شایعات زیادی در مورد این وسیله اسرارآمیز وجود دارد، بسیاری ادعا می کنند که زمین را نابود می کند و یک سیاهچاله مصنوعی ایجاد می کند و به وجود بشر پایان می دهد. در حقیقت، این وسیله می تواند بشریت را به طور کامل به ارمغان بیاورد سطح جدید، به لطف تحقیقات انجام شده توسط دانشمندان. در این مبحث سعی کردم تمام اطلاعات لازم را جمع آوری کنم تا تصوری از برخورد دهنده بزرگ هادرونی (LHC) به شما بدهم.

بنابراین، این مبحث حاوی همه چیزهایی است که باید در مورد برخورد دهنده هادرون بدانید. در 30 مارس 2010، یک رویداد تاریخی در CERN (سازمان تحقیقات هسته ای اروپا) رخ داد - پس از چندین تلاش ناموفق و ارتقاء فراوان، ایجاد بزرگترین ماشین در جهان برای از بین بردن اتم ها به پایان رسید. آزمایش‌های اولیه مربوط به برخورد پروتون با سرعت‌های نسبتاً کم در سال 2009 بدون هیچ مشکل قابل توجهی انجام شد. مرحله برای یک آزمایش فوق العاده آماده شده بود که در بهار 2010 انجام خواهد شد. مدل آزمایشی اصلی LHC بر اساس برخورد دو پرتو پروتون است که در حداکثر سرعت. این برخورد قدرتمند پروتون ها را از بین می برد و انرژی های خارق العاده و ذرات بنیادی جدیدی ایجاد می کند. این ذرات اتمی جدید بسیار ناپایدار هستند و فقط برای کسری از ثانیه می توانند وجود داشته باشند. دستگاه تحلیلی موجود در LHC می تواند این رویدادها را ثبت کرده و آنها را با جزئیات تجزیه و تحلیل کند. به این ترتیب دانشمندان در تلاش هستند تا پیدایش سیاهچاله ها را شبیه سازی کنند.

در 30 مارس 2010، دو پرتو پروتون به تونل 27 کیلومتری برخورد دهنده بزرگ هادرون در جهت مخالف شلیک شد. آنها به سرعت نور شتاب گرفتند که در آن برخورد اتفاق افتاد. انرژی رکوردشکنی 7 TeV (7 ترالکترون ولت) ثبت شد. بزرگی این انرژی رکوردشکنی است و بسیار ارزش های مهم. حالا بیایید با مهم ترین اجزای LHC آشنا شویم - حسگرها و آشکارسازهایی که در آن کسری از ثانیه که طی آن پرتوهای پروتون با هم برخورد می کنند، آنچه را که در کسری اتفاق می افتد ثبت می کنند. سه حسگر وجود دارد که نقش اصلی را در جریان برخورد در 30 مارس 2010 ایفا کردند - اینها برخی از مهم ترین بخش های برخورد دهنده هستند که در آزمایش های پیچیده CERN نقش کلیدی ایفا می کنند. این نمودار مکان چهار آزمایش اصلی (ALICE، ATLAS، CMS و LHCb) را نشان می‌دهد که پروژه‌های کلیدی LHC هستند. در عمق 50 تا 150 متری زیر زمین، غارهای عظیمی به طور خاص برای آشکارسازهای حسگر غول پیکر حفر شدند.

بیایید با پروژه ای به نام ALICE (مخفف Large Experimental Ion Collider) شروع کنیم. این یکی از شش است امکانات آزمایشی، ساخته شده بر روی LHC. ALICE برای مطالعه برخوردهای سنگین یون پیکربندی شده است. دما و چگالی انرژی ماده هسته ای تشکیل شده در این مورد برای تولد پلاسمای گلوئون کافی است. عکس آشکارساز ALICE و تمام 18 ماژول آن را نشان می دهد


سیستم ردیابی داخلی (ITS) در ALICE شامل شش لایه استوانه ای از حسگرهای سیلیکونی است که نقطه برخورد را احاطه کرده و خواص و موقعیت دقیق ذرات در حال ظهور را اندازه گیری می کند. به این ترتیب ذرات حاوی کوارک سنگین به راحتی قابل تشخیص هستند

یکی از آزمایشات اصلی LHC نیز ATLAS است. این آزمایش بر روی یک آشکارساز ویژه طراحی شده برای بررسی برخورد بین پروتون ها انجام می شود. اطلس 44 متر طول، 25 متر قطر و تقریباً 7000 تن وزن دارد. در مرکز تونل، پرتوهای پروتون با هم برخورد می کنند و آن را به بزرگترین و پیچیده ترین حسگر در نوع خود تبدیل می کنند که تا کنون ساخته شده است. این حسگر هر آنچه را که در حین و پس از برخورد پروتون اتفاق می افتد ثبت می کند. هدف این پروژه شناسایی ذراتی است که قبلاً در جهان ما ثبت یا شناسایی نشده اند.

باز کردن و تایید بوزون هیگز- بالاترین اولویت برخورد دهنده بزرگ هادرونی، زیرا این کشف مدل استاندارد ظهور ذرات اتمی بنیادی و ماده استاندارد را تایید می کند. هنگامی که برخورد دهنده با قدرت کامل کار کند، یکپارچگی مدل استاندارد از بین می رود. ذرات بنیادی که خواص آنها را فقط تا حدی درک می کنیم، قادر به حفظ یکپارچگی ساختاری خود نیستند. مدل استاندارد دارای حد بالایی انرژی 1 TeV است که بالاتر از آن یک ذره تجزیه می شود. با انرژی 7 TeV می توان ذراتی با جرم ده برابر بیشتر از آنچه در حال حاضر شناخته شده است ایجاد کرد. درست است، آنها بسیار متغیر خواهند بود، اما ATLAS برای شناسایی آنها در کسری از ثانیه قبل از "ناپدید شدن" طراحی شده است.

این عکس بهترین عکس از برخورد دهنده بزرگ هادرونی است:

سلونوئید میون فشرده ( شیر برقی میون فشرده) یکی از دو آشکارساز بزرگ جهانی ذرات در LHC است. حدود 3600 دانشمند از 183 آزمایشگاه و دانشگاه در 38 کشور از CMS پشتیبانی می کنند که این آشکارساز را ساخته و راه اندازی می کند. شیر برقی در زیر زمین در Cessy در فرانسه و در نزدیکی مرز با سوئیس قرار دارد. نمودار دستگاه CMS را نشان می دهد که در مورد آن با جزئیات بیشتر به شما خواهیم گفت.

بیشتر لایه داخلی- ردیاب مبتنی بر سیلیکون این ردیاب بزرگترین حسگر سیلیکونی جهان است. دارای 205 متر مربع سنسور سیلیکونی (تقریبا مساحت یک زمین تنیس) که 76 میلیون کانال را شامل می شود. ردیاب به شما اجازه می دهد تا رد ذرات باردار را در میدان الکترومغناطیسی اندازه گیری کنید

در سطح دوم یک کالری سنج الکترومغناطیسی وجود دارد. کالری سنج هادرون که در سطح بعدی قرار دارد، انرژی هر هادرون تولید شده را در هر مورد اندازه گیری می کند

لایه بعدی برخورد دهنده بزرگ هادرون CMS یک آهنربای بزرگ است. آهنربای برقی بزرگ 13 متر طول و 6 متر قطر دارد. از سیم پیچ های خنک شده ساخته شده از نیوبیم و تیتانیوم تشکیل شده است. این آهنربای برقی عظیم با قدرت کامل کار می کند تا طول عمر ذرات را به حداکثر برساند.

لایه 5 - آشکارسازهای میون و یوغ برگشتی. CMS برای تحقیق طراحی شده است انواع مختلففیزیک که می تواند در برخوردهای پر انرژی LHC شناسایی شود. برخی از این تحقیقات برای تأیید یا بهبود اندازه گیری پارامترهای مدل استاندارد است، در حالی که بسیاری دیگر در جستجوی فیزیک جدید هستند.

اطلاعات بسیار کمی در مورد آزمایش 30 مارس 2010 در دسترس است، اما یک واقعیت به طور قطع شناخته شده است. سرن گفت انفجار بی‌سابقه‌ای از انرژی در سومین تلاش پرتاب برخورددهنده ثبت شد، زیرا پرتوهای پروتون در اطراف تونل 27 کیلومتری پیش از برخورد با سرعت نور در حال حرکت بودند. رکورد سطح انرژی ثبت شده در حداکثر حداکثری که می تواند در پیکربندی فعلی خود تولید کند ثبت شد - تقریباً 7 TeV. این مقدار انرژی بود که مشخصه ثانیه های اول انفجار بزرگ بود که باعث پیدایش جهان ما شد. در ابتدا این سطح از انرژی انتظار نمی رفت، اما نتیجه فراتر از همه انتظارات بود

نمودار نشان می دهد که چگونه ALICE یک رهاسازی انرژی رکورد 7 TeV را ثبت می کند:

این آزمایش صدها بار در طول سال 2010 تکرار خواهد شد. برای اینکه بفهمید این فرآیند چقدر پیچیده است، می‌توانیم شتاب ذرات در برخورددهنده را تشبیه کنیم. از نظر پیچیدگی، این معادل است، برای مثال، شلیک سوزن ها از جزیره نیوفاندلند با چنان دقت کاملی که این سوزن ها در جایی در اقیانوس اطلس با هم برخورد می کنند و کل کره زمین را می چرخانند. هدف اصلی، کشف یک ذره بنیادی است - بوزون هیگز، که زیربنای مدل استاندارد ساخت جهان است.

