유럽에서 진행되고 있는 실험에 대한 소식은 대중의 평화를 뒤흔들었고, 논의 주제 목록의 상위에 올랐습니다. 하드론 충돌기 TV, 언론, 인터넷 등 모든 곳에서 나타났습니다. LJ 사용자가 수백 명의 배려하는 사람들이 이미 과학의 새로운 아이디어에 대한 의견을 적극적으로 표현한 별도의 커뮤니티를 만든다면 무엇을 말할 수 있습니까? "Delo"는 당신이 알 수밖에 없는 10가지 사실을 알려드립니다. 강입자 충돌기.

신비한 과학 문구는 우리가 각 단어의 의미를 이해하자마자 더 이상 존재하지 않습니다. 하드론– 기본 입자 클래스의 이름입니다. 충돌기- 물질의 기본 입자에 높은 에너지를 전달하고 최고 속도로 가속하여 서로 충돌을 재현할 수 있는 특수 가속기입니다.

2. 왜 다들 그에 대해 이야기하고 있나요?

CERN 유럽 핵 연구 센터의 과학자들에 따르면, 이 실험을 통해 수십억 년 전에 우주가 형성되었던 폭발을 미니어처로 재현하는 것이 가능해질 것입니다. 그러나 대중이 가장 우려하는 것은 실험이 실패할 경우 소형 폭발이 지구에 어떤 결과를 가져올 것인가이다. 일부 과학자들에 따르면, 초상대론적 속도로 서로 반대 방향으로 날아가는 소립자들이 충돌하면 미세한 블랙홀이 생기고, 다른 위험한 입자들도 날아가게 된다고 합니다. 블랙홀의 증발로 이어지는 특수 방사선에 의존하는 데 특별한 의미는 없습니다. 그것이 작동한다는 실험적 증거도 없습니다. 그렇기 때문에 그런 과학적 혁신회의적인 과학자들에 의해 적극적으로 촉진되어 불신이 발생합니다.

3. 이건 어떻게 작동하나요?

기본 입자는 반대 방향으로 서로 다른 궤도로 가속된 후 하나의 궤도에 배치됩니다. 복잡한 장치의 가치는 그 덕분에 과학자들이 1억 5천만 픽셀의 해상도와 6억 프레임을 촬영할 수 있는 디지털 카메라 형태의 특수 탐지기로 기록된 기본 입자의 충돌 생성물을 연구할 수 있는 기회를 갖게 되었다는 것입니다. 두번째.

4. 충돌체를 만들자는 아이디어는 언제부터 나왔나요?

기계를 만들려는 아이디어는 1984년에 탄생했지만 터널 건설은 2001년에야 시작되었습니다. 이 가속기는 이전 가속기인 대형 전자-양전자 충돌기가 있던 터널과 동일한 터널에 위치해 있습니다. 26.7km 길이의 고리는 프랑스와 스위스의 지하 약 100m 깊이에 놓여 있습니다. 9월 10일, 첫 번째 양성자 빔이 가속기에서 발사되었습니다. 두 번째 빔은 앞으로 며칠 안에 발사될 예정이다.

5. 건설 비용은 얼마입니까?

러시아 과학자를 포함하여 전 세계 수백 명의 과학자가 프로젝트 개발에 참여했습니다. 그 비용은 100억 달러로 추산되며, 그 중 미국은 강입자 충돌기 건설에 5억 3100만 달러를 투자했습니다.

6. 우크라이나는 가속기 개발에 어떤 기여를 했습니까?

우크라이나 이론 물리학 연구소의 과학자들은 강입자 충돌기 건설에 직접 참여했습니다. 특히 연구를 위해 내부 시스템을 개발했습니다. 트랙 시스템(그것은). 그녀는 "앨리스"의 심장입니다. 충돌기, 미니어처 "빅뱅"이 발생해야 하는 곳입니다. 분명히 이것은 자동차에서 가장 덜 중요한 부분은 아닙니다. 우크라이나는 프로젝트에 참여할 수 있는 권리를 위해 매년 20만 그리브나를 지불해야 합니다. 이는 다른 국가의 프로젝트 기부금보다 500-1000 배 적습니다.

