Новината за експеримента, провеждан в Европа, разтърси общественото спокойствие, издигайки се на върха на списъка с обсъждани теми. Адронен колайдерсе появи навсякъде - по телевизията, в пресата и в интернет. Какво можем да кажем, ако потребителите на LJ създават отделни общности, където стотици грижовни хора вече активно са изразили мнението си за новото дете на науката. „Дело” ви предлага 10 факта, които няма как да не знаете адронен колайдер.

Една мистериозна научна фраза престава да бъде такава веднага щом разберем значението на всяка от думите. Адрон– наименование на клас елементарни частици. Колайдер- специален ускорител, с помощта на който е възможно да се прехвърли висока енергия на елементарни частици материя и, ускорявайки ги до най-висока скорост, да се възпроизведе сблъсъкът им един с друг.

2. Защо всички говорят за него?

Според учени от Европейския център за ядрени изследвания CERN, експериментът ще позволи да се възпроизведе в миниатюра експлозията, довела до образуването на Вселената преди милиарди години. Това, което обаче най-много тревожи обществеността, е какви ще бъдат последствията от миниексплозията за планетата, ако експериментът се провали. Според някои учени в резултат на сблъсъка на елементарни частици, летящи с ултрарелативистки скорости в противоположни посоки, ще се образуват микроскопични черни дупки и ще излетят други опасни частици. Няма особен смисъл да се разчита на специална радиация, която води до изпаряване на черни дупки - няма експериментални доказателства, че работи. Ето защо към такива научна иновацияи възниква недоверие, подхранвано активно от скептичните учени.

3. Как работи това нещо?

Елементарните частици се ускоряват в различни орбити в противоположни посоки, след което се поставят в една орбита. Ценността на сложното устройство е, че благодарение на него учените имат възможност да изследват продуктите от сблъсъци на елементарни частици, записани от специални детектори под формата на цифрови камери с резолюция 150 мегапиксела, способни да заснемат 600 милиона кадъра на второ.

4. Кога се роди идеята за създаване на колайдер?

Идеята за изграждане на машина се ражда още през 1984 г., но строителството на тунела започва едва през 2001 г. Ускорителят се намира в същия тунел, където се намираше предишният ускорител - Големият електронно-позитронен колайдер. 26,7-километровият пръстен е положен на дълбочина около сто метра под земята във Франция и Швейцария. На 10 септември на ускорителя беше изстрелян първият сноп протони. Вторият лъч ще бъде пуснат в следващите няколко дни.

5. Колко струва строителството?

В разработката на проекта са участвали стотици учени от цял ​​свят, включително руски. Цената му се оценява на 10 милиарда долара, от които САЩ са инвестирали 531 милиона в изграждането на адронния колайдер.

6. Какъв е приносът на Украйна за създаването на ускорителя?

Пряко участие в изграждането на адронния колайдер взеха учени от Украинския институт по теоретична физика. Специално за изследване те разработиха вътрешен коловозна система(ИТС). Тя е сърцето на "Алиса" - част колайдер, където трябва да се случи миниатюрен „голям взрив“. Очевидно това не е най-маловажната част от колата. Украйна трябва да плаща 200 хиляди гривни годишно за правото да участва в проекта. Това е 500-1000 пъти по-малко от приноса към проекта от други страни.

7. Кога да очакваме края на света?

Първият експеримент за сблъсък на снопове от елементарни частици е насрочен за 21 октомври. До този момент учените планират да ускорят частиците до скорости, близки до скоростта на светлината. Според общата теория на относителността на Айнщайн черните дупки не ни заплашват. Ако обаче теории с доп пространствени измеренияТе ще се окажат верни, не ни остава много време да разрешим всичките си проблеми на планетата Земя.

8. Защо черните дупки са страшни?

Черна дупка- регион в пространство-времето, чието гравитационно привличане е толкова силно, че дори обекти, движещи се със скоростта на светлината, не могат да го напуснат. Съществуването на черни дупки се потвърждава от решения на уравненията на Айнщайн. Въпреки факта, че мнозина вече си представят как черната дупка, образувана в Европа, нарастваща, ще погълне цялата планета, няма нужда да биете тревога. Черни дупки, което според някои теории може да се появи при работа колайдер, според същите теории, ще съществуват толкова кратък период от време, че просто няма да имат време да започнат процеса на усвояване на материята. Според някои учени те дори няма да имат време да стигнат до стените на колайдера.

9. Как изследванията могат да бъдат полезни?

Освен факта, че тези изследвания са поредното невероятно постижение на науката, което ще позволи на човечеството да разбере състава на елементарните частици, това не е цялата печалба, заради която човечеството е поело такъв риск. Може би в близко бъдеще вие ​​и аз ще можем да видим динозаврите със собствените си очи и да обсъдим най-ефективните военни стратегии с Наполеон. Руски учени смятат, че в резултат на експеримента човечеството ще успее да създаде машина на времето.

