La nouvelle de l'expérience menée en Europe a ébranlé l'ordre public et s'est hissée en tête des sujets de discussion. Collisionneur de hadrons est apparu partout – à la télévision, dans la presse et sur Internet. Que pouvons-nous dire si les utilisateurs de LJ créent des communautés distinctes où des centaines de personnes bienveillantes ont déjà activement exprimé leurs opinions sur la nouvelle idée de la science. "Delo" vous propose 10 faits que vous ne pouvez pas ne pas connaître collisionneur de hadrons.

Une phrase scientifique mystérieuse cesse de l'être dès que l'on comprend le sens de chacun des mots. Hadrons– nom d'une classe de particules élémentaires. Collisionneur- un accélérateur spécial à l'aide duquel il est possible de transférer une énergie élevée aux particules élémentaires de matière et, en les accélérant à la vitesse la plus élevée, de reproduire leur collision les unes avec les autres.

2. Pourquoi tout le monde parle de lui ?

Selon des scientifiques du Centre européen de recherche nucléaire CERN, l'expérience permettra de reproduire en miniature l'explosion qui a abouti à la formation de l'Univers il y a des milliards d'années. Cependant, ce qui préoccupe le plus le public, ce sont les conséquences de la mini-explosion sur la planète si l’expérience échoue. Selon certains scientifiques, à la suite de la collision de particules élémentaires volant à des vitesses ultra-relativistes dans des directions opposées, des trous noirs microscopiques se formeront et d'autres particules dangereuses s'envoleront. Il ne sert à rien de s'appuyer sur un rayonnement spécial qui conduit à l'évaporation des trous noirs - il n'y a aucune preuve expérimentale de son efficacité. C'est pourquoi à un tel innovation scientifique et la méfiance apparaît, activement alimentée par des scientifiques sceptiques.

3. Comment ça marche ?

Les particules élémentaires sont accélérées sur différentes orbites dans des directions opposées, après quoi elles sont placées sur une orbite. L'intérêt de ce dispositif complexe réside dans le fait que grâce à lui, les scientifiques ont la possibilité d'étudier les produits de collisions de particules élémentaires, enregistrés par des détecteurs spéciaux sous la forme d'appareils photo numériques d'une résolution de 150 mégapixels, capables de prendre 600 millions d'images par deuxième.

4. Quand est née l’idée de créer un collisionneur ?

L'idée de construire la machine est née en 1984, mais la construction du tunnel n'a commencé qu'en 2001. L’accélérateur est situé dans le même tunnel où se trouvait l’accélérateur précédent, le Grand collisionneur électron-positon. L'anneau de 26,7 kilomètres est posé à une profondeur d'une centaine de mètres sous terre en France et en Suisse. Le 10 septembre, le premier faisceau de protons a été lancé depuis l'accélérateur. Le deuxième faisceau sera lancé dans les prochains jours.

5. Combien a coûté la construction ?

Des centaines de scientifiques du monde entier, y compris russes, ont participé au développement du projet. Son coût est estimé à 10 milliards de dollars, dont les États-Unis ont investi 531 millions dans la construction du collisionneur de hadrons.

6. Quelle contribution l'Ukraine a-t-elle apportée à la création de l'accélérateur ?

Des scientifiques de l'Institut ukrainien de physique théorique ont participé directement à la construction du collisionneur de hadrons. Spécifiquement pour la recherche, ils ont développé un système interne système de chenilles(C'EST). Elle est le cœur d'"Alice" - partie collisionneur, où un « big bang » miniature devrait se produire. Ce n’est évidemment pas la partie la moins importante de la voiture. L'Ukraine doit payer 200 000 hryvnia par an pour avoir le droit de participer au projet. C'est 500 à 1 000 fois moins que les contributions au projet d'autres pays.

7. Quand devrions-nous nous attendre à la fin du monde ?

La première expérience sur la collision de faisceaux de particules élémentaires est prévue le 21 octobre. D’ici là, les scientifiques envisagent d’accélérer les particules à des vitesses proches de la vitesse de la lumière. Selon la théorie de la relativité générale d’Einstein, les trous noirs ne nous menacent pas. Cependant, si les théories avec des dimensions spatiales Ils s’avéreront exacts, il ne nous reste plus beaucoup de temps pour résoudre tous nos problèmes sur la planète Terre.

8. Pourquoi les trous noirs font-ils peur ?

Trou noir- une région de l'espace-temps dont l'attraction gravitationnelle est si forte que même les objets se déplaçant à la vitesse de la lumière ne peuvent la quitter. L'existence des trous noirs est confirmée par les solutions des équations d'Einstein. Malgré le fait que beaucoup imaginent déjà comment le trou noir formé en Europe, en grandissant, engloutira la planète entière, il n'est pas nécessaire de tirer la sonnette d'alarme. Trous noirs, qui, selon certaines théories, peut apparaître lors du travail collisionneur, selon les mêmes théories, existeront pendant une période de temps si courte qu'ils n'auront tout simplement pas le temps de commencer le processus d'absorption de matière. Selon certains scientifiques, ils n'auront même pas le temps d'atteindre les parois du collisionneur.

9. Comment la recherche peut-elle être utile ?

Outre le fait que ces études constituent une autre réussite incroyable de la science qui permettra à l’humanité de connaître la composition des particules élémentaires, ce n’est pas là tout le gain pour lequel l’humanité a pris un tel risque. Peut-être que dans un avenir proche, vous et moi pourrons voir les dinosaures de nos propres yeux et discuter avec Napoléon des stratégies militaires les plus efficaces. Les scientifiques russes pensent que grâce à cette expérience, l’humanité sera capable de créer une machine à voyager dans le temps.

