Vijest o eksperimentu koji se provodi u Europi potresla je javnu smirenost i izbila na vrh popisa tema o kojima se raspravlja. Hadronski sudarač svijetli svugdje - na TV-u, u tisku i na Internetu. Što reći, ako korisnici LJ stvore zasebne zajednice u kojima su stotine ravnodušnih ljudi već aktivno izrazile svoje stavove o novom umotvorini znanosti. "Delo" vam nudi 10 činjenica o kojima morate znati hadronski sudarač.

Tajanstvena znanstvena fraza prestaje biti takva, čim shvatimo značenje svake od riječi. Hadron - naziv klase elementarnih čestica. Sudarač - specijalni akcelerator, uz pomoć kojeg je moguće prenijeti veliku energiju na elementarne čestice tvari i ubrzavajući do najveće brzine reproducirati njihov međusobni sudar.

2. Zašto svi govore o njemu?

Prema znanstvenicima Europskog centra za nuklearna istraživanja CERN, eksperiment će u minijaturi omogućiti reprodukciju eksplozije koja je rezultirala stvaranjem svemira prije milijarde godina. Međutim, ono što javnost najviše brine jesu kakve će biti posljedice mini eksplozije na planetu ako eksperiment ne uspije. Prema nekim znanstvenicima, kao posljedica sudara elementarnih čestica koje lete ultrarelativističkom brzinom u suprotnim smjerovima nastaju mikroskopske crne rupe, kao i druge opasne čestice koje će izletjeti. Oslanjanje na posebno zračenje koje dovodi do isparavanja crnih rupa ne vrijedi posebno - nema eksperimentalnih dokaza da djeluje. Zato takvima znanstvene inovacije i pojavljuje se nepovjerenje koje aktivno podgrijavaju skeptični znanstvenici.

3. Kako ovo funkcionira?

Elementarne čestice ubrzavaju se u različitim orbitama u suprotnim smjerovima, nakon čega se postavljaju u jednu orbitu. Vrijednost zamršenog uređaja je u tome što su zahvaljujući njemu znanstvenici u mogućnosti proučavati proizvode sudara elementarnih čestica, snimljeni posebnim detektorima u obliku digitalnih fotoaparata rezolucije 150 megapiksela, sposobnih za snimanje 600 milijuna sličica po drugi.

4. Kada ste dobili ideju za stvaranje sudarača?

Ideja o gradnji automobila rođena je davne 1984. godine, ali gradnja tunela započela je tek 2001. godine. Akcelerator se nalazi u istom tunelu gdje se nalazio i prethodni akcelerator, Veliki elektronsko-pozitronski sudarač. Prsten od 26,7 kilometara položen je na dubini od stotinjak metara pod zemljom u Francuskoj i Švicarskoj. 10. rujna u akcelerator je lansirana prva protonska zraka. Sljedećih nekoliko dana bit će pokrenut drugi paket.

5. Koliko je koštala gradnja?

Stotine znanstvenika iz cijelog svijeta, uključujući ruske, sudjelovale su u razvoju projekta. Njegov se trošak procjenjuje na 10 milijardi dolara, od čega su Sjedinjene Države u izgradnju 536 milijuna dolara uložile hadronski sudarač.

6. Kakav je doprinos Ukrajina dala stvaranju akceleratora?

Znanstvenici ukrajinskog Instituta za teorijsku fiziku izravno su sudjelovali u izgradnji hadronskog sudarača. Razvili su interni sustav praćenja (ITS) posebno za istraživanje. Ona je srce "Alice" - dio sudaračgdje bi se trebao dogoditi minijaturni "veliki prasak". Očito, ne najmanje važan dio automobila. Ukrajina mora godišnje plaćati 200 tisuća grivna za pravo sudjelovanja u projektu. To je 500-1000 puta manje od doprinosa projektu drugih zemalja.

7. Kada čekati kraj svijeta?

Prvi pokus sudara snopova elementarnih čestica zakazan je za 21. listopada. Do tog vremena znanstvenici planiraju ubrzati čestice do brzine bliske brzini svjetlosti. Prema Einsteinovoj općoj teoriji relativnosti, nismo u opasnosti od crnih rupa. Međutim, ako teorije s dodatnim prostorne dimenzije će biti točno, ne preostaje nam puno vremena da imamo vremena riješiti sva naša pitanja na planeti Zemlji.

8. Zašto su crne rupe zastrašujuće?

Crna rupa - područje u prostoru-vremenu čija je sila gravitacijskog privlačenja toliko jaka da ga čak ni predmeti koji se kreću brzinom svjetlosti ne mogu napustiti. Postojanje crnih rupa potvrđuju rješenja Einsteinovih jednadžbi. Unatoč činjenici, mnogi već zamišljaju kako će crna rupa nastala u Europi, rastući, progutati cijeli planet, ne vrijedi alarmirati. Crne rupe, koji se, prema nekim teorijama, mogu pojaviti tijekom rada sudarač, prema svim istim teorijama, postojat će tako kratko vrijeme da jednostavno neće imati vremena pokrenuti proces upijanja materije. Prema nekim znanstvenicima, neće imati vremena ni poletjeti do zidova sudarača.

9. Kako istraživanje može biti korisno?

Uz činjenicu da su podaci o istraživanju još jedno nevjerojatno dostignuće znanosti koje će čovječanstvu omogućiti da sazna sastav elementarnih čestica, to nije sav dobitak zbog kojeg je čovječanstvo toliko riskiralo. Možda ćemo u bliskoj budućnosti svojim očima moći vidjeti dinosaure i s Napoleonom razgovarati o najučinkovitijim vojnim strategijama. Ruski znanstvenici vjeruju da će kao rezultat eksperimenta čovječanstvo moći stvoriti vremenski stroj.