10. Как да изглеждате като научен разбирач с адронния колайдер?

И накрая, ако някой, въоръжен с предварително отговор, ви попита какво е адронен колайдер, ние ви предлагаме приличен вариантотговор, който може да изненада приятно всеки. Така че, затегнете коланите! Адронният колайдер е ускорител на заредени частици, предназначен да ускорява протони и тежки йони в сблъскващи се лъчи. Построен в изследователския център на Европейския съвет за ядрени изследвания, той представлява 27-километров тунел, прокаран на дълбочина 100 метра. Тъй като протоните са електрически заредени, ултрарелативисткият протон произвежда облак от почти истински фотони, летящи близо до протона. Този поток от фотони става още по-силен в режим на ядрен сблъсък, поради големия електрически зарядядки. Те могат да се сблъскат или с приближаващ протон, генерирайки типични фотон-адронни сблъсъци, или един с друг. Учените се опасяват, че в резултат на експеримента в пространството могат да се образуват пространствено-времеви „тунели“, които са типологична характеристика на пространство-времето. В резултат на експеримента може да се докаже и съществуването на суперсиметрия, което по този начин ще стане косвено потвърждение на истинността на теорията за суперструните.

(или ТАНК)- в момента най-големият и най-мощен ускорител на частици в света. Този колос беше пуснат на вода през 2008 г., но дълго време работеше с намален капацитет. Нека да разберем какво е това и защо имаме нужда от голям адронен колайдер.

История, митове и факти

Идеята за създаване на колайдер е обявена през 1984 г. А проектът за изграждане на самия колайдер беше одобрен и приет още през 1995 г. Разработката е на Европейския център за ядрени изследвания (CERN). Като цяло пускането на колайдера привлече голямо внимание не само от страна на учените, но и обикновени хораот цял ​​свят. Те говориха за всякакви страхове и ужаси, свързани с изстрелването на колайдера.

Въпреки това, някой дори сега, много вероятно, чака апокалипсис, свързан с работата на LHC, и се пропуква при мисълта какво ще се случи, ако Големият адронен колайдер експлодира. Въпреки че, на първо място, всички се страхуваха от черна дупка, която, първоначално микроскопична, щеше да расте и безопасно да погълне първо самия колайдер, а след това Швейцария и останалия свят. Анихилационната катастрофа също предизвика голяма паника. Група учени дори заведоха дело в опит да спрат строителството. В изявлението се казва, че бучките антиматерия, които могат да бъдат произведени в колайдера, ще започнат да се унищожават с материята, започвайки верижна реакция и цялата Вселена ще бъде унищожена. Както каза известният герой от „Завръщане в бъдещето“:

Цялата Вселена, разбира се, е в най-лошия сценарий. В най-добрия случай само нашата галактика. Д-р Емет Браун.

Сега нека се опитаме да разберем защо е адронен? Факт е, че работи с адрони, или по-скоро ускорява, ускорява и сблъсква адрони.

адрони– клас елементарни частици, подложени на силни взаимодействия. Адроните са направени от кварки.

Адроните се делят на бариони и мезони. За по-лесно нека кажем, че почти цялата позната ни материя се състои от бариони. Нека опростим още повече и кажем, че барионите са нуклони (протони и неутрони, които изграждат атомното ядро).

Как работи Големият адронен колайдер

Мащабът е много впечатляващ. Колайдерът е кръгъл тунел, разположен под земята на дълбочина от сто метра. Големият адронен колайдер е дълъг 26 659 метра. Протони, ускорени до скорост, близка до скоростта на светлината, летят в подземен кръг през територията на Франция и Швейцария. За да бъдем точни, дълбочината на тунела варира от 50 до 175 метра. За фокусиране и задържане на лъчи от летящи протони се използват свръхпроводящи магнити, техните обща дължинае около 22 километра и работят при температура от -271 градуса по Целзий.

Колайдерът включва 4 гигантски детектора: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb. В допълнение към основните големи детектори има и спомагателни. Детекторите са проектирани да записват резултатите от сблъсъци на частици. Тоест, след като два протона се сблъскат със скорост, близка до светлинната, никой не знае какво да очаква. За да „видите“ какво се е случило, къде е отскочило и колко далече е летяло, има детектори, натъпкани с всякакви сензори.

Резултати от Големия адронен колайдер.

Защо ви е необходим колайдер? Е, със сигурност не за да унищожат Земята. Изглежда, какъв е смисълът от сблъсък на частици? Факт е, че в съвременната физика има много въпроси без отговор и изучаването на света с помощта на ускорени частици може буквалноотворете нов слой от реалността, разберете структурата на света и може би дори отговорете основен въпрос„смисълът на живота, Вселената и изобщо“.