10. Comment donner l'impression d'être scientifiquement avisé avec le collisionneur de hadrons ?

Et enfin, si quelqu'un, armé d'une réponse à l'avance, vous demande ce qu'est un collisionneur de hadrons, nous vous proposons option décente une réponse qui peut agréablement surprendre n’importe qui. Alors, attachez vos ceintures ! Le collisionneur de hadrons est un accélérateur de particules chargées conçu pour accélérer les protons et les ions lourds dans les faisceaux en collision. Construit au centre de recherche du Conseil européen pour la recherche nucléaire, il s'agit d'un tunnel de 27 kilomètres creusé à 100 mètres de profondeur. Du fait que les protons sont chargés électriquement, un proton ultrarelativiste génère un nuage de photons presque réels volant à proximité du proton. Ce flux de photons devient encore plus fort dans le régime de collision nucléaire, en raison de la grande charge électrique graines. Ils peuvent entrer en collision soit avec un proton venant en sens inverse, générant des collisions photons-hadrons typiques, soit entre eux. Les scientifiques craignent qu'à la suite de l'expérience, des « tunnels » spatio-temporels se forment dans l'espace, qui constituent une caractéristique typologique de l'espace-temps. Grâce à l'expérience, l'existence de la supersymétrie peut également être prouvée, ce qui deviendra ainsi une confirmation indirecte de la vérité de la théorie des supercordes.

(ou RÉSERVOIR)- actuellement l'accélérateur de particules le plus grand et le plus puissant au monde. Ce colosse a été lancé en 2008, mais il a longtemps fonctionné à capacité réduite. Voyons de quoi il s'agit et pourquoi nous avons besoin d'un grand collisionneur de hadrons.

Histoire, mythes et faits

L'idée de créer un collisionneur a été annoncée en 1984. Et le projet de construction du collisionneur lui-même a déjà été approuvé et adopté en 1995. Le développement appartient au Centre européen pour la recherche nucléaire (CERN). En général, le lancement du collisionneur a attiré beaucoup d'attention non seulement de la part des scientifiques, mais aussi des gens ordinaires De partout dans le monde. Ils ont parlé de toutes sortes de peurs et d'horreurs associées au lancement du collisionneur.

Cependant, quelqu'un attend déjà, très probablement, une apocalypse associée aux travaux du LHC et craque à l'idée de ce qui se passerait si le Grand collisionneur de hadrons explosait. Bien que tout le monde ait eu peur d'un trou noir qui, d'abord microscopique, se développerait et absorberait en toute sécurité d'abord le collisionneur lui-même, puis la Suisse et le reste du monde. La catastrophe d’anéantissement a également provoqué une grande panique. Un groupe de scientifiques a même intenté une action en justice pour tenter d'arrêter la construction. La déclaration indique que les amas d'antimatière qui peuvent être produits dans le collisionneur commenceront à s'annihiler avec la matière, déclenchant une réaction en chaîne et l'Univers entier sera détruit. Comme le disait le célèbre personnage de Retour vers le futur :

L’Univers tout entier, bien sûr, se trouve dans le pire des cas. Au mieux, seulement notre galaxie. Dr Emet Brown.

Essayons maintenant de comprendre pourquoi c'est hadronique ? Le fait est qu'il fonctionne avec les hadrons, ou plutôt accélère, accélère et entre en collision avec les hadrons.

Hadrons– une classe de particules élémentaires soumises à de fortes interactions. Les hadrons sont constitués de quarks.

Les hadrons sont divisés en baryons et mésons. Pour simplifier les choses, disons que presque toute la matière connue est constituée de baryons. Simplifions encore plus et disons que les baryons sont des nucléons (protons et neutrons qui composent le noyau atomique).

Comment fonctionne le Grand collisionneur de hadrons

L'échelle est très impressionnante. Le collisionneur est un tunnel circulaire situé sous terre à une centaine de mètres de profondeur. Le Grand collisionneur de hadrons mesure 26 659 mètres de long. Les protons, accélérés à des vitesses proches de la vitesse de la lumière, volent dans un cercle souterrain à travers le territoire français et suisse. Pour être précis, la profondeur du tunnel varie de 50 à 175 mètres. Pour focaliser et maintenir les faisceaux de protons volants, des aimants supraconducteurs sont utilisés. longueur totale est d'environ 22 kilomètres et ils fonctionnent à une température de -271 degrés Celsius.

Le collisionneur comprend 4 détecteurs géants : ATLAS, CMS, ALICE et LHCb. En plus des principaux grands détecteurs, il existe également des détecteurs auxiliaires. Les détecteurs sont conçus pour enregistrer les résultats des collisions de particules. Autrement dit, après la collision de deux protons à des vitesses proches de la lumière, personne ne sait à quoi s’attendre. Pour « voir » ce qui s’est passé, où il a rebondi et jusqu’où il a volé, il existe des détecteurs bourrés de toutes sortes de capteurs.

Résultats du Grand collisionneur de hadrons.

Pourquoi avez-vous besoin d'un collisionneur ? Eh bien, certainement pas pour détruire la Terre. Il semblerait, à quoi ça sert de faire entrer en collision des particules ? Le fait est qu'il y a beaucoup de questions sans réponse dans la physique moderne, et étudier le monde à l'aide de particules accélérées peut littéralement ouvrir une nouvelle couche de réalité, comprendre la structure du monde et peut-être même répondre question principale"le sens de la vie, de l'Univers et en général."

