Uudis Euroopas läbiviidavast eksperimendist kõigutas avalikku rahu, tõustes arutlusteemade edetabeli tippu. Hadronite põrgataja ilmus kõikjal – televisioonis, ajakirjanduses ja Internetis. Mida öelda, kui LJ kasutajad loovad omaette kommuune, kus sajad hoolivad inimesed on juba aktiivselt avaldanud oma arvamust uue teaduse vaimusünnituse kohta. "Delo" pakub sulle 10 fakti, millest sa ei saa jätta teadmata hadronite põrkur.

Salapärane teadusfraas lakkab olemast niipea, kui mõistame iga sõna tähendust. Hadron– elementaarosakeste klassi nimetus. Collider- spetsiaalne kiirendi, mille abil on võimalik aine elementaarosakestele üle kanda suurt energiat ja neid suurima kiiruseni kiirendades taasesitada nende kokkupõrget üksteisega.

2. Miks kõik temast räägivad?

Euroopa tuumauuringute keskuse CERNi teadlaste sõnul võimaldab katse miniatuurselt reprodutseerida plahvatust, mille tulemusena tekkis miljardeid aastaid tagasi universum. Avalikkus on aga kõige rohkem mures selle pärast, millised on miniplahvatuse tagajärjed planeedile, kui katse ebaõnnestub. Mõnede teadlaste hinnangul tekivad ülirelativistlikul kiirusel vastassuundades lendavate elementaarosakeste kokkupõrke tagajärjel mikroskoopilised mustad augud ja teised ohtlikud osakesed lendavad välja. Ei ole erilist mõtet loota spetsiaalsele kiirgusele, mis viib mustade aukude aurustumiseni – selle toimimise kohta puuduvad eksperimentaalsed tõendid. Sellepärast sellisele teaduslik uuendus ja tekib usaldamatus, mida õhutavad aktiivselt skeptilised teadlased.

3. Kuidas see asi käib?

Elementaarosakesed kiirendatakse vastassuundades erinevatele orbiitidele, misjärel need asetatakse ühele orbiidile. Keerulise seadme väärtus seisneb selles, et tänu sellele on teadlastel võimalus uurida elementaarosakeste kokkupõrgete saadusi, mis on salvestatud spetsiaalsete detektoritega 150-megapikslise eraldusvõimega digikaamerate kujul, mis on võimelised pildistama 600 miljonit kaadrit. teiseks.

4. Millal tekkis idee luua põrkur?

Masina ehitamise idee sündis juba 1984. aastal, kuid tunneli ehitamist alustati alles 2001. aastal. Kiirendi asub samas tunnelis, kus asus ka eelmine kiirendi, Large Electron-Positron Collider. 26,7-kilomeetrine ring on laotud umbes saja meetri sügavusele maa alla Prantsusmaal ja Šveitsis. 10. septembril lasti kiirendil välja esimene prootonite kiir. Teine kiir lastakse välja lähipäevil.

5. Kui palju ehitus maksma läks?

Projekti väljatöötamisel osalesid sajad teadlased üle maailma, sealhulgas Venemaa omad. Selle maksumuseks hinnatakse 10 miljardit dollarit, millest USA investeeris 531 miljonit hadronite põrkuri ehitusse.

6. Millise panuse andis kiirendi loomisesse Ukraina?

Ukraina Teoreetilise Füüsika Instituudi teadlased osalesid otseselt hadronite põrkuri ehitamisel. Spetsiaalselt uurimistöö jaoks töötasid nad välja sisemise raja süsteem(ITS). Ta on filmi "Alice" süda põrkur, kus peaks toimuma miniatuurne “suur pauk”. Ilmselgelt pole see auto kõige vähem oluline osa. Ukraina peab projektis osalemise õiguse eest maksma 200 tuhat grivnat aastas. Seda on 500–1000 korda vähem kui teiste riikide panused projekti.

7. Millal peaksime maailmalõppu ootama?

Esimene eksperiment elementaarosakeste kiirte kokkupõrke kohta on kavandatud 21. oktoobrile. Kuni selle ajani kavatsevad teadlased kiirendada osakesi valguse kiirusele lähedase kiiruseni. Einsteini üldrelatiivsusteooria järgi mustad augud meid ei ohusta. Kui aga teooriad koos täiendava ruumilised mõõtmed Need osutuvad õigeks, meil pole jäänud palju aega, et lahendada kõik meie planeedil Maa puudutavad probleemid.

8. Miks on mustad augud hirmutavad?

Must auk- aegruumi piirkond, mille gravitatsiooniline külgetõmme on nii tugev, et isegi valguse kiirusel liikuvad objektid ei suuda sealt lahkuda. Mustade aukude olemasolu kinnitavad Einsteini võrrandite lahendid. Hoolimata asjaolust, et paljud juba kujutavad ette, kuidas Euroopas tekkinud must auk neelab kasvades kogu planeedi, pole vaja häirekella lüüa. Mustad augud, mis mõne teooria kohaselt võib töötamisel ilmneda põrkur, eksisteerivad samade teooriate kohaselt nii lühikest aega, et neil lihtsalt pole aega aine neeldumisprotsessi alustada. Mõnede teadlaste sõnul pole neil aega isegi põrkeri seinteni jõudmiseks.

9. Kuidas saab uuringutest kasu olla?

Lisaks sellele, et need uuringud on veel üks uskumatu teaduse saavutus, mis võimaldab inimkonnal teada saada elementaarosakeste koostist, pole see kogu kasu, mille nimel inimkond sellise riski võttis. Võib-olla saame lähitulevikus teiega dinosauruseid oma silmaga näha ja arutada Napoleoniga kõige tõhusamaid sõjalisi strateegiaid. Vene teadlased usuvad, et eksperimendi tulemusena suudab inimkond luua ajamasina.