Какви открития вече са направени в LHC? Най-известното нещо е откритието Хигс бозон(ще му посветим отделна статия). Освен това бяха отворени 5 нови частици, са получени първите данни за сблъсъци при рекордни енергии, показва се липсата на асиметрия на протони и антипротони, Открити са необичайни протонни корелации. Списъкът продължава дълго време. Но микроскопичните черни дупки, които ужасяваха домакините, не можеха да бъдат открити.

И това въпреки факта, че колайдерът все още не е ускорен до максималната си мощност. В момента максималната енергия на Големия адронен колайдер е 13 TeV(тера електрон-волт). След подходяща подготовка обаче се предвижда протоните да бъдат ускорени до 14 TeV. За сравнение, в ускорителите-прекурсори на LHC максималните получени енергии не надвишават 1 TeV. Ето как американският ускорител Теватрон от Илинойс може да ускорява частици. Енергията, постигната в колайдера, далеч не е най-високата в света. Така енергията на космическите лъчи, открити на Земята, превишава милиард пъти енергията на частица, ускорена в колайдер! Така че опасността от Големия адронен колайдер е минимална. Вероятно след като всички отговори бъдат получени с помощта на LHC, човечеството ще трябва да построи друг по-мощен колайдер.

Приятели, обичайте науката и тя определено ще ви обича! И лесно могат да ви помогнат да се влюбите в науката. Потърсете помощ и нека обучението ви носи радост!

Това е търсенето на начини за комбиниране на две фундаментални теории - GTR (за теорията на гравитацията) и Стандартния модел (стандартният модел, който съчетава три фундаментални физически взаимодействия - електромагнитно, силно и слабо). Намирането на решение преди създаването на LHC беше възпрепятствано от трудности при създаването на теорията за квантовата гравитация.

Изграждането на тази хипотеза включва комбинирането на две физически теории - квантова механикаи общата теория на относителността.

За целта бяха използвани няколко популярни и модерни подхода - теория на струните, теория на браните, теория на супергравитацията, а също и теорията на квантовата гравитация. Преди изграждането на колайдера основен проблемза извършване на необходимите експерименти беше липсата на енергия, която не може да бъде постигната с други съвременни ускорители на заредени частици.

Женевският LHC даде възможност на учените да проведат невъзможни досега експерименти. Смята се, че в близко бъдеще много физически теории ще бъдат потвърдени или опровергани с помощта на апарата. Една от най-проблемните е суперсиметрията или теорията на струните, която отдавна раздели физиката на два лагера - "стрингърите" и техните съперници.

Други фундаментални експерименти, проведени като част от работата на LHC

Интересни са и изследванията на учените в областта на изучаването на топ- , които са най-тежките кварки и най-тежките (173,1 ± 1,3 GeV/c²) от всички известни в момента елементарни частици.

Поради това свойство, дори преди създаването на LHC, учените можеха да наблюдават кварки само в ускорителя Tevatron, тъй като други устройства просто нямаха достатъчно мощност и енергия. От своя страна теорията за кварките е важен елементсензационната хипотеза за Хигс бозона.

Учените извършват всички научни изследвания за създаването и изучаването на свойствата на кварките в топ-кварк-антикварковата парна баня в LHC.

Важна цел на женевския проект е и процесът на изследване на механизма на електрослабата симетрия, който е свързан и с експерименталното доказателство за съществуването на бозона на Хигс. За да дефинираме проблема още по-точно, обект на изследване е не толкова самият бозон, а предсказаният от Питър Хигс механизъм за нарушаване на симетрията на електрослабото взаимодействие.

LHC също така провежда експерименти за търсене на суперсиметрия - и желаният резултат ще бъде теорията, че всяка елементарна частица винаги е придружена от по-тежък партньор, и нейното опровержение.

Фразата „Голям адронен колайдер“ е толкова дълбоко вкоренена в медиите, че огромен брой хора знаят за тази инсталация, включително тези, чиято дейност по никакъв начин не е свързана с физиката на елементарните частици или с науката като цяло.

Наистина, такъв мащабен и скъп проект не можеше да бъде пренебрегнат от медиите - пръстеновидна инсталация с дължина почти 27 километра, струваща десетки милиарди долари, с която работят няколко хиляди учени от цял ​​свят. Значителен принос за популярността на колайдера имаше така наречената „Божия частица“ или Хигс бозон, която беше успешно рекламирана и за която Питър Хигс получи Нобелова наградапо физика през 2013 г.

На първо място, трябва да се отбележи, че Големият адронен колайдер не е построен от нулата, а е възникнал на мястото на своя предшественик, Големия електрон-позитронен колайдер (LEP). Работата по 27-километровия тунел започва през 1983 г., където по-късно се планира да се разположи ускорител, който да сблъсква електрони и позитрони. През 1988 г. околовръстният тунел се затваря и работниците подхождат толкова внимателно към тунелирането, че разликата между двата края на тунела е само 1 сантиметър.