Quelles découvertes ont déjà été faites au LHC ? La chose la plus célèbre est la découverte le boson de Higgs(nous lui consacrerons un article séparé). De plus, ils étaient ouverts 5 nouvelles particules, les premières données sur les collisions à des énergies records ont été obtenues, l'absence d'asymétrie des protons et des antiprotons est montrée, découverte de corrélations inhabituelles de protons. La liste est longue. Mais les trous noirs microscopiques qui terrifiaient les femmes au foyer n’ont pas pu être détectés.

Et ce malgré le fait que le collisionneur n’a pas encore été accéléré jusqu’à sa puissance maximale. Actuellement, l’énergie maximale du Grand collisionneur de hadrons est 13 TeV(téra électron-Volt). Cependant, après une préparation appropriée, il est prévu que les protons soient accélérés jusqu'à 14 TeV. A titre de comparaison, dans les accélérateurs-précurseurs du LHC, les énergies maximales obtenues ne dépassaient pas 1 TeV. C’est ainsi que l’accélérateur américain Tevatron de l’Illinois pourrait accélérer des particules. L'énergie obtenue dans le collisionneur est loin d'être la plus élevée au monde. Ainsi, l’énergie des rayons cosmiques détectés sur Terre dépasse d’un milliard de fois l’énergie d’une particule accélérée dans un collisionneur ! Le danger du Grand collisionneur de hadrons est donc minime. Il est probable qu’une fois que toutes les réponses auront été obtenues grâce au LHC, l’humanité devra construire un autre collisionneur plus puissant.

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Il s'agit de rechercher des moyens de combiner deux théories fondamentales - le GTR (sur la théorie gravitationnelle) et le modèle standard (le modèle standard qui combine trois interactions physiques fondamentales - électromagnétique, forte et faible). La recherche d'une solution avant la création du LHC a été entravée par les difficultés liées à la création de la théorie de la gravité quantique.

La construction de cette hypothèse implique de combiner deux théories physiques - mécanique quantique et théorie générale de la relativité.

Pour ce faire, plusieurs approches populaires et modernes ont été utilisées à la fois - la théorie des cordes, la théorie des branes, la théorie de la supergravité, ainsi que la théorie de la gravité quantique. Avant de construire le collisionneur problème principal pour réaliser les expériences nécessaires, il y avait un manque d'énergie qui ne peut être obtenu avec d'autres accélérateurs de particules chargées modernes.

Le LHC de Genève a donné aux scientifiques la possibilité de réaliser des expériences auparavant impossibles. On pense que dans un avenir proche, de nombreuses théories physiques seront confirmées ou réfutées à l'aide de l'appareil. L’une des plus problématiques est la supersymétrie ou théorie des cordes, qui a longtemps divisé la physique en deux camps : les « cordes » et leurs rivaux.

Autres expériences fondamentales réalisées dans le cadre des travaux du LHC

Les recherches des scientifiques dans le domaine de l'étude des top-, qui sont les quarks les plus lourds et les plus lourds (173,1 ± 1,3 GeV/c²) de toutes les particules élémentaires actuellement connues, sont également intéressantes.

En raison de cette propriété, même avant la création du LHC, les scientifiques ne pouvaient observer les quarks qu'à l'accélérateur Tevatron, les autres appareils n'ayant tout simplement pas suffisamment de puissance et d'énergie. À son tour, la théorie des quarks est élément important l'hypothèse sensationnelle du boson de Higgs.

Les scientifiques mènent toutes les recherches scientifiques sur la création et l'étude des propriétés des quarks dans le hammam quarks top-antiquarks du LHC.

Un objectif important du projet de Genève est également le processus d'étude du mécanisme de symétrie électrofaible, qui est également associé à la preuve expérimentale de l'existence du boson de Higgs. Pour définir le problème encore plus précisément, le sujet d'étude n'est pas tant le boson lui-même, mais le mécanisme de rupture de la symétrie de l'interaction électrofaible prédit par Peter Higgs.

Le LHC mène également des expériences de recherche de supersymétrie - et le résultat souhaité sera la théorie selon laquelle toute particule élémentaire est toujours accompagnée d'un partenaire plus lourd, et sa réfutation.

L'expression « Grand collisionneur de hadrons » est devenue si profondément ancrée dans les médias qu'un nombre écrasant de personnes connaissent cette installation, y compris ceux dont les activités n'ont aucun rapport avec la physique des particules élémentaires, ni avec la science en général.

En effet, un projet d'une telle envergure et coûteux ne pouvait être ignoré par les médias - une installation en anneau de près de 27 kilomètres de long, coûtant des dizaines de milliards de dollars, avec laquelle travaillent plusieurs milliers de scientifiques du monde entier. Une contribution significative à la popularité du collisionneur a été apportée par ce que l'on appelle la « particule divine » ou boson de Higgs, qui a fait l'objet d'une publicité réussie et pour laquelle Peter Higgs a reçu prix Nobel en physique en 2013.

Tout d’abord, il convient de noter que le Grand collisionneur de hadrons n’a pas été construit de toutes pièces, mais est né sur le site de son prédécesseur, le Grand collisionneur électron-positon (LEP). Les travaux sur le tunnel de 27 kilomètres ont commencé en 1983, où il a ensuite été prévu d'installer un accélérateur qui ferait entrer en collision des électrons et des positons. En 1988, le tunnel annulaire a été fermé et les ouvriers se sont approchés du tunnel avec une telle prudence que la différence entre les deux extrémités du tunnel n'était que de 1 centimètre.