10. Kuidas saada hadronite põrkeseadmega teaduslikult asjatundlikuks?

Ja lõpuks, kui keegi, eelnevalt vastusega relvastatud, küsib teilt, mis on hadronite põrkur, pakume teile korralik variant vastus, mis võib kedagi meeldivalt üllatada. Niisiis, kinnitage turvavööd! Hadron Collider on laetud osakeste kiirendi, mis on loodud prootonite ja raskete ioonide kiirendamiseks põrkuvates kiirtes. Euroopa Tuumauuringute Nõukogu uurimiskeskusesse ehitatud tunnel on 27-kilomeetrine 100 meetri sügavusele rajatud tunnel. Tänu sellele, et prootonid on elektriliselt laetud, tekitab ultrarelativistlik prooton prootoni läheduses lendavate peaaegu tõeliste footonite pilve. See footonite voog muutub tuumakokkupõrke režiimis veelgi tugevamaks, kuna suur elektrilaeng tuumad. Need võivad kokku põrgata kas vastutuleva prootoniga, tekitades tüüpilisi footon-hadroni kokkupõrkeid, või üksteisega. Teadlased kardavad, et eksperimendi tulemusena võivad ruumis tekkida aegruumi “tunnelid”, mis on aegruumi tüpoloogiline tunnus. Eksperimendi tulemusena saab tõestada ka supersümmeetria olemasolu, millest saab seega kaudne kinnitus superstringiteooria tõele.

(või TANK)- praegu maailma suurim ja võimsaim osakestekiirend. See koloss lasti vette 2008. aastal, kuid töötas pikka aega vähendatud võimsusega. Mõelgem välja, mis see on ja miks meil on vaja suurt hadronite põrkurit.

Ajalugu, müüdid ja faktid

Põrkuri loomise idee kuulutati välja 1984. aastal. Ja põrkeseadme ehitusprojekt kiideti heaks ja võeti vastu juba 1995. aastal. Arendus kuulub Euroopa Tuumauuringute Keskusele (CERN). Üldiselt äratas põrkuri käivitamine palju tähelepanu mitte ainult teadlastelt, vaid ka tavalised inimesed kogu maailmast. Räägiti igasugustest hirmudest ja õudustest, mis on seotud põrkeseadme käivitamisega.

Kuid keegi ootab isegi praegu, üsna tõenäoliselt, LHC tööga seotud apokalüpsist ja mõraneb mõttest, mis saab siis, kui suur hadronite põrkur plahvatab. Kuigi esiteks kartsid kõik musta auku, mis algul mikroskoopilisena kasvab ja neelab ohutult esmalt kokkupõrgeti enda ning seejärel Šveitsi ja ülejäänud maailma. Suurt paanikat tekitas ka annihilatsioonikatastroof. Rühm teadlasi esitas ehituse peatamiseks isegi hagi. Avalduses öeldi, et põrkeris tekkivad antiaine tükid hakkavad koos ainega hävima, käivitades ahelreaktsiooni ja kogu universum hävib. Nagu ütles kuulus tegelane filmist Tagasi tulevikku:

Kogu universum on muidugi halvimal juhul. Parimal juhul ainult meie galaktika. Dr Emet Brown.

Proovime nüüd mõista, miks see hadronic on? Fakt on see, et see töötab hadronitega, õigemini kiirendab, kiirendab ja põrkab hadroneid.

Hadronid– tugevale vastasmõjule alluvate elementaarosakeste klass. Hadronid on valmistatud kvarkidest.

Hadronid jagunevad barüoniteks ja mesoniteks. Lihtsamaks muutmiseks oletame, et peaaegu kogu meile teadaolev aine koosneb barüonitest. Lihtsustame veelgi ja ütleme, et barüonid on nukleonid (aatomituuma moodustavad prootonid ja neutronid).

Kuidas suur hadronite põrgataja töötab

Skaala on väga muljetavaldav. Põrkur on ümmargune tunnel, mis asub maa all saja meetri sügavusel. Suur hadronite põrkur on 26 659 meetrit pikk. Valguse kiirusele lähedase kiiruseni kiirendatud prootonid lendavad maa-aluses ringis üle Prantsusmaa ja Šveitsi territooriumi. Täpsustuseks võib öelda, et tunneli sügavus jääb vahemikku 50–175 meetrit. Lendavate prootonite kiirte fokuseerimiseks ja hoidmiseks kasutatakse ülijuhtivaid magneteid, nende kogupikkus on umbes 22 kilomeetrit ja need töötavad temperatuuril -271 kraadi Celsiuse järgi.

Põrkur sisaldab 4 hiiglaslikku detektorit: ATLAS, CMS, ALICE ja LHCb. Lisaks peamistele suurtele detektoritele on olemas ka abiandurid. Detektorid on loodud osakeste kokkupõrgete tulemuste salvestamiseks. See tähendab, et pärast kahe prootoni kokkupõrget valguse lähedasel kiirusel ei tea keegi, mida oodata. Et “näha”, mis juhtus, kuhu põrkas ja kui kaugele lendas, on kõikvõimalike anduritega täidetud detektorid.

Suure hadronite põrgati tulemused.

Miks teil on vaja kokkupõrget? No kindlasti mitte selleks, et Maa hävitada. Näib, mis mõte on osakeste kokkupõrkel? Fakt on see, et kaasaegses füüsikas on palju vastuseta küsimusi ja maailma uurimine kiirendatud osakeste abil võib sõna otseses mõttes avada uus reaalsuskiht, mõista maailma struktuuri ja võib-olla isegi vastata põhiküsimus"Elu mõte, universum ja üldiselt."