7. 우리는 언제 세상 끝을 예상해야 합니까?

소립자빔의 충돌에 관한 첫 번째 실험은 10월 21일로 예정되어 있다. 이때까지 과학자들은 입자를 빛의 속도에 가까운 속도로 가속할 계획이다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면 블랙홀은 우리를 위협하지 않습니다. 그러나 추가 이론이 있는 경우 공간적 차원그것들은 옳은 것으로 판명될 것이며, 지구상의 모든 문제를 해결할 시간이 별로 남지 않았습니다.

8. 블랙홀은 왜 무서운가요?

블랙홀- 중력이 너무 강해서 빛의 속도로 움직이는 물체도 그 곳을 떠날 수 없는 시공간 영역. 블랙홀의 존재는 아인슈타인 방정식의 해를 통해 확인됩니다. 많은 사람들이 이미 유럽에서 형성된 블랙홀이 어떻게 성장하여 지구 전체를 삼킬 것인지 상상하고 있음에도 불구하고 경보를 울릴 필요가 없습니다. 블랙홀, 일부 이론에 따르면 작업할 때 나타날 수 있습니다. 충돌기, 동일한 이론에 따르면 물질을 흡수하는 과정을 시작할 시간이 없을 정도로 짧은 시간 동안 존재할 것입니다. 일부 과학자들에 따르면 충돌기의 벽에 도달할 시간조차 없을 것이라고 합니다.

9. 연구가 어떻게 유용할 수 있습니까?

이러한 연구가 인류에게 기본 입자의 구성을 알 수 있게 해주는 또 하나의 놀라운 과학 성과라는 사실 외에도, 이것이 인류가 위험을 감수한 전체 이득은 아닙니다. 아마도 가까운 장래에 여러분과 나는 공룡을 직접 눈으로 보고 나폴레옹과 함께 가장 효과적인 군사 전략에 대해 논의할 수 있을 것입니다. 러시아 과학자들은 실험 결과 인류가 타임머신을 만들 수 있을 것이라고 믿고 있다.

10. Hadron Collider를 사용하여 과학적으로 정통하다는 인상을 받는 방법은 무엇입니까?

그리고 마지막으로, 미리 답을 갖고 있는 누군가가 하드론 충돌기가 무엇인지 묻는다면, 우리는 여러분에게 제안합니다. 괜찮은 옵션누구든지 즐겁게 놀라게 할 수 있는 대답입니다. 그러니 안전벨트를 매세요! Hadron Collider는 충돌하는 빔에서 양성자와 중이온을 가속하도록 설계된 하전 입자 가속기입니다. 유럽원자력연구위원회 연구센터에 건설된 이 터널은 깊이 100m에 총 길이 27km의 터널이다. 양성자는 전기적으로 충전되어 있기 때문에 초상대론적 양성자는 양성자 옆으로 날아다니는 거의 실제 광자의 구름을 생성합니다. 이러한 광자 흐름은 핵 충돌 체제에서 더욱 강해집니다. 전하커널. 그들은 다가오는 양성자와 충돌하여 전형적인 광자-강체 충돌을 생성하거나 서로 충돌할 수 있습니다. 과학자들은 실험 결과, 시공간의 유형학적 특징인 시공간 '터널'이 우주에 형성될 수 있다는 점을 우려하고 있습니다. 실험 결과 초대칭의 존재도 입증될 수 있어 초끈이론의 진실성을 간접적으로 확인할 수 있게 됐다.

(또는 탱크)- 현재 세계에서 가장 크고 강력한 입자 가속기. 이 거대한 제품은 2008년에 출시되었지만 오랫동안 제한된 용량으로 작동했습니다. 그것이 무엇인지, 그리고 왜 대형 강입자 충돌기가 필요한지 알아봅시다.

역사, 신화 및 사실

충돌기를 만드는 아이디어는 1984년에 발표되었습니다. 그리고 충돌기 자체 건설 프로젝트는 이미 1995년에 승인 및 채택되었습니다. 이 개발은 유럽핵연구센터(CERN)의 소유입니다. 일반적으로 충돌기의 출시는 과학자들뿐만 아니라 평범한 사람들전 세계에서. 우리는 충돌기 출시와 관련된 모든 종류의 두려움과 공포에 대해 이야기했습니다.