L'accélérateur a fonctionné jusqu'à la fin de l'année 2000, lorsqu'il a atteint son énergie maximale de 209 GeV. Après cela, son démantèlement a commencé. Au cours de ses onze années d'exploitation, le LEP a apporté un certain nombre de découvertes à la physique, notamment la découverte des bosons W et Z et la poursuite de leurs recherches. Sur la base des résultats de ces études, il a été conclu que les mécanismes des interactions électromagnétiques et faibles sont similaires, ce qui fait que travail théorique combiner ces interactions dans l’électrofaible.

En 2001, la construction du Grand collisionneur de hadrons a commencé sur le site de l'accélérateur électron-positon. La construction du nouvel accélérateur s'est achevée fin 2007. Il était situé sur le site du LEP - à la frontière franco-suisse, dans la vallée du lac Léman (à 15 km de Genève), à ​​une centaine de mètres de profondeur. En août 2008, les tests du collisionneur ont commencé et le 10 septembre a eu lieu le lancement officiel du LHC. Comme pour l'accélérateur précédent, la construction et l'exploitation de l'installation sont dirigées par l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire - CERN.

CERN

Il convient de mentionner brièvement l'organisation du CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire). Cette organisation agit comme le plus grand laboratoire au monde dans le domaine de la physique hautes énergies. Comprend trois mille employés permanents et plusieurs milliers d'autres chercheurs et scientifiques de 80 pays participent aux projets du CERN.

À l'heure actuelle, 22 pays participent au projet : Belgique, Danemark, France, Allemagne, Grèce, Italie, Pays-Bas, Norvège, Suède, Suisse, Grande-Bretagne - fondateurs, Autriche, Espagne, Portugal, Finlande, Pologne, Hongrie. , République tchèque, Slovaquie, Bulgarie et Roumanie – ont adhéré. Cependant, comme mentionné ci-dessus, plusieurs dizaines de pays supplémentaires participent d'une manière ou d'une autre aux travaux de l'organisation, notamment au Large Hadron Collider.

Comment fonctionne le Grand collisionneur de hadrons ?

Qu'est-ce que le Grand collisionneur de hadrons et comment il fonctionne sont les principales questions d'intérêt public. Examinons ces questions plus en détail.

Collider – traduit de l’anglais signifie « celui qui entre en collision ». Le but d’une telle configuration est de faire entrer en collision des particules. Dans le cas d'un collisionneur de hadrons, les particules sont jouées par des hadrons - des particules participant à des interactions fortes. Ce sont des protons.

Obtenir des protons

Le long voyage des protons prend son origine dans le duoplasmatron, le premier étage de l'accélérateur, qui reçoit l'hydrogène sous forme de gaz. Un duoplasmatron est une chambre de décharge dans laquelle une décharge électrique est conduite à travers un gaz. Ainsi l’hydrogène, constitué d’un seul électron et d’un seul proton, perd son électron. De cette façon, il se forme un plasma - une substance constituée de particules chargées - des protons. Bien entendu, il est difficile d’obtenir un plasma de protons pur, c’est pourquoi le plasma résultant, qui comprend également un nuage d’ions moléculaires et d’électrons, est filtré pour isoler le nuage de protons. Sous l’influence d’aimants, le plasma de protons est projeté sous forme d’un faisceau.

Accélération préliminaire des particules

Le faisceau de protons nouvellement formé commence son voyage dans l'accélérateur linéaire LINAC 2, qui est un anneau de 30 mètres suspendu séquentiellement à plusieurs électrodes cylindriques creuses (conducteurs). Le champ électrostatique créé à l'intérieur de l'accélérateur est calibré de telle manière que les particules situées entre les cylindres creux subissent toujours une force accélératrice en direction de l'électrode suivante. Sans entrer entièrement dans le mécanisme de l'accélération des protons par à ce stade, on constate seulement qu'à la sortie du LINAC 2, les physiciens reçoivent un faisceau de protons d'une énergie de 50 MeV, qui atteint déjà 31 % de la vitesse de la lumière. Il est à noter que dans ce cas la masse des particules augmente de 5 %.

D'ici 2019-2020, il est prévu de remplacer le LINAC 2 par le LINAC 4, qui accélérera les protons jusqu'à 160 MeV.

Il convient de noter que le collisionneur accélère également les ions plomb, ce qui permettra d'étudier le plasma quarks-gluons. Ils sont accélérés dans l'anneau LINAC 3, similaire au LINAC 2. À l'avenir, des expériences avec l'argon et le xénon sont également prévues.

Ensuite, les paquets de protons entrent dans le booster synchrone de protons (PSB). Il est constitué de quatre anneaux superposés d'un diamètre de 50 mètres, dans lesquels se trouvent des résonateurs électromagnétiques. Le champ électromagnétique qu’ils créent a une intensité élevée et une particule qui le traverse reçoit une accélération en raison de la différence de potentiel du champ. Ainsi, après seulement 1,2 seconde, les particules sont accélérées dans le PSB jusqu'à 91 % de la vitesse de la lumière et atteignent une énergie de 1,4 GeV, après quoi elles entrent dans le synchrotron à protons (PS). Le PS mesure 628 mètres de diamètre et est équipé de 27 aimants qui dirigent le faisceau de particules sur une orbite circulaire. Ici, les protons des particules atteignent 26 GeV.

L'avant-dernier anneau d'accélération des protons est le Super Synchrotron à Protons (SPS), dont la circonférence atteint 7 kilomètres. Equipé de 1317 aimants, le SPS accélère les particules jusqu'à une énergie de 450 GeV. Après environ 20 minutes, le faisceau de protons pénètre dans l'anneau principal, le Grand collisionneur de hadrons (LHC).