10. Kako ostaviti dojam znanstveno pametne osobe koja koristi hadronski sudarač?

I na kraju, ako vas netko, unaprijed naoružan odgovorom, pita što je Hadronski sudarač, predlažemo vam dostojna opcija odgovor koji svakoga može ugodno iznenaditi. Zato, vežite sigurnosne pojaseve! Hadronski sudarač je akcelerator nabijenih čestica dizajniran za ubrzavanje protona i teških iona u sudarnim snopovima. Izgrađen je u Istraživačkom centru Europskog vijeća za nuklearna istraživanja i tunel je dug 27 kilometara zakopan na dubini od 100 metara. Zbog činjenice da su protoni električno nabijeni, ultrarelativistički proton stvara oblak gotovo stvarnih fotona koji lete u blizini protona. Ovaj tok fotona postaje još jači u načinu nuklearnog sudara, uslijed velikog električno punjenje zrna. Mogu se sudariti s protonskim protupropagiringom, što dovodi do tipičnih sudara fotona i hadrona, i međusobno. Znanstvenici se boje da bi se kao rezultat eksperimenta mogli stvoriti prostorno-vremenski "tuneli" u svemiru, koji su tipološka značajka prostor-vremena. Kao rezultat eksperimenta može se dokazati i postojanje supersimetrije, što će, prema tome, postati neizravna potvrda istine teorije superstruna.

(ili TENK) je trenutno najveći i najsnažniji akcelerator čestica na svijetu. Ovaj je kolos lansiran 2008. godine, ali je dugo radio s smanjenim kapacitetima. Otkrijmo što je to i zašto je potreban Veliki hadronski sudarač.

Povijest, mitovi i činjenice

Ideja o stvaranju sudarača najavljena je 1984. godine. A projekt izgradnje sudara odobren je i usvojen već 1995. godine. Razvoj pripada Europskom centru za nuklearna istraživanja (CERN). Općenito, lansiranje sudara privuklo je veliku pozornost ne samo znanstvenika, već i obični ljudi iz cijeloga svijeta. Razgovarali smo o svim vrstama strahova i užasa povezanih s lansiranjem sudarača.

Međutim, čak je i sada sasvim moguće da netko čeka apokalipsu povezanu s radom LHC-a i puca pri pomisli što će se dogoditi ako Veliki hadronski sudarač eksplodira. Iako su se, prije svega, svi bojali crne rupe koja će, isprva mikroskopska, rasti i sigurno apsorbirati prvo sam sudarač, a zatim Švicarsku i ostatak svijeta. Također, katastrofa uništenja izazvala je veliku paniku. Skupina znanstvenika čak je i tužila, pokušavajući zaustaviti gradnju. U izjavi se navodi da će nakupine antimaterije koje bi se mogle stvoriti na sudaraču početi uništavati materijom, započeti lančana reakcija i cijeli svemir biti uništen. Kao što je rekao poznati lik iz Povratak u budućnost:

Čitav svemir je, naravno, u najgorem slučaju. U najboljem slučaju, samo naša galaksija. Dr. Emet Brown.

Pokušajmo sada razumjeti zašto je to hadronski? Činjenica je da radi s hadronima, točnije, ubrzava, ubrzava i sudara hadrone.

Hadroni - klasa elementarnih čestica izloženih jakim interakcijama. Hadroni su napravljeni od kvarkova.

Hadroni se dijele na barione i mezone. Da bismo to olakšali, recimo da se gotovo sva nama poznata materija sastoji od bariona. Pojednostavimo još više i kažimo da su barioni nukleoni (protoni i neutroni koji čine atomsku jezgru).

Kako djeluje Veliki hadronski sudarač

Ljestvica je vrlo impresivna. Sudar je prstenasti tunel, zakopan pod zemljom na dubini od stotinu metara. LHC je dugačak 26.659 metara. Protoni, ubrzani do brzine bliske brzini svjetlosti, lete u podzemnom krugu iznad teritorija Francuske i Švicarske. Točnije, dubina tunela leži u rasponu od 50 do 175 metara. Superprovodljivi magneti koriste se za fokusiranje i ograničavanje protonskih zraka u letu. ukupna dužina je oko 22 kilometra, a djeluju na temperaturi od -271 Celzijev stupanj.

Sudarnik uključuje 4 divovska detektora: ATLAS, CMS, ALICE i LHCb. Osim glavnih velikih detektora, postoje i pomoćni. Detektori su dizajnirani za bilježenje rezultata sudara čestica. Odnosno, nakon što se dva protona sudare pri brzinama bliskim svjetlosti, nitko ne zna što može očekivati. Da bi se "vidjelo" što se dogodilo, gdje je odskočilo i dokle se odletjelo, a tu su i detektori punjeni svim vrstama senzora.

Rezultati Velikog hadronskog sudarača.

Zašto vam treba sudarač? Svakako da ne uništi Zemlju. Čini se, u čemu je smisao sudaranja čestica? Činjenica je da u modernoj fizici ima puno neodgovorenih pitanja, a proučavanje svijeta uz pomoć ubrzanih čestica može doslovno otkriti novi sloj stvarnosti, razumjeti strukturu svijeta i možda čak odgovoriti na glavno pitanje "smisao života, svemir i općenito."