Ускорителят работи до края на 2000 г., когато достига пиковата си енергия от 209 GeV. След това започна демонтирането му. През единадесетте години на своята дейност LEP донесе редица открития във физиката, включително откриването на W и Z бозоните и тяхното по-нататъшно изследване. Въз основа на резултатите от тези изследвания се стигна до заключението, че механизмите на електромагнитните и слабите взаимодействия са сходни, в резултат на което теоретични трудовеза комбиниране на тези взаимодействия в електрослаби.

През 2001 г. на мястото на електрон-позитронния ускорител започва изграждането на Големия адронен колайдер. Изграждането на новия ускорител приключи в края на 2007 г. Намираше се на мястото на LEP - на границата между Франция и Швейцария, в долината на Женевското езеро (15 км от Женева), на дълбочина от сто метра. През август 2008 г. започнаха тестовете на колайдера, а на 10 септември се състоя официалното изстрелване на LHC. Както и при предишния ускорител, изграждането и експлоатацията на съоръжението се ръководи от Европейската организация за ядрени изследвания - CERN.

ЦЕРН

Струва си да споменем накратко за организацията CERN (Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire). Тази организациядейства като най-голямата лаборатория в света в областта на физиката високи енергии. Включва три хиляди постоянни служители и още няколко хиляди изследователи и учени от 80 страни участват в проекти на CERN.

Към момента в проекта участват 22 държави: Белгия, Дания, Франция, Германия, Гърция, Италия, Холандия, Норвегия, Швеция, Швейцария, Великобритания - основатели, Австрия, Испания, Португалия, Финландия, Полша, Унгария , Чехия, Словакия, България и Румъния – присъединени. Въпреки това, както беше споменато по-горе, още няколко десетки държави участват по един или друг начин в работата на организацията, и по-специално в Големия адронен колайдер.

Как работи Големият адронен колайдер?

Какво представлява Големият адронен колайдер и как работи са основните въпроси от обществен интерес. Нека разгледаме тези въпроси по-нататък.

Collider – в превод от английски означава „този, който се сблъсква“. Целта на такава настройка е да се сблъскат частици. В случая на адронния колайдер ролята на частици играят адроните - частици, участващи в силни взаимодействия. Това са протони.

Получаване на протони

Дългото пътуване на протоните се заражда в дуоплазматрона - първата степен на ускорителя, който получава водород под формата на газ. Дуоплазматронът е разрядна камера, в която електрическият разряд се провежда през газ. Така че водородът, състоящ се само от един електрон и един протон, губи своя електрон. По този начин се образува плазма - вещество, състоящо се от заредени частици - протони. Разбира се, трудно е да се получи чиста протонна плазма, така че получената плазма, която също включва облак от молекулярни йони и електрони, се филтрира, за да се изолира протонният облак. Под въздействието на магнити протонната плазма се избива в лъч.

Предварително ускоряване на частиците

Новообразуваният протонен лъч започва своето пътуване в линейния ускорител LINAC 2, който представлява 30-метров пръстен, последователно окачен с няколко кухи цилиндрични електрода (проводници). Електростатичното поле, създадено вътре в ускорителя, се градира по такъв начин, че частиците между кухите цилиндри винаги изпитват ускоряваща сила в посоката на следващия електрод. Без да се задълбочаваме изцяло в механизма на ускоряване на протоните от на този етап, отбелязваме само, че на изхода от LINAC 2 физиците получават лъч от протони с енергия от 50 MeV, която вече достига 31% от скоростта на светлината. Трябва да се отбележи, че в този случай масата на частиците се увеличава с 5%.

До 2019-2020 г. се планира LINAC 2 да бъде заменен с LINAC 4, който ще ускорява протоните до 160 MeV.

Струва си да се отбележи, че колайдерът също ускорява оловни йони, което ще направи възможно изследването на кварк-глюонна плазма. Те се ускоряват в пръстена LINAC 3, подобно на LINAC 2. В бъдеще се планират и експерименти с аргон и ксенон.

След това протонните пакети влизат в протонния синхронен бустер (PSB). Състои се от четири насложени пръстена с диаметър 50 метра, в които са разположени електромагнитни резонатори. Електромагнитното поле, което те създават, има висок интензитет и частица, преминаваща през него, получава ускорение в резултат на потенциалната разлика на полето. Така след само 1,2 секунди частиците се ускоряват в PSB до 91% от скоростта на светлината и достигат енергия от 1,4 GeV, след което влизат в протонния синхротрон (PS). PS е с диаметър 628 метра и е оборудван с 27 магнита, които насочват лъча от частици в кръгова орбита. Тук протоните на частиците достигат 26 GeV.

Предпоследният пръстен за ускоряване на протоните е Super Proton Synchrotron (SPS), чиято обиколка достига 7 километра. Оборудван с 1317 магнита, SPS ускорява частиците до енергия от 450 GeV. След около 20 минути протонният лъч навлиза в главния пръстен – Големия адронен колайдер (LHC).