Accélération et collision de particules dans le LHC

Les transitions entre les anneaux accélérateurs se produisent grâce à des champs électromagnétiques créés par de puissants aimants. L'anneau principal du collisionneur est constitué de deux lignes parallèles dans lesquelles les particules se déplacent sur une orbite circulaire dans la direction opposée. Environ 10 000 aimants sont chargés de maintenir la trajectoire circulaire des particules et de les diriger vers les points de collision, certains pesant jusqu'à 27 tonnes. Pour éviter la surchauffe des aimants, un circuit d'hélium-4 est utilisé, à travers lequel circule environ 96 tonnes de substance à une température de -271,25°C (1,9 K). Les protons atteignent une énergie de 6,5 TeV (c'est-à-dire que l'énergie de collision est de 13 TeV), tandis que leur vitesse est inférieure de 11 km/h à la vitesse de la lumière. Ainsi, en une seconde, un faisceau de protons traverse 11 000 fois le grand anneau du collisionneur. Avant que les particules n’entrent en collision, elles circuleront autour de l’anneau pendant 5 à 24 heures.

Des collisions de particules se produisent en quatre points de l'anneau principal du LHC, où se trouvent quatre détecteurs : ATLAS, CMS, ALICE et LHCb.

Grands détecteurs de collisionneurs de hadrons

ATLAS (un appareil toroïdal pour le LHC)

- est l'un des deux détecteurs usage général au Grand collisionneur de hadrons (LHC). Il explore un large éventail de physique, de la recherche du boson de Higgs aux particules qui pourraient constituer matière noire. Bien qu'elle poursuive les mêmes objectifs scientifiques que l'expérience CMS, ATLAS utilise des solutions techniques et une autre conception du système magnétique.

Des faisceaux de particules du LHC entrent en collision au centre du détecteur ATLAS, créant des débris sous la forme de nouvelles particules qui s'envolent du point de collision dans toutes les directions. Six sous-systèmes de détection différents, disposés en couches autour du point d'impact, enregistrent la trajectoire, l'impulsion et l'énergie des particules, permettant ainsi de les identifier individuellement. Un énorme système d’aimants courbe les trajectoires des particules chargées afin que leurs impulsions puissent être mesurées.

Les interactions dans le détecteur ATLAS créent un énorme flux de données. Pour traiter ces données, ATLAS utilise un système de « déclenchement » avancé pour indiquer au détecteur quels événements enregistrer et lesquels ignorer. Les éléments suivants sont ensuite utilisés pour analyser les événements de collision enregistrés : systèmes complexes collecte et calcul des données.

Le détecteur mesure 46 mètres de haut et 25 mètres de large, tandis que sa masse est de 7 000 tonnes. Ces paramètres font d'ATLAS le plus grand détecteur de particules jamais construit. Il est situé dans un tunnel à 100 m de profondeur à proximité du site principal du CERN, à proximité du village de Meyrin en Suisse. L'installation se compose de 4 éléments principaux :

• Le détecteur interne a forme cylindrique, l'anneau intérieur est situé à quelques centimètres seulement de l'axe du faisceau de particules qui passe, et l'anneau extérieur a un diamètre de 2,1 mètres et une longueur de 6,2 mètres. Il se compose de trois divers systèmes capteurs immergés dans un champ magnétique. Un détecteur interne mesure la direction, l'impulsion et la charge des particules chargées électriquement produites lors de chaque collision proton-proton. Les principaux éléments du détecteur interne sont : un détecteur de pixels, un traqueur de semi-conducteurs (SCT) et un traqueur de rayonnement de transition (TRT).

• Les calorimètres mesurent l'énergie qu'une particule perd lorsqu'elle traverse un détecteur. Il absorbe les particules générées lors d’une collision, enregistrant ainsi leur énergie. Les calorimètres sont constitués de couches de matériau « absorbant » avec haute densité— du plomb, en alternance avec des couches de « milieu actif » — de l'argon liquide. Les calorimètres électromagnétiques mesurent l'énergie des électrons et des photons lorsqu'ils interagissent avec la matière. Les calorimètres à hadrons mesurent l'énergie des hadrons lorsqu'ils interagissent avec les noyaux atomiques. Les calorimètres peuvent arrêter la plupart des particules connues, à l'exception des muons et des neutrinos.

LAr (Calorimètre à Argon Liquide) - Calorimètre ATLAS

• Spectromètre à muons - se compose de 4 000 chambres à muons individuelles utilisant quatre technologies différentes pour identifier les muons et mesurer leur impulsion. Les muons traversent généralement un détecteur et un calorimètre internes, nécessitant un spectromètre à muons.

• Le système magnétique d'ATLAS courbe les particules autour de différentes couches de systèmes de détection, facilitant ainsi le suivi des traces de particules.

L'expérience ATLAS (février 2012) implique plus de 3 000 scientifiques issus de 174 institutions dans 38 pays.

CMS (solénoïde compact à muons)

— est un détecteur à usage général du Grand collisionneur de hadrons (LHC). Comme ATLAS, il dispose d'un vaste programme de physique, allant de l'étude du modèle standard (y compris le boson de Higgs) à la recherche de particules susceptibles de constituer la matière noire. Bien qu’elle poursuive les mêmes objectifs scientifiques que l’expérience ATLAS, CMS utilise des solutions techniques différentes et une conception de système magnétique différente.