Koja su otkrića već napravljena u LHC-u? Najpoznatije je otkriće higgsov bozon (tome ćemo posvetiti poseban članak). Osim toga, bili su otvoreni 5 novih čestica, podaci o prvom sudaru dobiveni pri rekordnim energijama, prikazano je odsustvo asimetrije protona i antiprotona, otkrio neobične korelacije protona... Popis se nastavlja i nastavlja. No, mikroskopske crne rupe koje su prestrašile domaćice nisu pronađene.

I to unatoč činjenici da sudarač još nije ubrzan do svoje maksimalne snage. Sada je maksimalna energija Velikog hadronskog sudarača 13 TeV (tera elektron-volt). Međutim, nakon pravilne pripreme, planirano je ubrzanje protona do 14 TeV... Za usporedbu, u akceleratorima LHC prethodnika maksimalne dobivene energije nisu premašivale 1 TeV... Na ovaj je način američki akcelerator Tevatron iz države Illinois mogao ubrzati čestice. Energija postignuta u sudaraču daleko je od najveće na svijetu. Dakle, energija kozmičkih zraka zabilježenih na Zemlji premašuje energiju čestice ubrzane u sudaraču milijardu puta! Dakle, opasnost od velikog hadronskog sudarača je minimalna. Vjerojatno je da će nakon što svi odgovori dobiju uz pomoć LHC-a, čovječanstvo morati izgraditi još jedan moćniji sudarač.

Prijatelji, volite znanost i ona će vas sigurno voljeti! A oni vam lako mogu pomoći da se zaljubite u znanost. Potražite pomoć i učinite učenje užitkom!

To je potraga za načinima za objedinjavanje dviju temeljnih teorija - opće relativnosti (o gravitacijskoj teoriji) i standardnog modela (standardni model koji objedinjuje tri temeljne fizičke interakcije - elektromagnetsku, jaku i slabu). Pronalaženje rješenja prije stvaranja LHC-a otežavale su poteškoće u stvaranju teorije kvantne gravitacije.

Konstrukcija ove hipoteze uključuje kombinaciju dviju fizikalnih teorija - kvantne mehanike i opće relativnosti.

Za to je odjednom korišteno nekoliko popularnih i potrebnih u modernim pristupima - teorija struna, teorija brane, teorija supergravitacije, te također teorija kvantne gravitacije. Prije izgradnje sudarača glavni problem izvođenje potrebnih eksperimenata bio je nedostatak energije koji se ne može postići drugim modernim ubrzivačima nabijenih čestica.

LHC u Ženevi pružio je znanstvenicima mogućnost izvođenja prethodno nemogućih eksperimenata. Vjeruje se da će u bliskoj budućnosti mnoge fizikalne teorije biti potvrđene ili opovrgnute uz pomoć aparata. Jedna od najproblematičnijih je supersimetrija, odnosno teorija struna, koja je fizičko dugo dijelila u dva tabora - "strunare" i njihove suparnike.

Ostali temeljni eksperimenti izvedeni u okviru LHC-a

Zanimljivo i istraživanje znanstvenika na području proučavanja vrha, koji su najviše kvarkovi i najteži (173,1 ± 1,3 GeV / c²) od svih trenutno poznatih elementarnih čestica.

Zbog ovog svojstva, a prije stvaranja LHC-a, znanstvenici su mogli promatrati kvarkove samo na ubrzivaču Tevatron, budući da drugi uređaji jednostavno nisu imali dovoljno snage i energije. Zauzvrat, teorija kvarkova je važan element senzacionalna Higgsova hipoteza o bozonu.

Sva znanstvena istraživanja o stvaranju i proučavanju svojstava kvarkova znanstvenici proizvode u gornjoj kvark-antikvarkovskoj pari u LHC-u.

Važan cilj projekta u Ženevi također je postupak proučavanja mehanizma elektroslabe simetrije, što je također povezano s eksperimentalnim dokazima o postojanju Higgsovog bozona. Da problem postavimo još preciznije, predmet istraživanja nije toliko sam bozon koliko mehanizam rušenja simetrije elektroslabe interakcije koji je predvidio Peter Higgs.

U okviru LHC-a, također se provode eksperimenti za pronalaženje supersimetrije - a željeni rezultat bit će teorija da bilo koju elementarnu česticu uvijek prati teži partner i njezino pobijanje.

Izraz "Veliki hadronski sudarač" toliko je duboko ugrađen u masovne medije da ogromna većina ljudi zna za ovu instalaciju, uključujući i one čije aktivnosti ni na koji način nisu povezane s fizikom elementarnih čestica i sa znanošću općenito.

Zapravo, tako velik i skup projekt mediji nisu mogli zanemariti - instalacija prstena duga gotovo 27 kilometara, po cijeni od deset milijardi dolara, s kojom radi nekoliko tisuća istraživača iz cijelog svijeta. Značajan doprinos popularnosti sudarača dala je takozvana "Božja čestica" ili Higgsov bozon, koji je uspješno oglašen, a za koji je Peter Higgs dobio nobelova nagrada iz fizike 2013. godine.

Prije svega treba napomenuti da Veliki hadronski sudarač nije izgrađen od nule, već je nastao na mjestu svog prethodnika - Velikog elektronsko-pozitronskog sudarača (LEP). Radovi na tunelu dugom 27 kilometara započeli su 1983. godine, gdje je kasnije planirano lociranje akceleratora koji bi sudario elektrone i pozitrone. 1988. godine prstenasti tunel se zatvorio, dok su se radnici tunelu približavali tako oprezno da je nesklad između dva kraja tunela iznosio samo 1 centimetar.