그러나 지금도 누군가는 LHC 작업과 관련된 종말을 기다리고 있으며 Large Hadron Collider가 폭발하면 어떻게 될지 생각하고 있습니다. 우선 모든 사람들은 처음에는 미세한 블랙홀이 성장하여 충돌기 자체를 먼저 흡수하고 스위스와 나머지 세계를 안전하게 흡수하는 것을 두려워했습니다. 전멸 재앙은 또한 큰 공포를 불러 일으켰습니다. 과학자 그룹은 건설을 중단하기 위해 소송을 제기하기도 했습니다. 성명서는 충돌기에서 생성될 수 있는 반물질 덩어리가 물질과 함께 소멸되기 시작하여 연쇄 반응을 시작하고 전체 우주가 파괴될 것이라고 말했습니다. 백투더퓨처의 유명한 캐릭터는 이렇게 말했습니다.

물론 우주 전체가 최악의 시나리오에 처해 있다. 기껏해야 우리 은하계뿐입니다. 에메트 브라운 박사.

이제 왜 강산성인지 이해해 봅시다. 사실 그것은 하드론과 함께 작동하거나 오히려 하드론을 가속, 가속 및 충돌시킵니다.

하드론– 강한 상호작용이 일어나는 기본 입자의 한 종류. 하드론은 쿼크로 이루어져 있습니다.

강입자는 중입자와 중간자로 구분됩니다. 쉽게 설명하자면, 우리에게 알려진 거의 모든 물질이 중입자로 구성되어 있다고 가정해 보겠습니다. 더욱 단순화하여 중입자는 핵자(원자핵을 구성하는 양성자와 중성자)라고 가정해 보겠습니다.

대형 강입자 충돌기의 작동 방식

규모가 매우 인상적입니다. 충돌기는 지하 100m 깊이에 위치한 원형 터널입니다. 대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)는 길이가 26,659미터입니다. 빛의 속도에 가까운 속도로 가속된 양성자는 프랑스와 스위스 영토를 가로지르는 지하 원을 그리며 날아갑니다. 정확히 말하면 터널의 깊이는 50~175m이다. 날아다니는 양성자 빔의 초점을 맞추고 유지하기 위해 초전도 자석이 사용됩니다. 총 길이거리는 약 22km이고 온도는 섭씨 -271도에서 작동합니다.

충돌체에는 ATLAS, CMS, ALICE 및 LHCb 등 4개의 거대 탐지기가 포함되어 있습니다. 주요 대형 감지기 외에도 보조 감지기도 있습니다. 감지기는 입자 충돌 결과를 기록하도록 설계되었습니다. 즉, 두 개의 양성자가 거의 광속에 가까운 속도로 충돌한 후에는 누구도 무엇을 예상할지 알 수 없습니다. 무슨 일이 일어났는지, 어디에서 튀었는지, 얼마나 멀리 날아갔는지 "확인"하기 위해 모든 종류의 센서로 채워진 감지기가 있습니다.

대형 강입자 충돌기의 결과.

왜 충돌기가 필요합니까? 글쎄요, 확실히 지구를 파괴하려는 것은 아닙니다. 입자 충돌의 요점은 무엇입니까? 사실 현대 물리학에는 해결되지 않은 질문이 많이 있으며 가속 입자의 도움으로 세계를 연구하면 문자 그대로현실의 새로운 층을 열고, 세계의 구조를 이해하고, 어쩌면 답을 찾을 수도 있습니다. 주요 질문"인생, 우주, 그리고 일반적으로의 의미."

LHC에서 이미 어떤 발견이 이루어졌습니까? 가장 유명한 것은 발견이다. 힉스 보존(우리는 그에게 별도의 기사를 바칠 것입니다). 게다가 오픈했어요 5개의 새로운 입자, 기록적인 에너지 충돌에 대한 최초의 데이터가 얻어졌습니다., 양성자와 반양성자의 비대칭성이 없음이 나타납니다., 특이한 양성자 상관관계 발견. 목록은 오랫동안 계속됩니다. 하지만 주부들을 공포에 떨게 했던 미세한 블랙홀은 발견되지 않았다.

