобразовать в страпельки всю материю Вселенной[22].
27-километровый подземный тоннель, предназначенный для размещения ускорителя БАКСтроительство[править | править код]
Идея проекта Большого адронного коллайдера родилась в 1984 году и была официально одобрена десятью годами позже. Его строительство началось в 2001 году, после окончания работы предыдущего ускорителя — Большого электрон-позитронного коллайдера[23].
Руководитель проекта — Линдон Эванс.
19 ноября 2006 года закончено строительство специальной криогенной линии для охлаждения магнитов[23].
27 ноября 2006 года в туннеле был установлен последний сверхпроводящий магнит[23].
Испытания и эксплуатация[править | править код]
2008 год. Запуск. Авария[править | править код]
К середине сентября 2008 года была успешно завершена первая часть предварительных испытаний[24]. Команде БАК удалось запустить и непрерывно удерживать циркулирующий пучок.[25] Запущенные пучки протонов успешно прошли весь периметр коллайдера по и против часовой стрелки[26]. Это позволило 10 сентября объявить об официальном запуске коллайдера.[27][28] Однако менее чем через 2 недели после этого в ходе испытаний магнитной системы 19 сентября произошла авария, в результате которой БАК вышел из строя[29]. Один из электрических контактов между сверхпроводящими магнитами расплавился под действием возникшей из-за увеличения силы тока электрической дуги, которая пробила изоляцию гелиевой системы охлаждения (криогенной системы), что привело к деформации конструкций, загрязнению внутренней поверхности вакуумной трубы частичками металла, а также выбросу около 6 тонн жидкого гелия в туннель. Эта авария заставила остановить коллайдер на ремонт, который занял остаток 2008 и бо́льшую часть 2009 года.
2009—2014 годы. Работа на пониженной энергии (Run1)[править | править код]
В 2009—2013 годы коллайдер работал на пониженной энергии. Сначала протон-протонные столкновения проводились на весьма скромной по меркам БАК энергии 1180 ГэВ на каждый пучок[30], что тем не менее позволило БАК побить предыдущий рекорд, принадлежавший ускорителю Тэватрон. Вскоре после этого энергия пучков была поднята до 3,5 ТэВ[31], а потом, в 2012 году, энергия пучков достигла 4 ТэВ[32]. Кроме рекорда по энергии протонов в пучках, попутно на БАК был установлен мировой рекорд пиковой светимости для адронных коллайдеров — 4,67⋅1032 см−2•сек−1; предыдущий рекорд также был установлен на Тэватроне[33]. Наиболее известным научным результатом работы коллайдера за этот период стало открытие Бозон Хиггса[34][35][36].
Этапы набора статистики в протон-протонных столкновениях чередовались с периодами столкновения тяжёлых ионов (ионов свинца)[37][38]. Также коллайдер проводил протон-ионные столкновения[39].
Практически целиком 2013—2014 годы заняла модернизация коллайдера, в ходе которой столкновения не проводились.
2015—2018 годы (Run2)[править | править код]
В 2015 году протоны были разогнаны до 6,5 ТэВ и начался сбор научных данных на полной энергии столкновений 13 ТэВ. С ежегодными перерывами на зиму, собирается статистика протон-протонных столкновений. Конец года принято отдать физике тяжелых ионов. Так, в ноябре и начале декабря 2016 г. около месяца проводились столкновения протонов с ядрами свинца[40], в конце 2017 года в режиме ядерных столкновений была получена информация по столкновению более лёгких ядер, по отношению к ядрам свинца, которые сталкивались в предыдущие годы, по плану в конце 2018 года тоже должны сталкиваться ядра свинца[источник не указан 811 дней].
Планы развития[править | править код]
До 2018 года БАК будет набирать статистику на энергии 13—14 ТэВ, план набора интегральной светимости 150 фб−1. Далее следует остановка на 2 года для модернизации каскада предварительных ускорителей с целью повышения доступной интенсивности пучков, в первую очередь SPS, а также проведение первой фазы апгрейда детекторов, что позволит повысить светимость коллайдера вдвое. С начала 2021 года до конца 2023 года следует набор статистики на энергии 14 ТэВ объёмом 300 фб−1, после чего планируется остановка на 2,5 года для значительной модернизации как ускорителя, так и детекторов (проект HL-LHC — High Luminocity LHC[41][42]). Предполагается повысить светимость ещё в 5—7 раз, за счёт увеличения интенсивности пучков и значительного усиления фокусировки в месте встречи. После запуска HL-LHC в 2026 году набор светимости продлится в течение нескольких лет, заявленная цель — 3000 фб−1.
Также обсуждается возможность проведения столкновений протонов и электронов (проект LHeC)[43]. Для этого потребуется пристроить линию ускорения электронов. Обсуждаются два варианта: пристройка линейного ускорителя электронов и размещение кольцевого ускорителя в том же тоннеле, что и LHC. Ближайшим из реализованных аналогов LHeC является немецкий электрон-протонный коллайдер HERA. Отмечается, что в отличие от протон-протонных столкновений, рассеяние электрона на протоне — это очень «чистый» процесс, позволяющий изучать партонную структуру протона намного внимательнее и аккуратнее.
Считается что с учётом всех модернизаций LHC проработает до 2034 года, но уже в 2014 году в ЦЕРНе было принято решение проработать варианты дальнейшего развития в области физики высоких энергий. Начато изучение возможности строительства коллайдера периметром до 100 км[44][45]. Проект получил название FCC (Future Circular Collider), он объединяет последовательное создание электрон-позитронной машины (FCC-ee) с энергией 45—175 ГэВ в пучке для изучения Z-, W-, Хиггс-бозонов и t-кварка, а затем, в том же тоннеле, адронного коллайдера (FCC-hh) на энергию до 100 ТэВ[46].
Для управления, хранения и обработки данных, которые будут поступать с ускорителя БАК и детекторов, создаётся распределённая вычислительная сеть LCG (англ. LHC Computing GRID), использующая технологию грид. Для определённых вычислительных задач (расчет и корректировка параметров магнитов путём моделирования движения протонов в магнитном поле) задействован проект распределённых вычислений LHC@home. Также рассматривалась возможность использования проекта LHC@home для обработки полученных экспериментальных данных, однако основные сложности связаны с большим объёмом информации, необходимым для передачи на удаленные компьютеры (сотни гигабайт). В рамках проекта распределенных вычислений LHC@Home 2.0 (Test4Theory) производится моделирование столкновений пучков протонов с целью сопоставления полученных модельных и экспериментальных данных.
Основной источник: [47]Благодаря большей энергии по сравнению с предшествовавшими коллайдерами, БАК позволил «заглянуть» в недоступную ранее область энергий и получить научные результаты, накладывающие ограничения на ряд теоретических моделей.
Краткий перечень научных результатов, полученных на коллайдере[48]:
- открыт Бозон Хиггса, его масса определена как 125,09 ± 0,21 ГэВ[35][36][49];
- при энергиях до 8 ТэВ изучены основные статистические характеристики протонных столкновений — количество рождённых адронов, их распределение по быстроте, бозе-эйнштейновские корреляции мезонов, дальние угловые корреляции, вероятность остановки протона;
- показано отсутствие асимметрии протонов и антипротонов[50];
- обнаружены необычные корреляции протонов, вылетающих в существенно разных направлениях[51];
- получены ограничения на возможные контактные взаимодействия кварков[52];
- получены более веские, по сравнению с предыдущими экспериментами[53], признаки возникновения кварк-глюонной плазмы в ядерных столкновениях[54];
- исследованы события рождения адронных струй;
- подтверждено существование топ-кварка, ранее наблюдавшегося только на Тэватроне;
- обнаружено два новых канала распада Bs-мезонов[55][56], получены оценки вероятностей сверхредких распадов B- и Bs-мезонов на мюон-антимюонные пары[57][58];
- открыты новые, теоретически предсказанные частицы χb(3P){\displaystyle \chi _{b}(3P)}[59], Ξb∗0{\displaystyle \Xi _{b}^{*0}}[60], Λb0∗(5912){\displaystyle \Lambda _{b}^{0*}(5912)} и Λb0∗(5920){\displaystyle \Lambda _{b}^{0*}(5920)}[61];
- получены первые данные протон-ионных столкновений на рекордной энергии[39], обнаружены угловые корреляции, ранее наблюдавшиеся в протон-протонных столкновениях[62][63];
- объявлено о наблюдении частицы Y(4140), ранее наблюдавшейся лишь на Тэватроне в 2009 г[64].
Также, были предприняты попытки обнаружить следующие гипотетические объекты[65]:
Несмотря на безуспешный итог поиска указанных объектов, были получены более строгие ограничения на минимально возможную массу каждого из них. По мере накопления статистики, ограничения на минимальную массу перечисленных объектов становятся жестче.
- Прочие результаты
- Результаты работы эксперимента LHCf, работавшего в первые недели после запуска БАК, показали, что энергетическое распределение фотонов в области от нуля до 3,5 ТэВ плохо описывается программами, моделирующими данный процесс, приводя к расхождениям между реальными и модельными данными в 2—3 раза (для самой высокой энергии фотонов, от 3 до 3,5 ТэВ, все модели дают предсказания, почти на порядок превышающие реальные данные)[71].
- 15 ноября 2012 коллаборацией CMS было объявлено о наблюдении частицы Y(4140) с массой 4148,2 ± 2,0 (стат) ± 4,6 (сист) МэВ/c² (статистическая значимость более 5σ), ранее наблюдавшейся лишь на Тэватроне в 2009 г. Наблюдения сделаны в ходе обработки статистики 5,2 фб−1 столкновений протонов на энергии 7 ТэВ. Наблюдаемый распад данной частицы на J/ψ-мезон и Фи-мезон не описывается в рамках Стандартной модели[64][72].
- 14 июля 2015 года коллаборацией LHCb было объявлено об открытии класса частиц, известного как пентакварки.[73][74]
В 2001 году ожидалось, что общая стоимость проекта составит около 4,6 млрд швейцарских франков (3 млрд евро) за сам ускоритель (без детекторов) и 1,1 млрд швейцарских франков (700 млн евро) составит доля ЦЕРН в проведении экспериментов (то есть в строительстве и обслуживании детекторов)[75].
Строительство БАК было одобрено в 1995 году с бюджетом 2,6 млрд швейцарских франков (1,6 млрд евро) и дополнительными 210 млн швейцарских франков (140 млн евро) на эксперименты (то есть детекторы, сбор и обработку данных). В 2001 году эти расходы были увеличены на 480 млн франков (300 млн евро) в части ускорителя и 50 млн франков (30 млн евро) в части экспериментов (расходы, относящиеся непосредственно к ЦЕРН), что вследствие сокращения бюджета ЦЕРН привело к сдвигу планируемых сроков введения с 2005 года на апрель 2007 года[76].
Бюджет проекта по состоянию на ноябрь 2009 года составил 6 млрд долл. для строительства установки, которое продолжалось семь лет. Ускоритель частиц создавался под руководством ЦЕРН. В проекте было задействовано примерно 700[77] специалистов из России, которые участвовали в разработке детекторов БАК[78]. Общая стоимость заказов, которые получили российские предприятия, по некоторым оценкам достигала 120 млн долл[79].
Официальная стоимость проекта БАК не включает стоимость ранее существовавших в ЦЕРН инфраструктуры и наработок. Так, основное оборудование БАК смонтировано в тоннеле ранее существовавшего коллайдера LEP, при этом использовалось многокилометровое кольцо SPS в качестве предварительного ускорителя. Если бы БАК пришлось строить с нуля, его стоимость оказалась бы заметно выше.
Коллайдер — Википедия
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Сборка детектора элементарных частиц Belle II на электрон-позитронном коллайдере SuperKEKB, Япония. Событие столкновения ионов золота, зарегистрированное детектором STAR в коллайдере RHIC, США. Колла́йдер (англ. collider от collide — «сталкиваться») — ускоритель частиц на встречных пучках, предназначенный для изучения продуктов их соударений. Благодаря коллайдерам учёным удаётся придать элементарным частицам вещества высокую кинетическую энергию, направить их навстречу друг другу, чтобы произвести их столкновение.
По виду коллайдеры подразделяются на кольцевые; например, Большой адронный коллайдер в европейском ЦЕРНе (CERN) и линейные, как проектируемый ILC.
Абстрактно идея использовать сталкивающиеся пучки встала несколько десятилетий назад. Рольф Видероэ получил в 1943 году немецкий патент на идею встречных пучков, опубликованный лишь в 1953 году[1]. В 1956 году Дональд Керст предложил использовать сталкивающиеся пучки протонов для изучения физики элементарных частиц[2], а Джерард О’Нил предложил использовать накопительные кольца для получения интенсивных пучков[3]. Активные работы по созданию коллайдеров начались одновременно в конце 1950-х годов в лабораториях Фраскати (Италия), SLAC (США) и ИЯФ (СССР).