Akcelerator je radio do kraja 2000. godine, kada je dosegao vrhunac - energiju od 209 GeV. Nakon toga započelo je njegovo demontiranje. Tijekom jedanaest godina svog rada, LEP je u fiziku donio brojna otkrića, uključujući otkriće W i Z bozona i njihova daljnja istraživanja. Na temelju rezultata ovih studija donesen je zaključak o sličnosti mehanizama elektromagnetskih i slabih interakcija, što je rezultiralo teorijskim radom na kombiniranju tih interakcija u elektroslabu.

2001. godine započela je izgradnja Velikog hadronskog sudarača na mjestu elektronsko-pozitronskog akceleratora. Konstrukcija novog akceleratora dovršena je krajem 2007. godine. Smješteno je na mjestu LEP - na granici između Francuske i Švicarske, u dolini Ženevskog jezera (15 km od Ženeve), na dubini od stotinu metara. U kolovozu 2008. započela su ispitivanja sudarača, a 10. rujna LHC je službeno pokrenut. Kao i kod prethodnog akceleratora, izgradnju i rad postrojenja vodi Europska organizacija za nuklearna istraživanja - CERN.

CERN

Ukratko, valja spomenuti organizaciju CERN (Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire). Ova organizacija djeluje kao najveći svjetski laboratorij u području fizike visoke energije... Obuhvaća tri tisuće stalno zaposlenih, a u projektima CERN-a sudjeluje još nekoliko tisuća istraživača i znanstvenika iz 80 zemalja.

Trenutno su sudionice projekta 22 države: Belgija, Danska, Francuska, Njemačka, Grčka, Italija, Nizozemska, Norveška, Švedska, Švicarska, UK - osnivači, Austrija, Španjolska, Portugal, Finska, Poljska, Mađarska, Češka, Pristupile su Slovačka, Bugarska i Rumunjska. Međutim, kao što je gore spomenuto, još nekoliko desetaka zemalja na ovaj ili onaj način sudjeluje u radu organizacije, a posebno na Velikom hadronskom sudaraču.

Kako djeluje Veliki hadronski sudarač?

Što je Veliki hadronski sudarač i kako on funkcionira glavna su pitanja koja zanimaju javnost. Razmotrimo ova pitanja dalje.

Collider (collider) - u prijevodu s engleskog znači "onaj koji se sudari". Zadatak takve instalacije je sudar čestica. U slučaju hadronskog sudarača, hadroni igraju ulogu čestica - čestica koje sudjeluju u jakim interakcijama. To su protoni.

Dobivanje protona

Dugi put protona potječe od duoplazmatrona, prvog stupnja akceleratora, gdje vodik ulazi u obliku plina. Duoplazmatron je komora za pražnjenje u kojoj se električno pražnjenje provodi kroz plin. Dakle, vodik, koji se sastoji od samo jednog elektrona i jednog protona, gubi svoj elektron. Tako nastaje plazma - tvar koja se sastoji od nabijenih čestica - protona. Naravno, teško je dobiti čistu protonsku plazmu, pa se formirana plazma, koja također uključuje oblak molekularnih iona i elektrona, filtrira da odvoji oblak protona. Pod utjecajem magneta protonska plazma zrači se u snop.

Preliminarno ubrzanje čestica

Novonastala protonska zraka započinje svoje putovanje u linearnom akceleratoru LINAC 2, koji je 30-metarski prsten uzastopno obješen s nekoliko šupljih cilindričnih elektroda (vodiča). Elektrostatičko polje generirano unutar akceleratora graduirano je na takav način da čestice između šupljih cilindara uvijek osjećaju ubrzavajuću silu u smjeru sljedeće elektrode. Ne ulazeći u potpunosti u mehanizam ubrzanja protona u ovoj fazi, napominjemo samo da na izlazu iz LINAC 2 fizičari dobivaju snop protona s energijom od 50 MeV, koji već dostižu 31% brzine svjetlosti. Značajno je da se masa čestica povećava za 5%.

Do 2019.-2020. Planira se zamjena LINAC-a 2 LINAC-om 4, koji će ubrzati protone na 160 MeV.

Treba imati na umu da se olovni ioni ubrzavaju i na sudaraču, što će omogućiti proučavanje kvark-gluon plazme. Ubrzavaju se u prstenu LINAC 3, slično kao i LINAC 2. U budućnosti su planirani i eksperimenti s argonom i ksenonom.

Dalje, protonski paketi ulaze u protonsko-sinkroni pojačivač (PSB). Sastoji se od četiri superponirana prstena promjera 50 metara, u kojima su smješteni elektromagnetski rezonatori. Elektromagnetsko polje koje oni stvaraju ima visoki intenzitet, a čestica koja prolazi kroz njega prima ubrzanje kao rezultat razlike potencijala polja. Dakle, nakon samo 1,2 sekunde, čestice se u PSB-u ubrzaju do 91% brzine svjetlosti i dosegnu energiju od 1,4 GeV, nakon čega ulaze u protonski sinkrotron (PS). PS ima promjer od 628 metara i opremljen je s 27 magneta koji vode zraku čestica u kružnoj orbiti. Ovdje protoni dosežu 26 GeV čestica.