Le détecteur CMS est construit autour d’un énorme aimant solénoïde. Il s'agit d'une bobine cylindrique de câble supraconducteur qui génère un champ de 4 Tesla, soit environ 100 000 fois le champ magnétique terrestre. Le champ est limité par un « joug » en acier, qui constitue l'élément le plus massif du détecteur, pesant 14 000 tonnes. Le détecteur complet mesure 21 m de long, 15 m de large et 15 m de haut. L'installation se compose de 4 éléments principaux :

• L'aimant solénoïde est le plus grand aimant au monde et sert à courber la trajectoire des particules chargées émises depuis le point d'impact. La distorsion de trajectoire permet de distinguer les particules chargées positivement et négativement (puisqu'elles se plient dans des directions opposées), ainsi que de mesurer l'impulsion dont l'ampleur dépend de la courbure de la trajectoire. La taille énorme du solénoïde permet au tracker et aux calorimètres d'être situés à l'intérieur de la bobine.
• Silicon Tracker - Se compose de 75 millions de capteurs électroniques individuels disposés en couches concentriques. Lorsqu'une particule chargée traverse les couches du tracker, elle transfère une partie de l'énergie à chaque couche ; la combinaison de ces points de collision de la particule avec différentes couches nous permet de mieux déterminer sa trajectoire.
• Calorimètres – électroniques et hadroniques, voir calorimètres ATLAS.
• Sous-détecteurs - vous permettent de détecter les muons. Ils sont représentés par 1 400 chambres à muons, disposées en couches à l'extérieur de la bobine, en alternance avec les plaques métalliques du « joug ».

L'expérience CMS est l'une des plus grandes expériences internationales recherche scientifique en histoire, avec 4 300 participants : physiciens des particules, ingénieurs et techniciens, étudiants et personnel de soutien de 182 institutions, 42 pays (février 2014).

ALICE (Une expérience sur un grand collisionneur d'ions)

— est un détecteur d'ions lourds sur les anneaux du Grand collisionneur de hadrons (LHC). Il est conçu pour étudier la physique de la matière en forte interaction à des densités d’énergie extrêmes, où se forme une phase de la matière appelée plasma quark-gluon.

Toute la matière ordinaire de l’univers actuel est constituée d’atomes. Chaque atome contient un noyau de protons et de neutrons (sauf l'hydrogène qui ne possède pas de neutrons), entouré d'un nuage d'électrons. Les protons et les neutrons, quant à eux, sont constitués de quarks liés entre eux avec d’autres particules appelées gluons. Aucun quark n'a jamais été observé isolément : les quarks, ainsi que les gluons, semblent liés entre eux de manière permanente et confinés dans des particules constitutives telles que les protons et les neutrons. C’est ce qu’on appelle le confinement.

Les collisions dans le LHC créent des températures plus de 100 000 fois plus élevées qu’au centre du Soleil. Le collisionneur permet des collisions entre ions plomb, recréant des conditions similaires à celles qui se sont produites immédiatement après le Big Bang. Dans ces conditions extrêmes, les protons et les neutrons « fondent », libérant les quarks de leurs liaisons avec les gluons. Il s'agit d'un plasma quark-gluon.

L'expérience ALICE utilise le détecteur ALICE, qui pèse 10 000 tonnes, mesure 26 m de long, 16 m de haut et 16 m de large. Le dispositif se compose de trois ensembles principaux de composants : des dispositifs de suivi, des calorimètres et des détecteurs d'identification de particules. Il est également divisé en 18 modules. Le détecteur est situé dans un tunnel à 56 m de profondeur, près du village de Saint-Denis-Pouilly en France.

L'expérience rassemble plus de 1 000 scientifiques provenant de plus de 100 instituts de physique répartis dans 30 pays.

LHCb (Expérience beauté du Grand collisionneur de hadrons)

– L’expérience explore de petites différences entre la matière et l’antimatière en étudiant un type de particule appelée quark beauté ou quark b.

Au lieu d’entourer tout le point de collision avec un détecteur fermé, comme ATLAS et CMS, l’expérience LHCb utilise une série de sous-détecteurs pour détecter principalement les particules directes, celles qui ont été pointées vers l’avant par une collision dans une direction. Le premier sous-détecteur est installé à proximité du point de collision, et les autres sont installés les uns après les autres à une distance de 20 mètres.

Une grande abondance créée au LHC divers types quarks avant qu'ils ne se désintègrent rapidement sous d'autres formes. Pour capturer les quarks b, des détecteurs de suivi mobiles complexes ont été développés pour LHCb, situés à proximité du mouvement du faisceau de particules à travers le collisionneur.

Le détecteur LHCb de 5 600 tonnes se compose d’un spectromètre direct et de détecteurs plats. Il mesure 21 mètres de long, 10 mètres de haut et 13 mètres de large et est situé à 100 mètres sous terre. Environ 700 scientifiques de 66 instituts et universités différents participent à l'expérience LHCb (octobre 2013).

Autres expériences au collisionneur

En plus des expériences ci-dessus au Large Hadron Collider, il existe deux autres expériences avec des installations :

• LHCf (Large Hadron Collider forward)— étudie les particules projetées après la collision de faisceaux de particules. Ils simulent les rayons cosmiques, que les scientifiques étudient dans le cadre de l'expérience. Les rayons cosmiques sont des particules chargées d’origine naturelle provenant de l’espace qui bombardent constamment l’atmosphère terrestre. Ils entrent en collision avec des noyaux dans la haute atmosphère, provoquant une cascade de particules qui atteignent le niveau du sol. Étudier comment les collisions à l’intérieur du LHC produisent de telles cascades de particules aidera les physiciens à interpréter et à calibrer des expériences sur les rayons cosmiques à grande échelle pouvant s’étendre sur des milliers de kilomètres.