Первым заработал электрон-позитронный коллайдер AdA, построенный под руководством Бруно Тушека во Фраскати. Однако первые результаты были опубликованы на год позже (1966), чем наблюдения упругого рассеяния электронов (1965) на советском ВЭП-1 (Встречные Электронные Пучки) — машине, созданной под руководством Г. И. Будкера[4]. Ещё чуть позже были получены пучки в американском ускорителе. Эти три первых коллайдера были тестовыми, продемонстрировавшими возможность изучения на них физики элементарных частиц.
Первым адронным коллайдером стал протонный синхротрон ISR, запущенный в 1971 году CERNе с энергией 32 ГэВ в пучке. Единственный в истории линейный коллайдер — SLC[en], работавший в 1988—1998 годах.
Данные взяты с сайта Particle Data Group[5] и из справочника «Handbook of accelerator physics and engineering»[6].
| Ускоритель | Центр, город, страна | Год запуска | Ускоряемые частицы | Максимальная энергия пучка, ГэВ | Светимость, 1030 см−2сек−1 | Периметр (длина), км |
|---|---|---|---|---|---|---|
| ВЭПП-2000 | ИЯФ, Новосибирск, Россия | с 2009 | e+e− | 1,0 | 100 | 0,024 |
| ВЭПП-4М | ИЯФ, Новосибирск, Россия | с 1994 | e+e− | 6 | 20 | 0,366 |
| ВЕРС II | IHEP, Пекин, Китай | с 2007 | e+e− | 1,89 | 700 | 0,23753 |
| DAFNE | Frascati, Италия | с 1999 | e+e− | 0,7 | 150 | 0,098 |
| SuperKEKB | KEK, Япония | с 2018 | e+e− | e−: 7; e+: 4 | 800 000 | 3,016 |
| RHIC | BNL, США | с 2000 | pp, Au-Au, Cu-Cu, d-Au | 100/n | 10, 0,0015, 0,02, 0,07 | 3,834 |
| LHC | CERN | с 2008 | pp, Pb-Pb, p-Pb | 6500, 1380/n (планируется 2760/n) | 20000 (pp), 0,001 (PbPb) | 26,659 |
Строящиеся и проектируемые коллайдеры[править | править код]
| Ускоритель | Центр, город, страна | Год запуска | Ускоряемые частицы | Максимальная энергия пучка, ГэВ | Светимость, 1030 см−2сек−1 | Периметр (длина), км |
|---|---|---|---|---|---|---|
| NICA | ОИЯИ, Дубна, Россия | 2021 | Au-Au(79+) | 4,5/нуклон | 0,001 | 0,503 |
| Super c-tau | ИЯФ, Новосибирск, Россия | ? | e+e− | 3 | 100 000 | 0,780 |
| Мюмютрон | ИЯФ, Новосибирск, Россия | ? | e+e− | 0,408 | 80 | 0,023 |
| eRHIC | BNL, США | ? | e-p, e-Au | 10-30 (e-), 250 (p), 130/n (Au) | 1000 (e-p) | 3,834 |
| FCCee | CERN | ? | e+e− | 175 | 1 000 000 | 100 |
| ILC | Япония | 2026? | e+e− | 500? | 30-50? |
| Ускоритель | Центр, город, страна | Годы работы | Ускоряемые частицы | Максимальная энергия пучка, ГэВ | Светимость, 1030 см−2сек−1 | Периметр (длина), км |
|---|---|---|---|---|---|---|
| AdA | Frascati, Италия; Орсэ, Франция | 1961—1964 | e+e− | 0,25 | 0,00001 | 0,003 |
| ВЭП-1 | ИЯФ, Новосибирск, СССР | 1963—1968 | e−e− | 0,16 | 0,005 | 0,0027 |
| CBX | SLAC, США | 1963—1967 | e−e− | 0,55 | ? | 0,012 |
| ВЭПП-2 | ИЯФ, Новосибирск, СССР | 1965—1972 | e+e− | 0,7 | 0,38 | 0,0115 |
| ACO | Орсэ, Франция | 1965—1975 | e+e− | 0,55 | 0,11 | 0,022 |
| ADONE | Frascati, Италия | 1969—1993 | e+e− | 1,5 | 0,3 | 0,105 |
| CEA | Кембридж, США | 1971—1973 | e+e− | 3,5 | 100 | |
| ISR | CERN | 1971—1984 | pp, pp | 31,5 | 140, 0.025 | 0,948 |
| SPEAR | SLAC, Стэнфорд, США | 1972—1990 | e+e− | 3 | 12,5 на 2,6 ГэВ | |
| ВЭПП-2М | ИЯФ, Новосибирск, СССР/Россия | 1974—2000 | e+e− | 0,7 | 3 | 0,01788 |
| DORIS | DESY, Германия | 1974—1993 | e+e− | 5 | ||
| DCI | Орсэ, Франция | 1976—? | e±e± | 3,6 | ||
| PETRA | DESY, Германия | 1978—1986 | e+e− | 20 | ||
| CESR | Cornell | 1979—2002 | e+e− | 6 | 1280 на 5,3 ГэВ | 0,768 |
| PEP | SLAC, Стэнфорд, США | 1980—1990 | e+e− | 30 | ||
| SppS | CERN | 1981—1984 | pp | 315 | 6,9 | |
| Tristan | KEK, Япония | 1986—1995 | e+e− | 32 | ||
| Tevatron | Fermilab, США | 1987—2011 | pp | 980 | 171 | 6,28 |
| SLC | SLAC, Стэнфорд, США | 1988—1998 | e+e− | 45 | ||
| LEP | CERN | 1989—2000 | e+e− | 104,6 | 24 на Z0; 100 при >90 ГэВ | 26,659 |
| ВЕРС | IHEP, Пекин, Китай | 1989—2005 | e+e− | 2,2 | 5 на 1,55 ГэВ; 12,6 на 1,843 ГэВ | 0,2404 |
| HERA | DESY, Германия | 1992—2007 | e±p | e±: 30; p: 920 | 75 | 6,336 |
| PEP-II | SLAC, Стэнфорд, США | 1999—2008 | e+e− | e−: 12; e+: 4 | 10025 | 2,2 |
| KEKB | KEK, Япония | 1999—2010 | e+e− | e−: 8; e+: 3,5 | 16270 | 3,016 |
| CESR-C | Cornell | 2002—2008 | e+e− | 6 | 60 на 1,9 ГэВ | 0,768 |
- ↑ Design and construction of the ISR, Kurt Hübner.
- ↑ Attainment of Very High Energy by Means of Intersecting Beams of Particles, D.W. Kerst et al., Phys. Rev., v.102, p.590-591 (1956).
- ↑ Storage Ring Synchrotron: Device for High Energy Physics Research Архивировано 6 марта 2012 года., G.K. O’Neill, Physical Review, v.102, p.1418-1419 (1956).
- ↑ AdA:The First Electron-Positron Collider, C. Bernardini, Phys. perspect. 6 (2004) 156—183.
- ↑ High Energy Collider Parameters
- ↑ Handbook of accelerator physics and engineering, edited by A. Chao, M. Tigner, 1999, p.11.
что это такое и зачем нужно
Большой адронный коллайдер (БАК) — самый большой и мощный ускоритель частиц в мире. Он был построен Европейской организацией ядерных исследований (ЦЕРН).
10 000 ученых и инженеров из более чем 100 разных стран работали вместе над созданием этого проекта. Его строительство стоило 10 миллиардов долларов. В настоящее время это самая большая и сложная экспериментальная исследовательская установка в мире.
Как выглядит Большой адронный коллайдер
Это гигантский замкнутый туннель, построенный под землей. Он имеет длину 27 километров и уходит на глубину от 50 до 175 метров.
Находится коллайдер на границе Франции и Швейцарии, недалеко от города Женева.
Где находится коллайдер Как работает Большой адронный коллайдер
Слово «коллайдер» в этом случае можно перевести как «сталкиватель». А сталкивает он адроны — класс частиц, состоящих из нескольких кварков, которые удерживаются сильной субатомной связью. Протоны и нейтроны являются примерами адрона.
БАК в основном использует столкновение протонов в своих экспериментах. Протоны — это части атомов с положительным зарядом. Коллайдер ускоряет эти протоны в тоннеле, пока они не достигнут почти скорости света. Различные протоны направлены через туннель в противоположных направлениях. Когда они сталкиваются, то можно зафиксировать условия, подобные ранней Вселенной.
Откуда берутся протоны в для столкновения?
Для этого ионизируются атомы водорода. Атом водорода состоит из одного протона и одного электрона. Во время ионизации удаляется электрон и остаётся нужный для эксперимента протон.
БАК состоит из трёх основных частей:
- Ускоритель частиц. Разгоняет и сталкивает протоны с помощью системы мощных электромагнитов, расположенных вдоль всего тоннеля.
- Детекторы. Результаты столкновения нельзя наблюдать напрямую, поэтому мощные детекторы улавливают максимум данных и направляют их на обработку.
- Грид. С детекторов поступают петабайты данных. Для их интерпретации используется грид-инфраструктура — сеть из компьютеров в 36 странах, которые совместно образуют один суперкомпьютер. Но даже этого хватает только на обработку 1% данных.
Зачем нужен Большой адронный коллайдер
С помощью БАК можно изучить элементарные частицы и способы их взаимодействия. Он уже многому научил нас в области квантовой физики, и исследователи надеются узнать больше о структуре пространства и времени. Наблюдения, которые делают учёные, помогают понять, какой могла быть Вселенная в течение миллисекунд после Большого взрыва.
Ещё много интересного в наших соцсетяхЧитайте также: Что если изобретут телепортацию
Какие открытия совершили на БАК
На данный момент самое большое открытие — это бозон Хиггса. Это одно из важнейших открытий 21 века, объясняющее существование массы частиц во Вселенной. Это подтверждает Стандартную модель, с помощью которой сегодня физики описывают взаимодействие элементарных частиц. Именно на этом взаимодействии основано устройство всей Вселенной.
Суть работы бозона Хиггса в том, что благодаря ему другие элементарные частицы могут иметь и передавать свою массу. Но это очень и очень упрощённое понимание, и если Вам интересно, почитайте научную литературу.
С полным списком всех открытий на Большом адронном коллайдере можно ознакомиться на Википедии.
Может ли коллайер уничтожить Землю
С момента запуска БАК стал объектом разнообразных домыслов. Самый известный — в ходе экспериментов может образоваться чёрная дыра и поглотить планету.
Есть две причины, чтобы не волноваться.
- На БАК не происходит ничего такого, чего не делают космические лучи, которые ежедневно попадают на Землю, и эти лучи не создают чёрных дыр.
- Даже если Большой адронный коллайдер действительно создаст чёрную дыру, то она будет крошечной. Чем меньше чёрная дыра, тем короче ее жизнь. Такая чёрная дыра превратится в энергию, прежде чем сможет причинить вред людям.
Надеемся, Вам было интересно, как и нам во время работы над этим материалом!
Разобрались, что такое и зачем нужен Коллайдер?Poll Options are limited because JavaScript is disabled in your browser.«Большой адронный коллайдер» - Яндекс.Знатоки
В Стандартной модели, которая фактически представляет собой квантовую теорию поля, все процессы описываются в терминах квантовых полей, а элементарные частицы отвечают колебаниям этого поля. Например, электромагнитные процессы описываются электромагнитным полем, колебаниями которого являются фотоны. Основной принцип этой модели — принцип симметрии. Другими словами, когда физики строили Стандартную модель, они предполагали, что поля останутся неизменными, если над ними произвести некоторые преобразования, сохраняющие симметрию модели (такие преобразования называют калибровочными). Подробнее о том, как такие простые требования помогают физикам построить теорию, можно прочитать в материале «На пути к теории всего».
Самый простой пример системы, которая обладает симметрией, — это цепочка взаимодействующих спинов (стрелочек), которые могут быть ориентированы либо вверх, либо вниз. Легко сообразить, что суммарная энергия такой конфигурации не изменится, если повернуть каждую стрелочку на 180 градусов — это преобразование эквивалентно развороту всей системы, которое не может сказаться на ее внутренней структуре. Симметрия полей Стандартной модели гораздо сложнее, однако принцип остается тем же. Например, наблюдаемые величины в электродинамике не изменятся, если сдвинуть 4-потенциал на полную производную от скалярной функции. Важно заметить, что эта симметрия не сохранялась бы, если бы фотоны в модели были массивными.
Так вот, теория электрослабого взаимодействия, расширяющая электродинамику, устроена похожим образом: чтобы сохранить симметрию модели, нужно потребовать, чтобы ее элементарные частицы — фотоны и векторные бозоны, — были безмассовыми. К сожалению, в действительности векторные бозоны массивны. Чтобы разрешить это противоречие и сохранить симметрию модели, нужно добавить в теорию новое скалярное поле. Если новое поле будет двигаться в потенциале, который имеет минимумы при ненулевой напряженности, оно «застрянет» в одном из минимумов, и все пространство заполнится однородным фоном, за который будут «цепляться» элементарные частицы. В результате на низких энергиях теория будет выглядеть так, будто частицы приобрели массу. Этот механизм в настоящее время называют механизмом Хиггса, а частицу, отвечающую колебаниям нового поля, — бозоном Хиггса. В то же время, на высоких энергиях массой частиц можно пренебречь, и симметрия теории восстанавливается.