با نتیجه موفقیت آمیز همه این آزمایش ها، در نهایت می توان دنیای سنگین ترین ذرات با ولتاژ 400 گیگا ولت (به اصطلاح ماده تاریک) را کشف و کاوش کرد.

همین چند سال پیش، من نمی دانستم برخورد دهنده هادرون چیست، بوزون هیگز، و چرا هزاران دانشمند در سراسر جهان در یک محوطه فیزیک عظیم در مرز سوئیس و فرانسه کار می کنند و میلیاردها دلار را در زمین مدفون می کنند.
سپس، برای من، مانند بسیاری دیگر از ساکنان این سیاره، عبارت برخورد دهنده بزرگ هادرون، دانش در مورد برخورد ذرات بنیادی در آن با سرعت نور و در مورد یکی از بزرگترین اکتشافات اخیر - بوزون هیگز آشنا شد.

و بنابراین، در اواسط ژوئن، من این فرصت را داشتم تا با چشمان خود ببینم که بسیاری از مردم در مورد چه چیزی صحبت می کنند و شایعات متناقض زیادی در مورد چه چیزهایی وجود دارد.
این فقط یک گشت و گذار کوتاه نبود، بلکه یک روز کامل در بزرگترین آزمایشگاه فیزیک هسته ای جهان - سرن - بود. در اینجا ما توانستیم با خود فیزیکدانان ارتباط برقرار کنیم و چیزهای جالب زیادی را در این پردیس علمی ببینیم و به مقدسات مقدسات - برخورد دهنده بزرگ هادرون (اما زمانی که پرتاب می شود و آزمایش هایی در آن انجام می شود) برویم. ، هرگونه دسترسی از بیرون به آن غیرممکن است)، از کارخانه تولید آهنرباهای غول پیکر برای برخورد دهنده بازدید کنید، مرکز اطلس، جایی که دانشمندان داده های به دست آمده در برخورد دهنده را تجزیه و تحلیل می کنند، مخفیانه از جدیدترین برخورد دهنده خطی در حال ساخت بازدید می کنند و حتی، تقریباً مانند یک جستجو، عملاً در امتداد مسیر خاردار یک ذره بنیادی، از انتها تا ابتدا قدم بزنید. و ببینید همه چیز از کجا شروع می شود ...
اما در مورد همه اینها در پست های جداگانه. امروز فقط برخورد دهنده هادرون بزرگ است.
اگر بتوان این را به سادگی نامید، مغز من از درک چگونگی چنین چیزی ابتدا اختراع و سپس ساخته نمی شود.

2. سال ها پیش این عکس شهرت جهانی پیدا کرد. بسیاری بر این باورند که این هادرون بزرگ در بخش است. در واقع، این یک مقطع از یکی از بزرگترین آشکارسازها - CMS است. قطر آن حدود 15 متر است. این بزرگترین آشکارساز نیست. قطر اطلس حدود 22 متر است.

3. برای اینکه به طور تقریبی بفهمیم که چیست و چقدر بزرگ است، اجازه دهید به نقشه ماهواره نگاه کنیم.
این حومه ژنو است، بسیار نزدیک به دریاچه ژنو. اینجا محل استقرار پردیس عظیم سرن است که کمی بعد به طور جداگانه در مورد آن صحبت خواهم کرد و دسته ای از برخورددهنده ها در زیر زمین در اعماق مختلف قرار دارند. بله، بله. او تنها نیست. ده نفر از آنها وجود دارد. هادرون بزرگ به سادگی این ساختار را تاج می‌گذارد، به عبارتی مجازی، زنجیره برخورددهنده‌ها را تکمیل می‌کند که از طریق آن ذرات بنیادی شتاب می‌گیرند. من همچنین در مورد این به طور جداگانه صحبت خواهم کرد، و همراه با ذره از بزرگ (LHC) تا اولین Linac خطی.
قطر حلقه LHC تقریباً 27 کیلومتر است و در عمق کمی بیش از 100 متر قرار دارد (بزرگترین حلقه در تصویر).
LHC چهار آشکارساز دارد - Alice، Atlas، LHCb و CMS. به سمت آشکارساز CMS رفتیم.

4. به غیر از این چهار آشکارساز، بقیه فضای زیرزمینی یک تونل است که در آن یک روده پیوسته از قطعات آبی مانند این وجود دارد. اینها آهنربا هستند. آهنرباهای غول پیکری که در آن یک میدان مغناطیسی دیوانه کننده ایجاد می شود که در آن ذرات بنیادی با سرعت نور حرکت می کنند.
در مجموع 1734 مورد وجود دارد.

5. داخل آهنربا چنین ساختار پیچیده ای وجود دارد. اینجا همه چیز زیاد است، اما مهمترین چیز دو لوله توخالی در داخل است که پرتوهای پروتون در آنها پرواز می کنند.
در چهار مکان (در همان آشکارسازها) این لوله ها قطع می شوند و پرتوهای پروتون با هم برخورد می کنند. در مکان هایی که با هم برخورد می کنند، پروتون ها به ذرات مختلفی پراکنده می شوند که توسط آشکارسازها شناسایی می شوند.
این برای این است که به طور خلاصه در مورد چیستی این مزخرفات و نحوه عملکرد آن صحبت کنیم.

6. بنابراین، 14 ژوئن، صبح، CERN. به حصاری نامحسوس با دروازه و ساختمان کوچکی در قلمرو می رسیم.
این ورودی یکی از چهار آشکارساز برخورد دهنده بزرگ هادرون - CMS است.
در اینجا می خواهم کمی توقف کنم تا در مورد اینکه چگونه در وهله اول و به لطف چه کسی توانستیم به اینجا برسیم صحبت کنیم.
و همه اینها "مقصر" آندری است، مرد ما که در CERN کار می کند، و به لطف او بازدید ما یک سفر کوتاه خسته کننده نبود، بلکه فوق العاده جالب و پر از حجم عظیمی از اطلاعات بود.
آندری (او با تی شرت سبز رنگ) هیچ وقت برای مهمانان مهم نیست و همیشه خوشحال است که بازدید از این مکه فیزیک هسته ای را تسهیل می کند.
میدونی چی جالبه؟ این حالت توان عملیاتی در Collider و به طور کلی در CERN است.
بله، همه چیز با استفاده از کارت مغناطیسی است، اما ... یک کارمند با پاس خود به 95 درصد از قلمرو و امکانات دسترسی دارد.
و فقط کسانی که در آن هستند افزایش سطحخطر تشعشع، دسترسی ویژه مورد نیاز است - این در داخل خود برخورد دهنده است.
و بنابراین، کارکنان بدون هیچ مشکلی در سراسر قلمرو حرکت می کنند.
برای لحظه ای میلیاردها دلار و بسیاری از باورنکردنی ترین تجهیزات در اینجا سرمایه گذاری شده است.
و سپس برخی از اشیاء رها شده در کریمه را به یاد می آورم، جایی که همه چیز مدت هاست بریده شده است، اما، با این وجود، همه چیز مخفی است، تحت هیچ شرایطی نمی توان از شما فیلمبرداری کرد، و هدف این است که چه کسی می داند چه استراتژیکی.
فقط این است که مردم اینجا به اندازه کافی با سر فکر می کنند.

7. این همان چیزی است که قلمرو CMS به نظر می رسد. هیچ خودنمایی برای شما نیست دکوراسیون بیرونیو ماشین های فوق العاده در پارکینگ. اما آنها می توانند آن را بپردازند. فقط نیازی نیست

8. سرن، به عنوان پیشرو در جهان مرکز علمیدر فیزیک از چندین جهت مختلف از نظر روابط عمومی استفاده می کند. یکی از آنها به اصطلاح "درخت" است.
در چارچوب آن، ما دعوت می کنیم معلمان مدرسهدر فیزیک از کشورهای مختلفو شهرها اینجا نشان داده شده و گفته می شود. سپس معلمان به مدارس خود باز می گردند و آنچه را که دیده اند به دانش آموزان خود می گویند. تعداد معینی از دانشجویان با الهام از این داستان، با علاقه فراوان شروع به مطالعه فیزیک می کنند، سپس به دانشگاه ها می روند تا در رشته فیزیک تحصیل کنند و در آینده شاید حتی در نهایت در اینجا کار کنند.
اما در حالی که بچه ها هنوز در مدرسه هستند، فرصت بازدید از سرن و البته پایین رفتن به برخورد دهنده بزرگ هادرون را نیز دارند.
چندین بار در ماه "روزهای" ویژه در اینجا برگزار می شود درهای باز"برای کودکان با استعداد از کشورهای مختلف که عاشق فیزیک هستند.
آنها توسط همان معلمانی انتخاب می شوند که در پایه این درخت بودند و پیشنهادات خود را به دفتر سرن در سوئیس ارائه می دهند.
اتفاقاً روزی که برای دیدن برخورددهنده بزرگ هادرون آمدیم، یکی از این گروه ها از اوکراین به اینجا آمد - بچه ها، دانش آموزان آکادمی علوم کوچک، که رقابت سختی را پشت سر گذاشته بودند. همراه با آنها تا عمق 100 متری در قلب کولایدر فرود آمدیم.