그리고 이것은 충돌체가 아직 최대 출력까지 가속되지 않았다는 사실에도 불구하고입니다. 현재 대형 강입자 충돌기의 최대 에너지는 다음과 같습니다. 13테브(테라 전자 볼트). 그러나 적절한 준비 후에 양성자는 14테브. 비교를 위해 LHC의 가속기-전구체에서 얻은 최대 에너지는 다음을 초과하지 않았습니다. 1TeV. 이것이 일리노이주의 미국 Tevatron 가속기가 입자를 가속할 수 있는 방법입니다. 충돌기에서 얻은 에너지는 세계 최고 수준과는 거리가 멀습니다. 따라서 지구에서 감지된 우주선의 에너지는 충돌기에서 가속된 입자의 에너지를 10억 ​​배 초과합니다! 따라서 대형 강입자 충돌기의 위험은 최소화됩니다. LHC를 사용하여 모든 답을 얻은 후에 인류는 더 강력한 또 다른 충돌기를 구축해야 할 가능성이 높습니다.

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GTR(중력 이론에 관한)과 표준 모델(전자기, 강, 약의 세 가지 기본 물리적 상호 작용을 결합한 표준 모델)이라는 두 가지 기본 이론을 결합하는 방법을 찾는 것입니다. LHC가 만들어지기 전에는 양자 중력 이론을 만드는 데 어려움이 있어 해결책을 찾는 데 어려움을 겪었습니다.

이 가설의 구성에는 두 가지 물리적 이론을 결합하는 것이 포함됩니다. 양자역학그리고 일반 상대성 이론.

이를 위해 끈 이론, 브레인 이론, 초중력 이론, 양자 중력 이론 등 여러 대중적이고 현대적인 접근 방식이 동시에 사용되었습니다. 충돌체를 만들기 전에 주요 문제필요한 실험을 수행하는 데에는 다른 현대적인 하전입자 가속기로는 달성할 수 없는 에너지 부족이 있었습니다.

제네바 LHC는 과학자들에게 이전에는 불가능했던 실험을 수행할 수 있는 기회를 제공했습니다. 가까운 장래에 많은 물리적 이론이 장치의 도움으로 확인되거나 반박될 것으로 믿어집니다. 가장 문제가 되는 것 중 하나는 초대칭 또는 끈 이론으로, 오랫동안 물리학을 "스트링거"와 그 경쟁자라는 두 진영으로 나누어 왔습니다.

LHC 작업의 일환으로 수행된 기타 기본 실험

현재 알려진 모든 기본 입자 중 가장 무거운 쿼크이자 가장 무거운(173.1 ± 1.3 GeV/c²) 탑-을 연구하는 분야의 과학자들의 연구도 흥미롭습니다.

이 특성으로 인해 LHC가 생성되기 전에도 과학자들은 다른 장치에는 충분한 전력과 에너지가 없었기 때문에 Tevatron 가속기에서만 쿼크를 관찰할 수 있었습니다. 결국 쿼크 이론은 다음과 같다. 중요한 요소힉스 보존에 관한 놀라운 가설.

과학자들은 LHC의 톱쿼크-반쿼크 스팀룸에서 쿼크의 특성 생성 및 연구에 관한 모든 과학적 연구를 수행합니다.

제네바 프로젝트의 중요한 목표는 힉스 보손의 존재에 대한 실험적 증거와도 관련된 약전계 대칭 메커니즘을 연구하는 과정이기도 합니다. 문제를 더욱 정확하게 정의하기 위해 연구 대상은 보존 자체가 아니라 Peter Higgs가 예측한 전기약자 상호작용의 대칭성을 깨뜨리는 메커니즘입니다.

LHC는 또한 초대칭을 찾기 위한 실험을 수행하고 있으며 원하는 결과는 모든 기본 입자가 항상 더 무거운 파트너를 동반한다는 이론과 이에 대한 반박이 될 것입니다.