Большой адронный коллайдер (БАК) – что это такое?
Большой адронный коллайдер (сокр. БАК, англ. LHC) – это самый большой и мощный ускоритель частиц в мире, расположенный на франко-швейцарской границе около города Женева. Он предназначен для ускорения и столкновения встречных пучков протонов и тяжелых ионов (ионов свинца). БАК создан при Европейском совете ядерных исследований ЦЕНР. В его строительстве и обслуживании, участвовало более 10 тыс инженеров и ученых из более чем 100 стран мира. Стоимость проекта оценивается в 10 млрд. долларов.
Коллайдер по сути является замкнутой туннельной системой, расположенной под земной поверхностью на глубине до 180 м. Название «коллайдер» уместно перевести на русский как «устройство для сталкивания». А сталкивает он адроны (класс составных частиц, подверженных сильному взаимодействию). Отсюда и название «адронный коллайдер». Приставку «большой» он получил за свои внушительные размеры, длина основного туннеля БАК составляет 26,7 км.
По большей части эксперименты проводятся с протонами. Протон – элементарная частица, составляющая часть атома, ее отличительное свойство – наличие положительного заряда. БАК разгоняет потоки протонов внутри подземного туннеля до более 99,9% скорости света, направляя их навстречу друг другу. При столкновении на такой скорости моделируются условия, сходные с состоянием нашей Вселенной на ранних стадиях ее существования.
Каково происхождение протонов для экспериментов в БАК?
Их получают методом ионизации атома водорода. Как известно, в его составе имеется 1 протон и 1 электрон. Ионизация помогает избавиться от электрона, и сохранить необходимый для научных опытов протон.
Предназначение
Большой адронный коллайдер помогает исследовать сами элементарные частицы и особенности процессов их взаимодействия. БАК уже принес науке немало бесценных сведений в области квантовой физики, и ученым не терпится получить больше информации о том, как устроены наше пространство и время. Процессы, уловленные детекторами БАК во время столкновения протонов, дают исследователям возможность прийти к лучшему пониманию того, что представляла собой Вселенная в продолжение первых мгновений после Большого взрыва.
Как известно, к началу 1970-х физики разработали так называемую Стандартную модель (СМ), в которой объединились 3 из 4 фундаментальных взаимодействий (кроме гравитационного):
— сильное;
— слабое;
— электромагнитное.
Однако СМ невозможно принять исчерпывающей теорией элементарных частиц. Предположительно, она – не более чем фрагмент более масштабной теоретической картины устройства микромира. Основополагающая цель создание Большого адронного коллайдера – приблизиться к пониманию сущности новой теории (поиск новой физики).
В наше время наука применяет различные способы объединения фундаментальных взаимодействий:
— теория струн;
— теории супергравитации;
— петлевая квантовая гравитация и пр.
Не все они являются совершенными, и ни одна из них не была подтверждена экспериментальным методом. Препятствие заключается в недостатке энергии, доступной ученым на современных устройствах для ускорения частиц.
БАК — самая большая экспериментальная установкаБольшой адронный коллайдер дал науке возможность реализовать эксперименты с недоступной прежде энергией, и по-видимому, это позволит оценить корректность некоторых из вышеупомянутых теоретических подходов. В частности, имеется большое число теоретических систем, допускающих наличие такого явления, как суперсимметрия – в частности, теория струн (она же теория суперструн), которая в случае доказанного отсутствия суперсимметрии утратит свой логический смысл. Соответственно, если будет получено доказательство существования суперсимметрии, то это станет и косвенным аргументом в подтверждение правоты данных теорий.
Исследование топ-кварков
Эти частицы – наиболее тяжелые не только из кварков, но также из всех известных науке элементарных частиц. Их масса слишком велика для того, чтобы топ-кварки можно было изучать на большинстве ускорителей. Помимо прямого научного интереса, данные частицы используются как средство для исследований бозона Хиггса. Бозоны появляются на свет в БАК совместно с парой топ-кварк/антикварк. Поэтому следует лучше представлять свойства кварков, чтобы выделять из их среды бозоны.
Исследование электрослабой симметрии
Среди основных задач БАК, помимо подтверждения существования бозона Хиггса, следует отметить то, каким образом данная нестабильная частица оказывает влияние на симметрию электрослабого взаимодействия. Бозон, как известно, — квант такого физического явления, как поле Хиггса. Преодолевающее эту среду элементарные частицы сталкиваются с сопротивлением, что физика осознает как поправки к массе.
Исследование кварк-глюонной плазмы
Помимо прочих экспериментов, в БАК проводятся опыты со столкновением ядер атомов свинца. В процессе неупругого контакта пары таких ядер на ультрарелятивистских скоростях на короткий срок появляется и исчезает сгусток ядерного в-ва высокой плотности и температуры. Изучение характерных для этого процессов (преобразование в-ва в кварк-глюонную плазму) необходимо для выстраивания более корректной теоретической модели сильных ядерных взаимодействий, которая позволит добиться существенного прогресса как собственно в физической науке, так и в понимании астрономических процессов.
Исследование фотонных взаимодействий
ЭМ взаимодействие понимается как обмен фотонами. Проще говоря, фотоны считаются носителями ЭМ поля. Протоны же обладают электрическим зарядом и электростатическим полем, которое допустимо считать совокупностью виртуальных фотонов.
Когда протоны приходят в столкновение, окружающие их фотоны вступают во взаимодействие. Тем самым, изучая процесс столкновения протонов, физики занимаются исследованием поведения фотонов высокой энергии.
Помимо этого, имеет место особая разновидность реакций – прямое взаимодействие пары фотонов.
Как устроен БАК
Коллайдер состоит из 3 базовых структур;
— ускоритель элементарных частиц. Он позволяет разогнать и столкнуть адроны (тяжелые элементарные частицы из кварков), используя электрические магниты огромной мощности, которые распределены параллельно всей протяженности подземного туннеля;
— детекторы. Процесс, а также итоги взаимодействия ускоренных магнитами протонов невозможно наблюдать непосредственно в туннеле, по этой причине особые устройства-детекторы собирают максимально возможный объем информации с целью дальнейшей ее обработки;
— грид. Детекторы набирают петабайты экспериментальных данных. Для того, чтобы корректно обработать столь внушительный массив информации, применяют грид-систему – компьютерную сеть, расположенную в 36 государствах, она формирует своего рода единый супер-компьютер. Но даже он способен интерпретировать приблизительно 1% параметров реакции в БАК.
Вид на CMS — один из детекторов БАКДетекторы
ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)
ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment)
CMS (Compact Muon Solenoid)
LHCf (The Large Hadron Collider forward)
TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement)
MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC).
ATLAS, ALICE, CMS, LHCb — это большие детекторы, расположенные вокруг точек столкновения пучков. Детекторы TOTEM и LHCf являются вспомогательными, находятся в нескольких десятках метров от точек столкновения и используются параллельно с основными.
ATLAS и CMS участвовали в поиске бозона Хиггса, а также тёмной материи. Детектор ALICE — изучает кварк-глюонную плазму при столкновении тяжёлых ионов свинца. LHCb — исследует физику b-кварков, для лучшего понимания различия между антиматерией и материей. TOTEM — изучает рассеивание частиц на малые углы (а также ведет анализ не столкнувшихся частиц). LHCf — исследует космические лучи, которые моделируются теми же не сталкивающимися частицами. MoEDAL — нацелен на поиск медленно движущихся тяжёлых частиц
Как работает БАК
В туннеле коллайдера частицы разгоняют почти до скорости света, при этом увеличивая их массу в несколько тысяч раз. Весь процесс можно разделить на 5 ключевых этапов:
- Сначала атомы водорода поступают в начальную камеру линейного ускорителя (Linac 2), где от них отделяют электроны. Это нужно для того, чтобы у них был положительный заряд и их можно было ускорять с помощью электрического поля.
- Проходя линейный ускоритель, пучок протонов достигает 1/3 скорости света и попадает в бустер (PS buster) с длинной пути 157 метров. Там он делится на четыре меньших пучка, каждый из которых разгоняется в отдельном кольце бустера (для максимального повышения плотности потока частиц). С помощью пульсирующего электрического поля происходит ускорение частиц, в то время как магнитное поле способствует их движению по кругу. Бустер разгоняет частицы до 91,6% скорости света и делает пучки протонов плотными.
- На выходе из бустера частицы собираются воедино и поступают в кольцо протонного синхротрона (PS) с длинной 628 метров. Циркулируя по кругу в течение 1,2 секунды, они достигают более чем 99,9% скорости света. Стоит отметить, что на этом этапе достигается предел скорости, когда пульсирующее электрическое поле больше не может ускорять частицы. Однако вместо этого прикладываемая энергия увеличивает массу протонов. Таким образом, протонный синхротрон увеличивает кинетическую энергию частиц до 28 ГэВ (частицы становятся в 28 раз тяжелее, чем были).
- Затем пучок поступает в протонный суперсинхротрон (SPS) — огромное 7-ми километровое кольцо — «разгон» в котором дает частицам энергию порядка 450 ГэВ. Это последняя подготовительная ступень разгона перед перемещением в основное кольцо Большого адронного коллайдера.
- Основное кольцо БАК, длинна которого составляет 26659 метров, состоит из двух вакуумных трубок, в которых протонные пучки движутся в противоположных направлениях. Эти трубки пересекаются в четырех точках, где размещены детекторы. Там и происходит столкновение частиц и сбор данных. Однако перед встречным столкновением, основное кольцо БАК увеличивает их кинетическую энергию до 7 ТэВ (делая частицы в 7000 раз тяжелее, чем в состоянии покоя).
Интересные факты:
Всего за 1 секунду частицы пролетают всю протяженность основного туннеля более 11000 раз (т.е на 1 цикл уходит не более, чем 0,0001 с). За ту же секунду в БАК происходит около 1 миллиарда столкновений, каждое их которых генерирует 1,5 мегабайта данных.
Каковы научные достижения БАК
Поскольку БАК располагает большей энергией в сравнении с коллайдерами ранних версий, он дал ученым возможность исследовать неизведанную до того область энергий и обрести научные данные, которые помогают уточнить некоторые теоретические построения.
Сегодня к наиболее заметным научным «прорывом», достигнутым при помощи коллайдера, относят открытие бозона Хиггса. Уже сейчас его многие называют одним из наиболее громких открытий XXI столетия, поскольку бозон Хиггса помогает объяснить наличие массы частиц в нашем пространстве. Следовательно, тем самым получено подтверждение Стандартной модели, на основе каковой в наше время физика моделирует поведение и реакции элементарных частиц. И как раз это их взаимодействие является фундаментом, на котором построено все наше мироздание.
Сущность действия бозона Хиггса заключается в том, что он участвует в формировании массы и обмене ею среди прочих элементарных частиц. Однако это крайне упрощенное изложение функций бозона, и всем заинтересовавшимся этой частицей рекомендуем изучить соответствующие научные публикации.
Прочие научные результаты БАК:
— проведены исследования базовых статистических параметров столкновений протонов, оценка числа рожденных адронов, корреляции мезонов;
— продемонстрировано, что не существует асимметрия протонов и антипротонов;
— наблюдались необычные корреляции протонов, летящих по весьма различным траекториям;
— уточнены параметры возможных контактных взаимодействий кварков;
— зафиксированы существенные признаки образования кварк-глюонной плазмы и т.д.
Способен ли БАК разрушить планету
С первых дней своей постройки адронный коллайдер вызывал всевозможные спекулятивные опасения и фантазии. В частности, в интернете прошел слух, что вследствие экспериментальной работы БАК способен создать черную дыру, и та проглотит Землю.
Те самые две трубки, по которым частицы движутся в противоположных направленияхРазумеется, эти опасения имеют под собой определенную основу, однако:
— в случае, если теоретически БАК сформировал бы черную дыру, то ее размеры оказались бы микроскопическими. И есть предположение, что чем они миниатюрнее, тем быстрее такой объект аннигилируется, превращаясь в энергию, не успев нанести ни малейшего ущерба. Но здесь нельзя утверждать ничего наверняка, потому что все это основано на гипотезах и теориях.
С другой стороны, возможно, при столкновении в БАК недостаточно кинетической энергии, чтобы выполнилось условие R=2GM/c2 (гравитационный радиус), необходимое для образования черной дыры.
Планы на будущее
По мере того, как Большой адронный коллайдер приступит к работе на полной мощности и светимости (2021 — 2023 гг.), его разработчики планируют остановку на 2,5 года для модернизации детекторов и ускорителей (проект HL-LHC). Тем самым будет усилена светимость БАК и обеспечена возможность проведения опытов с еще большей энергией. Ученые также намерены организовать опыты путем столкновения протонов и электронов, что потребует дополнительного оборудования для разгона элементарных частиц.