9. با نشان های ما افتخار کنید.
اقلام اجباری برای فیزیکدانانی که در اینجا کار می کنند کلاه ایمنی با چراغ قوه و چکمه هایی با صفحه فلزی روی انگشت پا (برای محافظت از انگشتان پا در هنگام سقوط بار) است.

10. کودکان با استعدادی که علاقه زیادی به فیزیک دارند. ظرف چند دقیقه مکان آنها به حقیقت می پیوندد - آنها به برخورد دهنده بزرگ هادرون فرود می آیند

11. کارگران قبل از شیفت بعدی خود در زیر زمین در حالی که استراحت می کنند دومینو بازی می کنند.

12. CMS مرکز کنترل و مدیریت. داده های اولیه از سنسورهای اصلی که عملکرد سیستم را مشخص می کنند در اینجا جریان می یابد.
هنگامی که برخورد دهنده در حال کار است، یک تیم 8 نفره در اینجا به صورت شبانه روزی کار می کنند.

13. باید گفت که هادرون بزرگ در حال حاضر برای انجام برنامه تعمیرات و نوسازی برخورد دهنده به مدت دو سال خاموش است.
واقعیت این است که 4 سال پیش تصادفی روی آن رخ داد که پس از آن برخورد دهنده هرگز با ظرفیت کامل کار نکرد (در پست بعدی در مورد تصادف صحبت خواهم کرد).
پس از نوسازی، که در سال 2014 تکمیل خواهد شد، باید با قدرت بیشتری کار کند.
اگر برخورد دهنده الان کار می کرد قطعا نمی توانستیم از آن بازدید کنیم

14. در ویژه آسانسور فنیما به عمق بیش از 100 متری فرود می آییم که Collider در آن قرار دارد.
آسانسور تنها وسیله نجات پرسنل در این صورت است اضطراری، زیرا اینجا پله نیست یعنی اینجا امن ترین مکان در CMS است.
طبق دستورالعمل در صورت بروز آلارم تمامی پرسنل باید بلافاصله به آسانسور مراجعه کنند.
فشار زیادی در اینجا ایجاد می شود تا در صورت دود دود به داخل نرود و افراد مسموم نشوند.

15. بوریس نگران نبودن دود است.

16. در عمق. همه چیز در اینجا پر از ارتباطات است.

17. کیلومترهای بی پایان سیم و کابل برای انتقال اطلاعات

18. در اینجا تعداد زیادی لوله وجود دارد. به اصطلاح کرایوژنیک. واقعیت این است که از هلیوم در داخل آهنرباها برای خنک کردن استفاده می شود. خنک کردن سایر سیستم ها و همچنین هیدرولیک نیز ضروری است.

19. در اتاق های پردازش داده واقع در آشکارساز تعداد زیادی سرور وجود دارد.
آنها در به اصطلاح محرک های عملکرد باورنکردنی ترکیب می شوند.
به عنوان مثال، اولین ماشه در 3 میلی ثانیه از 40،000،000 رویداد باید حدود 400 مورد را انتخاب کند و آنها را به ماشه دوم - بالاترین سطح، منتقل کند.

20. جنون فیبر نوری.
اتاق های کامپیوتر در بالای آشکارساز قرار دارند، زیرا در اینجا یک میدان مغناطیسی بسیار کوچک وجود دارد که در عملکرد الکترونیک تداخلی ایجاد نمی کند.
جمع آوری داده ها در خود آشکارساز ممکن نخواهد بود.

21. ماشه جهانی. از 200 کامپیوتر تشکیل شده است

22. چه نوع اپلی وجود دارد؟ دل!!!

23. کابینت های سرور به طور ایمن قفل شده اند

24. نقاشی بامزه در محل کار یکی از اپراتورها.

25. در پایان سال 2012، بوزون هیگز در نتیجه آزمایشی در برخورد دهنده بزرگ هادرون کشف شد و این رویداد به طور گسترده توسط کارگران سرن جشن گرفته شد.
بطری های شامپاین بعد از جشن عمدا دور ریخته نشدند، زیرا معتقد بودند که این تنها آغاز چیزهای بزرگ است.

26. در نزدیکی خود آشکارساز همه جا علائم هشدار دهنده در مورد خطرات تشعشع وجود دارد

26. کلیه کارکنان کولایدر دارای دزیمترهای شخصی هستند که موظفند آنها را به دستگاه قرائت آورده و محل خود را ثبت کنند.
دزیمتر سطح تشعشع را جمع می کند و در صورت نزدیک شدن به دوز حد، کارمند را مطلع می کند و همچنین داده ها را به صورت آنلاین به ایستگاه کنترل منتقل می کند و هشدار می دهد که فردی در نزدیکی برخورد دهنده وجود دارد که در خطر است.

27. درست در مقابل آشکارساز یک سیستم دسترسی سطح بالا قرار دارد.
می توانید با پیوست کردن کارت شخصی، دزیمتر و انجام اسکن شبکیه وارد سیستم شوید

28. کاری که من انجام می دهم

29. و اینجاست - آشکارساز. نیش کوچک داخل چیزی شبیه به یک چاک مته است که آهنرباهای بزرگی را در خود جای می دهد که اکنون بسیار کوچک به نظر می رسند. در حال حاضر هیچ آهنربایی وجود ندارد، زیرا ... در حال نوسازی است

30. در حالت کار، آشکارساز متصل است و شبیه یک واحد است

31. وزن آشکارساز 15 هزار تن است. یک میدان مغناطیسی باورنکردنی در اینجا ایجاد می شود.

32. اندازه آشکارساز را با افراد و تجهیزات زیر مقایسه کنید

33. کابل آبی- قدرت، قرمز - داده

34. جالب اینجاست که در حین کار، هادرون بزرگ 180 مگاوات برق در ساعت مصرف می کند.

35. کار جاریبرای نگهداری سنسور

36. سنسورهای متعدد

37. و برق به آنها ... فیبر نوری برمی گردد

38. قیافه یک فرد فوق العاده باهوش.

39. یک ساعت و نیم زیر زمین مانند پنج دقیقه پرواز می کند... پس از برخاستن به زمین فانی، بی اختیار تعجب می کنید ... چگونه می توان این کار را انجام داد.
و چرا این کار را می کنند….

در این سؤال (و سایر موارد مشابه) ظاهر کلمات "در واقع" عجیب است - گویی جوهره ای از ناآگاهان پنهان است که توسط "کاهنان علم" از مردم عادی محافظت می شود ، رازی که باید آشکار شود. با این حال، وقتی از درون علم نگاه کنیم، این راز ناپدید می شود و جایی برای این کلمات وجود ندارد - سؤال "چرا به برخورد دهنده هادرون نیاز داریم" اساساً با سؤال "چرا به خط کش (یا مقیاس) نیاز داریم. یا ساعت و غیره).» این واقعیت که برخورد دهنده یک چیز بزرگ، گران قیمت و با هر معیاری است، موضوع را تغییر نمی دهد.

نزدیکترین تشبیه برای درک "چرا به این نیاز است"، به نظر من، یک لنز است. بشریت از زمان های بسیار قدیم با خواص عدسی ها آشنا بوده است، اما تنها در اواسط هزاره گذشته متوجه شد که ترکیبات خاصی از لنزها را می توان به عنوان ابزاری استفاده کرد که به ما امکان می دهد اجسام بسیار کوچک یا بسیار دور را بررسی کنیم. البته صحبت از میکروسکوپ و تلسکوپ است. شکی نیست که این سؤال که چرا همه اینها مورد نیاز است، بارها و بارها پرسیده شد که این طرح ها، جدید برای معاصران، ظاهر شدند. اما با گسترش حوزه های کاربرد علمی و کاربردی هر دو دستگاه، خود به خود از دستور کار خارج شد. توجه داشته باشید که، به طور کلی، این دستگاه های مختلف- شما نمی توانید با میکروسکوپ وارونه به ستاره ها نگاه کنید. برخورد دهنده بزرگ هادرون، به طور متناقضی، آنها را در خود ترکیب می کند و به حق می تواند به عنوان بالاترین نقطه در تکامل میکروسکوپ ها و تلسکوپ ها توسط بشر در قرن های گذشته در نظر گرفته شود. این جمله ممکن است عجیب به نظر برسد و البته نباید آن را به معنای واقعی کلمه در نظر گرفت - هیچ لنز (حداقل لنزهای نوری) در شتاب دهنده وجود ندارد. اما در اصل این دقیقاً همینطور است. در شکل "میکروسکوپی" خود، برخورد دهنده به شما امکان می دهد ساختار و خواص اجسام را در سطح 10-19 متر مطالعه کنید (اجازه دهید یادآوری کنم که اندازه اتم هیدروژن تقریباً 10-10 متر است). وضعیت در بخش "تلسکوپ" جالب تر است. هر تلسکوپ یک ماشین زمان واقعی است، زیرا تصویر مشاهده شده در آن مطابق با آنچه شی مورد رصد در گذشته بوده است، یعنی زمان قبل که تابش الکترومغناطیسی نیاز دارد تا از این جسم به ناظر برسد. این زمان در هنگام رصد خورشید از زمین می تواند کمی بیش از هشت دقیقه و هنگام مشاهده اختروش های دوردست تا میلیاردها سال باشد. در درون برخورددهنده بزرگ هادرونی، شرایطی ایجاد می‌شود که در کسری از ثانیه پس از انفجار بزرگ در کیهان وجود داشت. بنابراین، ما این فرصت را به دست می آوریم که به 14 میلیارد سال گذشته، به همان آغاز جهان خود نگاه کنیم. تلسکوپ های معمولی زمینی و مداری (حداقل آنهایی که ضبط می کنند تابش الکترومغناطیسی)، "بینایی" را تنها پس از دوران نوترکیبی به دست آورید، زمانی که جهان از نظر نوری شفاف شد - این اتفاق طبق ایده های مدرن 380 هزار سال پس از انفجار بزرگ رخ داد.