"대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)"라는 문구는 미디어에 너무 깊이 자리 잡았기 때문에 기본 입자의 물리학이나 일반적인 과학과 전혀 관련이 없는 활동을 포함하여 압도적인 수의 사람들이 이 설치에 대해 알고 있습니다.

실제로 이러한 대규모의 비용이 많이 드는 프로젝트는 언론에서 무시할 수 없었습니다. 약 27km 길이의 링 설치로 수백억 달러의 비용이 들며 전 세계 수천 명의 과학자가 작업하고 있습니다. 충돌체의 인기에 크게 기여한 것은 소위 "신의 입자" 또는 Higgs 보존으로 이루어졌으며, 이는 성공적으로 광고되었으며 Peter Higgs는 이를 받았습니다. 노벨상 2013년 물리학.

우선, 대형 강입자 충돌기는 처음부터 만들어진 것이 아니라 이전 모델인 LEP(대형 전자-양전자 충돌기) 현장에서 발생했다는 점에 유의해야 합니다. 27km 길이의 터널 공사는 1983년에 시작되었으며 나중에 전자와 양전자를 충돌시키는 가속기를 찾을 계획이었습니다. 1988년에 원형 터널이 폐쇄되었고 작업자들은 터널 양끝의 차이가 1cm에 불과할 정도로 조심스럽게 터널에 접근했습니다.

가속기는 2000년 말까지 작동하여 최고 에너지인 209GeV에 도달했습니다. 그 후 해체가 시작되었습니다. 11년 동안 운영된 LEP는 W 보존과 Z 보존의 발견과 추가 연구를 포함하여 물리학에 수많은 발견을 가져왔습니다. 이러한 연구 결과를 바탕으로 전자기적 상호작용과 약한 상호작용의 메커니즘이 유사하다는 결론을 얻었습니다. 이론적인 작품이러한 상호작용을 전기약점으로 결합합니다.

2001년에는 전자-양전자 가속기 부지에 대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider) 건설이 시작되었습니다. 새로운 가속기 건설은 2007년 말에 완료되었습니다. 그것은 프랑스와 스위스 국경, 제네바 호수 계곡 (제네바에서 15km), 깊이 100m의 LEP 사이트에 위치했습니다. 2008년 8월 충돌기 테스트가 시작되었고 9월 10일 LHC가 공식 출시되었습니다. 이전 가속기와 마찬가지로 시설의 건설 및 운영은 유럽 원자력 연구 기구(CERN)가 주도합니다.

CERN

CERN 조직(Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire)에 대해 간략하게 언급할 가치가 있습니다. 이 조직물리학 분야에서 세계 최대 규모의 실험실 역할을 합니다. 고에너지. 3,000명의 정규직 직원이 포함되어 있으며, 80개국의 수천 명 이상의 연구원과 과학자가 CERN 프로젝트에 참여하고 있습니다.

현재 이 프로젝트에는 벨기에, 덴마크, 프랑스, ​​독일, 그리스, 이탈리아, 네덜란드, 노르웨이, 스웨덴, 스위스, 영국(설립자, 오스트리아, 스페인, 포르투갈, 핀란드, 폴란드, 헝가리) 등 22개국이 참여하고 있습니다. , 체코, 슬로바키아, 불가리아, 루마니아 – 가입했습니다. 그러나 위에서 언급했듯이 수십 개의 국가가 어떤 방식으로든 조직 작업, 특히 Large Hadron Collider에 참여하고 있습니다.

대형 강입자 충돌기는 어떻게 작동합니까?

대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)는 무엇이며 어떻게 작동하는지는 대중의 관심을 끄는 주요 질문입니다. 이러한 질문을 더 자세히 살펴보겠습니다.

Collider – 영어로 번역하면 "충돌하는 사람"을 의미합니다. 이러한 설정의 목적은 입자를 충돌시키는 것입니다. 강입자 충돌기의 경우 입자는 강한 상호작용에 참여하는 입자인 강입자에 의해 재생됩니다. 이들은 양성자입니다.

