Vijest o eksperimentu koji se provodi u Europi uzdrmala je javni mir i izbila na vrh ljestvice diskutiranih tema. Hadronski sudarač pojavio posvuda - na TV-u, u tisku i na internetu. Što možemo reći ako LJ korisnici stvaraju zasebne zajednice u kojima su stotine brižnih ljudi već aktivno izrazile svoje mišljenje o novom izumu znanosti. "Delo" vam nudi 10 činjenica koje ne možete ne znati hadronski sudarač.

Tajanstvena znanstvena fraza prestaje biti takva čim shvatimo značenje svake od riječi. hadron– naziv klase elementarnih čestica. sudarač- poseban akcelerator uz pomoć kojeg je moguće prenijeti visoku energiju na elementarne čestice materije i, ubrzavajući ih do najveće brzine, reproducirati njihov međusobni sudar.

2. Zašto svi pričaju o njemu?

Prema znanstvenicima iz Europskog centra za nuklearna istraživanja CERN, eksperiment će omogućiti reproduciranje u minijaturi eksplozije koja je rezultirala formiranjem Svemira prije nekoliko milijardi godina. No, ono što javnost najviše zabrinjava kakve će biti posljedice mini-eksplozije za planet ako eksperiment ne uspije. Prema nekim znanstvenicima, kao rezultat sudara elementarnih čestica koje lete ultrarelativističkim brzinama u suprotnim smjerovima, nastat će mikroskopske crne rupe i izletjeti druge opasne čestice. Nema posebnog smisla oslanjati se na posebno zračenje koje dovodi do isparavanja crnih rupa - nema eksperimentalnih dokaza da to djeluje. Zato takvima znanstvena inovacija i javlja se nepovjerenje, koje aktivno potiču skeptični znanstvenici.

3. Kako ova stvar radi?

Elementarne čestice se ubrzavaju u različite orbite u suprotnim smjerovima, nakon čega se smještaju u jednu orbitu. Vrijednost zamršenog uređaja je u tome što zahvaljujući njemu znanstvenici imaju priliku proučavati produkte sudara elementarnih čestica, koje bilježe posebni detektori u obliku digitalnih kamera rezolucije 150 megapiksela, sposobnih za snimanje 600 milijuna sličica po drugi.

4. Kada se rodila ideja o stvaranju sudarača?

Ideja o izgradnji stroja rodila se još 1984. godine, no izgradnja tunela počela je tek 2001. godine. Akcelerator se nalazi u istom tunelu gdje se nalazio prethodni akcelerator, Large Electron-Positron Collider. Prsten od 26,7 kilometara položen je na dubini od oko sto metara pod zemljom u Francuskoj i Švicarskoj. 10. rujna na akceleratoru je lansiran prvi snop protona. Drugi snop će biti lansiran u sljedećih nekoliko dana.

5. Koliko je koštala izgradnja?

U razvoju projekta sudjelovale su stotine znanstvenika iz cijelog svijeta, uključujući i ruske. Njegov se trošak procjenjuje na 10 milijardi dolara, od čega su SAD uložile 531 milijun u izgradnju hadronskog sudarača.

6. Kakav je doprinos Ukrajina dala stvaranju akceleratora?

Znanstvenici iz 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 sudarač, gdje bi se trebao dogoditi minijaturni “veliki prasak”. Očito, ovo nije najmanje važan dio automobila. Ukrajina mora platiti 200 tisuća grivna godišnje za pravo sudjelovanja u projektu. To je 500-1000 puta manje od doprinosa projektu iz drugih zemalja.

7. Kada trebamo očekivati ​​smak svijeta?

Prvi eksperiment sudaranja snopova elementarnih čestica zakazan je za 21. listopada. Do tog vremena znanstvenici planiraju ubrzati čestice do brzina bliskih brzini svjetlosti. Prema Einsteinovoj općoj teoriji relativnosti, crne rupe nam ne prijete. Međutim, ako teorije s dodatnim prostorne dimenzije Pokazat će se točnima, nemamo još puno vremena da riješimo sve naše probleme na planeti Zemlji.

8. Zašto su crne rupe strašne?

Crna rupa- područje u prostor-vremenu čija je gravitacijska privlačnost toliko jaka da ga čak ni objekti koji se kreću brzinom svjetlosti ne mogu napustiti. Postojanje crnih rupa potvrđuju rješenja Einsteinovih jednadžbi. Unatoč činjenici da mnogi već zamišljaju kako će crna rupa nastala u Europi, rastući, progutati cijeli planet, ne treba dizati uzbunu. Crne rupe, koji se, prema nekim teorijama, može pojaviti tijekom rada sudarač, prema istim teorijama, postojat će tako kratko vrijeme da jednostavno neće imati vremena započeti proces upijanja materije. Prema nekim znanstvenicima, neće imati vremena ni doći do zidova sudarača.

9. Kako istraživanje može biti korisno?

Osim što su ove studije još jedno nevjerojatno dostignuće znanosti koje će omogućiti čovječanstvu da upozna sastav elementarnih čestica, to nije sav dobitak zbog kojeg se čovječanstvo toliko izložilo riziku. Možda ćemo u bliskoj budućnosti ti i ja moći vlastitim očima vidjeti dinosaure i razgovarati s Napoleonom o najučinkovitijim vojnim strategijama. Ruski znanstvenici vjeruju da će kao rezultat eksperimenta čovječanstvo moći stvoriti vremenski stroj.