Pretposljednji prsten za ubrzavanje protona je Superproton Synchrotron (SPS), čiji opseg doseže 7 kilometara. Opremljen s 1317 magneta, SPS ubrzava čestice do energije od 450 GeV. Nakon otprilike 20 minuta, protonska zraka pogađa glavni prsten - Veliki hadronski sudarač (LHC).

Ubrzanje i sudar čestica na LHC

Prijelazi između prstenova akceleratora događaju se pomoću elektromagnetskih polja stvorenih snažnim magnetima. Glavni prsten sudarača sastoji se od dvije paralelne crte u kojima se čestice kreću u prstenastoj orbiti u suprotnom smjeru. Oko 10.000 magneta odgovorno je za održavanje kružne putanje čestica i njihovo usmjeravanje do mjesta sudara, od kojih su neki teški i do 27 tona. Kako bi se izbjeglo pregrijavanje magneta, koristi se krug helij-4 kroz koji protiče oko 96 tona tvari na temperaturi od -271,25 ° C (1,9 K). Protoni dosežu energiju od 6,5 TeV (odnosno, energija sudara je 13 TeV), dok im je brzina za 11 km / h manja od brzine svjetlosti. Dakle, protonska zraka prolazi kroz veliki prsten sudarača 11 000 puta u sekundi. Prije sudara, čestice će cirkulirati oko prstena 5 do 24 sata.

Sudar čestica događa se u četiri točke glavnog LHC prstena, u kojima se nalaze četiri detektora: ATLAS, CMS, ALICE i LHCb.

Veliki detektori hadronskog sudarača

ATLAS (toroidni LHC uređaji)

- jedan je od dva detektora opća namjena na Velikom hadronskom sudaraču (LHC). Istražuje širok spektar fizike, od potrage za Higgsovim bozonom do čestica koje mogu sačiniti tamna materija... Iako ima iste znanstvene ciljeve kao i CMS eksperiment, ATLAS koristi različite tehnička rješenja i drugi dizajn magnetskog sustava.

Zrake čestica iz LHC sudaraju se u središtu ATLAS detektora, stvarajući sudar u otpadu u obliku novih čestica koje se emitiraju s točke sudara u svim smjerovima. Šest različitih podsustava za otkrivanje, smještenih u slojevima oko točke sudara, bilježe putove, zamah i energiju čestica, što im omogućuje pojedinačnu identifikaciju. Golemi sustav magneta savija staze nabijenih čestica tako da se mogu mjeriti njihovi trenutci.

Interakcije u detektoru ATLAS stvaraju golem protok podataka. Za obradu ovih podataka, ATLAS koristi napredni sustav "okidača" da detektoru kaže koje događaje treba zabilježiti, a koje zanemariti. Zatim, za analizu zabilježenih događaja sudara, složeni sustavi prikupljanje i izračunavanje podataka.

Detektor je visok 46, a širok 25 metara i težak 7000 tona. Ovi parametri čine ATLAS najvećim detektorom čestica ikad izgrađenim. Smješteno je u tunelu na dubini od 100 m u blizini glavnog objekta CERN-a, u blizini sela Meirin u Švicarskoj. Instalacija se sastoji od 4 glavne komponente:

• Unutarnji detektor ima valjkastog oblika, unutarnji prsten udaljen je samo nekoliko centimetara od osi kratkog zraka čestica, dok je vanjski prsten promjera 2,1 metara i duljine 6,2 metra. Sastoji se od tri različiti sustavi senzori uronjeni u magnetsko polje. Unutarnji detektor mjeri smjer, impuls i naboj električno nabijenih čestica proizvedenih u svakom sudaru protona i protona. Glavni elementi unutarnjeg detektora su: Pixel detektor, poluvodički tragač (SCT) i tranzicijski tragač zračenja (TRT).

• Kalorimetri mjere energiju koju čestica izgubi prolazeći kroz detektor. Apsorbira čestice proizašle iz sudara, fiksirajući pritom njihovu energiju. Kalorimetri se sastoje od slojeva "upijajućeg" materijala sa visoka gustoća - olovo, naizmjenično sa slojevima "aktivnog medija" - tekućeg argona. Elektromagnetski kalorimetri mjere energiju elektrona i fotona u interakciji s materijom. Hadron-kalorimetri mjere energiju hadrona u interakciji s atomskim jezgrama. Kalorimetri mogu zaustaviti većinu poznatih čestica, osim miona i neutrina.

LAr (tečni kalorimetar argona) - kalorimetar ATLAS

• Muonski spektrometar - Sastoji se od 4.000 pojedinačnih mionskih komora pomoću četiri različite tehnologije za identifikaciju miona i mjerenje njihovih trenutka. Muoni obično prolaze kroz unutarnji detektor i kalorimetar, te im je zato potreban muonski spektrometar.

• Magnetski sustav ATLAS savija čestice oko različitih slojeva sustava detektora, što olakšava praćenje tragova čestica.

U eksperimentu ATLAS (veljača 2012.) zaposleno je preko 3.000 znanstvenika iz 174 institucije u 38 zemalja.

CMS (kompaktni muonski solenoid)

- detektor je opće namjene na Velikom hadronskom sudaraču (LHC). Poput ATLAS-a, on ima opsežan program fizike, koji se kreće od proučavanja Standardnog modela (uključujući Higgsov bozon) do traženja čestica koje bi mogle činiti tamnu materiju. Iako ima iste znanstvene ciljeve kao i eksperiment ATLAS, CMS koristi različita tehnička rješenja i drugačiji dizajn magnetskog sustava.