بعد باید تصمیم بگیریم که با این دانش چه کنیم: هم در مورد ساختار ماده در مقیاس های کوچک و هم در مورد خواص آن در زمان تولد کیهان، و این همان چیزی است که در نهایت راز مورد بحث در ابتدا را برمی گرداند و مشخص می کند که چرا برخورد کننده چیست. مورد نیاز بود "واقعا" مورد نیاز بود. اما این یک تصمیم انسانی است و برخورد کننده ای که با کمک آن این دانش به دست آمده است فقط یک دستگاه باقی خواهد ماند - شاید پیچیده ترین سیستم "عدسی" که جهان تاکنون دیده است.

تاریخچه ایجاد شتاب دهنده ای که امروزه آن را با نام برخورد دهنده بزرگ هادرونی می شناسیم به سال 2007 برمی گردد. در ابتدا، گاهشماری شتاب دهنده ها با سیکلوترون آغاز شد. دستگاه وسیله کوچکی بود که به راحتی روی میز جا می شد. سپس تاریخچه شتاب دهنده ها به سرعت شروع به توسعه کرد. سینکروفازوترون و سینکروترون ظاهر شدند.

در تاریخ، شاید جالب ترین دوره، دوره 1956 تا 1957 باشد. در آن روزگار، علم شوروی، به ویژه فیزیک، از برادران خارجی خود عقب نمانده بود. یک فیزیکدان شوروی به نام ولادیمیر وکسلر با استفاده از سالها تجربه به پیشرفتی در علم دست یافت. او قدرتمندترین سنکروفازوترون را در آن زمان ایجاد کرد. توان عملیاتی آن 10 گیگا الکترون ولت (10 میلیارد الکترون ولت) بود. پس از این کشف، نمونه های جدی از شتاب دهنده ها ایجاد شد: برخورد دهنده بزرگ الکترون-پوزیترون، شتاب دهنده سوئیسی، در آلمان، ایالات متحده آمریکا. همه آنها یک هدف مشترک داشتند - مطالعه ذرات بنیادی کوارک ها.

برخورد دهنده بزرگ هادرونی در درجه اول به لطف تلاش های یک فیزیکدان ایتالیایی ایجاد شد. نام او کارلو روبیا، برنده جایزه است جایزه نوبل. روبیا در طول دوران حرفه ای خود به عنوان مدیر در سازمان اروپایی تحقیقات هسته ای کار می کرد. تصمیم بر این شد که برخورد دهنده هادرون در محل مرکز تحقیقات ساخته و راه اندازی شود.

برخورد دهنده هادرون کجاست؟

برخورد دهنده در مرز بین سوئیس و فرانسه قرار دارد. محیط آن 27 کیلومتر است و به همین دلیل به آن بزرگ می گویند. حلقه شتاب دهنده از عمق 50 تا 175 متری می رود. برخورد دهنده 1232 آهنربا دارد. آنها ابررسانا هستند، به این معنی که می توان از آنها برای ساخت استفاده کرد حداکثر میدانبرای شتاب، زیرا عملاً هیچ مصرف انرژی در چنین آهنربایی وجود ندارد. وزن کل هر آهنربا 3.5 تن با طول 14.3 متر است.

مانند هر جسم فیزیکی، برخورد دهنده بزرگ هادرونی گرما تولید می کند. بنابراین باید مدام خنک شود. برای رسیدن به این هدف، با استفاده از 12 میلیون لیتر نیتروژن مایع، دما در 1.7 کلوین نگه داشته می شود. علاوه بر این 700 هزار لیتر برای سرمایش استفاده می شود و از همه مهمتر فشاری ده برابر کمتر از فشار معمولی اتمسفر است.

دمای 1.7 کلوین در مقیاس سلسیوس 271- درجه است. این دما تقریباً نزدیک به حداقل حد ممکنی است که یک جسم فیزیکی می تواند داشته باشد.

داخل تونل هم جالب نیست. کابل های نیوبیم-تیتانیوم با قابلیت ابررسانایی وجود دارد. طول آنها 7600 کیلومتر است. وزن کل کابل ها 1200 تن است. داخل کابل 6300 سیم با فاصله 1.5 میلیارد کیلومتر است. این طول برابر با 10 واحد نجومی است. به عنوان مثال، برابر با 10 واحد است.

اگر در مورد موقعیت جغرافیایی آن صحبت کنیم، می توانیم بگوییم که حلقه های برخورد دهنده بین شهرهای Saint-Genis و Forney-Voltaire واقع در طرف فرانسویو همچنین Meyrin و Wessurat - از طرف سوئیس. حلقه کوچکی به نام PS در امتداد قطر حاشیه قرار دارد.

معنای وجود

برای پاسخ به این سوال "برخورد کننده هادرون برای چیست"، باید به دانشمندان مراجعه کنید. بسیاری از دانشمندان می گویند که این بزرگترین اختراع در کل تاریخ علم است و بدون آن، علم به شکلی که امروز می شناسیم به سادگی معنا ندارد. وجود و پرتاب برخورد دهنده بزرگ هادرون جالب است زیرا هنگامی که ذرات در برخورد دهنده هادرون با هم برخورد می کنند، انفجار رخ می دهد. تمام ریزترین ذرات در جهات مختلف پراکنده می شوند. ذرات جدیدی تشکیل می شوند که می توانند وجود و معنای بسیاری از چیزها را توضیح دهند.

اولین چیزی که دانشمندان سعی کردند در این ذرات سقوط کرده پیدا کنند، یک ذره بنیادی تئوری پیش بینی شده توسط فیزیکدان پیتر هیگز بود که اعتقاد بر این است که این ذره شگفت انگیز حامل اطلاعات است. معمولاً به آن "ذره خدا" نیز می گویند. کشف آن دانشمندان را به درک جهان نزدیکتر می کند. لازم به ذکر است که در سال 2012، در 4 جولای، برخورد دهنده هادرون (پرتاب آن تا حدی موفقیت آمیز بود) به کشف ذره مشابه کمک کرد. امروزه دانشمندان در تلاشند تا آن را با جزئیات بیشتری مطالعه کنند.

تا کی ...

البته بلافاصله این سوال مطرح می شود: چرا دانشمندان برای مدت طولانی روی این ذرات مطالعه می کنند؟ اگر دستگاهی دارید، می‌توانید آن را اجرا کنید و هر بار داده‌های بیشتری بگیرید. واقعیت این است که راه اندازی یک برخورد دهنده هادرون یک پیشنهاد گران است. یک پرتاب هزینه زیادی دارد. به عنوان مثال، مصرف سالانهانرژی برابر با 800 میلیون کیلووات در ساعت است. این میزان انرژی توسط شهری با جمعیتی حدود 100 هزار نفر با استانداردهای متوسط ​​مصرف می شود. و این شامل هزینه های نگهداری نمی شود. دلیل دیگر این است که در برخورد دهنده هادرون، انفجاری که هنگام برخورد پروتون ها رخ می دهد با دریافت مقدار زیادی داده همراه است: رایانه ها اطلاعات زیادی را می خوانند که پردازش آن زمان زیادی را می طلبد. حتی با وجود اینکه قدرت کامپیوترهایی که اطلاعات را دریافت می کنند حتی با استانداردهای امروزی بسیار زیاد است.

دلیل بعدی نیز کمتر شناخته شده نیست. فرض بر این است که باقیمانده ها ماده تاریک و انرژی تاریک هستند. آنها سعی دارند به طور تجربی ثابت کنند که این نظریه درست است.

برخورد دهنده هادرون: موافق یا مخالف

نظریه ارائه شده در مورد ماده تاریک، ایمنی برخورد دهنده هادرون را مورد تردید قرار داده است. این سوال مطرح شد: "برخورد کننده هادرون: موافق یا مخالف؟" او بسیاری از دانشمندان را نگران کرد. تمام ذهن های بزرگ دنیا به دو دسته تقسیم می شوند. "مخالفان" نظریه جالبی را مطرح کردند که اگر چنین ماده ای وجود داشته باشد، باید ذره ای مخالف آن داشته باشد. و هنگامی که ذرات در شتاب دهنده با هم برخورد می کنند، یک قسمت تاریک ظاهر می شود. این خطر وجود داشت که قسمت تاریک و بخشی که می بینیم با هم برخورد کنند. سپس این می تواند منجر به مرگ کل جهان شود. با این حال، پس از اولین پرتاب برخورد دهنده هادرون، این نظریه تا حدی شکسته شد.