10. Kako postati znanstveno potkovan s hadronskim sudaračem?

I na kraju, ako vas netko, unaprijed naoružan odgovorom, pita što je hadronski sudarač, nudimo vam pristojna opcija odgovor koji svakoga može ugodno iznenaditi. Dakle, vežite sigurnosne pojaseve! Hadronski sudarač je akcelerator nabijenih čestica dizajniran za ubrzavanje protona i teških iona u sudarajućim snopovima. Izgrađen u istraživačkom centru Europskog vijeća za nuklearna istraživanja, to je 27 kilometara dug tunel položen na dubini od 100 metara. Budući da su protoni električki nabijeni, ultrarelativistički proton proizvodi oblak gotovo stvarnih fotona koji lete blizu protona. Ovaj tok fotona postaje još jači u režimu nuklearnog sudara, zbog velike električno punjenje jezgre. Mogu se sudariti ili s nadolazećim protonom, generirajući tipične foton-hadronske sudare, ili međusobno. Znanstvenici se boje da bi se kao rezultat eksperimenta u prostoru mogli formirati prostorno-vremenski “tuneli” koji su tipološka značajka prostor-vremena. Kao rezultat eksperimenta može se dokazati i postojanje supersimetrije, što će tako postati neizravna potvrda istinitosti teorije superstruna.

(ili TENK)- trenutno najveći i najjači akcelerator čestica na svijetu. Ovaj kolos porinut je 2008. godine, ali je dugo radio smanjenim kapacitetom. Hajdemo shvatiti što je to i zašto nam treba veliki hadronski sudarač.

Povijest, mitovi i činjenice

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

Međutim, netko čak i sada, vrlo vjerojatno, 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 mikroskopski mala, narasti i sigurno apsorbirati najprije sam sudarač, a zatim Švicarsku i ostatak svijeta. Katastrofa uništenja također je izazvala veliku paniku. Grupa znanstvenika čak je podigla tužbu u pokušaju da zaustavi gradnju. U priopćenju se kaže da će se nakupine antimaterije koje se mogu proizvesti u sudaraču početi uništavati s materijom, započinjući lančanu reakciju i cijeli će Svemir biti uništen. Kao što je slavni lik iz Povratka u budućnost rekao:

Cijeli je svemir, naravno, u najgorem slučaju. U najboljem slučaju, samo naša galaksija. dr. Emet Brown.

Pokušajmo sada shvatiti zašto je hadronski? Činjenica je da radi s hadronima, odnosno ubrzava, ubrzava i sudara hadrone.

Hadroni– klasa elementarnih čestica podložnih jakim međudjelovanjima. Hadroni su napravljeni od kvarkova.

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

Kako radi Veliki hadronski sudarač

Skala je vrlo impresivna. Sudarač je kružni tunel koji se nalazi pod zemljom na dubini od sto metara. Veliki hadronski sudarač dugačak je 26.659 metara. Protoni, ubrzani do brzina bliskih brzini svjetlosti, lete u podzemnom krugu preko teritorija Francuske i Švicarske. Točnije, dubina tunela je od 50 do 175 metara. Za fokusiranje i zadržavanje zraka letećih protona koriste se supravodljivi magneti, njihovi ukupna dužina iznosi oko 22 kilometra, a rade na temperaturi od -271 stupnja Celzija.

Sudarač uključuje 4 gigantska detektora: ATLAS, CMS, ALICE i LHCb. Uz glavne velike detektore postoje i pomoćni. Detektori su dizajnirani za bilježenje rezultata sudara čestica. Odnosno, nakon što se dva protona sudare brzinom bliskom svjetlosti, nitko ne zna što očekivati. Da biste “vidjeli” što se dogodilo, gdje se odbio i koliko je odletio, postoje detektori natrpani svim vrstama senzora.

Rezultati Velikog hadronskog sudarača.

Zašto vam treba sudarač? Pa, sigurno ne da uništimo Zemlju. Čini se, koja je svrha sudaranja čestica? Činjenica je da u modernoj fizici postoji mnogo neodgovorenih pitanja, a proučavanje svijeta uz pomoć ubrzanih čestica može doslovno otvoriti novi sloj stvarnosti, razumjeti strukturu svijeta, a možda čak i odgovoriti na glavno pitanje “smisao života, Svemira i općenito”.

Koja su otkrića već napravljena u LHC-u? Najpoznatija stvar je otkriće Higgsov bozon(posvetit ćemo mu poseban članak). Osim toga, bili su otvoreni 5 novih čestica, dobiveni su prvi podaci o sudarima pri rekordnim energijama, prikazana je odsutnost asimetrije protona i antiprotona, otkrivene neobične protonske korelacije. Popis se nastavlja još dugo. Ali mikroskopske crne rupe koje su užasavale kućanice nisu se mogle otkriti.