Milliseid avastusi on LHC-s juba tehtud? Kõige kuulsam on avastus Higgsi boson(pühendame talle eraldi artikli). Lisaks olid need avatud 5 uut osakest, saadi esimesed andmed kokkupõrgete kohta rekordenergiatel, on näidatud prootonite ja antiprootonite asümmeetria puudumine, Avastati ebatavalised prootonite korrelatsioonid. Nimekiri jätkub pikaks ajaks. Kuid koduperenaisi hirmutanud mikroskoopilisi musti auke ei õnnestunud tuvastada.

Ja seda hoolimata asjaolust, et põrkur pole veel maksimaalse võimsuseni kiirendatud. Praegu on suure hadronite põrgataja maksimaalne energia 13 TeV(tera elektron-volt). Pärast asjakohast ettevalmistust plaanitakse prootoneid aga kiirendada 14 TeV. Võrdluseks, LHC kiirendites-eelkäijates ei ületanud maksimaalsed saadud energiad 1 TeV. Nii suutis Illinoisist pärit Ameerika Tevatroni kiirendi osakesi kiirendada. Põrgutis saavutatav energia pole kaugeltki maailma kõrgeim. Seega ületab Maal tuvastatud kosmiliste kiirte energia põrkeris kiirendatud osakese energiat miljard korda! Seega on suure hadronite põrgataja oht minimaalne. On tõenäoline, et pärast kõigi vastuste saamist LHC abil peab inimkond ehitama veel ühe võimsama põrkeseadme.

Sõbrad, armastage teadust ja see armastab teid kindlasti! Ja need aitavad teil kergesti teadusesse armuda. Küsi abi ja las õpingud pakuvad sulle rõõmu!

See on võimaluste otsimine kahe fundamentaalse teooria – GTR (gravitatsiooniteooria kohta) ja standardmudeli (standardmudel, mis ühendab kolme fundamentaalset füüsilist vastasmõju – elektromagnetiline, tugev ja nõrk) ühendamiseks. Lahenduse leidmist enne LHC loomist takistasid raskused kvantgravitatsiooni teooria loomisel.

Selle hüpoteesi konstrueerimine hõlmab kahe füüsikalise teooria kombineerimist - kvantmehaanika ja üldine relatiivsusteooria.

Selleks kasutati korraga mitut populaarset ja kaasaegset lähenemist – stringiteooriat, braaniteooriat, supergravitatsiooniteooriat, aga ka kvantgravitatsiooni teooriat. Enne põrkeseadme ehitamist peamine probleem vajalike katsete läbiviimiseks oli energiapuudus, mida ei ole võimalik saavutada teiste kaasaegsete laetud osakeste kiirenditega.

Genfi LHC andis teadlastele võimaluse teha varem võimatuid katseid. Usutakse, et lähiajal leiavad aparaadi abil kinnitust või ümberlükkamist paljud füüsikateooriad. Üks problemaatilisemaid on supersümmeetria ehk stringiteooria, mis on füüsika pikka aega jaganud kahte leeri - "stringeriteks" ja nende rivaalidele.

Teised LHC töö osana läbi viidud fundamentaalsed katsed

Huvitavad on ka teadlaste uuringud top-, mis on kõigist praegu teadaolevatest elementaarosakestest kõige raskemad kvargid ja raskeimad (173,1 ± 1,3 GeV/c²).

Selle omaduse tõttu said teadlased juba enne LHC loomist jälgida kvarke ainult Tevatroni kiirendi juures, kuna teistel seadmetel polnud lihtsalt piisavalt jõudu ja energiat. Kvarkide teooria omakorda on oluline element sensatsiooniline hüpotees Higgsi bosoni kohta.

Kõik teaduslikud uuringud kvarkide loomise ja omaduste uurimise kohta viivad teadlased läbi LHC top-kvark-antikvarkide leiliruumis.

Genfi projekti oluline eesmärk on ka elektronõrga sümmeetria mehhanismi uurimise protsess, mida seostatakse ka Higgsi bosoni olemasolu eksperimentaalse tõestamisega. Probleemi veelgi täpsemaks defineerimiseks ei ole uurimisobjektiks mitte niivõrd boson ise, vaid Peter Higgsi ennustatud elektronõrga interaktsiooni sümmeetria purustamise mehhanism.

LHC viib läbi ka eksperimente supersümmeetria otsimiseks – soovitud tulemuseks on teooria, et iga elementaarosakesega kaasneb alati raskem partner, ja selle ümberlükkamine.

Väljend "Large Hadron Collider" on meedias nii sügavalt juurdunud, et sellest installatsioonist teavad valdav hulk inimesi, sealhulgas neid, kelle tegevus pole kuidagi seotud elementaarosakeste füüsika ega teadusega üldiselt.

Tõepoolest, nii mastaapset ja kallist projekti ei saanud meedia tähelepanuta jätta – ligi 27 kilomeetri pikkune, kümneid miljardeid dollareid maksev rõngainstallatsioon, millega töötab mitu tuhat teadlast üle kogu maailma. Olulise panuse põrkeri populaarsusesse andis edukalt reklaamitud nn "jumalaosake" ehk Higgsi boson, mille eest sai Peter Higgs. Nobeli preemia füüsikas 2013. aastal.

Kõigepealt tuleb märkida, et suurt hadronite põrkeseadet ei ehitatud nullist, vaid see tekkis oma eelkäija, suure elektron-positronpõrgeti (LEP) kohas. Tööd 27-kilomeetrise tunneli kallal alustati 1983. aastal, kus hiljem plaaniti leida elektrone ja positroneid põrkuva kiirendi asukoht. 1988. aastal ringtunnel suleti ja töötajad lähenesid tunnelile nii ettevaatlikult, et lahknevus tunneli kahe otsa vahel oli vaid 1 sentimeeter.