بعد از اهمیت، انفجار جهان، یا بهتر است بگوییم، تولد است. اعتقاد بر این است که در طول یک برخورد می توان مشاهده کرد که جهان در اولین ثانیه های وجودش چگونه رفتار می کند. نحوه نگاه آن پس از انفجار بزرگ. اعتقاد بر این است که فرآیند برخورد ذرات بسیار شبیه به آنچه در همان ابتدای جهان رخ داد است.

یکی دیگر از ایده های به همان اندازه خارق العاده ای که دانشمندان در حال آزمایش آن هستند، مدل های عجیب و غریب است. باور نکردنی به نظر می رسد، اما نظریه ای وجود دارد که نشان می دهد ابعاد و جهان های دیگری با افرادی مشابه ما وجود دارد. و به اندازه کافی عجیب، شتاب دهنده می تواند در اینجا نیز کمک کند.

به بیان ساده، هدف شتاب دهنده این است که بفهمد جهان چیست، چگونه ایجاد شده است و تمام نظریه های موجود در مورد ذرات و پدیده های مرتبط را اثبات یا رد کند. البته این کار سال ها طول می کشد، اما با هر پرتاب اکتشافات جدیدی ظاهر می شود که دنیای علم را متحول می کند.

حقایقی در مورد شتاب دهنده

همه می دانند که شتاب دهنده ذرات را تا 99 درصد سرعت نور شتاب می دهد، اما افراد زیادی نمی دانند که این درصد 99.9999991 درصد سرعت نور است. این رقم شگفت انگیز به لطف طراحی بی نقص و آهنرباهای شتاب قدرتمند منطقی است. همچنین برخی از حقایق کمتر شناخته شده وجود دارد که باید به آنها توجه کرد.

تقریباً 100 میلیون جریان داده از هر یک از دو آشکارساز اصلی می تواند بیش از 100000 CD-ROM را در عرض چند ثانیه پر کند. تنها در عرض یک ماه، تعداد دیسک ها به حدی می رسید که اگر روی هم قرار می گرفتند، برای رسیدن به ماه کافی بود. بنابراین، تصمیم گرفته شد که نه همه داده‌هایی که از آشکارسازها می‌آیند، بلکه تنها آن‌هایی که اجازه استفاده از آن‌ها توسط سیستم جمع‌آوری داده‌ها را خواهند داشت، جمع‌آوری شوند، که در واقع به عنوان فیلتری برای داده‌های دریافتی عمل می‌کند. تصمیم گرفته شد تنها 100 رویدادی که در لحظه انفجار رخ داده است، ثبت شود. این رویدادها در آرشیو مرکز کامپیوتری برخورد دهنده بزرگ هادرون که در آزمایشگاه اروپایی فیزیک ذرات که محل شتاب دهنده نیز می باشد، ثبت خواهد شد. آنچه ثبت خواهد شد، رویدادهایی نیست که ثبت شده است، بلکه رویدادهایی هستند که بیشترین علاقه را برای جامعه علمی دارند.

پس پردازش

پس از ثبت، صدها کیلوبایت داده پردازش می شود. برای این منظور از بیش از دو هزار کامپیوتر مستقر در سرن استفاده می شود. وظیفه این رایانه ها پردازش داده های اولیه و تشکیل یک پایگاه داده از آن است که برای تجزیه و تحلیل بیشتر راحت باشد. در مرحله بعد، جریان داده تولید شده به شبکه کامپیوتری GRID ارسال می شود. این شبکه اینترنتی هزاران کامپیوتر مستقر در موسسات مختلف در سراسر جهان را متحد می کند و بیش از صد مرکز بزرگ واقع در سه قاره را به هم متصل می کند. تمامی این مراکز با استفاده از فیبر نوری برای حداکثر سرعت انتقال داده به سرن متصل می شوند.

در صحبت از حقایق، باید به شاخص های فیزیکی سازه نیز اشاره کنیم. تونل شتاب دهنده 1.4 درصد انحراف دارد صفحه افقی. این کار در درجه اول به منظور قرار دادن بیشتر تونل شتاب دهنده در یک سنگ یکپارچه انجام شد. بنابراین، عمق قرارگیری در طرف مقابل متفاوت است. اگر از کنار دریاچه ای که در نزدیکی ژنو قرار دارد حساب کنیم، عمق آن 50 متر خواهد بود. قسمت مقابل 175 متر عمق دارد.

جالب اینجاست که فازهای قمریروی شتاب دهنده تاثیر می گذارد. به نظر می رسد چگونه چنین جسم دوری می تواند در چنین فاصله ای تأثیر بگذارد. با این حال، مشاهده شده است که در طول ماه کامل، زمانی که جزر و مد رخ می دهد، زمین در منطقه ژنو تا 25 سانتی متر افزایش می یابد. این روی طول برخورد دهنده تاثیر می گذارد. در نتیجه طول 1 میلی متر افزایش می یابد و انرژی پرتو نیز 0.02٪ تغییر می کند. از آنجایی که انرژی پرتو باید تا 0.002٪ کنترل شود، محققان باید این پدیده را در نظر بگیرند.

همچنین جالب است که تونل برخورد دهنده به شکل یک هشت ضلعی است و نه دایره ای که بسیاری تصور می کنند. گوشه ها توسط بخش های کوتاه ایجاد می شوند. آنها حاوی آشکارسازهای نصب شده و همچنین سیستمی هستند که پرتو ذرات شتاب دهنده را کنترل می کند.

ساختار

برخورد دهنده هادرون که پرتاب آن شامل قطعات زیادی است و هیجان زیادی در بین دانشمندان دارد، دستگاه شگفت انگیزی است. کل شتاب دهنده از دو حلقه تشکیل شده است. حلقه کوچک پروتون سینکروترون یا برای استفاده از اختصارات آن PS نامیده می شود. حلقه بزرگ سوپر پروتون سنکروترون یا SPS است. این دو حلقه با هم به قطعات اجازه می دهند تا 99.9 درصد سرعت نور شتاب بگیرند. در همان زمان، برخورد دهنده انرژی پروتون ها را نیز افزایش می دهد و انرژی کل آنها را 16 برابر افزایش می دهد. همچنین به ذرات اجازه می دهد تا حدود 30 میلیون بار در ثانیه با یکدیگر برخورد کنند. در عرض 10 ساعت 4 آشکارساز اصلی حداقل 100 ترابایت داده دیجیتال در ثانیه تولید می کنند. به دست آوردن داده ها توسط عوامل فردی تعیین می شود. به عنوان مثال، آنها می توانند ذرات بنیادی را که دارای منفی هستند، تشخیص دهند بار الکتریکی، و همچنین نیم چرخش دارند. از آنجایی که این ذرات ناپایدار هستند، تشخیص مستقیم آنها غیرممکن است. این مرحله اولین سطح پرتاب نامیده می شود. این مرحله توسط بیش از 100 برد ویژه پردازش داده که دارای منطق پیاده سازی داخلی هستند، نظارت می شود. این بخش از کار با این واقعیت مشخص می شود که در طول دوره اکتساب داده ها، بیش از 100 هزار بلوک داده در هر ثانیه انتخاب می شود. سپس از این داده ها برای تجزیه و تحلیل استفاده می شود که با استفاده از مکانیزم سطح بالاتر انجام می شود.

برعکس، سیستم‌های سطح بعدی، اطلاعات را از تمام رشته‌های آشکارساز دریافت می‌کنند. نرم افزارآشکارساز در شبکه کار می کند. در آنجا از تعداد زیادی رایانه برای پردازش بلوک‌های بعدی داده استفاده می‌کند، میانگین زمان بین بلوک‌ها 10 میکروثانیه است. برنامه ها باید علائم ذرات مربوط به نقاط اصلی را ایجاد کنند. نتیجه مجموعه ای از داده های تولید شده متشکل از ضربه، انرژی، مسیر و موارد دیگر خواهد بود که در طول یک رویداد به وجود آمده اند.

قطعات شتاب دهنده

کل شتاب دهنده را می توان به 5 قسمت اصلی تقسیم کرد:

1) شتاب دهنده برخورددهنده الکترون پوزیترون. این قطعه از حدود 7 هزار آهنربا با خاصیت ابررسانایی تشکیل شده است. با کمک آنها، پرتو از طریق یک تونل دایره ای هدایت می شود. آنها همچنین پرتو را در یک جریان متمرکز می کنند که عرض آن به عرض یک مو کاهش می یابد.

2) شیر برقی میون فشرده. این یک آشکارساز است که برای هدف کلی. چنین آشکارساز برای جستجوی پدیده های جدید و به عنوان مثال برای جستجوی ذرات هیگز استفاده می شود.

3) آشکارساز LHCb. اهمیت این دستگاه جستجو برای کوارک ها و ذرات متضاد آنها - آنتی کوارک ها است.

4) نصب Toroidal ATLAS. این آشکارساز برای تشخیص میون ها طراحی شده است.

5) آلیس. این آشکارساز برخورد یون های سرب و برخورد پروتون-پروتون را ضبط می کند.