I to unatoč činjenici da sudarač još nije ubrzan do maksimalne snage. Trenutno maksimalna energija Velikog hadronskog sudarača iznosi 13 TeV(tera elektron-volt). No, nakon odgovarajuće pripreme protoni se planiraju ubrzati 14 TeV. Usporedbe radi, u akceleratorima-prekursorima LHC-a maksimalne dobivene energije nisu prelazile 1 TeV. Tako bi američki akcelerator Tevatron iz Illinoisa mogao ubrzavati čestice. Energija koja se postiže u sudaraču daleko je od najveće na svijetu. Dakle, energija kozmičkih zraka detektiranih na Zemlji milijardu puta premašuje energiju čestice ubrzane u sudaraču! Dakle, opasnost od Velikog hadronskog sudarača je minimalna. Vjerojatno će nakon što se dobiju svi odgovori korištenjem LHC-a, čovječanstvo morati izgraditi još jedan snažniji sudarač.

Prijatelji, volite znanost, a ona će sigurno voljeti vas! I lako vam mogu pomoći da se zaljubite u znanost. Zatražite pomoć i neka vam učenje donese radost!

To je potraga za načinima kako spojiti dvije temeljne teorije - GTR (o teoriji gravitacije) i Standardni model (standardni model koji kombinira tri temeljne fizičke interakcije - elektromagnetsku, jaku i slabu). Pronalaženje rješenja prije stvaranja LHC-a ometale su poteškoće u stvaranju teorije kvantne gravitacije.

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

Da bi se to postiglo, korišteno je nekoliko popularnih i modernih pristupa - teorija struna, teorija brane, teorija supergravitacije, a također i teorija kvantne gravitacije. Prije izgradnje sudarača glavni problem za izvođenje potrebnih eksperimenata bio je nedostatak energije koji se ne može postići drugim modernim akceleratorima nabijenih čestica.

Ženevski LHC dao je znanstvenicima priliku da provedu dosad nemoguće eksperimente. Vjeruje se da će u skoroj budućnosti mnoge fizikalne teorije biti potvrđene ili opovrgnute uz pomoć aparata. Jedna od najproblematičnijih je supersimetrija ili teorija struna, koja je fiziku dugo dijelila na dva tabora - “stringere” i njihove rivale.

Ostali temeljni eksperimenti provedeni u sklopu rada LHC-a

Zanimljiva su i istraživanja znanstvenika na području proučavanja top- , koji su najteži kvarkovi i najteži (173,1 ± 1,3 GeV/c²) od svih danas poznatih elementarnih čestica.

Zbog ovog svojstva, čak i prije stvaranja LHC-a, znanstvenici su kvarkove mogli promatrati samo na akceleratoru Tevatron, jer drugi uređaji jednostavno nisu imali dovoljno snage i energije. S druge strane, teorija kvarkova je važan element senzacionalnu hipotezu o Higgsovom bozonu.

Znanstvenici provode sva znanstvena istraživanja o stvaranju i proučavanju svojstava kvarkova u top-quark-antiquark parnoj sobi u LHC-u.

Važan cilj ženevskog projekta je i proces proučavanja mehanizma elektroslabe simetrije, koji je također povezan s eksperimentalnim dokazom postojanja Higgsovog bozona. Da još preciznije definiramo problem, predmet proučavanja nije toliko sam bozon, koliko mehanizam narušavanja simetrije elektroslabe interakcije koji je predvidio Peter Higgs.

LHC također provodi eksperimente u potrazi za supersimetrijom - a željeni rezultat bit će teorija da svaku elementarnu česticu uvijek prati teži partner, i njeno pobijanje.

Izraz “Veliki hadronski sudarač” toliko je duboko ukorijenjen u medijima da za ovu instalaciju zna ogroman broj ljudi, uključujući i one čije aktivnosti nisu ni na koji način povezane s fizikom elementarnih čestica, niti sa znanošću općenito.

Doista, tako velik i skup projekt mediji nisu mogli ignorirati - prstenasta instalacija duga gotovo 27 kilometara, koja košta desetke milijardi dolara, a na kojoj radi nekoliko tisuća znanstvenika iz cijelog svijeta. Značajan doprinos popularnosti sudarača dala je takozvana “Božja čestica” ili Higgsov bozon, koja je uspješno reklamirana, a za koju je Peter Higgs dobio Nobelova nagrada iz fizike 2013.

Prije svega treba napomenuti da Large Hadron Collider nije izgrađen od nule, već je nastao na mjestu svog prethodnika, Large Electron-Positron Collider (LEP). Radovi na tunelu dugom 27 kilometara započeli su 1983. godine, gdje se kasnije planiralo smjestiti akcelerator koji bi sudarao elektrone i pozitrone. Godine 1988. prstenasti tunel je zatvoren, a radnici su pristupili probijanju tako pažljivo da je razlika između dva kraja tunela bila samo 1 centimetar.

Akcelerator je radio do kraja 2000. godine, kada je dosegao vršnu energiju od 209 GeV. Nakon toga je počelo njegovo razbijanje. U jedanaest godina svog djelovanja LEP je fizici donio niz otkrića, uključujući i otkriće W i Z bozona te njihovo daljnje istraživanje. Na temelju rezultata ovih istraživanja zaključeno je da su mehanizmi elektromagnetskih i slabih međudjelovanja slični, zbog čega je započeo teorijski rad na spajanju ovih međudjelovanja u elektroslabe.