Kiirendi töötas kuni 2000. aasta lõpuni, mil saavutas oma tippenergia 209 GeV. Pärast seda algas selle demonteerimine. Üheteistkümne tegevusaasta jooksul on LEP toonud füüsikasse mitmeid avastusi, sealhulgas W- ja Z-bosonite avastamise ja nende edasise uurimise. Nende uuringute tulemuste põhjal jõuti järeldusele, et elektromagnetilise ja nõrga vastasmõju mehhanismid on sarnased, mille tulemusena teoreetiline tööühendada need interaktsioonid elektrinõrgaks.

2001. aastal alustati elektron-positroni kiirendi asukohas Suure hadronite põrgati ehitamist. Uue kiirendi ehitus lõpetati 2007. aasta lõpus. See asus LEP-i kohas - Prantsusmaa ja Šveitsi piiril, Genfi järve orus (15 km Genfist), saja meetri sügavusel. 2008. aasta augustis algasid põrkuri katsetused ja 10. septembril toimus LHC ametlik käivitamine. Nagu eelmisegi kiirendi puhul, juhib rajatise ehitamist ja käitamist Euroopa Tuumauuringute Organisatsioon – CERN.

CERN

Lühidalt tasub mainida CERNi organisatsiooni (Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire). See organisatsioon toimib maailma suurima füüsika laborina kõrged energiad. Sisaldab kolm tuhat alalist töötajat ning CERNi projektides osaleb veel mitu tuhat teadlast ja teadlast 80 riigist.

Hetkel osaleb projektis 22 riiki: Belgia, Taani, Prantsusmaa, Saksamaa, Kreeka, Itaalia, Holland, Norra, Rootsi, Šveits, Suurbritannia - asutajad, Austria, Hispaania, Portugal, Soome, Poola, Ungari , Tšehhi Vabariik, Slovakkia, Bulgaaria ja Rumeenia – ühinesid. Kuid nagu eespool mainitud, osaleb organisatsiooni töös ühel või teisel viisil veel mitukümmend riiki ja seda eelkõige Suure Hadronipõrguti juures.

Kuidas suur hadronite põrgataja töötab?

Mis on Large Hadron Collider ja kuidas see töötab, on peamised avalikku huvi pakkuvad küsimused. Vaatleme neid küsimusi lähemalt.

Collider - inglise keelest tõlgituna tähendab "see, kes põrkab kokku". Sellise seadistuse eesmärk on osakeste kokkupõrge. Hadronipõrguja puhul mängivad osakesi hadronid – tugevas vastasmõjus osalevad osakesed. Need on prootonid.

Prootonite saamine

Prootonite pikk teekond saab alguse duoplasmatroonist – kiirendi esimesest etapist, mis võtab vastu vesinikku gaasi kujul. Duoplasmatron on tühjenduskamber, kus elektrilahendus juhitakse läbi gaasi. Seega vesinik, mis koosneb ainult ühest elektronist ja ühest prootonist, kaotab oma elektroni. Nii moodustub plasma – aine, mis koosneb laetud osakestest – prootonitest. Loomulikult on puhast prootoniplasmat raske saada, mistõttu saadud plasma, mis sisaldab ka molekulioonide ja elektronide pilve, filtreeritakse prootonipilve eraldamiseks. Magnetite mõjul lööb prootonplasma kiireks.

Osakeste eelkiirendus

Äsja moodustunud prootonkiir alustab oma teekonda lineaarkiirendis LINAC 2, mis on 30-meetrine rõngas, mis on järjestikku riputatud mitme õõnsa silindrilise elektroodi (juhiga). Kiirendi sees tekkiv elektrostaatiline väli on gradueeritud nii, et õõnessilindrite vahel olevad osakesed avaldavad alati kiirendavat jõudu järgmise elektroodi suunas. Süvenemata täielikult prootonite kiirendamise mehhanismi selles etapis, märgime ainult, et LINAC 2 väljundis saavad füüsikud prootonikiire energiaga 50 MeV, mis ulatub juba 31%-ni valguse kiirusest. Tähelepanuväärne on, et sel juhul suureneb osakeste mass 5%.

Aastateks 2019-2020 on plaanis LINAC 2 asendada LINAC 4-ga, mis kiirendab prootoneid 160 MeV-ni.

Väärib märkimist, et põrkur kiirendab ka pliioone, mis võimaldab uurida kvark-glükooni plasmat. Neid kiirendatakse sarnaselt LINAC 2-ga rõngas LINAC 3. Tulevikus on plaanis teha katseid ka argooni ja ksenooniga.

Järgmisena sisenevad prootonipaketid prootoni sünkroonvõimendisse (PSB). See koosneb neljast üksteise peal asetsevast 50-meetrise läbimõõduga rõngast, milles asuvad elektromagnetresonaatorid. Nende tekitatav elektromagnetväli on suure intensiivsusega ja seda läbiv osake saab väljapotentsiaalide erinevuse tulemusena kiirenduse. Nii kiirendatakse osakesed PSB-s juba 1,2 sekundi pärast 91%-ni valguse kiirusest ja jõuavad energiani 1,4 GeV, misjärel nad sisenevad prootonsünkrotronisse (PS). PS-i läbimõõt on 628 meetrit ja see on varustatud 27 magnetiga, mis suunavad osakeste kiiret ringikujulisele orbiidile. Siin saavutavad osakeste prootonid 26 GeV.

Eelviimane prootonite kiirendamise rõngas on Super Proton Synchrotron (SPS), mille ümbermõõt ulatub 7 kilomeetrini. 1317 magnetiga varustatud SPS kiirendab osakesi energiani 450 GeV. Umbes 20 minuti pärast siseneb prootonkiir põhirõngasse – suurde hadronite põrgatajasse (LHC).