LHCf se compose de deux détecteurs situés le long du LHC, à 140 mètres de chaque côté du point d'impact d'ATLAS. Chacun des deux détecteurs ne pèse que 40 kilogrammes et mesure 30 cm de long, 80 cm de haut et 10 cm de large. L'expérience LHCf implique 30 scientifiques de 9 instituts dans 5 pays (novembre 2012).

• TOTEM (section efficace totale, diffusion élastique et dissociation par diffraction)- une expérience avec l'installation la plus longue sur le collisionneur. Sa mission est d'étudier les protons eux-mêmes, en mesurant précisément les protons produits lors de collisions à faible angle. Cette région est connue sous le nom de direction « avant » et n’est pas accessible aux autres expériences LHC. Les détecteurs TOTEM s’étendent sur près d’un demi-kilomètre autour du point d’interaction CMS. TOTEM dispose de près de 3 000 kg d'équipements, dont quatre télescopes nucléaires, ainsi que 26 détecteurs à pots romains. Ce dernier type permet de positionner les détecteurs le plus près possible du faisceau de particules. L'expérience TOTEM regroupe environ 100 scientifiques issus de 16 instituts répartis dans 8 pays (août 2014).

Pourquoi le Grand collisionneur de hadrons est-il nécessaire ?

La plus grande installation scientifique internationale explore un large éventail de problèmes physiques :

• Etude des quarks top. Cette particule est non seulement le quark le plus lourd, mais aussi la particule élémentaire la plus lourde. L’étude des propriétés du quark top a également du sens car il s’agit d’un outil de recherche.
• Recherche et étude du boson de Higgs. Bien que le CERN affirme que le boson de Higgs a déjà été découvert (en 2012), on sait très peu de choses sur sa nature et des recherches plus approfondies pourraient apporter une plus grande clarté sur le mécanisme de son fonctionnement.

• Etude du plasma quarks-gluons. Lorsque des noyaux de plomb entrent en collision à grande vitesse, il se forme dans le collisionneur. Ses recherches peuvent apporter des résultats utiles tant en physique nucléaire (amélioration de la théorie des interactions fortes) qu'en astrophysique (étude de l'Univers dans ses premiers instants d'existence).
• Recherche de supersymétrie. Cette recherche vise à réfuter ou à prouver la « supersymétrie », la théorie selon laquelle chaque particule élémentaire a un partenaire plus lourd appelé « superparticule ».
• Etude des collisions photon-photon et photon-hadron. Cela améliorera la compréhension des mécanismes des processus de telles collisions.
• Tester des théories exotiques. Cette catégorie de tâches comprend les plus non conventionnelles - les plus « exotiques », par exemple la recherche d'univers parallèles en créant des mini-trous noirs.

En plus de ces tâches, il en existe bien d'autres, dont la solution permettra également à l'humanité de mieux comprendre la nature et le monde qui nous entoure, ce qui ouvrira à son tour des opportunités pour la création de nouvelles technologies.

Avantages pratiques du Grand collisionneur de hadrons et science fondamentale

Tout d’abord, il convient de noter que la recherche fondamentale contribue à la science fondamentale. La science appliquée traite de l'application de ces connaissances. Une partie de la société qui n’est pas consciente des avantages de la science fondamentale ne perçoit souvent pas la découverte du boson de Higgs ou la création du plasma quark-gluon comme quelque chose d’important. Le lien entre de telles études et la vie d’une personne ordinaire n’est pas évident. Regardons un court exemple avec l'énergie nucléaire :

En 1896, le physicien français Antoine Henri Becquerel découvre le phénomène de radioactivité. Pendant longtemps on croyait que pour elle usage industriel l'humanité ne passera pas de sitôt. Cinq ans seulement avant le lancement du premier réacteur nucléaire de l’histoire, le grand physicien Ernest Rutherford, qui a découvert le noyau atomique en 1911, affirmait que l’énergie atomique ne trouverait jamais son application. Les experts ont réussi à repenser leur attitude à l'égard de l'énergie contenue dans le noyau d'un atome en 1939, lorsque les scientifiques allemands Lise Meitner et Otto Hahn ont découvert que les noyaux d'uranium, lorsqu'ils sont irradiés par des neutrons, se scindent en deux parties, libérant une énorme quantité d'énergie - nucléaire. énergie.

Et seulement après ce dernier lien de la série Recherche basique La science appliquée est entrée en jeu et, sur la base de ces découvertes, a inventé un dispositif de production d'énergie nucléaire : un réacteur atomique. L'ampleur de la découverte peut être évaluée en examinant la part de l'électricité produite par les réacteurs nucléaires. Ainsi, en Ukraine, par exemple, les centrales nucléaires représentent 56 % de la production d'électricité et en France, 76 %.

Toutes les nouvelles technologies reposent sur certaines connaissances fondamentales. Voici quelques autres brefs exemples :

• En 1895, Wilhelm Conrad Roentgen remarqua qu'une plaque photographique s'assombrit lorsqu'elle est exposée aux rayons X. Aujourd'hui, la radiographie est l'une des études les plus utilisées en médecine, permettant d'étudier la maladie. les organes internes et détecter les infections et les gonflements.
• En 1915, Albert Einstein proposa le sien. Aujourd'hui, cette théorie est prise en compte lors de l'exploitation de satellites GPS, qui déterminent la localisation d'un objet avec une précision de quelques mètres. Le GPS est utilisé dans les communications cellulaires, la cartographie, la surveillance des transports, mais principalement la navigation. L'erreur d'un satellite qui ne prend pas en compte la relativité générale augmenterait de 10 kilomètres par jour dès le lancement ! Et si un piéton peut faire preuve de raison et carte en papier, alors les pilotes de ligne se retrouveront dans une situation difficile, puisqu'il est impossible de naviguer dans les nuages.