Ускорение и сблъсък на частици в LHC

Преходите между ускорителните пръстени се осъществяват чрез електромагнитни полета, създадени от мощни магнити. Основният пръстен на колайдера се състои от две успоредни линии, в които частиците се движат по кръгова орбита в обратна посока. Около 10 000 магнита отговарят за поддържането на кръговата траектория на частиците и насочването им към точките на сблъсък, като някои от тях тежат до 27 тона. За да се избегне прегряване на магнитите, се използва верига с хелий-4, през която протичат приблизително 96 тона от веществото при температура от -271,25 ° C (1,9 K). Протоните достигат енергия от 6,5 TeV (т.е. енергията на сблъсъка е 13 TeV), а скоростта им е с 11 km/h по-малка от скоростта на светлината. Така за секунда сноп от протони преминава през големия пръстен на колайдера 11 000 пъти. Преди частиците да се сблъскат, те ще циркулират около пръстена от 5 до 24 часа.

Сблъсъците на частици се случват в четири точки в главния LHC пръстен, където са разположени четири детектора: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb.

Детектори за голям адронен колайдер

АТЛАС (тороидален LHC апарат)

- е един от двата детектора общо предназначениев Големия адронен колайдер (LHC). Той изследва широк спектър от физика, от търсенето на Хигс бозона до частиците, които могат да изграждат тъмна материя. Въпреки че има същите научни цели като CMS експеримента, ATLAS използва различни технически решенияи друг дизайн на магнитната система.

Лъчите от частици от LHC се сблъскват в центъра на детектора ATLAS, създавайки насрещни отломки под формата на нови частици, които излитат от точката на сблъсък във всички посоки. Шест различни подсистеми за откриване, подредени на слоеве около точката на удара, записват пътя, импулса и енергията на частиците, което им позволява да бъдат индивидуално идентифицирани. Огромна система от магнити огъва пътищата на заредените частици, така че техните импулси да могат да бъдат измерени.

Взаимодействията в детектора ATLAS създават огромен поток от данни. За да обработи тези данни, ATLAS използва усъвършенствана "тригерна" система, за да каже на детектора кои събития да записва и кои да игнорира. След това се използват следните данни за анализ на записаните събития на сблъсък: сложни системисъбиране и изчисляване на данни.

Детекторът е висок 46 метра и широк 25 метра, а масата му е 7000 тона. Тези параметри правят ATLAS най-големият детектор на частици, създаван някога. Намира се в тунел на дълбочина 100 м близо до основното съоръжение на CERN, близо до село Мейрин в Швейцария. Инсталацията се състои от 4 основни компонента:

• Вътрешният детектор има цилиндрична форма, вътрешният пръстен е разположен само на няколко сантиметра от оста на преминаващия лъч от частици, а външният пръстен е с диаметър 2,1 метра и дължина 6,2 метра. Състои се от три различни системисензори, потопени в магнитно поле. Вътрешен детектор измерва посоката, импулса и заряда на електрически заредените частици, произведени при всеки сблъсък протон-протон. Основните елементи на вътрешния детектор са: Pixel Detector, Semi-Conductor Tracker (SCT) и Transition radiation tracker (TRT).

• Калориметрите измерват енергията, която една частица губи, докато преминава през детектор. Той абсорбира частици, генерирани по време на сблъсък, като по този начин записва тяхната енергия. Калориметрите се състоят от слоеве от "абсорбиращ" материал с висока плътност— олово, редуващи се със слоеве „активна среда“ — течен аргон. Електромагнитните калориметри измерват енергията на електроните и фотоните, докато взаимодействат с материята. Адронните калориметри измерват енергията на адроните, когато взаимодействат с атомните ядра. Калориметрите могат да спират повечето известни частици, с изключение на мюони и неутрино.

LAr (Liquid Argon Calorimeter) - калориметър ATLAS

• Мюонен спектрометър - състои се от 4000 отделни мюонни камери, използващи четири различни технологии за идентифициране на мюони и измерване на импулсите им. Мюоните обикновено преминават през вътрешен детектор и калориметър, което изисква мюонен спектрометър.

• Магнитната система на ATLAS огъва частиците около различни слоеве от детекторни системи, което улеснява проследяването на следи от частици.

Експериментът ATLAS (февруари 2012 г.) включва повече от 3000 учени от 174 институции в 38 страни.

CMS (компактен мюонен соленоид)

— е детектор с общо предназначение в Големия адронен колайдер (LHC). Подобно на ATLAS, той има широка програма по физика, варираща от изучаване на стандартния модел (включително бозона на Хигс) до търсене на частици, които могат да изграждат тъмната материя. Въпреки че има същите научни цели като експеримента ATLAS, CMS използва различни технически решения и различен дизайн на магнитната система.