Osakeste kiirendus ja kokkupõrge LHC-s

Üleminekud kiirendirõngaste vahel toimuvad võimsate magnetite tekitatud elektromagnetväljade kaudu. Põrkuri põhirõngas koosneb kahest paralleelsest joonest, milles osakesed liiguvad ringikujulisel orbiidil vastassuunas. Osakeste ringtrajektoori hoidmise ja kokkupõrkepunktidesse suunamise eest vastutavad umbes 10 000 magnetit, millest osa kaalub kuni 27 tonni. Magnetite ülekuumenemise vältimiseks kasutatakse heelium-4 vooluringi, mille kaudu voolab umbes 96 tonni ainet temperatuuril -271,25 ° C (1,9 K). Prootonid jõuavad energiani 6,5 TeV (ehk kokkupõrkeenergia on 13 TeV), samas kui nende kiirus on 11 km/h väiksem kui valguse kiirus. Seega läbib prootonikiir sekundiga põrkeri suurt rõngast 11 000 korda. Enne osakeste kokkupõrget ringlevad nad ringi ümber 5–24 tundi.

Osakeste kokkupõrked toimuvad peamise LHC ringi neljas punktis, kus asuvad neli detektorit: ATLAS, CMS, ALICE ja LHCb.

Suured hadronipõrgeti detektorid

ATLAS (toroidaalne LHC aparaat)

- on üks kahest detektorist üldine eesmärk suures hadronite põrgatis (LHC). Ta uurib laia valikut füüsikat, alates Higgsi bosoni otsimisest kuni osakesteni, mis võivad moodustada tumeaine. Kuigi sellel on samad teaduslikud eesmärgid kui CMS-i katsel, kasutab ATLAS teistsuguseid tehnilisi lahendusi ja teine ​​magnetsüsteemi kujundus.

LHC osakeste kiired põrkuvad ATLAS-detektori keskel, tekitades vastutulevat prahti uute osakeste kujul, mis lendavad kokkupõrkepunktist välja igas suunas. Kuus erinevat tuvastusalamsüsteemi, mis on paigutatud kihtidena löögipunkti ümber, registreerivad osakeste tee, impulsi ja energia, võimaldades neid individuaalselt tuvastada. Hiiglaslik magnetisüsteem painutab laetud osakeste teed nii, et nende impulsse saab mõõta.

ATLAS-detektori koostoimed loovad tohutu andmevoo. Nende andmete töötlemiseks kasutab ATLAS täiustatud "trigger" süsteemi, et öelda detektorile, millised sündmused salvestada ja milliseid ignoreerida. Seejärel kasutatakse salvestatud kokkupõrkesündmuste analüüsimiseks järgmist. keerulised süsteemid andmete kogumine ja arvutamine.

Detektor on 46 meetrit kõrge ja 25 meetrit lai, samas kui selle mass on 7000 tonni. Need parameetrid teevad ATLASest suurima osakestedetektori, mis eales ehitatud. See asub tunnelis 100 m sügavusel CERNi peamise asukoha lähedal, Šveitsis Meyrini küla lähedal. Paigaldus koosneb neljast põhikomponendist:

• Sisemisel detektoril on silindriline kuju, sisemine rõngas asub vaid mõne sentimeetri kaugusel mööduva osakeste kiire teljest ning välimise rõnga läbimõõt on 2,1 meetrit ja pikkus 6,2 meetrit. See koosneb kolmest erinevaid süsteeme magnetvälja sukeldatud andurid. Sisemine detektor mõõdab igas prootoni-prootoni kokkupõrkes tekkivate elektriliselt laetud osakeste suunda, hoogu ja laengut. Sisemise detektori põhielemendid on: pikslidetektor, pooljuhtjälgija (SCT) ja üleminekukiirguse jälgija (TRT).

• Kalorimeetrid mõõdavad energiat, mille osake detektorit läbides kaotab. See neelab kokkupõrke ajal tekkivaid osakesi, registreerides seeläbi nende energia. Kaloromeetrid koosnevad "imava" materjali kihtidest kõrge tihedusega- plii, vaheldumisi "aktiivse keskkonna" kihtidega - vedela argooniga. Elektromagnetilised kalorimeetrid mõõdavad elektronide ja footonite energiat ainega suhtlemisel. Hadronikalorimeetrid mõõdavad hadronite energiat, kui nad interakteeruvad aatomituumadega. Kaloromeetrid suudavad peatada enamiku teadaolevate osakeste, välja arvatud müüonid ja neutriinod.

LAr (Liquid Argon Calorimeter) – ATLAS kalorimeeter

• Muon Spectrometer – koosneb 4000 üksikust müüoni kambrist, mis kasutavad nelja erinevat tehnoloogiat müüonite tuvastamiseks ja nende momentide mõõtmiseks. Muonid läbivad tavaliselt sisemise detektori ja kalorimeetri, mis nõuavad müüonspektromeetrit.

• ATLASe magnetsüsteem painutab osakesi ümber detektorisüsteemide erinevate kihtide, muutes osakeste jälgede jälgimise lihtsamaks.

ATLASe katses (veebruar 2012) osaleb üle 3000 teadlase 174 asutusest 38 riigist.

CMS (kompaktne müon-solenoid)

— on Large Hadron Collider (LHC) üldotstarbeline detektor. Nagu ATLASel, on sellel lai füüsikaprogramm, mis ulatub standardmudeli (sealhulgas Higgsi bosoni) uurimisest kuni tumeainet moodustavate osakeste otsimiseni. Kuigi sellel on samad teaduslikud eesmärgid kui ATLASe katsel, kasutab CMS erinevaid tehnilisi lahendusi ja erinevat magnetsüsteemi disaini.