CMS detektor izgrađen je oko ogromnog magnetnog magnet. To je cilindrična zavojnica supravodljivog kabela koja generira polje od 4 Tesle, približno 100 000 puta veće od Zemljinog magnetskog polja. Polje je omeđeno čeličnim "jarmom", koji je najmasivniji dio detektora, težak 14 000 tona. Kompletni detektor dugačak je 21 m, širok 15 m i visok 15 m. Postava se sastoji od 4 glavne komponente:

• Magnetski magnet je najveći magnet na svijetu koji služi za savijanje putanje nabijenih čestica koje izlaze iz točke sudara. Izobličenje putanje omogućuje vam razlikovanje pozitivno i negativno nabijenih čestica (jer se savijaju u suprotnim smjerovima), kao i mjerenje količine gibanja čija veličina ovisi o zakrivljenosti putanje. Ogromna veličina solenoida omogućuje postavljanje tragača i kalorimetara unutar zavojnice.
• Silicijski tragač - Sastoji se od 75 milijuna pojedinačnih elektroničkih senzora raspoređenih u koncentrične slojeve. Kada nabijena čestica leti kroz slojeve tragača, ona prenosi dio energije na svaki sloj, kombinacija tih točaka sudara čestice s različitim slojevima omogućuje vam daljnje određivanje putanje.
• Kalorimetri - elektronički i hadronski, pogledajte ATLAS kalorimetri.
• Poddetektori - omogućuju otkrivanje miona. Zastupljeni su s 1.400 muonskih komora, koje su smještene u slojevima izvan zavojnice, izmjenjujući se s metalnim pločama "hamuta".

Eksperimentalni CMS jedan je od najvećih međunarodnih znanstveno istraživanje u priči u kojoj je sudjelovalo 4.300 ljudi: fizičari čestica, inženjeri i tehničari, studenti i pomoćno osoblje iz 182 institucije iz 42 zemlje (veljača 2014).

ALICE (eksperiment velikog jonskog sudarača)

- je detektor teških iona na prstenovima Velikog hadronskog sudarača (LHC). Namijenjen je proučavanju fizike tvari koje međusobno jako djeluju pri ekstremnim gustoćama energije, gdje nastaje faza tvari koja se naziva kvark-gluon plazma.

Sva današnja uobičajena materija u svemiru sastoji se od atoma. Svaki atom sadrži jezgru koja se sastoji od protona i neutrona (osim vodika koji nema neutrone), okružena oblakom elektrona. Protoni i neutroni se, pak, sastoje od kvarkova povezanih zajedno s drugim česticama koje se nazivaju gluoni. Nikada nije izoliran nijedan kvark: čini se da su kvarkovi, kao i gluoni, trajno povezani i zatvoreni u složenim česticama poput protona i neutrona. To se naziva zatvaranje.

Sudari na LHC stvaraju temperature preko 100 000 puta vruće nego u središtu Sunca. Sudar daje sudare između olova olova, simulirajući uvjete slične onima koji su se dogodili neposredno nakon Velikog praska. U tim ekstremnim uvjetima protoni i neutroni se "tope", oslobađajući kvarkove njihovih veza gluonima. Ovo je kvark-gluon plazma.

U eksperimentu ALICE koristi se detektor ALICE težak 10 000 tona, dugačak 26 m, visok 16 i širok 16 m. Uređaj se sastoji od tri glavna seta komponenata: uređaja za praćenje, kalorimetara i detektora za identifikaciju čestica. Također je podijeljen u 18 modula. Detektor se nalazi u tunelu 56 m ispod, u blizini sela Saint-Denis-Pouilly u Francuskoj.

U eksperimentu je zaposleno preko 1.000 znanstvenika iz preko 100 fizičkih instituta iz 30 zemalja.

LHCb (eksperiment ljepote Velikog hadronskog sudarača)

- U sklopu eksperimenta provodi se proučavanje malih razlika između materije i antimaterije, proučavajući vrstu čestica koja se naziva "beauty quark" ili "b-quark".

Umjesto da cijelu točku sudara okruži zatvorenim detektorom poput ATLAS-a i CMS-a, LHCb eksperiment koristi niz poddetektora za otkrivanje pretežno naprijed čestica - onih koje su usmjerene prema naprijed kao rezultat sudara u istom smjeru. Prvi poddetektor instaliran je blizu točke sudara, a ostatak - jedan za drugim na udaljenosti od 20 metara.

LHC stvara veliko obilje različiti tipovi kvarkovi prije nego što brzo propadnu u druge oblike. Za hvatanje b-kvarkova razvijeni su sofisticirani pokretni detektori za praćenje za LHCb, smješteni u blizini kretanja snopa čestica kroz sudarač.

Detektor LHCb od 5600 tona sastoji se od izravnog spektrometra i ravnih detektora. Dug je 21 metar, visok 10 i širok 13 metara, a pod zemljom je 100 metara. Oko 700 znanstvenika iz 66 različitih instituta i sveučilišta uključeno je u eksperiment LHCb (listopad 2013.).

Ostali pokusi na sudaru

Pored gore navedenih pokusa na Velikom hadronskom sudaraču, postoje još dva pokusa s instalacijama:

• LHCf (Veliki hadronski sudarač prema naprijed) - proučava čestice bačene naprijed nakon sudara snopa čestica. Oni oponašaju kozmičke zrake, koje znanstvenici proučavaju u sklopu eksperimenta. Kozmičke zrake prirodne su nabijene čestice iz svemira koje neprestano bombardiraju zemljinu atmosferu. Oni se sudaraju s jezgrama u gornjim slojevima atmosfere, što uzrokuje kaskadu čestica koje dosežu razinu tla. Proučavanje kako sudari unutar LHC-a uzrokuju slične kaskade čestica pomoći će fizičarima da protumače i kalibriraju eksperimente kozmičkih zraka velikih razmjera koji mogu doseći tisuće kilometara.