Godine 2001. započela je izgradnja Velikog hadronskog sudarača na mjestu elektron-pozitronskog akceleratora. Izgradnja novog akceleratora završena je krajem 2007. godine. Nalazio se na lokalitetu LEP - na granici između Francuske i Švicarske, u dolini Ženevskog jezera (15 km od Ženeve), na dubini od sto metara. U kolovozu 2008. započela su testiranja sudarača, a 10. rujna službeno je lansiran LHC. Kao i kod prethodnog akceleratora, izgradnju i rad postrojenja vodi Europska organizacija za nuklearna istraživanja - CERN.

CERN

Vrijedno je ukratko spomenuti organizaciju CERN (Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire). Ova organizacija djeluje kao najveći svjetski laboratorij u području fizike visoke energije. Uključuje tri tisuće stalnih zaposlenika, au projektima CERN-a sudjeluje još nekoliko tisuća istraživača i znanstvenika iz 80 zemalja.

U ovom trenutku u projektu sudjeluju 22 zemlje: Belgija, Danska, Francuska, Njemačka, Grčka, Italija, Nizozemska, Norveška, Švedska, Švicarska, Velika Britanija - osnivači, Austrija, Španjolska, Portugal, Finska, Poljska, Mađarska , Češka, Slovačka, Bugarska i Rumunjska – pristupile. Međutim, kao što je već spomenuto, još nekoliko desetaka zemalja sudjeluje u radu organizacije na ovaj ili onaj način, a posebno na Velikom hadronskom sudaraču.

Kako radi Veliki hadronski sudarač?

Što je Large Hadron Collider i kako radi glavna su pitanja od javnog interesa. Pogledajmo dalje ova pitanja.

Collider – u prijevodu s engleskog znači “onaj koji se sudara”. Svrha takve postavke je sudaranje čestica. U slučaju hadronskog sudarača, čestice igraju hadroni - čestice koje sudjeluju u jakim interakcijama. Ovo su protoni.

Dobivanje protona

Dugo putovanje protona nastaje u duoplazmatronu – prvom stupnju akceleratora, koji prima vodik u obliku plina. Duoplazmatron je komora za pražnjenje u kojoj se kroz plin provodi električno pražnjenje. Tako vodik, koji se sastoji samo od jednog elektrona i jednog protona, gubi svoj elektron. Na taj način nastaje plazma – tvar koja se sastoji od nabijenih čestica – protona. Naravno, teško je dobiti čistu protonsku plazmu, pa se nastala plazma, koja također uključuje oblak molekularnih iona i elektrona, filtrira kako bi se izolirao protonski oblak. Pod utjecajem magneta protonska plazma se sabija u snop.

Preliminarno ubrzanje čestica

Novonastali snop protona započinje svoje putovanje u linearnom akceleratoru LINAC 2, koji je 30-metarski prsten sekvencijalno obješen s nekoliko šupljih cilindričnih elektroda (vodiča). Elektrostatsko polje stvoreno unutar akceleratora je stupnjevano na takav način da čestice između šupljih cilindara uvijek doživljavaju silu ubrzanja u smjeru sljedeće elektrode. Ne ulazeći u potpunosti u mehanizam ubrzanja protona u ovoj fazi, samo napominjemo da na izlazu iz LINAC-a 2 fizičari primaju snop protona s energijom od 50 MeV, koja već doseže 31% brzine svjetlosti. Važno je napomenuti da se u ovom slučaju masa čestica povećava za 5%.

Do 2019.-2020. planira se LINAC 2 zamijeniti LINAC-om 4, koji će ubrzati protone do 160 MeV.

Vrijedno je napomenuti da sudarač također ubrzava ione olova, što će omogućiti proučavanje kvark-gluonske plazme. Ubrzavaju se u prstenu LINAC 3, slično LINAC 2. U budućnosti se planiraju i pokusi s argonom i ksenonom.

Zatim paketi protona ulaze u protonski sinkroni pojačivač (PSB). Sastoji se od četiri međusobno postavljena prstena promjera 50 metara u kojima su smješteni elektromagnetski rezonatori. Elektromagnetsko polje koje stvaraju ima veliki intenzitet, a čestica koja prolazi kroz njega dobiva ubrzanje kao rezultat razlike potencijala polja. Dakle, nakon samo 1,2 sekunde čestice se u PSB-u ubrzavaju do 91% brzine svjetlosti i postižu energiju od 1,4 GeV, nakon čega ulaze u protonski sinkrotron (PS). PS je promjera 628 metara i opremljen je sa 27 magneta koji usmjeravaju snop čestica u kružnu orbitu. Ovdje protoni čestica dosežu 26 GeV.

Pretposljednji prsten za ubrzavanje protona je Super Proton Synchrotron (SPS), čiji opseg doseže 7 kilometara. Opremljen s 1317 magneta, SPS ubrzava čestice do energije od 450 GeV. Nakon 20-ak minuta protonski snop ulazi u glavni prsten – Large Hadron Collider (LHC).