CMS-detektor on üles ehitatud tohutu solenoidmagneti ümber. See on ülijuhtivast kaabli silindriline mähis, mis tekitab 4 Tesla välja, mis on ligikaudu 100 000 korda suurem kui Maa magnetväli. Välja on piiratud terasest "ikke", mis on detektori kõige massiivsem komponent, mis kaalub 14 000 tonni. Kogu detektor on 21 m pikk, 15 m lai ja 15 m kõrge. Paigaldus koosneb neljast põhikomponendist:

• Solenoidmagnet on maailma suurim magnet ja selle eesmärk on painutada kokkupõrkepunktist väljuvate laetud osakeste trajektoori. Trajektoori moonutamine võimaldab eristada positiivselt ja negatiivselt laetud osakesi (kuna need painduvad vastassuundades), samuti mõõta impulssi, mille suurus sõltub trajektoori kõverusest. Solenoidi tohutu suurus võimaldab jälgija ja kalorimeetrid paikneda mähise sees.
• Silicon Tracker – koosneb 75 miljonist individuaalsest elektroonilisest andurist, mis on paigutatud kontsentrilistesse kihtidesse. Kui laetud osake lendab läbi jälgija kihtide, kannab see osa energiast üle igale kihile, kombineerides need osakese kokkupõrkepunktid erinevate kihtidega, võimaldab meil täpsemalt määrata selle trajektoori.
• Kalorimeetrid – elektron ja hadroon, vt ATLAS kalorimeetrid.
• Alamdetektorid – võimaldavad tuvastada müüone. Neid esindavad 1400 müüonikambrit, mis paiknevad kihtides väljaspool mähist, vaheldumisi ikke metallplaatidega.

CMS-i eksperiment on üks suurimaid rahvusvahelisi teaduslikud uuringud ajaloos, 4300 osalejaga: osakeste füüsikud, insenerid ja tehnikud, üliõpilased ja abipersonal 182 asutusest, 42 riigist (veebruar 2014).

ALICE (suure ioonpõrgeti katse)

— on raskete ioonide detektor suure hadronipõrgetise (LHC) rõngastel. See on mõeldud tugevalt interakteeruva aine füüsika uurimiseks äärmuslike energiatiheduste juures, kus moodustub aine faas, mida nimetatakse kvark-gluoonplasmaks.

Kogu tänapäeva universumi tavaline aine koosneb aatomitest. Iga aatom sisaldab prootonite ja neutronite tuuma (välja arvatud vesinik, millel pole neutroneid), mida ümbritseb elektronide pilv. Prootonid ja neutronid omakorda koosnevad kvarkidest, mis on omavahel seotud teiste osakestega, mida nimetatakse gluoonideks. Kvarke pole kunagi eraldiseisvana täheldatud: kvargid ja ka gluoonid näivad olevat püsivalt omavahel seotud ja piiratud koostisosakestega, nagu prootonid ja neutronid. Seda nimetatakse kinnipidamiseks.

LHC kokkupõrked tekitavad rohkem kui 100 000 korda kõrgemaid temperatuure kui Päikese keskpunktis. Põrkur võimaldab kokkupõrkeid pliioonide vahel, luues uuesti tingimused, mis on sarnased nendega, mis tekkisid vahetult pärast Suurt Pauku. Nendes äärmuslikes tingimustes prootonid ja neutronid "sulavad", vabastades kvargid nende sidemetest gluoonidega. See on kvark-gluoonplasma.

ALICE katses kasutatakse ALICE detektorit, mis kaalub 10 000 tonni, on 26 m pikk, 16 m kõrge ja 16 m lai. Seade koosneb kolmest põhikomponentide komplektist: jälgimisseadmed, kalorimeetrid ja osakeste identifikaatorid. Samuti on see jagatud 18 mooduliks. Detektor asub 56 m sügavusel tunnelis Prantsusmaal Saint-Denis-Pouilly küla lähedal.

Eksperimendis osaleb üle 1000 teadlase enam kui 100 füüsikainstituudist 30 riigist.

LHCb (Large Hadron Collider ilukatse)

– Katses uuritakse väikesi erinevusi mateeria ja antiaine vahel, uurides osakest, mida nimetatakse ilukvarkiks või b-kvarkiks.

Selle asemel, et ümbritseda kogu kokkupõrkepunkt suletud detektoriga, nagu ATLAS ja CMS, kasutab LHCb katse alamdetektorite seeriat, et tuvastada valdavalt ettepoole suunatud osakesi – neid, mis suunasid ühes suunas kokkupõrge ettepoole. Esimene alamdetektor paigaldatakse kokkupõrkepunkti lähedale ja teised üksteise järel 20 meetri kaugusele.

LHC-s loodud suur küllus erinevat tüüpi kvargid enne, kui nad kiiresti muudeks vormideks lagunevad. B-kvarkide püüdmiseks töötati LHCb jaoks välja keerulised liikuva jälgimise detektorid, mis asuvad osakeste kiire liikumise lähedal läbi põrke.

5600-tonnine LHCb detektor koosneb otsespektromeetrist ja lameplaadidetektoritest. See on 21 meetrit pikk, 10 meetrit kõrge ja 13 meetrit lai ning asub 100 meetrit maa all. LHCb eksperimendiga (oktoober 2013) on kaasatud umbes 700 teadlast 66 erinevast instituudist ja ülikoolist.

Muud katsed põrkajal

Lisaks ülaltoodud katsetele suure hadronite põrgatis on veel kaks katset installatsioonidega:

• LHCf (Large Hadron Collider edasi)— uurib osakesi, mis paiskuvad ettepoole pärast osakeste kiirte kokkupõrget. Nad simuleerivad kosmilisi kiiri, mida teadlased eksperimendi raames uurivad. Kosmilised kiired on kosmosest pärit looduslikult esinevad laetud osakesed, mis pommitavad pidevalt Maa atmosfääri. Need põrkuvad atmosfääri ülemistes kihtides olevate tuumadega, põhjustades maapinnale ulatuvate osakeste kaskaadi. Uurides, kuidas LHC-s toimuvad kokkupõrked selliseid osakeste kaskaade tekitavad, aitab füüsikutel tõlgendada ja kalibreerida suuremahulisi kosmilise kiirguse katseid, mis võivad ulatuda tuhandete kilomeetrite kaugusele.