Кроме того, в планах ЦЕРНа есть куда более амбициозный международный проект, создание коллайдера с 100 км. кольцом. Текущее название проекта Future Circular Collider (FCC, «Будущий циклический коллайдер»).
Дорогие друзья, мы все люди и можем ошибаться, а информация имеет тенденцию устаревать. Поэтому, если найдете неверную информацию или грубые смысловые и прочие ошибки, то, пожалуйста, дайте знать об этом в комментариях.
Зачем вообще нужен LHC? • Устройство и задачи Большого адронного коллайдера
Узнав впервые о существовании LHC, повосхищавшись его размерами, поудивлявшись непонятности и практической бесполезности его задач, читатель, как правило, задает вопрос: а зачем вообще нужен этот LHC?
В этом вопросе есть сразу несколько аспектов. Зачем людям вообще нужны эти элементарные частицы, зачем тратить столько денег на один эксперимент, какая будет польза для науки от экспериментов на LHC? Здесь я попробую дать ответы, пусть краткие и субъективные, на эти вопросы.
Зачем обществу нужна фундаментальная наука?
Начну с аналогии. Для первобытного человека связка бананов имеет очевидную пользу — их можно съесть. Острый нож тоже полезен на практике. А вот электродрель с его точки зрения — бессмысленная вещь: ее нельзя съесть, из нее нельзя извлечь какую-либо иную непосредственную пользу. Думая исключительно об удовлетворении сиюминутных потребностей, он не сможет понять ценность этого агрегата; он просто не знает, что бывают ситуации, в которых электродрель оказывается чрезвычайно полезной.
Отношение большей части общества к фундаментальной науке — примерно такое же. Только вдобавок человек в современном обществе уже пользуется огромным количеством достижений фундаментальной науки, не задумываясь об этом.
Да, люди, конечно, признают, что высокие технологии делают жизнь комфортнее. Но при этом они неявно полагают, что технологии эти — результат чисто прикладных разработок. А вот это — большое заблуждение. Надо четко понимать, что перед практической наукой регулярно встают задачи, которые она сама решить просто не в состоянии — ни с помощью накопленного практического опыта, ни через прозрение изобретателей-рационализаторов, ни методом проб и ошибок. Зато они решаются с помощью фундаментальной науки. Скажем, те свойства вещества, которые недавно казались совершенно бесполезными, вдруг открывают возможность для создания принципиально новых устройств или материалов с неожиданными возможностями. Или же вдруг обнаруживается глубокая параллель между какими-то сложными объектами из сугубо прикладной и из фундаментальной науки, и тогда абстрактные научные результаты удается использовать на практике.
В общем, фундаментальная наука — это основа технологий в долгосрочной перспективе, технологий, понимаемых в самом широком значении. И если какие-то небольшие усовершенствования существующих технологий можно сделать, ограничиваясь сугубо прикладными исследованиями, то создать новые технологии — и с их помощью преодолевать новые проблемы, регулярно встающие перед обществом! — можно, лишь опираясь на фундаментальную науку.
Опять же, прибегая к аналогиям, можно сказать, что пытаться развивать науку, ориентируясь только на немедленную практическую пользу — это словно играть в футбол, прыгая исключительно на одной ноге. И то, и другое, в принципе, можно себе представить, но в долгосрочной перспективе эффективность от обоих занятий почти нулевая.
Почему фундаментальной наукой занимаются сами ученые?
Кстати, стоит подчеркнуть, что большинство ученых занимается наукой вовсе не потому, что это может оказаться полезно для общества. Люди занимаются наукой, потому что это жутко интересно. Даже когда просто изучаешь открытые кем-то законы или построенные кем-то теории, это уже «щекочет мозги» и приносит огромное удовольствие. А те редкие моменты, когда удается самому открыть какую-то новую грань нашего мира, доставляют очень сильные переживания.
Эти ощущения отдаленно напоминают чувства, возникающие при чтении детектива: автор построил перед тобой загадку, а ты пытаешься разгадать ее, стараясь увидеть в описываемых фактах скрытый, взаимосвязанный смысл. Но если в детективе глубина и стройность загадки ограничены фантазией автора, то фантазия природы выглядит пока неограниченной, а ее загадки — многоуровневыми. И эти загадки не придуманы кем-то искусственно, они настоящие, они вокруг нас. Вот ученым и хочется справиться хотя бы с кусочком этой вселенской головоломки, подняться еще на один уровень понимания.
Кому нужны элементарные частицы?
Хорошо, положим, фундаментальной наукой действительно стоит заниматься, раз она спустя несколько десятков лет сможет привести к конкретным практическим достижениям. Тогда давайте будем изучать фундаментальное материаловедение, будем манипулировать отдельными атомами, будем развивать новые методики диагностики веществ, поучимся рассчитывать сложные химические реакции на молекулярном уровне. Можно легко поверить в то, что спустя десятки лет всё это приведет к новым практическим приложениям.
Но трудно себе представить, какая в принципе может быть конкретная практическая польза от топ-кварков или от хиггсовского бозона. Скорее всего, вообще никакой. Тогда какой толк в развитии физики элементарных частиц?
Толк огромный, и заключается он вот в чём.
Физические явления эффективнее всего описываются на языке математики. Эту ситуацию обычно называют удивительной (знаменитое эссе Ю. Вигнера о «непостижимой эффективности математики»), но тут есть и другой, не менее сильный повод для удивления. Всё головокружительное разнообразие явлений, происходящих в нашем мире, описывается лишь очень небольшим числом математических моделей. Осознание этого поразительного, совсем не очевидного свойства нашего мира — одно из самых важных открытий в физике.
Пока знания ограничиваются лишь «повседневной» физикой, эта тенденция может оставаться незаметной, но чем глубже знакомишься с современной физикой, тем более яркой и завораживающей выглядит эта «математическая экономность» природы. Явление сверхпроводимости и хиггсовский механизм возникновения масс элементарных частиц, электроны в графене и безмассовые элементарные частицы, жидкий гелий и внутренности нейтронных звезд, теория гравитации в многомерном пространстве и сверххолодное облачко атомов — вот лишь некоторые пары разных природных явлений с удивительно схожим математическим описанием. Хотим мы или нет, но эта связь между разными физическими явлениями через математику — это тоже закон природы, и им нельзя пренебрегать! Это полезный урок для тех, кто пытается рассуждать о физических явлениях, опираясь только на их «природную сущность».
Аналогии между объектами из разных областей физики могут быть глубокими или поверхностными, точными или приблизительными. Но благодаря всей этой сети математических аналогий наука физика предстает как многогранная, но цельная дисциплина. Физика элементарных частиц — это одна из ее граней, которая через развитие математического формализма крепко связана со многими более «практическими» областями физики, да и естественных наук в целом.
Поэтому, кто знает, может быть, изучая теорию гравитации, мы в конце концов придем к пониманию турбулентности, развитие методов квантовой теории поля позволит по-иному взглянуть на генетическую эволюцию, а эксперименты по изучению устройства протона откроют нам новые возможности для создания материалов с экзотическими свойствами.
Кстати, иногда в ответ на вопрос о пользе физики элементарных частиц начинают перечислять те конкретные методики и приборы, которые явились побочным результатом изучения элементарных частиц. Их уже немало: адронная терапия раковых опухолей, позитронно-эмиссионная томография, мюонная химия, цифровые малодозные рентгеновские установки, самые разнообразные применения синхротронного излучения, плюс еще несколько методик в процессе разработки. Это всё верно, но надо понимать, что это именно побочная, а не главная польза от физики элементарных частиц.
Зачем надо изучать нестабильные частицы?
Окружающий нас мир состоит из частиц трех типов: протонов, нейтронов, электронов. Казалось бы, если мы хотим знать устройство нашего мира, давайте изучать только эти частицы. Кому интересны частицы, которые живут мгновения, а потом снова распадаются? Какое отношение эти частицы имеют к нашему микромиру?
Причин тут две.
Во-первых, многие из этих нестабильных частиц напрямую влияют на свойства и поведение наших обычных частиц — и это, кстати, одно из важных открытий в физике частиц. Оказывается, эти нестабильные частицы на самом деле присутствуют в нашем мире, но не в виде самостоятельных объектов, а в виде «некоторого» облачка, окутывающего каждую обычную частицу. И то, как обычные частицы взаимодействуют друг с другом, зависит не только от них самих, но и от окружающих их «облачков». Эти облачка порождают ядерные силы, связывающие протоны и нейтроны в ядра, они заставляют распадаться свободный нейтрон, они наделяют обычные частицы массой и другими свойствами.
Эти нестабильные частицы — невидимая, но совершенно неотъемлемая часть нашего мира, заставляющая его крутиться, работать, жить.
Вторая причина тоже вполне понятная. Если вам надо разобраться с устройством или с принципом работы какой-то очень сложной вещи, ваша задача станет намного проще, если вам разрешат как-то изменять, перестраивать эту вещь. Собственно, этим и занимаются отладчики (не важно чего: техники, программного кода и т. п.) — они смотрят, что изменится, если сделать так, повернуть эдак.
Экзотические для нашего мира элементарные частицы — это тоже как бы обычные частицы, у которых «что-то повернуто не так». Изучая все эти частицы, сравнивая их друг с другом, можно узнать о «наших» частицах гораздо больше, чем в экспериментах только с протонами да электронами. Уж так устроена природа — свойства самых разных частиц оказываются глубоко связаны друг с другом!
Зачем нужны такие огромные ускорители?
Ускоритель — это по своей сути микроскоп, и для того, чтобы разглядеть устройство частиц на очень малых масштабах, требуется увеличивать «зоркость» микроскопа. Предельная разрешающая способность микроскопов определяется длиной волны частиц, используемых для «освещения» мишени — будь то фотоны, электроны или протоны. Согласно квантовым законам, уменьшить длину волны квантовой частицы можно путем увеличения ее энергии. Поэтому-то и строятся ускорители на максимально достижимую энергию.
В кольцевых ускорителях частицы летают по кругу и удерживаются на этой траектории магнитным полем мощных сверхпроводящих магнитов. Чем больше энергия частиц — тем большее требуется магнитное поле при постоянном радиусе или тем большим должен быть радиус при постоянном магнитном поле. Увеличивать силу магнитного поля очень трудно с физической и инженерной точки зрения, поэтому приходится увеличивать размеры ускорителя.
Впрочем, физики сейчас работают над новыми, намного более эффективными методиками ускорения элементарных частиц (см., например, новость Первое применение лазерных ускорителей будет медицинским). Если эти методы оправдают свои ожидания, то в будущем максимально достижимая энергия частиц сможет увеличиться при тех же размерах ускорителей. Однако ориентироваться тут можно лишь на срок в несколько десятков лет.
Но не стоит думать, что гигантские ускорители — это единственное орудие экспериментальной физики элементарных частиц. Есть и «второй фронт» — эксперименты с меньшей энергией, но с очень высокой чувствительностью. Тут примером могут служить так называемые b-фабрики BaBar в Стэнфорде и Belle в Японии. Это электрон-позитронные коллайдеры со скромной энергией (около 10 ГэВ), но с очень высокой светимостью. На этих коллайдерах рождаются B-мезоны, причем в таких больших количествах, что удается изучить чрезвычайно редкие их распады и заметить проявление разнообразных тонких эффектов. Эти эффекты могут быть вызваны новыми явлениями, которые изучаются (правда, с другой точки зрения) и на LHC. Поэтому такие эксперименты столь же важны, как и эксперименты на коллайдерах высоких энергий.
Зачем нужны такие дорогие эксперименты?
Часто можно услышать возмущенные голоса: а по какому праву физики тратят такие огромные деньги налогоплательщиков на удовлетворение собственного любопытства? Ведь их можно потратить и с гораздо большей конкретной практической пользой!
На самом деле, если взглянуть на ситуацию реалистично, то альтернатива LHC состояла не в том, чтобы пустить эти же деньги на какую-то «практически полезную» деятельность, а в том, чтобы провести на них еще несколько десятков экспериментов по физике элементарных частиц, но среднего масштаба.
Логика тут совершенно прозрачна. Правительства большинства стран понимают, что некоторую долю бюджета необходимо тратить на фундаментальные научные исследования — от этого зависит будущее страны. Эта доля, кстати, не такая уж и большая, порядка 2-3% (для сравнения, военные расходы составляют, как правило, десятки процентов). Расходы на фундаментальную науку выделяются, разумеется, не в ущерб другим статьям бюджета. Государства тратят деньги и на здравоохранение, и на социальные проекты, и на развитие технологий с конкретными практическими применениями, и на благотворительность, и на помощь голодающим Африки и т. д. «Научные» деньги — это отдельная строка бюджета, и эти деньги сознательно направлены на развитие науки.
Как это финансирование распределяется между разными научными дисциплинами, зависит от конкретной страны. Значительная часть уходит в биомедицинские исследования, часть — в исследования климата, в физику конденсированных сред, астрофизику и т. д. Своя доля уходит и в физику элементарных частиц.