Ubrzanje i sudaranje čestica u LHC-u

Prijelazi između prstenova akceleratora odvijaju se kroz elektromagnetska polja koja stvaraju snažni magneti. Glavni prsten sudarača sastoji se od dvije paralelne linije u kojima se čestice kreću po kružnoj orbiti u suprotnom smjeru. Za održavanje kružne putanje čestica i njihovo usmjeravanje do mjesta sudara zaduženo je oko 10.000 magneta, a neki od njih teže i do 27 tona. Kako bi se izbjeglo pregrijavanje magneta, koristi se krug helija-4 kroz koji teče približno 96 tona tvari na temperaturi od -271,25 ° C (1,9 K). Protoni postižu energiju od 6,5 TeV (odnosno energija sudara je 13 TeV), dok im je brzina 11 km/h manja od brzine svjetlosti. Tako u sekundi snop protona prođe kroz veliki prsten sudarača 11.000 puta. Prije nego što se čestice sudare, kružit će oko prstena 5 do 24 sata.

Sudari čestica događaju se na četiri točke u glavnom LHC prstenu, gdje se nalaze četiri detektora: ATLAS, CMS, ALICE i LHCb.

Detektori velikog hadronskog sudarača

ATLAS (Toroidalni LHC aparat)

- je jedan od dva detektora Opća namjena na Velikom hadronskom sudaraču (LHC). On istražuje širok raspon fizike, od potrage za Higgsovim bozonom do čestica koje bi mogle činiti tamna tvar. Iako ima iste znanstvene ciljeve kao CMS eksperiment, ATLAS koristi drugačije tehnička rješenja i drugi dizajn magnetskog sustava.

Zrake čestica iz LHC-a sudaraju se u središtu detektora ATLAS, stvarajući nadolazeće krhotine u obliku novih čestica koje lete iz točke sudara u svim smjerovima. Šest različitih podsustava za detekciju, raspoređenih u slojeve oko točke udara, bilježe putanju, zamah i energiju čestica, omogućujući njihovu pojedinačnu identifikaciju. Ogroman sustav magneta savija putanje nabijenih čestica kako bi se mogli mjeriti njihovi impulsi.

Interakcije u ATLAS detektoru stvaraju ogroman protok podataka. Za obradu ovih podataka, ATLAS koristi napredni sustav "okidača" koji govori detektoru koje događaje treba zabilježiti, a koje zanemariti. Sljedeće se zatim koristi za analizu snimljenih događaja sudara: složeni sustavi prikupljanje i izračun podataka.

Detektor je visok 46 metara i širok 25 metara, dok mu je masa 7000 tona. Ovi parametri čine ATLAS najvećim detektorom čestica ikada izgrađenim. Nalazi se u tunelu na dubini od 100 m u blizini glavnog sjedišta CERN-a, u blizini sela Meyrin u Švicarskoj. Instalacija se sastoji od 4 glavne komponente:

• Interni detektor ima cilindričnog oblika, unutarnji prsten nalazi se samo nekoliko centimetara od osi prolaznog snopa čestica, a vanjski prsten ima promjer od 2,1 metar i duljinu od 6,2 metra. Sastoji se od tri raznih sustava senzori uronjeni u magnetsko polje. Unutarnji detektor mjeri smjer, moment i naboj električki nabijenih čestica koje nastaju u svakom sudaru proton-proton. Glavni elementi unutarnjeg detektora su: Pixel Detector, Semi-Conductor Tracker (SCT) i Transition Radiation Tracker (TRT).

• Kalorimetri mjere energiju koju čestica gubi dok prolazi kroz detektor. Apsorbira čestice koje nastaju tijekom sudara, bilježeći tako njihovu energiju. Kalorimetri se sastoje od slojeva "upijajućeg" materijala sa visoka gustoća— olovo, naizmjenično sa slojevima „aktivnog medija” — tekući argon. Elektromagnetski kalorimetri mjere energiju elektrona i fotona u njihovoj interakciji s materijom. Hadronski kalorimetri mjere energiju hadrona u interakciji s atomskim jezgrama. Kalorimetri mogu zaustaviti većinu poznatih čestica osim miona i neutrina.

LAr (Liquid Argon Calorimeter) - ATLAS kalorimetar

• Mionski spektrometar - sastoji se od 4000 pojedinačnih mionskih komora koje koriste četiri različite tehnologije za identifikaciju miona i mjerenje njihovih momenta. Mioni obično prolaze kroz interni detektor i kalorimetar, za što je potreban mionski spektrometar.

• ATLAS-ov magnetski sustav savija čestice oko različitih slojeva detektorskih sustava, što olakšava praćenje tragova čestica.

U eksperimentu ATLAS (veljača 2012.) sudjeluje više od 3000 znanstvenika iz 174 institucije u 38 zemalja.

CMS (kompaktni mionski solenoid)

— je detektor opće namjene na Velikom hadronskom sudaraču (LHC). Kao i ATLAS, ima širok program fizike, od proučavanja standardnog modela (uključujući Higgsov bozon) do traženja čestica koje bi mogle činiti tamnu tvar. Iako ima iste znanstvene ciljeve kao i eksperiment ATLAS, CMS koristi drugačija tehnička rješenja i drugačiji dizajn magnetskog sustava.