LHCf koosneb kahest detektorist, mis asuvad piki LHC-d, 140 meetri kaugusel mõlemal pool ATLASe kokkupõrkepunkti. Kumbki kahest detektorist kaalub vaid 40 kilogrammi ja on 30 cm pikk, 80 cm kõrge ja 10 cm lai. LHCf katses osaleb 30 teadlast 9 instituudist 5 riigis (november 2012).

• TOTEM (kogu ristlõige, elastne hajumine ja difraktsiooni dissotsiatsioon)- katse pikima paigaldusega põrkeseadmele. Selle ülesanne on uurida prootoneid endid, mõõtes täpselt väikese nurga kokkupõrgetes tekkivaid prootoneid. Seda piirkonda nimetatakse "edasisuunaks" ja see on teistele LHC katsetele kättesaamatu. TOTEM-detektorid ulatuvad CMS-i interaktsioonipunkti ümber peaaegu pool kilomeetrit. TOTEMil on ligi 3000 kg seadmeid, sealhulgas neli tuumateleskoopi, samuti 26 Rooma potidetektorit. Viimane tüüp võimaldab paigutada detektorid osakeste kiirele võimalikult lähedale. TOTEM-i katses osaleb ligikaudu 100 teadlast 16 instituudist 8 riigis (august 2014).

Miks on suurt hadronite põrgatit vaja?

Suurim rahvusvaheline teadusinstallatsioon uurib mitmesuguseid füüsilisi probleeme:

• Tippkvarkide uurimine. See osake pole mitte ainult kõige raskem kvark, vaid ka kõige raskem elementaarosake. Tippkvargi omaduste uurimine on mõttekas ka seetõttu, et tegemist on uurimisvahendiga.
• Higgsi bosoni otsimine ja uurimine. Kuigi CERN väidab, et Higgsi boson on juba avastatud (2012. aastal), on selle olemusest väga vähe teada ja edasised uuringud võivad tuua selle toimimismehhanismi suurema selguse.

• Kvark-gluoonplasma uurimine. Kui plii tuumad põrkuvad kokku suurel kiirusel, tekib põrkeris . Tema uurimistöö võib tuua kasulikke tulemusi nii tuumafüüsika (tugevate interaktsioonide teooria täiustamine) kui ka astrofüüsika (universumi uurimine selle esimestel hetkedel) jaoks.
• Otsige supersümmeetriat. Selle uuringu eesmärk on ümber lükata või tõestada "supersümmeetriat", teooriat, mille kohaselt igal elementaarosakel on raskem partner, mida nimetatakse "superosakeseks".
• Footoni-footoni ja footon-hadroni kokkupõrgete uurimine. See parandab arusaamist selliste kokkupõrgete protsesside mehhanismidest.
• Eksootiliste teooriate testimine. Sellesse ülesannete kategooriasse kuuluvad kõige ebatavalisemad - "eksootilised", näiteks paralleeluniversumite otsimine mini-mustade aukude loomise teel.

Lisaks nendele ülesannetele on veel palju teisi, mille lahendamine võimaldab ka inimkonnal mõista loodust ja meid ümbritsevat maailma paremal tasemel, mis omakorda avab võimalused uute tehnoloogiate loomiseks.

Suure hadronipõrguti praktilised eelised ja fundamentaalteadus

Kõigepealt tuleb märkida, et alusuuringud aitavad alusteadusele kaasa. Rakendusteadus tegeleb nende teadmiste rakendamisega. Ühiskonnasegment, kes ei ole teadlik fundamentaalteaduse eelistest, ei taju sageli Higgsi bosoni avastamist ega kvark-gluoonplasma loomist millegi märkimisväärsena. Selliste õpingute seos tavainimese eluga pole ilmne. Vaatame lühinäidet tuumaenergia kohta:

1896. aastal avastas prantsuse füüsik Antoine Henri Becquerel radioaktiivsuse fenomeni. Pikaks ajaks seda talle usuti tööstuslikuks kasutamiseks inimkond ei möödu niipea. Vaid viis aastat enne ajaloo esimese tuumareaktori käivitamist ütles suur füüsik Ernest Rutherford, kes tegelikult avastas aatomituuma 1911. aastal, et aatomienergia ei leia kunagi oma rakendust. Ekspertidel õnnestus oma suhtumist aatomi tuumas sisalduvasse energiasse ümber mõelda 1939. aastal, kui Saksa teadlased Lise Meitner ja Otto Hahn avastasid, et uraani tuumad jagunevad neutronitega kiiritamisel kaheks osaks, vabastades tohutul hulgal energiat - tuuma. energiat.

Ja alles pärast seda sarja viimast linki alusuuringud Mängu tuli rakendusteadus ja leiutas nende avastuste põhjal seadme tuumaenergia tootmiseks – aatomireaktori. Avastuse ulatust saab hinnata tuumareaktorite toodetud elektrienergia osakaalu järgi. Näiteks Ukrainas toodavad tuumaelektrijaamad 56% elektritootmisest ja Prantsusmaal 76%.