مشکلات هنگام راه اندازی برخورد دهنده هادرون

علیرغم اینکه حضور تکنولوژی بالااحتمال خطا را در عمل از بین می برد، همه چیز متفاوت است. در هنگام مونتاژ پدال گاز، تاخیر و خرابی رخ داد. باید گفت که این وضعیت دور از انتظار نبود. این دستگاه دارای تفاوت های ظریف زیادی است و به چنان دقتی نیاز دارد که دانشمندان انتظار نتایج مشابهی را داشتند. به عنوان مثال، یکی از مشکلاتی که دانشمندان در طول پرتاب با آن مواجه شدند، شکست آهنربایی بود که پرتوهای پروتون را بلافاصله قبل از برخورد آنها متمرکز کرد. این حادثه جدی به دلیل از بین رفتن قسمتی از بست به دلیل از بین رفتن ابررسانایی توسط آهنربا رخ داده است.

این مشکل در سال 2007 رخ داد. به همین دلیل پرتاب برخورد دهنده چندین بار به تعویق افتاد و تنها در ژوئن پرتاب تقریبا یک سال بعد انجام شد.

آخرین پرتاب این برخورد دهنده موفقیت آمیز بود و تعداد زیادی ترابایت داده را جمع آوری کرد.

برخورد دهنده هادرون که در 5 آوریل 2015 به فضا پرتاب شد، با موفقیت در حال فعالیت است. در طول یک ماه، تیرها در اطراف حلقه رانده می شوند و به تدریج قدرت خود را افزایش می دهند. هیچ هدفی برای مطالعه وجود ندارد. انرژی برخورد پرتو افزایش خواهد یافت. مقدار از 7 TeV به 13 TeV افزایش خواهد یافت. چنین افزایشی به ما امکان می دهد تا احتمالات جدیدی را در برخورد ذرات ببینیم.

در سال 2013 و 2014 بازرسی های فنی جدی از تونل ها، شتاب دهنده ها، آشکارسازها و سایر تجهیزات انجام شد. نتیجه 18 آهنربای دوقطبی با عملکرد ابررسانا بود. لازم به ذکر است تعداد کل آنها 1232 قطعه می باشد. با این حال، آهنرباهای باقی مانده بی توجه نبودند. در بقیه سیستم های حفاظتی خنک کننده تعویض و سیستم های بهبود یافته نصب شد. سیستم خنک کننده مغناطیسی نیز بهبود یافته است. این به آنها اجازه می دهد تا در دمای پایین با حداکثر قدرت باقی بمانند.

اگر همه چیز خوب پیش برود، پرتاب بعدی شتاب دهنده تنها سه سال دیگر انجام خواهد شد. پس از این مدت، کارهای بهبود برنامه ریزی شده برنامه ریزی شده است، بازرسی فنیبرخورد دهنده

لازم به ذکر است که تعمیرات بدون در نظر گرفتن هزینه، یک پنی بسیار هزینه دارد. برخورد دهنده هادرون، تا سال 2010، دارای برچسب قیمتی 7.5 میلیارد یورویی است. این رقم کل پروژه را در رتبه اول فهرست گران ترین پروژه های تاریخ علم قرار می دهد.

قدرتمندترین شتاب دهنده ذرات برخوردی جهان

قدرتمندترین شتاب دهنده ذرات باردار پرتو برخوردی جهان که توسط مرکز تحقیقات هسته ای اروپا (سرن) در یک تونل زیرزمینی به طول 27 کیلومتر در عمق 50 تا 175 متری در مرز سوئیس و فرانسه ساخته شده است. LHC در پاییز 2008 راه اندازی شد، اما به دلیل یک حادثه، آزمایشات روی آن تنها در نوامبر 2009 آغاز شد و در مارس 2010 به ظرفیت طراحی خود رسید. پرتاب این برخورددهنده توجه نه تنها فیزیکدانان، بلکه مردم عادی را نیز به خود جلب کرد، زیرا این نگرانی در رسانه ها مطرح شد که آزمایشات روی برخورد دهنده می تواند به پایان جهان منجر شود. در ژوئیه 2012، LHC کشف ذره‌ای را اعلام کرد که به احتمال زیاد بوزون هیگز است - وجود آن صحت مدل استاندارد ساختار ماده را تأیید کرد.

پس زمینه

استفاده از شتاب دهنده های ذرات برای اولین بار در اواخر دهه 20 قرن بیستم برای مطالعه خواص ماده در علم آغاز شد. اولین شتاب دهنده حلقه ای، سیکلوترون، در سال 1931 توسط فیزیکدان آمریکایی ارنست لارنس ساخته شد. در سال 1932، جان کوککرافت انگلیسی و ارنست والتون ایرلندی، با استفاده از یک ضرب کننده ولتاژ و اولین شتاب دهنده پروتون در جهان، برای اولین بار موفق شدند هسته یک اتم را به طور مصنوعی شکافتند: هلیوم از بمباران لیتیوم با پروتون به دست آمد. شتاب‌دهنده‌های ذرات با استفاده از میدان‌های الکتریکی که برای شتاب (در بسیاری از موارد به سرعت‌های نزدیک به سرعت نور) استفاده می‌شوند و ذرات باردار (مانند الکترون‌ها، پروتون‌ها یا یون‌های سنگین‌تر) را در یک مسیر معین نگه می‌دارند، کار می‌کنند. ساده ترین مثال روزمره شتاب دهنده ها تلویزیون هایی با لوله اشعه کاتدی هستند،،،،،.

شتاب دهنده ها برای آزمایش های مختلف از جمله تولید عناصر فوق سنگین استفاده می شوند. برای مطالعه ذرات بنیادی، برخورد دهنده ها (از برخورد - "برخورد") نیز استفاده می شود - شتاب دهنده های ذرات باردار در پرتوهای برخوردی که برای مطالعه محصولات برخورد آنها طراحی شده اند. دانشمندان انرژی جنبشی بالایی به پرتوها می دهند. برخوردها می توانند ذرات جدید و قبلا ناشناخته تولید کنند. آشکارسازهای ویژه برای تشخیص ظاهر آنها طراحی شده اند. در آغاز دهه 1990، قوی ترین برخورددهنده ها در ایالات متحده آمریکا و سوئیس فعالیت می کردند. در سال 1987، برخورد دهنده Tevatron در ایالات متحده آمریکا در نزدیکی شیکاگو با حداکثر انرژی پرتو 980 گیگاالکترون ولت (GeV) به فضا پرتاب شد. این یک حلقه زیرزمینی به طول 6.3 کیلومتر است. در سال 1989 برخورد دهنده بزرگ الکترون پوزیترون (LEP) در سوئیس تحت نظارت مرکز اروپایی تحقیقات هسته ای (سرن) راه اندازی شد. برای آن، در عمق 50-175 متری دره دریاچه ژنو، یک تونل دایره ای به طول 26.7 کیلومتر در سال 2000 ساخته شد، امکان دستیابی به انرژی پرتوی 209 گیگا ولت، , , .

در اتحاد جماهیر شوروی در دهه 1980، پروژه مجتمع شتاب دهنده-ذخیره (UNC) ایجاد شد - برخورد دهنده پروتون-پروتون ابررسانا در موسسه فیزیک. انرژی های بالا(IHEP) در پروتوینو. از بسیاری جهات نسبت به LEP و Tevatron برتری دارد و باید بتواند پرتوهای ذرات بنیادی را با انرژی 3 ترالکترون ولت (TeV) شتاب دهد. حلقه اصلی آن به طول 21 کیلومتر در سال 1994 زیرزمینی ساخته شد، اما به دلیل کمبود بودجه، پروژه در سال 1998 مسدود شد، تونل ساخته شده در پروتوینو خفن شد (فقط عناصر مجموعه شتاب تکمیل شد) و رئیس مهندس پروژه، گنادی دوروف، برای کار به ایالات متحده آمریکا رفت،،،،،،، به گفته برخی از دانشمندان روسی، اگر UNK تکمیل و به بهره برداری می رسید، نیازی به ایجاد برخورد دهنده های قدرتمندتر نبود: پیشنهاد می شد برای به دست آوردن داده های جدید در مورد پایه های فیزیکی نظم جهانی، این کار انجام شود. برای غلبه بر آستانه انرژی 1 TeV در شتاب دهنده ها کافی است. معاون موسسه تحقیقاتی فیزیک هسته ای دانشگاه دولتی مسکو و هماهنگ کننده مشارکت موسسات روسیدر پروژه ایجاد برخورد دهنده بزرگ هادرونی، ویکتور ساورین، با یادآوری UNK، اظهار داشت: "خب، سه ترالکترون ولت یا هفت ولت و سپس سه ترالکترون ولت را می توان بعداً به پنج رساند." با این حال، ایالات متحده همچنین ساخت سوپر برخورد دهنده ابررسانا (SSC) خود را در سال 1993 و به دلایل مالی کنار گذاشت.

فیزیکدانان کشورهای مختلف تصمیم گرفتند به جای ساختن برخورددهنده های خود، در چارچوب یک پروژه بین المللی متحد شوند، ایده ایجاد آن در دهه 1980 آغاز شد. پس از پایان آزمایشات در LEP سوئیس، تجهیزات آن برچیده شد و به جای آن ساخت برخورددهنده بزرگ هادرون (LHC، برخورد دهنده بزرگ هادرون، LHC) آغاز شد - قدرتمندترین شتاب دهنده حلقه ای ذرات باردار در پرتوهای در حال برخورد. ، که در آن پرتوهای پروتون با انرژی تا 14 TeV و یون های سرب با انرژی برخورد تا 1150 TeV برخورد می کنند،،،،،،، .