CMS детекторът е изграден около огромен соленоиден магнит. Това е цилиндрична намотка от свръхпроводящ кабел, който генерира поле от 4 тесла, приблизително 100 000 пъти повече от магнитното поле на Земята. Полето е ограничено от стоманен „ярем“, който е най-масивният компонент на детектора, тежащ 14 000 тона. Пълният детектор е дълъг 21 m, широк 15 m и се състои от 4 основни компонента:

• Соленоидният магнит е най-големият магнит в света и служи за огъване на траекторията на заредените частици, излъчени от точката на удара. Изкривяването на траекторията позволява да се прави разлика между положително и отрицателно заредени частици (тъй като те се огъват в противоположни посоки), както и да се измерва импулсът, чиято величина зависи от кривината на траекторията. Огромният размер на соленоида позволява тракерът и калориметрите да бъдат разположени вътре в бобината.
• Silicon Tracker - Състои се от 75 милиона отделни електронни сензора, подредени в концентрични слоеве. Когато заредена частица лети през слоевете на тракера, тя прехвърля част от енергията към всеки слой; комбинирането на тези точки на сблъсък на частицата с различни слоеве ни позволява да определим допълнително нейната траектория.
• Калориметри – електронни и адронни, вижте калориметри ATLAS.
• Поддетектори - позволяват ви да откривате мюони. Те са представени от 1400 мюонни камери, които са разположени на слоеве извън намотката, редуващи се с метални пластини на „игото“.

Експериментът CMS е един от най-големите международни научни изследванияпо история, с 4300 участници: физици на елементарните частици, инженери и техници, студенти и помощен персонал от 182 институции, 42 държави (февруари 2014 г.).

ALICE (Експеримент с голям йонен колайдер)

— е детектор на тежки йони върху пръстените на Големия адронен колайдер (LHC). Той е предназначен да изучава физиката на силно взаимодействаща материя при екстремни енергийни плътности, където се образува фаза на материята, наречена кварк-глуонна плазма.

Цялата обикновена материя в днешната вселена е изградена от атоми. Всеки атом съдържа ядро ​​от протони и неутрони (с изключение на водорода, който няма неутрони), заобиколен от облак от електрони. Протоните и неутроните от своя страна са направени от кварки, свързани заедно с други частици, наречени глуони. Нито един кварк никога не е бил наблюдаван изолирано: кварките, както и глуоните, изглежда са трайно свързани заедно и затворени в рамките на съставни частици като протони и неутрони. Това се нарича задържане.

Сблъсъците в LHC създават температури повече от 100 000 пъти по-високи от тези в центъра на Слънцето. Колайдерът позволява сблъсъци между оловни йони, пресъздавайки условия, подобни на тези, възникнали непосредствено след Големия взрив. При тези екстремни условия протоните и неутроните се „топят“, освобождавайки кварките от техните връзки с глуони. Това е кварк-глуонна плазма.

Експериментът ALICE използва детектор ALICE, който тежи 10 000 тона, е дълъг 26 m, висок 16 m и широк 16 m. Устройството се състои от три основни комплекта компоненти: проследяващи устройства, калориметри и детектори за идентифициране на частици. Той също е разделен на 18 модула. Детекторът се намира в тунел на дълбочина 56 м по-долу, близо до село Saint-Denis-Pouilly във Франция.

Експериментът включва повече от 1000 учени от повече от 100 института по физика в 30 страни.

LHCb (експеримент за красота на Големия адронен колайдер)

– Експериментът изследва малките разлики между материята и антиматерията чрез изучаване на вид частица, наречена красив кварк или b кварк.

Вместо да обгражда цялата точка на сблъсък със затворен детектор, като ATLAS и CMS, експериментът LHCb използва серия от поддетектори за откриване предимно на предни частици - тези, които са били насочени напред от сблъсък в една посока. Първият поддетектор се монтира близо до точката на сблъсък, а останалите се монтират един след друг на разстояние 20 метра.

Голямо изобилие, създадено в LHC различни видовекварки, преди бързо да се разпаднат в други форми. За улавяне на b-кварки бяха разработени сложни движещи се проследяващи детектори за LHCb, разположени близо до движението на лъча от частици през колайдера.

Детекторът LHCb от 5600 тона се състои от директен спектрометър и детектори с плоска плоча. Тя е с дължина 21 метра, височина 10 метра и ширина 13 метра и се намира на 100 метра под земята. Около 700 учени от 66 различни института и университета са включени в експеримента LHCb (октомври 2013 г.).

Други експерименти в колайдера

В допълнение към горните експерименти в Големия адронен колайдер има два други експеримента с инсталации:

• LHCf (Голям адронен колайдер напред)— изучава частици, изхвърлени напред след сблъсък на лъчи от частици. Те симулират космически лъчи, които учените изучават като част от експеримента. Космическите лъчи са естествено срещащи се заредени частици от космоса, които непрекъснато бомбардират земната атмосфера. Те се сблъскват с ядра в горните слоеве на атмосферата, причинявайки каскада от частици, които достигат нивото на земята. Изучаването на това как сблъсъците в LHC произвеждат такива каскади от частици ще помогне на физиците да интерпретират и калибрират широкомащабни експерименти с космически лъчи, които могат да обхванат хиляди километри.