Типичный годовой бюджет экспериментальной физики элементарных частиц, просуммированный по всем странам, — порядка нескольких миллиардов долларов (см., например, данные по США). Большинство этих денег тратится на многочисленные эксперименты небольшого масштаба, которых поставлено в последние годы порядка сотни, причем они финансируются на уровне отдельных институтов или в редких случаях — стран. Однако опыт последних десятилетий показал, что если объединить хотя бы часть денег, выделяемых на ФЭЧ во многих странах, в результате может получиться эксперимент, научная ценность которого намного превзойдет суммарную ценность множества мелких разрозненных экспериментов.
Именно с целью резкого увеличения научной эффективности при тех же деньгах и был создан LHC. Подробности про ожидаемую научную ценность экспериментов можно узнать из списка задач, стоящих перед LHC.
Как работает Большой адронный коллайдер, часть 1: устройство и задачи
Почти 60-летняя история Европейской организации по ядерным исследованиям включает в себя, конечно, немало открытий мирового значения. Появление ЦЕРНа вообще сложно переоценить: создание лаборатории под Женевой, например, послужило толчком к «гонке за знаниями» — так, подобная организация в Дубне Московской области, Объединенный институт ядерных исследований, стала ей своеобразным ответом. Кто-то назвал бы это событие «этапом холодной войны», но ученые почти всегда сторонились политики.
«Если мы не найдем бозон Хиггса — это хороший результат»
— Физика — наука международная, — считает профессор Игорь Голутвин. — Она требует таких больших ресурсов, что предоставить их не может ни одна страна в одиночку. Я говорю не столько даже о финансовой стороне вопроса, сколько об интеллектуальной.
Игорь Голутвин
Игорь Анатольевич первый раз приехал в Женеву более 50 лет назад. Он — представитель старшего поколения физиков, изучающих элементарные частицы, своими глазами видел становление ЦЕРНа, принимал участие в сотнях экспериментов и издал множество научных работ. Является ведущим ученым Объединенного института ядерных исследований в Дубне и руководителем коллаборации RDMS в ЦЕРНе. В ее состав входят сотни представителей из стран бывшего СССР, в том числе белорусы.
В общем, Игорь Голутвин точно знает, на какие вопросы может ответить Большой адронный коллайдер.
— Я слышал недавно любопытную мысль: физики сейчас занимаются тем, чем занимаются теологи уже 20 веков — объясняют происхождение мира, устройство Вселенной, — продолжает ученый. — Для этого была придумана специальная машина — Большой адронный коллайдер. Идею подали, кстати, мой хороший знакомый, талантливый человек и лауреат Нобелевской премии, Карло Руббиа и инженер Джорджио Брианти.
Профессор Голутвин считает, что Большой адронный коллайдер — идеальная экспериментальная установка, созданная на пределе инженерных возможностей человечества. Воплотить нечто большее было бы попросту невозможно, а построить меньшее — значит, сознательно уменьшить потенциал лаборатории.
— Большой адронный коллайдер мы называем машиной открытий, — говорит Игорь Анатольевич. — И, как это принято в научном мире, любое открытие должно быть подтверждено. Именно для этого сооружено два разных по устройству, но одинаковых по предназначению детектора (эксперимента).
Профессор называет коллайдер «началом новой эры»:
— Когда-то писали клинописью или делали наскальные рисунки, затем появилась принципиально другая письменность, потом книги, компьютеры — люди узнавали все больше и больше. Так вот, информация с детекторов Большого адронного коллайдера — это совсем другой уровень, на порядок выше. За один только год ее набирается столько, сколько потребило бы 2 миллиарда пользователей интернета.
Большая часть анализа информации обрабатывается автоматически — для этого работают мощности как самого ЦЕРНа, так и многочисленных компьютеров, распределенных по миру и связанных между собой в системе ГРИД. Об этом, как и об устройстве самого коллайдера, мы расскажем ниже.
В обывательской среде ходит достаточно много информации о коллайдере и его предназначении — раскруткой «брендов» типа «бозон Хиггса» или «темная материя» занимаются в основном журналисты. Игорь Голутвин описывает задачи ускорителя с долей философии:
— Ученые понимают строение вещества достаточно неплохо, но до определенного уровня, — говорит профессор. — Все, что находится за пределами нашего видения, описывается в теории, при помощи так называемой стандартной модели. Она всем хороша, кроме нескольких «мелочей»: например, в ней не учитывается существование гравитации, а также используется много свободных параметров — целых 26 «подгоночных» величин, вписанных, по сути, от руки.
Игорь Анатольевич доступным для нас языком раскрывает проблему объяснения массы веществ. Стандартная модель описывает их так, как будто они ничего не весят: тем не менее все мы носители своих килограммов, равно как всё, что существует во Вселенной.
— Одна из «красивых» теорий, объясняющая существование массы, как раз увязана с бозоном Хиггса, — продолжает физик. — Кроме того, за последнее десятилетие ученые сделали вывод, что видимая нами часть материи составляет всего 4% от общей ее массы. Так появился термин «темная материя», и мы надеемся понять, что это такое.
Ученый называет «громадным заблуждением» расхожее мнение, будто коллайдер существует только для поиска одного лишь бозона Хиггса. По его мнению, популярность в народе этой проблемы связана с особенностями финансирования научных программ со стороны политических властей: еще во времена попытки построить большой коллайдер на территории США деньги выделялись под конкретный проект или задачу и требовали отчетности. Так «бозон Хиггса» стал сверхзадачей.
— Да, это важнейшая проблема физики, — считает Игорь Голутвин. — И финансирование в огромных размерах (например, ЦЕРН под это выделил 700 миллионов долларов) должно как-то оправдываться, это такой своеобразный критерий.
По оценкам ученого, с достоверностью 98% к концу следующего года станет известно, существует бозон Хиггса или нет.
— На мой взгляд, доказательство отсутствия этой частицы было бы очень хорошим результатом, — заключает профессор. — Представляете, сколько сразу предположений отпадет?
Игорь Голутвин говорит, что коллайдер выполняет и другие важные задачи: он, возможно, станет дорогой в научную физику будущего, знания, которые сейчас даже не предсказываются и не укладываются в существующие теории. Ученые ЦЕРНа надеются приблизиться к пониманию барионной асимметрии Вселенной, кварк-глюонной плазмы, суперсимметрии, физики пространства-времени, природы нейтрино и много чего другого.
Как это работает?
Европейская организация по ядерным исследованиям расположена на территории двух стран — Швейцарии и Франции. Основное количество зданий и площадок разместилось внутри кольца Большого адронного коллайдера. Здесь и кабинеты ученых, и конференц-залы, и центры управления экспериментами, и цеха, и лаборатории, и даже два ресторана с гостиницей.
От площадки до площадки можно путешествовать на велосипедах или автомобилях. Детей, кстати, на день оставляют в имеющемся здесь детском саду.
Экскурсию по ЦЕРНу для нас провел Николай Зимин, физик-экспериментатор и участник эксперимента ATLAS. Он родился в Казахстане, учился в Томске, работает в Дубне, находясь как бы в длительной командировке в Швейцарии уже более 20 лет и помня, как все начиналось.
Николай Зимин
— Организован центр по принципу ООН, — говорит наш экскурсовод. — Почти 60 лет назад свои подписи под его созданием поставили представители 12 стран, еще 10 присоединилось до конца XX века (а Югославия — покинула), 6 имеют статус наблюдателя. Финансирование ЦЕРНа ведется пропорционально ВВП стран — наибольший вклад вносит Германия (порядка 20% от бюджета — 200 миллионов евро в год).
Пока мы идем в отдаленное здание музея, Николай показывает нам бытовые особенности лаборатории — почти круглосуточно работающее кафе, отделение банка и туристическое агентство, отделение связи и почты.
— У ученых, как вы понимаете, рабочий день не нормирован, поэтому раньше даже рестораны работали без перерывов круглые сутки, — продолжает физик. — Однако несколько лет назад случился неприятный инцидент — в ЦЕРН забрели местные хулиганы и устроили драку с работником ресторана. Была усилена проходная система, а ночью работают только кофейные автоматы. Раньше ведь даже забора не было.
Николай Зимин вспоминает этапы «научной войны» между европейским и советскими центрами по ядерным исследованиям. Тогда они шли нога в ногу, и Советы иногда опережали своих коллег.
— Дубненцы придумали по поводу запуска своего самого мощного на тот момент ускорителя — синхрофаза — отправить в Женеву бутылку водки с наказом выпить в день запуска здесь аналогичного устройства. Бутылка вернулась спустя какое-то время в Дубну, выпитая, разумеется. А внутри — график осциллографа, подтверждающий запуск ускорителя в ЦЕРНе.
Теперь, конечно, ускорители уже не те. Большой адронный коллайдер — главная гордость ЦЕРНа — повсеместно изображен на многочисленных рисунках, коллажах, графиках. Остановившись около одного из них, Николай Зимин коротко описал его характеристики:
— Окружность ускорителя составляет 27 километров, сам он состоит из разнообразных сверхпроводящих магнитов в количестве 12 тысяч штук, из них 1,2 тысячи — дипольные магниты, придающие круговую траекторию летящим частицам. Они, кстати, охлаждены до температуры 1,9 Кельвина, что несколько холоднее даже, чем в открытом космосе. Только так можно добиться от гелия, использующегося в конструкции коллайдера, сверхтекучего состояния. Сам тоннель находится под землей, на глубине от 50 до 150 метров (в зависимости от рельефа).
— Коллайдер создан для того, чтобы разгонять протоны до рекордно больших энергий на скорости, меньшей скорости света на миллионные доли, и сталкивать их, — продолжает Николай Зимин.
Зачем?
— Представьте, что мы знаем строение вещества только до определенного уровня, — отвечает научный сотрудник. — Оно состоит из молекул и атомов, те — из ядер и электронов, ядра — из протонов и нейтронов, а еще глубже — из кварков. Что дальше — не знаем. Возможно, узнаем при помощи Большого адронного коллайдера.
Протоны «рождаются» в линейном ускорителе, проходят начальный этап ускорения и попадают в первое малое кольцо, где достигают энергии 25 ГэВ. Отсюда их путь лежит в ускоритель SPS, где получаемая энергия повышается до 450 ГэВ. Наконец, последний этап — «впрыск» в самое большое кольцо и достижение энергии 3,5 ТэВ, половинной от запланированной.
Раскрутив в кольце до невообразимых скоростей, протоны заставляют сталкиваться друг с другом, порождая так называемые «события». Как раз в местах столкновений установлены детекторы — установки, регистрирующие столкновения, — ATLAS и CMS.
— «События» — это регистрация продуктов распада столкновения, большое количество вторичных частиц, порожденных огромными энергиями. Изучая их, мы можем попытаться понять, что существовало в первые микроскопические доли секунд после Большого взрыва, и, возможно, заглянем в новые глубины строения вещества.
В музее нас ожидает сюрприз: среди устаревших научных установок стоит настоящий артефакт компьютерной эпохи — компьютер Next, детище команды Стива Джобса времен ухода из Apple. Устройство стало первым сервером, на котором заработал интернет в привычном нам гипертекстовом виде. Создал его на тот момент сотрудник ЦЕРНа Бернерс-Ли.
— Я хорошо помню лекцию, где Тим представлял проект гипертекстового интернета, — вспоминает по случаю Николай Зимин. — Я тогда еще слабо знал английский, но посетить семинар меня уговорил приятель. По прошествии стольких лет, конечно, ни капли не жалею об этом. Его идея родилась благодаря особенностям нашего центра: нужно было ускорить обмен информацией между учеными, занятыми в разнообразных экспериментах. Именно так возникла мысль о создании чего-то, что могло бы ускорить, упростить и удешевить этот процесс. Никто и не думал, что это найдет такое широкое применение и перевернет мир, обеспечив всему человечеству доступ к разнообразнейшей информации.
Здесь же расположен макет коллайдера, повторяющий настоящий один к одному. Николай Зимин рассказывает, как организован процесс столкновения протонов. Для этого в ускорителе встроены специальные камеры, «умеющие» магнитами сжимать их до пучков с микронными размерами, что обеспечивает вывод на пересекающиеся траектории.
— Одной из сложнейших задач при конструировании коллайдера была проблема эффективности столкновений, — подчеркивает ученый. — Наиболее информативные и важные для нас «события» происходят тогда, когда протоны сталкиваются «лоб в лоб», а не по касательной. В камере пучки фокусируются, сталкиваются какие-то из их частиц, остальные продолжают крутиться в ускорителе, ожидая, когда наступит их черед столкнуться. Дальше — дело анализа.
В коллайдере одновременно находятся 2808 «банчей» — нарезанных сгустков частиц. За 1 секунду они облетают окружность ускорителя 11 тысяч раз, порождая «события» каждые 25 наносекунд. Гигантский объем информации!
— Мы стараемся автоматически отбирать только самые-самые интересные «события», — уточняет Николай Зимин. — Например, когда сталкиваются «в лобовую» протоны, а еще лучше — кварки. Учитывая малые их размеры, такие столкновения крайне редки.