Kõik uued tehnoloogiad põhinevad teatud fundamentaalsetel teadmistel. Siin on veel paar lühikest näidet:

• 1895. aastal märkas Wilhelm Conrad Roentgen, et röntgenikiirgusega kokkupuutel fotoplaat tumeneb. Tänapäeval on radiograafia üks enim kasutatavaid uuringuid meditsiinis, mis võimaldab haigusseisundit uurida siseorganid ning tuvastada infektsioonid ja tursed.
• 1915. aastal pakkus Albert Einstein välja oma. Tänapäeval võetakse seda teooriat arvesse GPS-satelliitide töötamisel, mis määravad paarimeetrise täpsusega objekti asukoha. GPS-i kasutatakse mobiilsides, kartograafias, transpordiseires, kuid eelkõige navigatsioonis. Üldrelatiivsusteooriat mittearvestava satelliidi viga kasvaks stardihetkest 10 kilomeetrit päevas! Ja kui jalakäija oskab kasutada mõistust ja paberkaart, siis satuvad lennupiloodid raskesse olukorda, kuna pilvede kaudu on võimatu navigeerida.

Kui täna ei ole LHC-s tehtud avastuste jaoks praktilist rakendust veel leitud, ei tähenda see, et teadlased "ninniksid põrkajal asjata". Nagu teate, kavatseb mõistlik inimene alati maksimumi võtta praktiline rakendus olemasolevatest teadmistest ning seetõttu leiavad LHC-s uurimistöö käigus kogunenud loodusteadmised varem või hiljem kindlasti rakendust. Nagu eespool juba näidatud, ei pruugi seos fundamentaalsete avastuste ja neid kasutavate tehnoloogiate vahel olla üldse ilmne.

Lõpetuseks märgime ära nn kaudsed avastused, mis ei ole seatud uuringu esialgseteks eesmärkideks. Neid esineb üsna sageli, kuna põhjapaneva avastuse tegemine nõuab tavaliselt uute tehnoloogiate juurutamist ja kasutamist. Nii sai optika areng tõuke fundamentaalsetest kosmoseuuringutest, mis põhinevad astronoomide poolt läbi teleskoobi tehtud vaatlustel. CERNi puhul tekkis nii kõikjale leviv tehnoloogia: Internet, Tim Berners-Lee poolt 1989. aastal välja pakutud projekt, mille eesmärk oli muuta CERNi organisatsiooni andmed hõlpsamini leitavaks.

Selles küsimuses (ja teistes sarnastes) on sõnade "tegelikult" ilmumine uudishimulik - justkui oleks asjatundmatute eest peidetud olemus, mida tavainimeste eest kaitsevad "teaduspreestrid", saladus, mis vajab paljastada. Teaduse seestpoolt vaadates mõistatus aga kaob ja nendel sõnadel pole kohta – küsimus “miks meil on vaja hadronite põrkurit” ei erine põhimõtteliselt küsimusest “miks on vaja joonlauda (või kaalusid). või kellad jne). Asjaolu, et põrkur on ühegi standardi järgi suur, kallis ja keeruline asi, ei muuda asja.

Lähim analoogia, et mõista, miks seda vaja on, on minu arvates objektiiv. Inimkond on läätsede omadustega tuttav juba ammusest ajast, kuid alles möödunud aastatuhande keskel jõuti arusaamisele, et teatud läätsede kombinatsioone saab kasutada instrumentidena, mis võimaldavad uurida väga väikeseid või väga kaugeid objekte – me oleme, muidugi mikroskoobist ja teleskoobist rääkides. Pole kahtlust, et küsimus, milleks seda kõike vaja on, esitati korduvalt, kui need kaasaegsetele uued kujundused ilmusid. See võeti aga iseenesest päevakorrast maha, kuna laienesid mõlema seadme teadusliku ja rakendusliku kasutusvaldkonnad. Pange tähele, et üldiselt on see erinevaid seadmeid- Sa ei saa tagurpidi mikroskoobiga tähti vaadata. Paradoksaalselt ühendab Large Hadron Collider need iseenesest ja seda võib õigustatult pidada inimkonna viimaste sajandite jooksul saavutatud mikroskoopide ja teleskoopide evolutsiooni kõrgeimaks punktiks. See väide võib tunduda kummaline ja loomulikult ei tohiks seda võtta sõna-sõnalt – gaasipedaalil pole läätsi (vähemalt optilisi). Kuid sisuliselt on see täpselt nii. Oma “mikroskoopilisel” kujul võimaldab põrkur uurida objektide ehitust ja omadusi 10-19 meetri kõrgusel (tuletan meelde, et vesinikuaatomi suurus on ligikaudu 10-10 meetrit). Veelgi huvitavam on olukord "teleskoobi" osas. Iga teleskoop on reaalajas masin, kuna sellel vaadeldav pilt vastab sellele, milline oli vaatlusobjekt minevikus, nimelt ajale, mil elektromagnetkiirgus sellelt objektilt vaatlejani peab jõudma. See aeg võib Maalt Päikest vaadeldes olla veidi üle kaheksa minuti ja kaugeid kvasareid vaadeldes kuni miljardeid aastaid. Suure hadronite põrgataja sees luuakse tingimused, mis eksisteerisid universumis sekundi murdosa pärast Suurt Pauku. Nii saame võimaluse vaadata peaaegu 14 miljardi aasta taha, meie maailma päris algusesse. Tavalised maapealsed ja orbitaalteleskoobid (vähemalt need, mis salvestavad elektromagnetkiirgus), omandage "nägemine" alles pärast rekombinatsiooni ajastut, mil universum muutus optiliselt läbipaistvaks - see juhtus tänapäevaste ideede kohaselt 380 tuhat aastat pärast Suurt Pauku.

Järgmiseks peame otsustama, mida nende teadmistega peale hakata: nii väikeses mastaabis aine struktuuri kui ka selle omaduste kohta universumi sünnihetkel ning see on see, mis lõpuks tagastab alguses käsitletud mõistatuse ja teeb kindlaks, miks põrkur tekkis. on vaja, oli vaja "tõesti". Kuid see on inimese otsus ja põrkur, mille abil need teadmised saadi, jääb vaid seadmeks - võib-olla kõige keerukamaks “läätsede” süsteemiks, mida maailm on kunagi näinud.