LHCf се състои от два детектора, които са разположени по дължината на LHC, на 140 метра от двете страни на точката на удар на ATLAS. Всеки от двата детектора тежи само 40 килограма и е с размери 30 см дължина, 80 см височина и 10 см ширина. В експеримента LHCf участват 30 учени от 9 института в 5 страни (ноември 2012 г.).

• ТОТЕМ (общо напречно сечение, еластично разсейване и дифракционна дисоциация)- експеримент с най-дългата инсталация на колайдера. Неговата мисия е да изследва самите протони чрез прецизно измерване на протони, произведени при сблъсъци под малък ъгъл. Този регион е известен като посоката "напред" и е недостъпен за други LHC експерименти. Детекторите TOTEM се простират на почти половин километър около точката на взаимодействие на CMS. TOTEM разполага с почти 3000 кг оборудване, включително четири ядрени телескопа, както и 26 детектора за римски съдове. Последният тип позволява детекторите да бъдат разположени възможно най-близо до лъча от частици. Експериментът TOTEM включва приблизително 100 учени от 16 института в 8 страни (август 2014 г.).

Защо е необходим Големият адронен колайдер?

Най-голямата международна научна инсталация изследва широк спектър от физически проблеми:

• Изследване на топ кварки. Тази частица е не само най-тежкият кварк, но и най-тежката елементарна частица. Изучаването на свойствата на горния кварк също има смисъл, защото е изследователски инструмент.
• Търсене и изследване на Хигс бозона. Въпреки че ЦЕРН твърди, че бозонът на Хигс вече е открит (през 2012 г.), много малко се знае за неговата природа и по-нататъшни изследвания биха могли да донесат по-голяма яснота за механизма на действието му.

• Изследване на кварк-глюонна плазма. Когато оловните ядра се сблъскват при високи скорости, . Нейните изследвания могат да доведат до резултати, полезни както за ядрената физика (подобряване на теорията за силните взаимодействия), така и за астрофизиката (изучаване на Вселената в нейните първи моменти на съществуване).
• Търсене на суперсиметрия. Това изследване има за цел да опровергае или докаже „суперсиметрията“, теорията, че всяка елементарна частица има по-тежък партньор, наречен „суперчастица“.
• Изследване на фотон-фотонни и фотон-адронни сблъсъци. Това ще подобри разбирането на механизмите на процесите на такива сблъсъци.
• Тестване на екзотични теории. Тази категория задачи включва най-нетрадиционните - „екзотични“, например търсенето на паралелни вселени чрез създаване на мини-черни дупки.

В допълнение към тези задачи има много други, чието решение също ще позволи на човечеството да разбере природата и света около нас на по-добро ниво, което от своя страна ще отвори възможности за създаване на нови технологии.

Практически ползи от Големия адронен колайдер и фундаментална наука

На първо място, трябва да се отбележи, че фундаменталните изследвания допринасят за фундаменталната наука. Приложната наука се занимава с приложението на тези знания. Част от обществото, която не е наясно с предимствата на фундаменталната наука, често не възприема откриването на бозона на Хигс или създаването на кварк-глуонна плазма като нещо значимо. Връзката на подобни изследвания с живота на обикновен човек не е очевидна. Нека да разгледаме кратък пример с ядрената енергия:

През 1896 г. френският физик Антоан Анри Бекерел открива явлението радиоактивност. За дълго времесмяташе се, че към нея промишлена употребачовечеството няма да мине скоро. Само пет години преди пускането на първия ядрен реактор в историята, великият физик Ърнест Ръдърфорд, който всъщност открива атомното ядро ​​през 1911 г., каза, че атомната енергия никога няма да намери своето приложение. Експертите успяват да преосмислят отношението си към енергията, съдържаща се в ядрото на атома през 1939 г., когато немските учени Лизе Майтнер и Ото Хан откриват, че ядрата на урана, когато са облъчени с неутрони, се разделят на две части, освобождавайки огромно количество енергия - ядрена енергия.

И едва след тази последна връзка от поредицата фундаментални изследванияПриложната наука влезе в действие и въз основа на тези открития изобрети устройство за производство на ядрена енергия - атомен реактор. Мащабът на откритието може да се оцени, като се погледне делът на електроенергията, генерирана от ядрени реактори. Така в Украйна например атомните електроцентрали осигуряват 56% от производството на електроенергия, а във Франция – 76%.