—
Продолжение специального репортажа о работе Большого адронного коллайдера читайте здесь. Вы узнаете о вкладе белорусов в создание проекта, побываете вместе с нами в компьютерном центре ЦЕРНа и увидите самый настоящий ключ от ускорителя!
Onliner.by благодарит белорусское представительство Samsung
за помощь в подготовке репортажа
Фото: Максим Малиновский, камера Samsung NX11
Большой адронный коллайдер — Lurkmore
| ACHTUNG! Опасно для моска! Министерство здравоохранения Луркмора предупреждает: вдумчивое чтение нижеследующего текста способно нанести непоправимый ущерб рассудку. Вас предупреждали. |
| « | У физиков есть традиция: Каждые 13,7 миллиардов лет они собираются вместе и строят «Большой адронный коллайдер». | » |
| — Анонимус | ||
Большой адронный коллайдер (поц. «Большой Андроидный коллайдер», англ. LHC, Large Hadron Collider, Last Hadron Collider etc.} Про — Такой большой и такой Адронный, ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для ускорения и разбивания на больших скоростях адронов и прочих высокоэнергетических частиц. Находится в Европейском центре ядерных исследований CERN. БАК собирает информации больше, чем имеется в любой бумажной библиотеке человечества — до 4 петабайт.
С помощью деликатного инструментария учёные исследуют свойства Вселенной| « | Вот например есть у тебя автомобиль, ты его разгоняешь до 240 и въебошиваешься в камаз и по обломкам изучаешь его внутреннее устройство. БАК - нитроускоритель, а бозон - обломок прикуривателя. | » |
| — Анонимус | ||
Сам БАК представляет собой кольцеобразный тоннель длиной 25536 метров, находящийся на глубине 50—175 метров под территориями Франции и Швейцарии. Кроме него, в структуру также входят ещё несколько тоннелей меньших диаметров для предварительного разгона частиц.
Официальной целью проекта БАК, прежде всего, является поиск бозона Хиггса[1] и поиск физики вне рамок Стандартной модели. Также большое внимание планируется уделить исследованиям свойств W- и Z-бозонов, ядерным взаимодействиям при сверхвысоких энергиях, процессам рождения и распадов тяжелых кварков (b и t). Ученые, затаив дыхание, следили за поисками этих небольших по размерам хреновин, резонно опасаясь, что если их не отыщут, то придется морщить бестолковки в создании новых стройных теорий еще лишние сто лет, что вовсе не айс. Ведь бозон вот уже сколько десятилетий существовал исключительно на бумаге, и совсем не было исключено, что его на самом-то деле и нет, а ведь предположения о глубинном устройстве нашей с вами материи в таком случае довольно-таки решительно летят к квантовым херам. Так что когда бозончик таки поймали, яйцеголовые бросились откупоривать шампусик, и вообще вели себя как радостные очкастые дети в белых халатах. Как мало человекам надо для счастья! Есть и альтернативное мнение великого российского ученого — бозона не существует, а открытие не совсем соответствует действительности, ибо стандартная модель оказалась неожиданно нестандартной, Нобелевка же Хиггсу — попытка оправдать 100500 нефти, вложенных в коллайдер, плюс мировая коррумпированная наука РЛО.
Как всегда, находятся те, кто срывает покровы: реальной целью создания Большого Адронного Бублика является острое желание французских властей встряхнуть всю отрасль ядрёной физики. Суть проблемы в следующем: после распада СССР и появления на карте России у французских ядерщиков начался нехилый баттхерт: если до этого ведущими странами в данных исследованиях были СШП и Франция, причем СШП делала хорошо и за дорого (см. Фукусима), а Франция делала подешевле и похуже, то Россия делала и хуже и дешевле французов и полезла на мировой рынок ядрёных услуг, выпихивая французов на обочину. Терпеть такое французы не очень-то хотят, но приходится, а БАК в принципе позволяет привлечь кучу иностранных спецов, в том числе и из России, и отработать множество новых приемов ядрёной технологии. Пока похвастаться особо нечем, ибо денежки французы пиздят осваивают не хуже коллег из этой страны, а привлеченные иностранные ученые — в основном те, кто на родине оказался на фиг не нужен. Но отчеты по проекту пишутся, а это главное.
Важный момент, позволяющий понять БАК как явление — это его пиар. Не каждая, даже самая навороченная, научная установка проникает в новостные ленты всяких разных государств, в художественную литературу и народные фольклоры. И неебическая стоимость новинки на самом деле не так уж велика в относительных масштабах, поскольку одновременно в мире строятся несколько штуковин значительно дороже, но это никого ниипет. Пример — проект современного токамака ИТЭР в Кадараше — стоит в разы дороже, но на него всем похуй. В общем, денег на пиар не жалели, устраивали конференции с журнализдами, давали пространные платные интервью и так далее. А хуле, если основная цель — привлечь специалистов и попиариться, то так и надо делать.
Любой может посмотреть текущий статус работы коллайдера по ссылке, но простой смертный при этом увидит столь же простой хуй.
[править] Обратный отсчет до конца света
Проектирование БАКа началось еще в седом 1983 году, но в те времена проект мало чем отличался от проектов освоения Луны, начатых примерно тогда же (то есть технически все средства вроде есть, а вот зачем такой проект реализовывать — непонятно). В конце концов, цена примерно половины атомной электростанции слишком высока, чтобы удовлетворить любопытство. Но вот наступил 1998 год, и в этот год началось строительство Тяньваньской АЭС (Китай) и подписано соглашение по Куданкуламской АЭС (Индия). Проникновение на столь крупные рынки как Индия и Китай новых игроков подстегнуло других игроков, и у БАКа появилась цель (проекты РФ на территории бывшего Варшавского договора никого не волновали до последнего времени — гуглим АЭС «Пакш» и «Белене»). Подстегнуло довольно слабенько, ибо эта страна уже вовсю лезет на рынок Мелкобритии [1], что уже откровенно ебаный стыд.
Согласно некоторым теоретикам большого ума, столкновение частиц на околосветовых скоростях может привести к образованию черной дыры с последующим перемещением в оную всей нашей планеты, а с нею и тебя, анонимус. И хотя серьезные ученые неоднократно заявляли, что все это полная хуйня и бред сивой кобылы, хомячки, как это у них принято, подняли восторженный вой в стиле «Молитесь! Мы все умрем!» Англоязычные любители попугать друг друга этой еболо́й в январе 2008 года запилили сайт lhcountdown.com, нарочито по дизайну напоминающий официальный сайт коллайдера. Основным поводом для радости был находящийся вверху тикающий таймер, отмеряющий дни, часы и минуты до пиздеца планетарных масштабов. Таймер был установлен на полночь 15 мая 2008 года — предполагаемый день запуска коллайдера. Кое-кто действительно поверил, что в этот день Земле суждено погибнуть, и треды типа «Конец света близок! Верующие — каяться! Девственники — ебаться! Алкоголики трезвенники — бухать! Паникеры — вешаться!» на всевозможных форумах по приближении 15 мая посыпались как из ведра. Это даже при том, что создатели сайта вечером 13 мая запостили опровержение:
| The countdown timer was set to the 15th of May because there was no definite time given for the actual activation, recent events show that CERN won’t be dividing by zero until much later on in the year, so now the countdown timer will be reset again and will be continually tweaked to go by the latest info that CERN are releasing. |
Разумеется, в полночь 15 мая нихуя не случилось, поскольку, во-первых, коллайдеры по ночам никто не запускает (таймер был выставлен, что называется, от балды), во-вторых, ЦЕРН из-за финансовых проблем вообще перенес запуск коллайдера на июль, о чем было известно еще в марте. После этого таймер на lhcountdown.com, как и обещалось, переставили на 8 июля, получив порцию новых лулзов. Очередной датой было назначено 10 августа, а позже — 11 августа 2008 — года по меньшему из колец (трехкилометровому) наконец-то действительно пустили пучок заряженных частиц. Говна взбурлили, но… ничего. Правда, основное 27-километровое кольцо все еще оставалось нетронутым, вызывая ужас хомячков, мало улегшийся даже с пробной инжекцией пучка протонов 24 августа.
Наконец, 10 сентября 2008 года в 12:28 по московскому времени коллайдер все-таки был наконец окончательно приведен в действие — по нему пустили пробный маломощный пучок. Провозвестники апокалипсиса разочарованно соснули хуйца. Однако уже 19 сентября ВНЕЗАПНО случилась утечка сверхтекучего жидкого гелия, заморозившая работу коллайдера, что оказалось неслабым каламбуром для нердов. С этого момента коллайдер находился в стадии ремонта, который двое дебилов — Уолтер Вагнер и Луис Санчо — всячески оттягивали. Они утверждали, что не дадут пускать коллайдер, пока не будет гарантировано, что не случится упомянутый Большой Пиздец. Впрочем, коллайдер уже запустили, а ученые срать хотели на всяких спасительных долбоебов.
Так что в рамках коллайдер-фагготрии можно напредсказывать много замечательных дат. В конечном итоге все равно выиграют физики, но тогда проиграют все человеки.
Алсо, в случае образования чёрной дыры мы таки не умрём. Цимес в том что вблизи дырочки время замедляет свой ход. То есть для нас всё будет канонічно — земля уйдёт со всеми говнами в одну дырку. Однако для внешнего наблюдателя время будет бесконечно замедляться при приближении к её поверхности. Впрочем, чёрных микродыр на БАК так и не нашли. А если найдут, то нам обязательно скажут как дальше жить.
Запуск на полную мощность проектной энергии (14 ТэВ на пучок) запланирован на декабрь 2014 года.
17 декабря 2012, те аккурат за 4 дня до БП, ЦЕРН остановил коллайдер официально на ТО до 2015 года (с коротким пуском в 2013), при этом у себя на сайте учёные написали: «До скорого и спасибо за рыбу», что как бы намекает нам и в тоже время усыпляет бдительность, но мы-то знаем.
[править] Оно-таки случилось!
Четвертого июля 2012-го года физики Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) официально объявили об открытии новой частицы, похожей на бозон Хиггса в ходе экспериментов на Большом адронном коллайдере, ее свойства в основном соответствуют ожидаемым для бозона Хиггса, но некоторые все же отличаются.14 марта 2013 года физики ЦЕРНа подтвердили, что найденная полугодом ранее частица действительно является бозоном Хиггса.
Короче говоря: эксперимент в принципе удался, результат в принципе получен тот, какой ожидали, хотя и с некоторыми отличиями от теоретических выкладок. Нытики ноют, что вероятность того, что оная частица была поймана какбе не составляет 100%[2], оптимисты откупоривают шампанское, остальным, разумеется, похуй. Твердившие про конец света плюнули и ушли ждать 21 декабря.
[править] Божественная частица
Выдержка из микроблогов
В далёком 1993 году пара умных дядек написали про бозон Хиггса книжечку, которую хотели назвать «That Goddamn Particle», но цензура ругательное название не пропустила. Пришлось парням идти на компромисс, и именем книги стало «The God Particle».
Западным христианам такое имечко пришлось зело по нраву, и, не читая дальше обложки, они побежали трубить по всем интернетам: «официальное доказательство существования Бога на Земле! Физики нашли частицу Бога!» Синхронные багеты и последующие фейспалмы физиков и прочих атеистов были слышны по всей Европе[3].
[править] Пара слов от Grammar nazi
и снова У граммарнаци уже просто не хватает| « | Предотвращая ругательств тонны, | » |
| — почти Маяковский | ||
[править] Large Hardon Collider
В результате опечатки слово hadron превращается в hardon, чему посвящен сайт largehardoncollider.com. Такую опечатку допускают и солидные журналисты (см. опечатку в New York Times).
Гугл про Large Hard-on Collider.
[править] Правильные слова: адронный и коллайдер
Топ запросов Яндекса показывает, что многие из тех, кто ищет инфу об адронном коллайдере и бозоне Хиггса, не знают, как пишутся эти слова.
Периодически[4] встречается написание андронный (андрология — зеркальный близнец гинекологии, то есть медицинская наука о пинусе), английский вариант hardon (англ. hard-on — стояк), а иногда даже андроидный.
Между прочим, в этом вашем хвалёном стабильном Бульбостане на православной тарашкевице Большой адронный коллайдер звучит «Вялікі гадронны паскаральнік» (Большой гадронный ускоритель). Креативно и самобытно, не то что в этой стране.
Особенно доставляли потоки умняков про «андронный»(НТВ) и «адроновый»(РТР) коллайдер в новостях по центральному телевидению. Но самый феерический вариант был обнаружен (ещё бы!) в интернетах — Большой Огромный Коллайдер. Также встречался вариант афедронный. Засветился и Первый канал — речь уже не о БАК, но все еще доставляет.
Алсо сабж и Бозон Хиггса засветились на б-гомерзком Ответы@mail. Лишь один ответ из пяти может претендовать на место худо-бедно правильного. Остальные ответы дают понять, что 95% населения не имеют ни малейшего представления о физике. Последние два ответа изрядно доставляют.