CMS detektor izgrađen je oko ogromnog solenoidnog magneta. To je cilindrična zavojnica supravodljivog kabela koja stvara polje od 4 Tesle, približno 100 000 puta veće od Zemljinog magnetskog polja. Polje je ograničeno čeličnim "jarmom", koji je najmasivnija komponenta detektora, teška 14.000 tona. Kompletan detektor je dug 21 m, širok 15 m i visok 15 m. Instalacija se sastoji od 4 glavne komponente:

• Solenoidni magnet je najveći magnet na svijetu i služi za savijanje putanje nabijenih čestica koje se emitiraju iz točke udara. Izobličenje putanje omogućuje razlikovanje pozitivno i negativno nabijenih čestica (budući da se savijaju u suprotnim smjerovima), kao i mjerenje momenta čija veličina ovisi o zakrivljenosti putanje. Ogromna veličina solenoida omogućuje da se uređaj za praćenje i kalorimetri smjeste unutar zavojnice.
• Silicijski tragač - Sastoji se od 75 milijuna pojedinačnih elektroničkih senzora raspoređenih u koncentričnim slojevima. Kada nabijena čestica leti kroz slojeve tragača, ona prenosi dio energije na svaki sloj; kombiniranje tih točaka sudara čestice s različitim slojevima omogućuje nam daljnje određivanje njezine putanje.
• Kalorimetri – elektronski i hadronski, vidi ATLAS kalorimetri.
• Sub-detektori - omogućuju detekciju miona. Predstavljeni su s 1400 mionskih komora, koje su smještene u slojevima izvan zavojnice, izmjenjujući se s metalnim pločama "jarma".

CMS eksperiment jedan je od najvećih međunarodnih znanstveno istraživanje u povijesti, s 4300 sudionika: fizičara čestica, inženjera i tehničara, studenata i pomoćnog osoblja iz 182 institucije, 42 zemlje (veljača 2014.).

ALICE (Eksperiment velikog ionskog sudarača)

— je detektor teških iona na prstenovima Velikog hadronskog sudarača (LHC). Osmišljen je za proučavanje fizike snažno međudjelovajuće tvari pri ekstremnim gustoćama energije, gdje se formira faza materije koja se naziva kvark-gluonska plazma.

Sva obična materija u današnjem svemiru sastoji se od atoma. Svaki atom sadrži jezgru protona i neutrona (osim vodika koji nema neutrone), okruženu oblakom elektrona. Protoni i neutroni su pak sastavljeni od kvarkova povezanih s drugim česticama koje se nazivaju gluoni. Nijedan kvark nikada nije promatran izolirano: kvarkovi, kao i gluoni, izgledaju kao da su trajno povezani i zatvoreni unutar sastavnih čestica kao što su protoni i neutroni. To se zove zatvorenost.

Sudari u LHC-u stvaraju temperature više od 100 000 puta više nego u središtu Sunca. Sudarač omogućuje sudare između iona olova, ponovno stvarajući uvjete slične onima koji su se dogodili neposredno nakon Velikog praska. Pod tim ekstremnim uvjetima, protoni i neutroni se "otapaju", oslobađajući kvarkove od njihovih veza s gluonima. Ovo je kvark-gluonska plazma.

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

Eksperiment uključuje više od 1000 znanstvenika iz više od 100 instituta za fiziku u 30 zemalja.

LHCb (Eksperiment ljepote velikog hadronskog sudarača)

– Eksperiment istražuje male razlike između materije i antimaterije proučavanjem vrste čestica koje se nazivaju beauty quark ili b quark.

Umjesto da cijelu točku sudara okruži zatvorenim detektorom, poput ATLAS-a i CMS-a, eksperiment LHCb koristi seriju poddetektora za detekciju pretežno čestica naprijed—onih koje su bile usmjerene prema naprijed sudarom u jednom smjeru. Prvi poddetektor postavlja se blizu točke sudara, a ostali se postavljaju jedan za drugim na udaljenosti od 20 metara.

Veliko obilje stvoreno u LHC-u različite vrste kvarkove prije nego što se brzo raspadnu u druge oblike. Kako bi se uhvatili b kvarkovi, razvijeni su složeni pokretni detektori praćenja za LHCb, smješteni blizu kretanja snopa čestica kroz sudarač.

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

Ostali eksperimenti na sudaraču

Uz gore navedene pokuse na Velikom hadronskom sudaraču, postoje još dva pokusa s instalacijama:

• LHCf (Veliki hadronski sudarač naprijed)— proučava čestice bačene naprijed nakon sudara snopova čestica. Oni simuliraju kozmičke zrake, koje znanstvenici proučavaju u sklopu eksperimenta. Kozmičke zrake su prirodne nabijene čestice iz svemira koje neprestano bombardiraju Zemljinu atmosferu. Oni se sudaraju s jezgrama u gornjoj atmosferi, uzrokujući kaskadu čestica koje dosežu razinu tla. Proučavanje kako sudari unutar LHC-a proizvode takve kaskade čestica pomoći će fizičarima u tumačenju i kalibraciji velikih eksperimenata s kozmičkim zrakama koji mogu obuhvatiti tisuće kilometara.