LHCf se sastoji od dva detektora koja se nalaze duž LHC-a, na udaljenosti od 140 metara s obje strane točke sudara ATLAS. Svaki od dva detektora težak je samo 40 kilograma i dugačak je 30 cm, visok 80 i širok 10 cm. U eksperimentu LHCf sudjeluje 30 znanstvenika iz 9 instituta u 5 zemalja (studeni 2012.).

• TOTEM (Ukupni presjek, elastično raspršivanje i difrakcija) - eksperimentirajte s najdužom instalacijom na sudaraču. Njegova je zadaća proučavati same protone, preciznim mjerenjem protona koji nastaju sudarima pod malim kutovima. Ovo je područje poznato kao smjer "naprijed" i nije dostupno drugim LHC eksperimentima. TOTEM detektori protežu se na gotovo pola kilometra oko točke interakcije CMS-a. TOTEM ima gotovo 3.000 kg opreme, uključujući četiri nuklearna teleskopa i 26 rimskih detektora lonaca. Potonji tip omogućuje postavljanje detektora što je moguće bliže zraci čestica. Eksperiment TOTEM uključuje oko 100 znanstvenika iz 16 instituta u 8 zemalja (kolovoz 2014).

Zašto je potreban Veliki hadronski sudarač?

Najveći međunarodni znanstveni objekt istražuje širok spektar fizičkih problema:

• Studija vrhunskih kvarkova. Ova čestica nije samo najteži kvark, već i najteža elementarna čestica. Proučavanje svojstava gornjeg kvarka također ima smisla jer je to istraživački alat.
• Traženje i proučavanje Higgsovog bozona. Iako CERN tvrdi da je Higgsov bozon već otkriven (2012.), zasad se vrlo malo zna o njegovoj prirodi i daljnja bi istraživanja mogla unijeti više jasnoće u mehanizam njegovog djelovanja.

• Ispitivanje kvark-gluon plazme. U sudarima jezgara olova pri velikim brzinama nastaje u sudaru. Njegova istraživanja mogu donijeti rezultate korisne i za nuklearnu fiziku (poboljšanje teorije jakih interakcija) i za astrofiziku (proučavanje Svemira u prvim trenucima postojanja).
• Potražite supersimetriju. Ovo je istraživanje usmjereno na pobijanje ili dokazivanje "supersimetrije" - teorije da bilo koja elementarna čestica ima težeg partnera, nazvanog "superčestica".
• Istraživanje sudara fotona-fotona i fotona-hadrona. Poboljšat će razumijevanje mehanizama takvih sudara.
• Testiranje egzotičnih teorija. Ova kategorija problema uključuje najnekonvencionalnije - "egzotične", na primjer, potragu za paralelnim svemirima stvaranjem mini crnih rupa.

Uz ove zadatke postoje i mnogi drugi, čije će rješenje također omogućiti čovječanstvu da na višoj razini razumije prirodu i svijet oko nas, što će zauzvrat otvoriti mogućnosti za stvaranje novih tehnologija.

Praktične blagodati Velikog hadronskog sudarača i temeljne znanosti

Prije svega, valja napomenuti da osnovna istraživanja pridonose temeljnoj znanosti. Primjena ovog znanja bavi se primijenjena znanost. Segment društva koji nije svjestan blagodati temeljne znanosti često otkriće Higgsovog bozona ili stvaranje kvark-gluon plazme ne doživljava kao nešto značajno. Veza između takvih studija i života obične osobe nije očita. Uzmimo brzi primjer iz nuklearne energije:

1896. francuski fizičar Antoine Henri Becquerel otkrio je fenomen radioaktivnosti. Dugo vremena vjerovalo se da je ona industrijska upotreba čovječanstvo neće uskoro prijeći. Samo pet godina prije lansiranja prvog nuklearnog reaktora u povijesti, veliki fizičar Ernest Rutherford, koji je zapravo otkrio atomsku jezgru 1911. godine, rekao je da atomska energija nikada neće naći svoju upotrebu. Stručnjaci su uspjeli preispitati svoj stav prema energiji sadržanoj u jezgri atoma 1939. godine, kada su njemački znanstvenici Lisa Meitner i Otto Hahn otkrili da se jezgre urana, zračene neutronima, dijele na dva dijela, oslobađajući ogromnu količinu energije - nuklearne energije.

I tek nakon ove posljednje veze u redu osnovno istraživanje u igru \u200b\u200bje ušla primijenjena znanost koja je na temelju tih otkrića izumila uređaj za dobivanje nuklearne energije - atomski reaktor. Opseg otkrića može se procijeniti gledajući udio električne energije proizvedene nuklearnim reaktorima. Na primjer, u Ukrajini, na primjer, nuklearne elektrane čine 56% proizvodnje električne energije, a u Francuskoj - 76%.