Всички нови технологии се основават на определени фундаментални знания. Ето още няколко кратки примера:

• През 1895 г. Вилхелм Конрад Рьонтген забелязва, че при излагане на рентгенови лъчи фотографската плака потъмнява. Днес рентгенографията е едно от най-използваните изследвания в медицината, което позволява да се изследва състоянието вътрешни органии откриване на инфекции и подуване.
• През 1915 г. Алберт Айнщайн предлага своя собствена. Днес тази теория се взема предвид при работа с GPS сателити, които определят местоположението на обект с точност до няколко метра. GPS се използва в клетъчните комуникации, картографията, мониторинга на транспорта, но предимно в навигацията. Грешката на сателит, който не отчита общата теория на относителността, ще нараства с 10 километра на ден от момента на изстрелването! И ако пешеходецът може да използва разума и хартиена карта, тогава пилотите на авиокомпаниите ще се окажат в трудна ситуация, тъй като е невъзможно да се движите по облаци.

Ако днес все още не е намерено практическо приложение за откритията, направени в LHC, това не означава, че учените „бърникат в колайдера напразно“. Както знаете, разумният човек винаги се стреми да получи максимума практическо приложениеот съществуващите знания и следователно знанията за природата, натрупани в процеса на изследване в LHC, определено ще намерят своето приложение, рано или късно. Както вече беше показано по-горе, връзката между фундаменталните открития и технологиите, които ги използват, понякога може да не е очевидна.

Накрая да отбележим т. нар. косвени открития, които не са поставени като първоначални цели на изследването. Те се срещат доста често, тъй като извършването на фундаментално откритие обикновено изисква въвеждането и използването на нови технологии. Така развитието на оптиката получи тласък от фундаменталните космически изследвания, базирани на наблюдения на астрономи през телескоп. В случая с CERN, така се появи една вездесъща технология: Интернет, проект, предложен от Тим ​​Бърнърс-Лий през 1989 г., за да направи данните на организацията CERN по-лесни за намиране.

В този въпрос (и други подобни) е любопитна появата на думите „всъщност“ - сякаш има някаква същност, скрита от непосветените, защитена от „жреците на науката“ от обикновените хора, тайна, която трябва да бъде разкрит. Обаче, погледнато отвътре на науката, мистерията изчезва и няма място за тези думи - въпросът „защо ни е нужен адронен колайдер” не се различава фундаментално от въпроса „защо ни трябва линийка (или везни) , или часовници и т.н.).“ Фактът, че колайдерът е голямо, скъпо и сложно нещо по всякакви стандарти, не променя нещата.

Най-близката аналогия, за да разберем „защо е необходимо това“, според мен е леща. Човечеството е запознато със свойствата на лещите от незапомнени времена, но едва в средата на миналото хилядолетие се разбира, че определени комбинации от лещи могат да се използват като инструменти, които ни позволяват да изследваме много малки или много отдалечени обекти - ние сме, разбира се, говорим за микроскоп и телескоп. Няма съмнение, че въпросът защо е необходимо всичко това е бил многократно задаван, когато са се появили тези дизайни, нови за съвременниците. Той обаче отпадна от дневния ред сам по себе си, тъй като областите на научно и приложно приложение на двете устройства се разшириха. Имайте предвид, че най-общо казано това различни устройства– Няма да можете да гледате звездите с обърнат надолу микроскоп. Големият адронен колайдер, парадоксално, ги съчетава в себе си и с право може да се счита за най-високата точка в еволюцията както на микроскопите, така и на телескопите, постигната от човечеството през последните векове. Това твърдение може да изглежда странно и, разбира се, не трябва да се приема буквално - в ускорителя няма лещи (поне оптични). Но по същество това е точно така. В своята „микроскопична“ форма колайдерът ви позволява да изучавате структурата и свойствата на обекти на ниво от 10-19 метра (нека ви напомня, че размерът на водороден атом е приблизително 10-10 метра). Ситуацията е още по-интересна в частта „телескоп“. Всеки телескоп е машина на реално време, тъй като наблюдаваната в него картина съответства на това какъв е бил обектът на наблюдение в миналото, а именно времето, през което електромагнитното лъчение трябва да достигне до наблюдателя от този обект. Това време може да бъде малко над осем минути при наблюдение на Слънцето от Земята и до милиарди години при наблюдение на далечни квазари. Вътре в Големия адронен колайдер се създават условия, които са съществували във Вселената малка част от секундата след Големия взрив. Така получаваме възможност да погледнем назад почти 14 милиарда години, до самото начало на нашия свят. Конвенционалните земни и орбитални телескопи (поне тези, които записват електромагнитно излъчване), придобиват „зрение“ едва след ерата на рекомбинацията, когато Вселената стана оптически прозрачна - това се случи, според съвременните представи, 380 хиляди години след Големия взрив.

След това трябва да решим какво да правим с това знание: както за структурата на материята в малки мащаби, така и за нейните свойства при раждането на Вселената, и това е, което в крайна сметка ще върне мистерията, обсъдена в началото, и ще определи защо колайдерът е необходимо беше необходимо „наистина“. Но това е човешко решение и колайдерът, с помощта на който са получени тези знания, ще остане просто устройство - може би най-сложната система от "лещи", която светът някога е виждал.