Si aujourd’hui aucune application pratique des découvertes faites au LHC n’a encore été trouvée, cela ne signifie pas que les scientifiques « bricolent en vain le collisionneur ». Comme vous le savez, une personne raisonnable entend toujours obtenir le maximum application pratiqueà partir des connaissances existantes, et donc les connaissances sur la nature accumulées au cours du processus de recherche au LHC trouveront certainement leur application, tôt ou tard. Comme cela a déjà été démontré ci-dessus, le lien entre les découvertes fondamentales et les technologies qui les utilisent peut parfois ne pas être du tout évident.

Notons enfin les découvertes dites indirectes, qui ne sont pas fixées comme objectifs initiaux de l'étude. Cela se produit assez souvent, car la réalisation d’une découverte fondamentale nécessite généralement l’introduction et l’utilisation de nouvelles technologies. Ainsi, le développement de l'optique a reçu une impulsion de la recherche spatiale fondamentale, basée sur les observations des astronomes à travers un télescope. Dans le cas du CERN, c'est ainsi qu'est apparue une technologie omniprésente : Internet, un projet proposé par Tim Berners-Lee en 1989 pour faciliter la recherche des données de l'organisation du CERN.

Dans cette question (et d'autres similaires), l'apparition des mots « en fait » est curieuse - comme s'il y avait une essence cachée aux non-initiés, protégée par les « prêtres de la science » des gens ordinaires, un secret qui doit être révélé. être révélé. Cependant, vu de l'intérieur de la science, le mystère disparaît et il n'y a pas de place pour ces mots - la question « pourquoi avons-nous besoin d'un collisionneur de hadrons » n'est pas fondamentalement différente de la question « pourquoi avons-nous besoin d'une règle (ou d'une balance). , ou montres, etc.). Le fait que le collisionneur soit une chose importante, coûteuse et complexe à tous égards ne change rien aux choses.

L’analogie la plus proche pour comprendre « pourquoi cela est nécessaire » est, à mon avis, une lentille. L'humanité connaît les propriétés des lentilles depuis des temps immémoriaux, mais ce n'est qu'au milieu du dernier millénaire qu'elle a réalisé que certaines combinaisons de lentilles pouvaient être utilisées comme instruments nous permettant d'examiner des objets très petits ou très éloignés - nous sommes, bien sûr, je parle d'un microscope et d'un télescope. Il ne fait aucun doute que la question de savoir pourquoi tout cela est nécessaire a été posée à plusieurs reprises lorsque ces nouvelles conceptions pour les contemporains sont apparues. Cependant, il a été retiré de l'ordre du jour à mesure que les domaines d'application scientifique et appliquée des deux dispositifs se sont élargis. Notez que, d'une manière générale, cela divers appareils– Tu ne pourras pas observer les étoiles avec un microscope à l’envers. Le Grand collisionneur de hadrons, paradoxalement, les combine en lui-même et peut à juste titre être considéré comme le point culminant de l'évolution des microscopes et des télescopes réalisée par l'humanité au cours des siècles passés. Cette affirmation peut sembler étrange et, bien sûr, elle ne doit pas être prise au sens littéral - il n'y a pas de lentilles (au moins optiques) dans l'accélérateur. Mais au fond, c’est exactement le cas. Sous sa forme « microscopique », le collisionneur permet d'étudier la structure et les propriétés des objets à un niveau de 10 à 19 mètres (rappelons que la taille d'un atome d'hydrogène est d'environ 10 à 10 mètres). La situation est encore plus intéressante dans la partie « télescope ». Chaque télescope est une machine à temps réel, puisque l'image qui y est observée correspond à ce qu'était l'objet d'observation dans le passé, à savoir le temps écoulé depuis lequel le rayonnement électromagnétique doit atteindre l'observateur depuis cet objet. Ce temps peut être d'un peu plus de huit minutes lors de l'observation du Soleil depuis la Terre et jusqu'à des milliards d'années lors de l'observation de quasars distants. À l’intérieur du Grand collisionneur de hadrons, sont créées les conditions qui existaient dans l’Univers une infime fraction de seconde après le Big Bang. Ainsi, nous avons l’opportunité de revenir en arrière de près de 14 milliards d’années, jusqu’au tout début de notre monde. Les télescopes terrestres et orbitaux conventionnels (au moins ceux qui enregistrent un rayonnement électromagnétique), n'acquièrent la « vue » qu'après l'ère de la recombinaison, lorsque l'Univers est devenu optiquement transparent - cela s'est produit, selon les idées modernes, 380 000 ans après le Big Bang.

Ensuite, nous devons décider quoi faire de ces connaissances : à la fois sur la structure de la matière à petite échelle et sur ses propriétés à la naissance de l'Univers, et c'est ce qui finalement renverra le mystère discuté au début et déterminera pourquoi le collisionneur c'était nécessaire, c'était nécessaire « vraiment ». Mais il s'agit d'une décision humaine, et le collisionneur à l'aide duquel ces connaissances ont été obtenues ne restera qu'un appareil - peut-être le système de « lentilles » le plus sophistiqué que le monde ait jamais vu.