Sve nove tehnologije temelje se na jednom ili drugom temeljnom znanju. Evo još nekoliko kratkih primjera:

• Godine 1895. Wilhelm Konrad Roentgen primijetio je da fotografska ploča potamni pod utjecajem X-zraka. Danas je radiografija jedna od najčešće korištenih studija u medicini koja vam omogućuje proučavanje stanja unutarnji organi te otkriti infekcije i otekline.
• 1915. Albert Einstein predložio je svoje. Danas se ta teorija uzima u obzir kada rade GPS sateliti koji određuju mjesto objekta s točnošću od nekoliko metara. GPS se koristi u staničnim komunikacijama, kartografiji, nadzoru vozila, ali prvenstveno u navigaciji. Pogreška satelita koji ne uzima u obzir opću relativnost povećala bi se za 10 kilometara dnevno od trenutka lansiranja! A ako se pješak može poslužiti razumom i papirnata karta, tada će se piloti aviona naći u teškoj situaciji, jer je nemoguće ploviti po oblacima.

Ako danas još nije pronađena praktična primjena otkrića koja su se dogodila na LHC-u, to ne znači da se znanstvenici "uzalud petljaju s sudaračem". Kao što znate, razumna osoba uvijek namjerava dobiti maksimum. praktična aplikacija iz dostupnog znanja, pa će stoga znanje o prirodi akumulirano u procesu istraživanja na LHC-u definitivno naći svoju primjenu, prije ili kasnije. Kao što je gore već pokazano, veza između temeljnih otkrića i tehnologija koje ih koriste možda ponekad nije nimalo očita.

Na kraju, zapazimo takozvana neizravna otkrića, koja nisu postavljena kao početni ciljevi studije. Oni su prilično česti, jer da bi se došlo do temeljnog otkrića obično je potrebno uvođenje i uporaba novih tehnologija. Tako je razvoj optike dobio poticaj od temeljnih svemirskih istraživanja, temeljenih na promatranjima astronoma teleskopom. U slučaju CERN-a, tako se pojavila sveprisutna tehnologija - Internet, projekt koji je 1989. predložio Tim Berners-Lee kako bi olakšao pronalazak podataka iz CERN-a.

U ovom je pitanju (i drugima poput njega) znatiželjna pojava riječi "u stvari" - kao da postoji neka bit skrivena od neupućenih, koju "svećenici znanosti" čuvaju od običnih ljudi, tajna koja treba biti otkriveni. Međutim, gledajući iznutra znanosti, misterij nestaje i tim riječima nema mjesta - pitanje "zašto nam treba hadronski sudarač" u osnovi se ne razlikuje od pitanja "zašto nam treba vladar (ili vaga ili sat itd.) ". Činjenica da je sudar velika, skupa i po bilo kojoj mjeri složena stvar ne mijenja stvar.

Po mom mišljenju, najbliža analogija koja omogućuje razumijevanje "zašto je to potrebno" je leća. Čovječanstvo je od davnina bilo upoznato sa svojstvima leća, ali tek sredinom prošlog tisućljeća shvatilo se da se određene kombinacije leća mogu koristiti kao instrumenti koji omogućuju gledanje vrlo malih ili vrlo udaljenih predmeta - govorimo, naravno, o mikroskopu i teleskopu. Nema sumnje da se pitanje zašto je sve to potrebno više puta postavljalo kad su se pojavile ove nove konstrukcije za suvremenike. Međutim, sam je pao s dnevnog reda, jer su se područja znanstvene i primijenjene primjene oba uređaja proširila. Imajte na umu da su to općenito instrumenti - zvijezde nećete moći gledati obrnutim mikroskopom. S druge strane, Veliki ih hadronski sudarač paradoksalno ujedinjuje u sebi i s razlogom se može smatrati najvišom točkom u evoluciji i mikroskopa i teleskopa koje je čovječanstvo postiglo tijekom prošlih stoljeća. Ova se izjava može činiti čudnom, i, naravno, ne treba je shvatiti doslovno - u akceleratoru nema leća (barem optičkih). Ali u biti je upravo to slučaj. U svojoj "mikroskopskoj" ipostasi sudarač omogućuje proučavanje strukture i svojstava predmeta na razini 10-19 metara (podsjećam da je veličina atoma vodika oko 10-10 metara). Situacija je još zanimljivija u "teleskopskom" dijelu. Svaki je teleskop stvarni vremenski stroj, budući da slika koja se na njemu promatra odgovara onome što je objekt promatranja bio u prošlosti, naime onom vremenu, koji je potreban da bi elektromagnetsko zračenje moglo doći do promatrača s ovog objekta. Ovo vrijeme može biti malo više od osam minuta u slučaju promatranja Sunca sa Zemlje i do milijardi godina kada se promatra udaljeni kvazar. Unutar Velikog hadronskog sudarača stvaraju se uvjeti koji su postojali u Svemiru mali djelić sekunde nakon Velikog praska. Tako imamo priliku zaviriti u prošlost gotovo 14 milijardi godina, do samog početka našeg svijeta. Konvencionalni zemaljski i orbitalni teleskopi (barem oni koji se registriraju elektromagnetska radijacija), steknu "vid" tek nakon ere rekombinacije, kada je Svemir postao optički proziran - to se dogodilo, prema modernim konceptima, 380 tisuća godina nakon Velikog praska.

Dalje, moramo odlučiti što učiniti s tim znanjem: i o strukturi materije na malim razmjerima i o njezinim svojstvima pri rođenju Svemira, i to je ono što će u konačnici vratiti tajnu o kojoj se raspravljalo na početku, i utvrditi zašto je sudarač potreban "zapravo". Ali ovo je ljudska odluka, sudarač, uz pomoć kojeg je došlo do ovog znanja, ostat će samo uređaj - možda najsofisticiraniji sustav "leća" koji je svijet ikad vidio.