اهداف آزمایش

هدف اصلی ساخت LHC روشن کردن یا رد مدل استاندارد بود، یک ساختار نظری در فیزیک که ذرات بنیادی و سه تا از چهار برهمکنش اساسی را توصیف می‌کند: قوی، ضعیف و الکترومغناطیسی، به استثنای نیروهای گرانشی. شکل گیری مدل استاندارد در دهه 1960 تا 1970 تکمیل شد و طبق گفته دانشمندان، تمام اکتشافات انجام شده از آن زمان به بعد، با توسعه طبیعی این نظریه توصیف شد. در همان زمان، مدل استاندارد چگونگی برهمکنش ذرات بنیادی را توضیح داد، اما به این سؤال پاسخ نداد که چرا دقیقاً به این صورت است و نه غیر از این.

دانشمندان خاطرنشان کردند که اگر LHC نتوانسته بود به کشف بوزون هیگز دست یابد (در مطبوعات گاهی اوقات آن را "ذره خدا" می نامیدند) ، کل مدل استاندارد را زیر سوال می برد ، که به یک کامل نیاز داشت. تجدید نظر در ایده های موجود در مورد ذرات بنیادی، , , , . در همان زمان، اگر مدل استاندارد تأیید می شد، برخی از حوزه های فیزیک نیاز به تأیید آزمایشی بیشتری داشتند: به ویژه، اثبات وجود "گراویتون ها" - ذرات فرضی مسئول گرانش، , ضروری بود.

ویژگی های فنی

LHC در یک تونل ساخته شده برای LEP قرار دارد. بیشتر آن در زیر خاک فرانسه قرار دارد. این تونل شامل دو لوله است که تقریباً در تمام طول خود به موازات یکدیگر قرار دارند و در مکان های آشکارسازهایی که در آنها برخورد هادرون ها - ذرات متشکل از کوارک ها - اتفاق می افتد (یون های سرب و پروتون ها برای برخورد استفاده خواهند شد) قطع می شوند. پروتون ها نه در خود LHC بلکه در شتاب دهنده های کمکی شروع به شتاب گرفتن می کنند. پرتوهای پروتون در شتاب دهنده خطی LINAC2 شروع می شوند، سپس در شتاب دهنده PS، پس از آن وارد حلقه 6.9 کیلومتری سینکروترون سوپر پروتون (SPS) می شوند و پس از آن به یکی از لوله های LHC ختم می شوند. 20 دقیقه دیگر انرژی تا 7 TeV به آنها منتقل می شود. آزمایش‌ها با یون‌های سرب در شتاب‌دهنده خطی LINAC3 آغاز خواهد شد. این پرتوها توسط 1600 آهنربای ابررسانا که وزن بسیاری از آنها به 27 تن می رسد در مسیر خود نگه می دارند. این آهنرباها توسط هلیوم مایع تا دمای بسیار پایین خنک می شوند: 1.9 درجه بالای صفر مطلق، سردتر فضای بیرونی , , , , , , , .

با 99.9999991 درصد سرعت نور، که بیش از 11 هزار دایره در ثانیه در اطراف حلقه برخورد دهنده ایجاد می کند، پروتون ها در یکی از چهار آشکارساز - بیشترین برخورد می کنند. سیستم های پیچیدهباک , , , , , . آشکارساز ATLAS برای جستجوی ذرات ناشناخته جدیدی طراحی شده است که می توانند سرنخ هایی را برای دانشمندان در جستجوی "فیزیک جدید" به غیر از مدل استاندارد ارائه دهند. آشکارساز CMS برای بدست آوردن بوزون هیگز و مطالعه طراحی شده است ماده تاریک. آشکارساز ALICE برای مطالعه ماده پس از بیگ بنگ و جستجوی پلاسمای کوارک گلوئون طراحی شده است و آشکارساز LHCb دلیل شیوع ماده بر ضد ماده را بررسی می کند و فیزیک کوارک های b را بررسی می کند. در آینده قرار است سه آشکارساز دیگر راه اندازی شود: TOTEM، LHCf و MoEDAL.

برای پردازش نتایج آزمایش‌ها در LHC، از یک شبکه کامپیوتری توزیع‌شده اختصاصی GRID استفاده خواهد شد که می‌تواند تا 10 گیگابیت اطلاعات در ثانیه را به 11 مرکز محاسباتی در سراسر جهان ارسال کند. هر سال بیش از 15 پتابایت (15 هزار ترابایت) اطلاعات از آشکارسازها خوانده می شود: کل جریان داده های چهار آزمایش می تواند به 700 مگابایت در ثانیه برسد، , , , . در سپتامبر 2008، هکرها موفق به هک کردن صفحه وب CERN شدند و به گفته آنها، به کنترل های برخورد دهنده دسترسی پیدا کردند. با این حال، کارکنان CERN توضیح دادند که سیستم کنترل LHC از اینترنت جدا شده است. در اکتبر 2009، آدلن ایشور، که یکی از دانشمندانی بود که روی آزمایش LHCb در LHC کار می کرد، به ظن همکاری با تروریست ها دستگیر شد. با این حال، همانطور که مدیریت سرن گزارش داد، ایشور به محل های زیرزمینی برخورد کننده دسترسی نداشت و هیچ کاری که مورد علاقه تروریست ها باشد انجام نداد. در ماه می 2012، ایشور به پنج سال زندان محکوم شد.

هزینه و تاریخچه ساخت

در سال 1995، هزینه ساخت LHC بدون احتساب هزینه انجام آزمایشات، 2.6 میلیارد فرانک سوئیس برآورد شد. برنامه ریزی شده بود که آزمایش ها در 10 سال - در سال 2005 آغاز شود. در سال 2001، بودجه سرن کاهش یافت و 480 میلیون فرانک به هزینه های ساخت و ساز اضافه شد (هزینه کل پروژه تا آن زمان حدود 3 میلیارد فرانک بود) و این باعث شد که راه اندازی برخورد دهنده تا سال 2007 به تعویق بیفتد. در سال 2005، یک مهندس در حین ساخت LHC جان خود را از دست داد: این فاجعه ناشی از سقوط بار از جرثقیل بود.

راه اندازی LHC نه تنها به دلیل مشکلات مالی به تعویق افتاد. در سال 2007، مشخص شد که عرضه قطعات آهنربای ابررسانا توسط Fermilab مطابق با الزامات طراحی نبوده و باعث شد پرتاب برخورد دهنده با یک سال تاخیر انجام شود.

در 10 سپتامبر 2008، اولین پرتو پروتون در LHC پرتاب شد. قرار بود تا چند ماه دیگر اولین برخوردها در برخورددهنده انجام شود، اما در 19 سپتامبر، به دلیل اتصال معیوب دو آهنربای ابررسانا در LHC، حادثه ای رخ داد: آهنرباها غیرفعال شدند، بیش از 6 تن. هلیوم مایع به داخل تونل ریخته شد و خلاء لوله های شتاب شکسته شد. برخورد دهنده باید برای تعمیر بسته می شد. با وجود این حادثه، در 21 سپتامبر 2008، مراسم راه اندازی LHC برگزار شد. در ابتدا، آزمایش ها قرار بود در دسامبر 2008 از سر گرفته شوند، اما پس از آن تاریخ شروع مجدد به سپتامبر و سپس به اواسط نوامبر 2009 موکول شد، در حالی که اولین برخوردها تنها در سال 2010 برنامه ریزی شده بود. اولین پرتاب آزمایشی پرتوهای یون سرب و پروتون در امتداد بخشی از حلقه LHC پس از حادثه در 23 اکتبر 2009 انجام شد. در 23 نوامبر، اولین برخورد پرتو در آشکارساز ATLAS انجام شد و در 31 مارس 2010، برخورد دهنده با تمام توان کار کرد: در آن روز، برخورد پرتوهای پروتون با انرژی رکورد 7 TeV ثبت شد. در آوریل 2012، انرژی حتی بالاتر از برخورد پروتون ثبت شد - 8 TeV.

در سال 2009، هزینه LHC بین 3.2 تا 6.4 میلیارد یورو برآورد شد که آن را به گران ترین آزمایش علمی در تاریخ بشر تبدیل کرد.

همکاری بین المللی

اشاره شد که پروژه ای در مقیاس LHC نمی تواند توسط یک کشور به تنهایی ایجاد شود. این با تلاش نه تنها 20 کشور عضو سرن ایجاد شد: بیش از 10 هزار دانشمند از بیش از صد کشور در توسعه آن شرکت کردند. کره زمین. از سال 2009، پروژه BAC توسط مدیر کلسرن رولف-دیتر هویر. روسیه همچنین به عنوان عضو ناظر سرن در ایجاد LHC شرکت می کند: در سال 2008، حدود 700 دانشمند روسی در برخورد دهنده بزرگ هادرون کار کردند، از جمله کارکنان IHEP.