LHCf se sastoji od dva detektora koji se nalaze duž LHC-a, udaljeni 140 metara s obje strane udarne točke ATLAS-a. Svaki od dva detektora težak je samo 40 kilograma i dugačak je 30 cm, visok 80 cm i širok 10 cm. LHCf eksperiment uključuje 30 znanstvenika iz 9 instituta u 5 zemalja (studeni 2012.).

• TOTEM (ukupni presjek, elastično raspršenje i difrakcijska disocijacija)- eksperiment s najdužom instalacijom na sudaraču. Njegova misija je proučavanje samih protona, preciznim mjerenjem protona proizvedenih u sudarima pod malim kutom. Ovo područje je poznato kao smjer "naprijed" i nije dostupno drugim LHC eksperimentima. TOTEM detektori protežu se gotovo pola kilometra oko točke interakcije CMS-a. TOTEM ima gotovo 3000 kg opreme, uključujući četiri nuklearna teleskopa, kao i 26 rimskih detektora posuda. Potonji tip omogućuje postavljanje detektora što je moguće bliže snopu čestica. Eksperiment TOTEM uključuje otprilike 100 znanstvenika iz 16 instituta u 8 zemalja (kolovoz 2014.).

Zašto je potreban Veliki hadronski sudarač?

Najveća međunarodna znanstvena instalacija istražuje širok raspon fizičkih problema:

• Proučavanje top kvarkova. Ova čestica nije samo najteži kvark, već i najteža elementarna čestica. Proučavanje svojstava top kvarka također ima smisla jer je to istraživački alat.
• Potraga i proučavanje Higgsovog bozona. Iako CERN tvrdi da je Higgsov bozon već otkriven (2012.), vrlo malo se zna o njegovoj prirodi te bi daljnja istraživanja mogla donijeti veću jasnoću mehanizmu njegova djelovanja.

• Proučavanje kvark-gluonske plazme. Kada se jezgre olova sudaraju pri velikim brzinama, u sudaraču se stvara . Njezino istraživanje može donijeti rezultate korisne i za nuklearnu fiziku (poboljšanje teorije jakih međudjelovanja) i astrofiziku (proučavanje Svemira u njegovim prvim trenucima postojanja).
• Potraga za supersimetrijom. Ovo istraživanje ima za cilj opovrgnuti ili dokazati "supersimetriju", teoriju da svaka elementarna čestica ima težeg partnera koji se zove "superčestica".
• Proučavanje sudara foton-foton i foton-hadron. To će poboljšati razumijevanje mehanizama procesa takvih sudara.
• Testiranje egzotičnih teorija. Ova kategorija zadataka uključuje najnekonvencionalnije - "egzotične", na primjer, potragu za paralelnim svemirima stvaranjem mini-crnih rupa.

Osim ovih zadataka, postoje i mnogi drugi, čije će rješavanje također omogućiti čovječanstvu bolje razumijevanje prirode i svijeta oko nas, što će zauzvrat otvoriti mogućnosti za stvaranje novih tehnologija.

Praktične prednosti Velikog hadronskog sudarača i fundamentalna znanost

Prije svega treba napomenuti da temeljna istraživanja doprinose temeljnoj znanosti. Primjenom ovih spoznaja bavi se primijenjena znanost. Dio društva koji nije svjestan dobrobiti fundamentalne znanosti otkriće Higgsovog bozona ili stvaranje kvark-gluonske plazme često ne doživljava kao nešto značajno. Povezanost takvih studija sa životom obične osobe nije očita. Pogledajmo kratki primjer s nuklearnom energijom:

Godine 1896. francuski fizičar Antoine Henri Becquerel otkrio je fenomen radioaktivnosti. Dugo vremena vjerovalo se da joj industrijska uporabačovječanstvo neće skoro proći. Samo pet godina prije pokretanja prvog nuklearnog reaktora u povijesti, veliki fizičar Ernest Rutherford, koji je zapravo otkrio atomsku jezgru 1911., rekao je da atomska energija nikada neće naći svoju primjenu. Stručnjaci su uspjeli preispitati svoj stav prema energiji sadržanoj u jezgri atoma 1939. godine, kada su njemački znanstvenici Lise Meitner i Otto Hahn otkrili da se jezgre urana, kada su ozračene neutronima, dijele na dva dijela, oslobađajući ogromnu količinu energije - nuklearnu energije.

I tek nakon ove zadnje karike u nizu temeljna istraživanja U igru ​​je ušla primijenjena znanost koja je na temelju tih otkrića izumila uređaj za proizvodnju nuklearne energije – atomski reaktor. Razmjeri otkrića mogu se procijeniti gledajući udio električne energije koju proizvode nuklearni reaktori. Tako u Ukrajini, na primjer, nuklearne elektrane čine 56% proizvodnje električne energije, au Francuskoj – 76%.