[править] Коллайдеры в мемологии
| « | Снова будет ночь бессонной, | » |
| — Антинародная песня | ||
Узнав о мрачной гипотезе Всеобщего Пиздеца, анонимусы люто, бешено возрадовались и впали в мизантропию. Коллайдер стал неким аналогом вселенского Угнетателя — существо, могущее уничтожить весь мир.
Узнав о радости анонимуса, коллайдер, с целью деградировать возмущенную общественность, внезапно трансмутировал во всепоглощающую и фапабельную Коллайдер-саму. Дива сия, послав лучи всасывания, подавила сознание нестойкой части битардов и тем добилась от правительства Интернетов выделения значительных средств на восстановление своей истинной сущности и на сбор всех злых сил микромира для проведения заключительного сеанса секаса осенью 2010 года.
Алсо, тема Коллайдера стала предметом неустанного фапа всех Халвафагов и Вальвофилов. Идея возникновения микрочерных микродыр и микро же машин микровремени, с вытекающими отсюда временными парадоксами, порталами в иные миры и прочим насилием над всякими континуумами, как бэ намекает нам на сюжет Half-Life. Поэтому запасайся солью, спичками, монтировками, противогазами и гравитационными пушками, Анонимус!
Также, в 2008-ом году ВНЕЗАПНО по крайней мере в двух анимэ-сериалах появилось оружие, всеми своими признаками напоминающее тот же самый коллайдер. В Macross Frontier это была страшная хрень под гордым именем «Пожиратель Измерений», которая таки зохавала какую-то отдалённую планету. Во втором сезоне Code Geass это была местная, куда более локальная версия вооружений под названием Fleia (читаясь при этом как Фрэя), которая создавала что-то типа маленькой короткоживущей чёрной дыры… В общем, японцы фтеме. Алсо, тут же можно упомянуть аниме Стальной алхимик: Братство — для осуществления Хитрого Плана: главзлодей вырыл под страной гигантский кольцеобразный тоннель, являющийся преобразовательным кругом, предназначенный для умножения на ноль всего населения Аместриса.
Утверждается, что в романе Flashforward, который лег в основу одноименного сериала, именно БАК заставил людей видеть будущее. Авторы сериала, впрочем, обещали, что их неведомая хуйня будет даже ещё неведомее, так что это вроде как и не спойлер.
В последнем сезоне сериала Lexx создатели предугадали будущую истерию по поводу коллайдера… А посему Земля должна была быть выпилена именно в результате нахождения бозона Хиггса. Разумеется, так как на орбите появился Лексс, коллайдер просто не успел выполнить свое предназначение. Примечательно, что сам Стивен Хокинг (видимо после просмотра вышеупомянутого сезона) предупредил о смертельной опасности опытов с бозоном Хиггса.
В аниме Steins;Gate БАК вообще стал основой сюжета. CERN (в аниме — SERN) является Империей зла и хочет изменить прошлое для достижения мирового господства. Алсо, главные герои успешно использовали его в качестве архиватора данных со степенью сжатия более 9000% (9956688629305%, если быть точным).
Сериал «Доктор Кто» тоже пару раз проехался по теме БАК: то там НЕХи людей воровали, то ученые рассчитали, что весь наш мир — забагованная симуляция (спойлер: ИЧСХ были правы), после чего радостно самовыпилились.
В Another World для Амиги главный герой попадает в другой мир в результате мини-пиздеца случившегося во время эксперимента с коллайдером когда в последний ебошит молния.
В этом вашем Red Alert 3, в дополнении Uprising, в компании за Советы в последней миссии тоже имеется коллайдер, а в оригинале у Альянса есть мощное оружие — протонный коллайдер, сферическое супероружие в вакууме.
В Rise of Nations Коллайдер является чудом света, позволяющим мгновенно производить исследования.
В «Принцессе в доспехах» на одном из островов можно встретить гнома, который поведает, если его расспросить о прошлой жизни, что участвовал в некоем секретном проекте по созданию Гудронной Трубы. Сей агрегат предназначался для разгона больших масс нефти до высоких скоростей. Но к власти пришел новый король и приказал проект закрыть. Вполне вероятно, что под Гудронной Трубой подразумевался сами-понимаете-кто.
В Starcraft II уберъюнит протосов Mothership по форме очень напоминает летающий коллайдер. ЧСХ создает черные дыры.
В Deus Ex: Human Revolution, на последнем уровне, на Панхее, имеется кольцевой уровень с самим кольцом, неиллюзорно напоминающим сабж.
В Endless Space игроку даётся возможность построить на каждой планете не-барионный коллайдер (+2 к науке).
В Айс-Пиковской «Эврике!» Адронный коллайдер позволяет возвернуть улетевшую земную ось на ее исконное место.
В третьем Mass Effect врагов галактика побеждает врагов с помощью построенного всем миром коллайдера более 9000 километров в окружности. Что именно он делает — зависит от игрока, но в любом случае галактика будет уже не та. Кроме того, в игре можно найти планету под названием Трикалон, где до нападения Жнецов распологался огромный коллайдер, обхватывавший всю планету вдоль её орбиты. ЧСХ, нападавшие машины сочли его большей угрозой для себя, нежели оборонявший систему флот.
В рашкинской кармагидоноподобной игре Armageddon Riders коллайдер главная причина появления зомбаков, аномалий и прочего творящегося на экранах пиздеца, есть возможность погонять внутри коллайдера.
В PSI OPS The Mindgate Conspiracy, на одном из уровней, нужно остановить не очень большой адронный коллайдер. Нужно выключить 4 рубильника, в 4х комнатах, попасть в которые можно только проходя внутри коллайдера, в нём носится НЕХ, напоминающая шаровую молнию, поэтому важно проскочить не поджарившись. WIN
В мире футурамы коллайдеры продаются в магазинах πKEA, но собирать их нужно самим. Если собранный суперколлайдер супервзрывается, магазин обязан вернуть деньги.
[править] Познавательные картинки
[править] Бегущие картинки (со звуком)
- ↑ Бозо́н Хи́ггса, устар. «Хиггсон» или Хи́ггсовский бозо́н (иногда говорят просто Хиггс). Искомая микроскопическая пиздюлинка есть теоретически предсказанная еще в шестидесятых элементарная частица, напоминающая пи-мезон, но подобно глюонам обладающая свойствами саморазмножения и самосклеивания. Эта самая частица, судя по всем расчетам — недостающее звено в лучшей на сегодняшний день теории квантового мироздания, благодаря которой исключительно хорошо сходятся концы с концами в большинстве экспериментов с элементарными частицами, до бозона вызывавших массу довольно безнадежных вопросов. Короче говоря, с ней вытанцовывается вполне себе такая стройная и красивая, а главное — прекрасно обоснованная реальными и чудовищно дорогостоящими экспериментами картина квантового естества Вселенной. А без нее — не очень. Грубо говоря, механизм Хиггса наделяет все частицы массой. Правильнее говорить о «бозонах Хиггса», так как для полноты теории не хватает двух, строго говоря, разных частиц. Впрочем, одна таки найдена в этом вашем БАК, стало быть, и до другой скоро доберутся
- ↑ около 99,8% — если уж совсем занудно
- ↑ Пост в каком-то новостном бложике
- ↑ согласно статистике яндекса за ноябрь 2010 слово «адронный» искало 14 446 человек, а слово «андронный» искало немногим меньше — 10 000 человек
| В Большом адронном коллайдере лишь один сплошной матан. | |
|---|---|
| Большой адронный коллайдер? Нам пиздец! Мы все умрем! | |
|---|---|
Для чего нужен Большой адронный коллайдер?
Большой адронный коллайдер называют либо «машиной Судного дня», либо ключом к тайне Вселенной, но его значимость не подвергается сомнению.
Как сказал когда-то знаменитый британский мыслитель Бертран Рассел: «Наука – это то, что вы знаете, философия – то, чего не знаете». Казалось бы, что истинно научное знание давно отделилось от своих истоков, которые можно найти в философских изысканиях Древней Греции, но это не совсем так.
На протяжении двадцатого века ученые пытались найти в науке ответ на вопрос об устройстве мира. Этот процесс был похож на поиск смысла жизни: огромное множество теорий, предположений и даже безумный идей. К каким же выводам пришли ученые к началу XXI века?
Весь мир состоит из элементарных частиц, которые представляют собой конечные формы всего сущего, то есть то, что нельзя расщепить на более мелкие элементы. К ним относятся протоны, электроны, нейтроны и так далее. Эти частицы находятся между собой в постоянном взаимодействии. На момент начала нашего столетия оно выражалось в 4 фундаментальных типах: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Первое описывается Общей теорией относительности, другие три объединяются в рамках Стандартной модели (квантовая теория). Было также сделано предположение о существовании еще одного взаимодействия, впоследствии названного «поле Хиггса».
Постепенно стала формироваться идея объединения всех фундаментальных взаимодействий в рамках «теории всего», которая изначально воспринималась как шутка, но быстро переросла в мощное научное направление. Зачем это нужно? Всё просто! Без понимания того, как функционирует мир, мы словно муравьи в искусственном гнезде – не выберемся за пределы своих возможностей. Человеческое знание не может (ну, или пока не может, если вы оптимист) охватить устройство мира целиком.
Одной из самых знаменитых теорий, претендующих на «объятие всего», считается теория струн. Она подразумевает, что вся Вселенная и наша с вами жизнь многомерна. Несмотря на разработанную теоретическую часть и поддержку знаменитых физиков, таких, как Брайан Грин и Стивен Хокинг, она не имеет экспериментального подтверждения.
Ученые, спустя десятилетия, устали вещать с трибун и решили построить то, что раз и навсегда должно расставить все точки над «i». Для этого и была создана крупнейшая в мире экспериментальная установка – Большой адронный коллайдер (БАК).
«К коллайдеру!»
Ускоритель в Лаборатории Ферми. Вид на ускорительный центр Fermilab, США. Теватрон (кольцо на заднем плане) и кольцо-инжектор. Над подземными тоннелями видны кольцевые пруды, рассеивающие избыточное тепло от оборудования. Fermilab, Reidar Hahn / wikimedia.org (CC0 1.0)
Что такое коллайдер? Если говорить научным языком, то это – ускоритель заряженных частиц, предназначенный для разгона элементарных частиц для дальнейшего понимания их взаимодействия. Если говорить ненаучным языком – это большая арена (или песочница, если вам угодно), на которой ученые сражаются за подтверждение своих теорий.
Впервые идея столкнуть элементарные частицы и посмотреть, что будет, появилась у американского физика Дональда Вильяма Керста (Donald William Kerst) в 1956 году. Он предположил, что благодаря этому ученым удастся проникнуть в тайны Вселенной. Казалось бы, что плохого в том, чтобы столкнуть между собой два пучка протонов с суммарной энергией в миллион раз больше, чем от термоядерного синтеза? Времена были соответствующие: холодная война, гонка вооружений и все такое.
История создания БАК
Глобус науки и инноваций ЦЕРНа. Brücke-Osteuropa / wikimedia.org
(CC0 1.0)
Идея создания ускорителя для получения и исследования заряженных частиц появилась еще в начале 1920-х годов, но первые прототипы были созданы только к началу 1930-х. Изначально они представляли собой высоковольтные линейные ускорители, то есть заряженные частицы двигались прямолинейно. Кольцевой вариант был представлен в 1931 году в США, после чего похожие устройства стали появляться в ряде развитых стран – Великобритании, Швейцарии, СССР. Они получили название циклотроны, и стали в дальнейшем активно использоваться для создания ядерного оружия.
Нужно отметить, что стоимость строительства ускорителя частиц неимоверно высокая. Европа, игравшая во время холодной войны не первостепенную роль, поручила его создание Европейской организации по ядерным исследованиям (на русском часто читается как ЦЕРН), которая в дальнейшем занялась и строительством БАК.
ЦЕРН была создана на волне беспокойства мирового сообщества в отношении ядерных исследований в США и СССР, которые могли привести к всеобщему истреблению. Поэтому ученые решили объединить усилия и направить их в мирное русло. В 1954 году ЦЕРН получила своё официальное рождение.
В 1983 году под эгидой ЦЕРН были открыты бозоны W и Z, после чего вопрос об открытии бозонов Хиггса стал лишь делом времени. В том же году началась работа над строительством Большого электрон-позитронного коллайдера (БЭПК), который сыграл первостепенную роль в изучении обнаруженных бозонов. Однако уже тогда стало ясно, что мощности созданного устройства в скором времени окажутся недостаточными. И в 1984 году было принято решение о строительстве БАК, сразу после того, как БЭПК будет демонтирован. Это и произошло в 2000 году.
Строительство БАК, начавшееся в 2001 году, облегчалось тем, что оно происходило на месте бывшего БЭПК, в долине Женевского озера. В связи с вопросами финансирования (в 1995 году стоимость оценивалась в 2,6 млрд швейцарских франков, к 2001 превысила 4,6 млрд, в 2009 составила 6 млрд долларов).