در همین حال، دانشمندان یکی از کشورهای اروپایی تقریباً فرصت شرکت در آزمایشات LHC را از دست دادند. در می 2009، یوهانس هان، وزیر علوم اتریش، خروج این کشور از سرن را در سال 2010 اعلام کرد و توضیح داد که عضویت در سرن و شرکت در برنامه LHC بسیار پرهزینه است و بازدهی ملموسی برای علم و دانشگاه‌های اتریش به همراه ندارد. صحبت در مورد صرفه جویی احتمالی سالانه تقریباً 20 میلیون یورو بود که نشان دهنده 2.2 درصد از بودجه سرن و حدود 70 درصد از بودجه اختصاص داده شده توسط دولت اتریش برای مشارکت در سازمان های تحقیقاتی بین المللی است. اتریش قول داده بود در پاییز 2009 تصمیم نهایی را در مورد خروج از این کشور اتخاذ کند. با این حال، متعاقبا، ورنر فایمان، صدراعظم اتریش گفت که کشورش قرار نیست پروژه و سرن را ترک کند.

شایعه خطر

شایعاتی در مطبوعات منتشر شد مبنی بر اینکه LHC خطری برای بشریت است، زیرا راه اندازی آن می تواند به پایان جهان منجر شود. دلیل آن اظهارات دانشمندان بود مبنی بر اینکه در نتیجه برخورد در برخورددهنده، سیاهچاله های میکروسکوپی می توانند شکل بگیرند: بلافاصله نظرات ظاهر شد که کل زمین می تواند در آنها "مکیده" شود و بنابراین LHC یک "جعبه پاندورا" واقعی است. ، . همچنین نظراتی وجود داشت که کشف بوزون هیگز منجر به رشد کنترل نشده جرم در کیهان می شود و آزمایشات برای جستجوی "ماده تاریک" می تواند منجر به ظهور "غریبه ها" شود (ترجمه این اصطلاح به روسی متعلق به ستاره شناس است. سرگئی پوپوف) - "ماده عجیب" "، که در تماس با ماده معمولی، می تواند آن را به یک "نوار" تبدیل کند. مقایسه ای با رمان گهواره گربه نوشته کورت وونگات انجام شد، که در آن مواد تخیلی Ice-Nine زندگی روی این سیاره را نابود کرد. برخی از نشریات با استناد به نظرات دانشمندان فردی نیز اظهار داشتند که آزمایشات در LHC می تواند منجر به ظهور "کرم چاله" در زمان شود که از طریق آن ذرات یا حتی موجودات زنده می توانند از آینده به دنیای ما منتقل شوند. با این حال، معلوم شد که سخنان دانشمندان توسط روزنامه نگاران تحریف شده و به اشتباه تفسیر شده است: در ابتدا آنها در مورد "ماشین های زمان میکروسکوپی که با کمک آنها فقط ذرات بنیادی منفرد می توانند به گذشته سفر کنند" صحبت می کردند.

دانشمندان بارها اعلام کرده اند که احتمال وقوع چنین رویدادهایی ناچیز است. حتی یک گروه ویژه ارزیابی ایمنی LHC تشکیل شد که تجزیه و تحلیلی را انجام داد و گزارشی درباره احتمال وقوع بلایایی که آزمایش‌ها در LHC می‌تواند منجر به آن شود، منتشر کرد. همانطور که دانشمندان گزارش کردند، برخورد پروتون ها در LHC خطرناک تر از برخورد پرتوهای کیهانی با لباس فضانوردان نخواهد بود: آنها گاهی اوقات حتی انرژی بیشتری از آنچه در LHC می توان به دست آورد، دارند. در مورد سیاهچاله های فرضی، آنها حتی بدون رسیدن به دیواره های برخورد دهنده "حل می شوند"، .

با این حال، شایعات در مورد بلایای احتمالی هنوز هم افکار عمومی را در تعلیق نگه داشته است. حتی از سازندگان برخورد شکایت شد: معروف ترین شکایت ها متعلق به وکیل و دکتر آمریکایی والتر واگنر و استاد شیمی آلمانی اتو راسلر بود. آنها CERN را متهم کردند که با آزمایش خود بشریت را به خطر انداخته و "حق زندگی" را که توسط کنوانسیون حقوق بشر تضمین شده است نقض می کند، اما این ادعاها رد شد، , , , . مطبوعات گزارش دادند که به دلیل شایعات در مورد پایان قریب الوقوع جهان، یک دختر 16 ساله پس از راه اندازی LHC در هند خودکشی کرد.

در وبلاگ روسی، میم "بیشتر شبیه برخورددهنده خواهد بود" ظاهر شد که می توان آن را به عنوان "بیشتر شبیه به پایان جهان بود، دیگر غیرممکن است که به این رسوایی نگاه کرد." جوک «فیزیکدانان سنت دارند که هر 14 میلیارد سال یک بار دور هم جمع می‌شوند و یک برخورددهنده به فضا پرتاب می‌کنند».

نتایج علمی

اولین داده های آزمایشات در LHC در دسامبر 2009 منتشر شد. در 13 دسامبر 2011، متخصصان سرن اعلام کردند که در نتیجه تحقیقات در LHC، آنها توانستند مرزهای جرم احتمالی بوزون هیگز را به 115.5-127 GeV محدود کرده و نشانه هایی از وجود ذره مورد نظر را کشف کنند. جرمی در حدود 126 گیگا ولت در همان ماه، کشف یک ذره جدید، که بوزون هیگز نبود و χb (3P) نام داشت، برای اولین بار طی آزمایشات در LHC اعلام شد.

در 4 جولای 2012، مدیریت سرن رسماً کشف با احتمال 99.99995 درصد ذره جدیدی را در ناحیه جرمی حدود 126 گیگا ولت اعلام کرد که به گفته دانشمندان به احتمال زیاد بوزون هیگز بود. رهبر یکی از دو همکاری علمی در LHC، جو اینکاندلا، این نتیجه را "یکی از بزرگترین مشاهدات در این زمینه علم در 30-40 سال گذشته" نامید و خود پیتر هیگز کشف این ذره را اعلام کرد. "پایان یک عصر در فیزیک"، .

پروژه های آینده

در سال 2013، سرن قصد دارد LHC را با نصب آشکارسازهای قدرتمندتر و افزایش قدرت کلی برخورد دهنده ارتقا دهد. پروژه نوسازی برخورد دهنده هادرون فوق العاده بزرگ (SLHC) نام دارد. همچنین برنامه هایی برای ساخت برخورد دهنده خطی بین المللی (ILC) وجود دارد. طول لوله آن چندین ده کیلومتر خواهد بود و به دلیل اینکه طراحی آن نیازی به استفاده از آهنرباهای ابررسانا گران قیمت ندارد، باید ارزانتر از LHC باشد. ILC احتمالاً در دوبنا ساخته خواهد شد.

همچنین، برخی از متخصصان و دانشمندان سرن از ایالات متحده و ژاپن پیشنهاد کردند، پس از تکمیل LHC، کار بر روی یک برخورد دهنده هادرون بسیار بزرگ جدید (VLHC) آغاز شود.

مواد مورد استفاده

کریس ویکهام، رابرت ایوانز. "این یک بوزون است:" جستجوی هیگز ذره جدیدی را به همراه دارد. - رویترز, 05.07.2012

لوسی کریستی، ماری نوئل بلسیگ. فیزیک: decouverte de la "particule de Dieu"؟ - خبرگزاری فرانسه, 04.07.2012

دنیس اوربای. فیزیکدانان ذره ای گریزان را یافتند که به عنوان کلید جهان دیده می شود. - نیویورک تایمز, 04.07.2012

Adlene Hicheur یک زندان را محکوم می کند. - ال"اکسپرس, 04.05.2012

برخورد دهنده ذرات تلاش برای کشف جهان را تشدید می کند. - خبرگزاری فرانسه, 06.04.2012

جاناتان آموس. LHC از کشف اولین ذره جدید خود خبر می دهد. - اخبار بی بی سی, 22.12.2011

لئونید پوپوف. اولین ذره جدید در LHC کشف شد. - غشاء, 22.12.2011

استیون شنکلند. فیزیکدانان سرن اشاره ای به بوزون هیگز پیدا کردند. - CNET, 13.12.2011

پل رینکن. LHC: بوزون هیگز "ممکن است اجمالی دیده شده باشد". - اخبار بی بی سی, 13.12.2011

بله، ما آن را انجام دادیم! - بولتن سرن, 31.03.2010

ریچارد وب. فیزیکدانان برای انتشار اولین نتایج LHC رقابت می کنند. - دانشمند جدید, 21.12.2009

بیانیه مطبوعاتی. دو پرتو در حال گردش اولین برخورد را در LHC ایجاد می کنند. - سرن (cern.ch), 23.11.2009

ذرات به LHC بازگشتند! - سرن (cern.ch), 26.10.2009

اولین یون های سرب در LHC - تست های تزریق LHC (lhc-injection-test.web.cern.ch), 26.10.2009

چارلز برمنر، آدام سیج. آدلن هیچر، فیزیکدان برخورد دهنده هادرون به تروریسم متهم شد. - تایمز, 13.10.2009

دنیس اوربای. محقق فرانسوی در تحقیق رسمی تروریسم. - نیویورک تایمز, 13.10.2009

چه چیزی از برخورد دهنده ابررسانا باقی مانده است؟ فیزیک امروز, 06.10.2009

LHC در اوایل 2009-2010 با 3.5 TeV کار می کند و بعداً افزایش می یابد. - سرن (cern.ch), 06.08.2009

کمیته آزمایشات LHC - سرن (cern.ch), 30.06.2009