Sve nove tehnologije temelje se na određenim temeljnim znanjima. Evo još par kratkih primjera:

• Godine 1895. Wilhelm Conrad Roentgen primijetio je da fotografska ploča potamni kad je izložena X-zrakama. Danas je radiografija jedna od najčešće korištenih studija u medicini, koja omogućuje proučavanje stanja unutarnji organi te otkriti infekcije i otekline.
• Godine 1915. Albert Einstein predložio je svoje. Danas se ova teorija uzima u obzir pri radu s GPS satelitima, koji određuju lokaciju objekta s točnošću od nekoliko metara. GPS se koristi u mobilnim komunikacijama, kartografiji, praćenju prometa, ali prvenstveno u navigaciji. Pogreška satelita koji ne uzima u obzir opću relativnost rasla bi 10 kilometara dnevno od trenutka lansiranja! A ako se pješak može služiti razumom i papirnata karta, tada će se zrakoplovni piloti naći u teškoj situaciji, budući da je nemoguće upravljati po oblacima.

Ako danas još nije pronađena praktična primjena za otkrića napravljena u LHC-u, to ne znači da znanstvenici "uzalud petljaju po sudaraču". Kao što znate, razumna osoba uvijek namjerava izvući maksimum praktična aplikacija iz postojećih spoznaja, pa će samim time i znanja o prirodi akumulirana u procesu istraživanja na LHC-u svakako naći svoju primjenu, prije ili kasnije. Kao što je već pokazano gore, veza između temeljnih otkrića i tehnologija koje ih koriste ponekad možda uopće nije očita.

Na kraju, spomenimo tzv. posredna otkrića, koja nisu postavljena kao početni ciljevi istraživanja. Događaju se prilično često, jer temeljno otkriće obično zahtijeva uvođenje i korištenje novih tehnologija. Tako je razvoj optike dobio poticaj temeljnim istraživanjem svemira, temeljenim na promatranjima astronoma putem teleskopa. U slučaju CERN-a, tako se pojavila sveprisutna tehnologija: Internet, projekt koji je predložio Tim Berners-Lee 1989. kako bi se lakše pronašli podaci organizacije CERN-a.

U ovom pitanju (i drugim sličnim), neobična je pojava riječi "zapravo" - kao da postoji neka suština skrivena od neupućenih, zaštićena od strane "svećenika znanosti" od običnih ljudi, tajna koja treba biti otkriveno. Međutim, kada se promatra iznutra znanosti, misterij nestaje i nema mjesta za ove riječi - pitanje "zašto nam je potreban hadronski sudarač" nije bitno drugačije od pitanja "zašto nam je potrebno ravnalo (ili vaga) , ili satovi, itd.)." Činjenica da je sudarač velika, skupa i složena stvar po svim standardima ne mijenja stvar.

Najbliža analogija za razumijevanje "zašto je ovo potrebno" je, po mom mišljenju, leća. Čovječanstvo je od pamtivijeka upoznato sa svojstvima leća, no tek sredinom prošlog tisućljeća došlo se do spoznaje da se određene kombinacije leća mogu koristiti kao instrumenti koji nam omogućuju ispitivanje vrlo malih ili vrlo udaljenih objekata – mi smo, naravno, govorimo o mikroskopu i teleskopu. Nema sumnje da se pitanje zašto je sve to potrebno više puta postavljalo kada su se pojavili ovi novi dizajni za suvremenike. Međutim, sam je skinut s dnevnog reda, kako su se područja znanstvene i primijenjene primjene oba uređaja proširila. Općenito govoreći, ovo su različiti instrumenti - nećete moći gledati zvijezde invertiranim mikroskopom. Veliki hadronski sudarač, paradoksalno, kombinira ih u sebi i s pravom se može smatrati najvišom točkom u evoluciji mikroskopa i teleskopa koju 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 to upravo tako. U svom "mikroskopskom" obliku, sudarač vam omogućuje proučavanje strukture i svojstava objekata na razini od 10-19 metara (da vas podsjetim da je veličina atoma vodika približno 10-10 metara). Situacija je još zanimljivija u dijelu “teleskopa”. Svaki teleskop je pravi vremeplov, budući da slika koja se u njemu promatra odgovara onome kakav je bio objekt promatranja u prošlosti, odnosno prije vremena koje je elektromagnetsko zračenje trebalo da dođe do promatrača s tog objekta. Ovo vrijeme može biti nešto više od osam minuta kada se Sunce promatra sa Zemlje i do milijardi godina kada se promatraju udaljeni kvazari. Unutar Velikog hadronskog sudarača stvaraju se uvjeti koji su postojali u Svemiru samo djelić sekunde nakon Velikog praska. Tako dobivamo priliku pogledati unatrag gotovo 14 milijardi godina, na sam početak našeg svijeta. Konvencionalni zemaljski i orbitalni teleskopi (barem oni koji snimaju elektromagnetska radijacija), stječu "vid" tek nakon ere rekombinacije, kada je Svemir postao optički proziran - to se dogodilo, prema modernim idejama, 380 tisuća godina nakon Velikog praska.

Zatim moramo odlučiti što učiniti s ovim znanjem: kako o strukturi materije na malim razmjerima, tako i o njezinim svojstvima pri rađanju Svemira, a to je ono što će na kraju vratiti misterij o kojem smo raspravljali na početku i odrediti zašto je sudarač je potrebno bilo je potrebno "stvarno". No, to je ljudska odluka, a sudarač uz pomoć kojeg se došlo do ovih saznanja ostat će samo uređaj - možda najsofisticiraniji sustav "leća" koji je svijet ikada vidio.