На данный момент БАК располагается в туннеле с длиной окружности 26,7 км и проходит через территории сразу двух европейских стран – Франции и Швейцарии. Глубина туннеля варьируется от 50 до 175 метров. Нужно также отметить, что энергия столкновения протонов в ускорителе достигает 14 тераэлектронвольт, что в 20 раз больше достигнутых результатов при использовании БЭПК.
«Любопытство – не порок, но большое свинство»
27-километровый туннель коллайдера ЦЕРН, расположен в 100 метрах под землей недалеко от Женевы. Здесь будут находиться огромные сверхпроводящие электромагниты. Справа транспортные вагоны. Juhanson / wikipedia.org (CC BY-SA 3.0)
Зачем нужна эта рукотворная «машина Судного дня»? Ученые рассчитывают увидеть мир таким, каким он был сразу после Большого взрыва, то есть в момент образования материи.
Цели, которые поставили перед собой ученые при строительстве БАК:
- Подтверждение или опровержение Стандартной модели с целью дальнейшего создания «теории всего».
- Доказательство существования бозона Хиггса как частицы пятого фундаментального взаимодействия. Она, согласно теоретическим изысканиям, должна влиять на электрическое и слабое взаимодействие, нарушая их симметрию.
- Изучение кварков, представляющих собой фундаментальную частицу, которая в 20 тысяч раз меньше состоящих из них протонов.
- Получение и исследование темной материи, составляющей большую часть Вселенной.
Это далеко не единственные цели, возложенные учеными на БАК, но остальные больше относятся к смежным или сугубо теоретическим.
Чего удалось достичь?
Несомненно, наиболее крупным и значимым достижением стало официальное подтверждение существования бозона Хиггса. Открытие пятого взаимодействия (поля Хиггса), которое, по утверждениям ученых, влияет на приобретение массы всеми элементарными частицами. Считается, что при нарушении симметрии в процессе воздействия поля Хиггса на другие поля, бозоны W и Z становятся массивными. Открытие бозона Хиггса настолько велико по своей значимости, что ряд ученых дал им название «божественные частицы».
Кварки объединяются в частицы (протоны, нейтроны и другие), которые получили название адроны. Именно они ускоряются и сталкиваются в БАК, откуда и пошло его название. В процессе работы коллайдера было доказано, что выделить кварк из адрона попросту невозможно. Если вы попытаетесь это сделать, то просто вырвете из, например, протона другой вид элементарной частницы – мезон. Несмотря на то что это лишь один из адронов и ничего нового в себе не несет, дальнейшее изучение взаимодействия кварков должно осуществляться именно небольшими шагами. В исследованиях фундаментальных законов функционирования Вселенной спешка опасна.
Хоть сами кварки и не были открыты в процессе использования БАК, но их существование до определенного момента воспринималось как математическая абстракция. Первые такие частицы были найдены в 1968 году, но лишь в 1995-ом официально доказано существование «истинного кварка». Результаты экспериментов подтверждаются возможностью их воспроизвести. Поэтому достижение БАК аналогичного результата воспринимается не как повтор, а как закрепляющее доказательство их существования! Хотя проблема с реальностью кварков никуда и не исчезла, ведь их просто нельзя выделить из адронов.
Какие планы?
Основная задача по созданию «теории всего» решена не была, но теоретическая проработка возможных вариантов её проявления ведется. До сих пор одной из проблем объединения Общей теории относительности и Стандартной модели остается разная область их действия, в связи с чем вторая не учитывает особенности первой. Поэтому важен выход за пределы Стандартной модели и достижения грани Новой физики.
Суперсимметрия – ученые считают, что она связывает бозонное и фермионное квантовые поля, да так, что они могут превращаться друг в друга. Именно подобная конверсия выходит за рамки Стандартной модели, так как существует теория, что в основе симметричного отображения квантовых полей лежат гравитоны. Они, соответственно, могут являться элементарной частицей гравитации.
Бозон Мадала – гипотеза о существовании бозона Мадала предполагает, что имеется еще одно поле. Только если бозон Хиггса взаимодействует с известными частицами и материей, то бозон Мадала – с темной материей. Несмотря на то что она занимает большую часть Вселенной, её существование не входит в рамки Стандартной модели.
Микроскопическая черная дыра – одно из исследований БАК заключается в создании черной дыры. Да-да, именно той черной, всепоглощающей области в космическом пространстве. Благо, что значительных достижений в этом направлении сделано не было.
На сегодняшний день Большой адронный коллайдер представляет собой многоцелевой исследовательский центр, на основе работы которого создаются и экспериментально подтверждаются теории, которые помогут нам лучше понять устройство мира. Вокруг ряда проводимых исследований, которые клеймятся опасными, нередко поднимаются волны критики, в том числе со стороны Стивена Хокинга, но игра определенно стоит свеч. Мы не сможем плыть в черном океане под названием Вселенная с капитаном, у которого ни карты, ни компаса, ни элементарных знаний об окружающем мире.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
для чего нужен, где находится
Что такое адронный коллайдерНаверняка почти каждый человек на Земле, хоть раз, да слышал о большом адронном коллайдере. Вот только, несмотря на то, что многие слышали о нем, мало кто понимает, что такое адронный колладейр, каково его предназначение, в чем суть адронного коллайдера. В нашей сегодняшней статье мы ответим на эти вопросы.
Что такое адронный коллайдер
По сути адронный коллайдер представляет собой сложный ускоритель элементарных частиц. С его помощью физикам удается разогнать протоны и тяжелые ионы. Изначально адронный коллайдер создавался для подтверждения существования бозона Хиггса, неуловимой элементарной частицы, которую физики порой в шутку называют «частичкой Бога». И да, существование этой частички было подтверждено экспериментально с помощью коллайдера, а сам ее первооткрыватель Питер Хиггс получил за это нобелевскую премию по физике в 2013 году.
Разумеется, одним лишь бозоном Хиггса дело не ограничилось, помимо него физиками были найдены и некоторые другие элементарные частицы. Теперь вы знаете ответ на вопрос, зачем нужен адронный коллайдер.
Что представляет собой большой адронный коллайдер
Прежде всего, необходимо заметить, что большой адронный колайдер не возник на пустом месте, а появился как эволюция своего предшественника – большого электрон-позитронного коллайдера, представляющего собой 27-ми километровый подземный туннель, строительство которого началось еще в 1983 году. В 1988 году кольцевой тоннель сомкнулся, притом интересно то, что строители подошли к делу очень тщательно, настолько, что расхождение между двумя концами туннеля составляет лишь 1 сантиметр.
Так выглядит схема адронного коллайдера.
Электрон-позитронный коллайдер проработал до 2000 года и за время его работы в физике был сделан с его помощью целый ряд открытий, среди которых открытие W и Z бозонов и их дальнейшее исследование.
С 2001 года на месте электрон-позитронного коллайдера началось уже строительство коллайдера адронного, которое закончилось в 2007 году.
Где находится адронный коллайдер
Большой адронный коллайдер находится на границе Швейцарии и Франции, в долине женевского озера, всего лишь в 15 км от самой Женевы. И располагается он на глубине 100 метров.
Место расположения адронного коллайдера.
В 2008 году начались его первые испытания под патронатом ЦЕРН – Европейской организации по ядерным исследованиям, которая на данный момент является крупнейшей лабораторией в мире в области физики высоких энергий.
Для чего нужен адронный коллайдер
С помощью этого гигантского ускорителя элементарных частиц физики могут проникать так глубоко внутрь материи, как никогда раньше. Все это помогает, как подтверждать старые научные гипотезы, так и создавать новые интересные теории. Детальное изучение физики элементарных частиц помогает нам приблизиться в поисках ответов на вопросы об устройстве Вселенной, о том, как она зародилась.
Глубокое погружение в микромир позволяет открыть революционно новые пространственно-временные теории, и как знать, может быть, даже удастся проникнуть в тайну времени, этого четвертого измерения нашего мира.
Как работает адронный коллайдер
Теперь давайте опишем, как собственно работает большой адронный коллайдер. О принципах его работы говорит название, так как само слово «коллайдер» с английского переводится как «тот, кто сталкивает». Главная его задача – устроить столкновение элементарных частиц. Причем частицы в коллайдере летают (и сталкиваются) на скоростях, близких к скоростям света. Результаты столкновений частиц фиксируют четыре основных больших детектора: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb и множество вспомогательных детекторов.
Более детально принцип работы адронного коллайдера описан в этом интересно видео.
Опасность адронного коллайдера
В целом людям свойственно боятся вещей, которые они не понимают. Именно это иллюстрирует отношение к адроному коллайдеру и различные опасения, с ним связанные. Самые радикальные из них, высказывались, что в случае возможного взрыва адронного коллайдера может погибнуть, не много, не мало, а все человечество вместе с планетой Землей, которую поглотит образовавшаяся после взрыва черная дыра. Разумеется, первые же опыты показали, что подобные опасения не более чем детская страшилка.
А вот некоторые серьезные опасения относительно работы коллайдера были высказаны недавно умершим английским ученым Стивеном Хокингом. Причем опасения Хокинга связаны не столько с самим коллайдером, сколько с полученным с его помощью бозоном Хиггса. По мнению ученого этот бозон является крайне не стабильным материалом и в результате определенного стечения обстоятельств может привести к распаду вакуума и полному исчезновению таких понятий как пространство и время. Но не все так страшно, так согласно Хокингу, для того, чтобы произошло нечто подобное необходим коллайдер величиной с целую планету.
Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка
При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту [email protected] или в Фейсбук, с уважением автор.
Международный линейный коллайдер — Википедия
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Общая схема ускорительного комплекса, согласно TDRМеждунаро́дный лине́йный колла́йдер (англ. International Linear Collider, ILC) — проект международного линейного коллайдера. Стоимость новой установки оценивается в 7,8 млрд долларов США (в ценах января 2012 года)[1]. 12 июня 2013 года опубликован технический проект (Technical Design Report) установки[2].
Электрон-позитронный коллайдер на энергию 500 ГэВ в пучке будет состоять из двух линейных ускорителей длиной 12 км каждый, пучки которых будут направлены навстречу друг другу. Общая длина установки оценивается в 31 км. Впоследствии ускоритель может быть дополнен новыми секциями, вследствие чего длина установки возрастёт до 50 км, а энергия — до 1 ТэВ.
Предположительное место для строительства — горы Сэфури[en] на южном японском острове Кюсю, либо окрестности города Китаками на севере основного острова Хонсю[3].
Как ожидается, строительство нового коллайдера будет завершено в середине 2020-х годов.
Предпосылки для использования линейных коллайдеров[править | править код]
Идея линейных электрон-позитронных коллайдеров появилась давно, и связана с несколькими обстоятельствами. В отличие от протонов, электрон является простой «точечной» частицей, без внутренней структуры, поэтому сталкивать электроны с позитронами выгодно — в случае взаимодействия частиц вся энергия идёт на образование связанных состояний. Кроме того, события более чистые, проще для интерпретации детекторами, а многие хорошо изученные процессы (например, упругое рассеяние электрона и позитрона) используются для калибровок систем детектора.
Ультрарелятивистский электрон, движущийся по криволинейной орбите в поперечном магнитном поле, теряет энергию в виде электромагнитного излучения. Потери энергии в циклическом ускорителе быстро растут с энергией. Так, для накопителя LEP с энергий 104,5 ГэВ в пучке и радиусом кривизны в поворотных магнитах 3500 м, потери энергии частиц за один оборот составляли почти 3 ГэВ, а мощность 128 ускоряющих резонаторов, восполняющих потери пучка на синхротронное излучение, достигала 50 МВт. Дальнейшее повышение энергии частиц требует несоразмерного увеличения размера кольца и наращивания мощности ускоряющей структуры.
Линейный коллайдер не предполагает синхротронного излучения на полной энергии пучков, а кроме того, позволяет намного сильнее сфокусировать пучок частиц в область взаимодействия, поскольку после взаимодействия пучки не должны сохранять устойчивость. Недостаток линейного коллайдера состоит в однократном использовании пучка — при столкновении встречных сгустков частиц лишь малая доля их провзаимодействует, остальные будут сброшены в поглотитель.
До сих пор единственным реализованным линейным коллайдером остаётся Stanford Linear Collider (SLC) на энергию 45 ГэВ в пучке, работавший в 1987—1998 годах в лаборатории SLAC[4].
Разными группами разрабатывалось несколько проектов линейных коллайдеров. В 2004 году проекты NLC (Next Linear Collider), GLC (Global Linear Collider) и TESLA (Teraelectronvolt Energy Superconducting Linear Accelerator) были объединены в один — ILC, основанный на использовании сверхпроводящих ускоряющих резонаторов[5]. В 2005 году была сформирована команда GDE (Global Design Effort) для выработки технического проекта ILC[6].
Параллельно ILC продолжает развиваться ещё один проект линейного коллайдера — CLIC[en] (Compact LInear Collider)[7].
В СССР командами Института ядерной физики СО РАН и Института физики высоких энергий развивался проект ВЛЭПП (сокр. от «встречные линейные электрон-позитронные пучки»)[8].