양성자 얻기

양성자의 긴 여행은 가스 형태로 수소를 받는 가속기의 첫 번째 단계인 듀오플라스마트론에서 시작됩니다. 듀오플라스마트론은 가스를 통해 전기 방전이 이루어지는 방전 챔버입니다. 따라서 단 하나의 전자와 하나의 양성자로 구성된 수소는 전자를 잃습니다. 이러한 방식으로 플라즈마(하전 입자로 구성된 물질)인 양성자가 형성됩니다. 물론 순수한 양성자 플라즈마를 얻는 것은 어렵기 때문에 분자이온과 전자의 구름도 포함하고 있는 생성된 플라즈마를 필터링하여 양성자 구름을 분리합니다. 자석의 영향으로 양성자 플라즈마가 빔으로 두드려집니다.

입자의 예비 가속

새로 형성된 양성자 빔은 여러 개의 속이 빈 원통형 전극(도체)이 순차적으로 매달린 30m 길이의 고리인 LINAC 2 선형 가속기에서 여행을 시작합니다. 가속기 내부에 생성된 정전기장은 속이 빈 원통 사이의 입자가 항상 다음 전극 방향으로 가속력을 경험하도록 등급이 지정됩니다. 양성자 가속 메커니즘을 완전히 탐구하지 않고 이 단계에서, 우리는 LINAC 2의 출력에서 ​​물리학자들이 이미 광속의 31%에 도달한 50 MeV 에너지의 양성자 빔을 수신한다는 점에 주목합니다. 이 경우 입자의 질량이 5% 증가한다는 점은 주목할 만합니다.

2019~2020년까지 LINAC 2를 LINAC 4로 교체할 계획입니다. 이를 통해 양성자를 160MeV까지 가속할 수 있습니다.

충돌기는 또한 납 이온을 가속시켜 쿼크-글루온 플라즈마 연구를 가능하게 한다는 점은 주목할 가치가 있습니다. LINAC 2와 유사하게 LINAC 3 링에서 가속됩니다. 앞으로는 아르곤과 크세논을 사용한 실험도 계획되어 있습니다.

다음으로 양성자 패킷은 양성자 동기 부스터(PSB)로 들어갑니다. 이는 전자기 공진기가 위치한 직경 50m의 중첩된 4개의 링으로 구성됩니다. 그들이 생성하는 전자기장은 높은 강도를 가지며, 이를 통과하는 입자는 필드 전위차의 결과로 가속을 받습니다. 따라서 단 1.2초 후에 입자는 PSB에서 광속의 91%까지 가속되어 1.4GeV의 에너지에 도달한 후 양성자 싱크로트론(PS)으로 들어갑니다. PS는 직경이 628미터이고 입자 빔을 원형 궤도로 유도하는 27개의 자석을 갖추고 있습니다. 여기서 입자 양성자는 26 GeV에 도달합니다.

양성자를 가속하기 위한 두 번째 고리는 둘레가 7km에 달하는 슈퍼 양성자 싱크로트론(SPS)입니다. 1317개의 자석이 장착된 SPS는 입자를 450GeV의 에너지로 가속합니다. 약 20분 후에 양성자 빔이 주 고리인 LHC(Large Hadron Collider)로 들어갑니다.

LHC 내 입자의 가속과 충돌

가속기 링 사이의 전이는 강력한 자석에 의해 생성된 전자기장을 통해 발생합니다. 충돌기의 메인 링은 입자가 반대 방향으로 원형 궤도를 그리며 움직이는 두 개의 평행선으로 구성됩니다. 약 10,000개의 자석이 입자의 원형 궤적을 유지하고 입자를 충돌 지점으로 안내하는 역할을 하며, 일부 자석의 무게는 최대 27톤에 달합니다. 자석의 과열을 방지하기 위해 헬륨-4 회로가 사용되며, 이를 통해 -271.25°C(1.9K)의 온도에서 약 96톤의 물질이 흐릅니다. 양성자는 6.5 TeV의 에너지에 도달하며(즉, 충돌 에너지는 13 TeV), 속도는 빛의 속도보다 11km/h 느립니다. 따라서 1초 안에 양성자 빔이 충돌기의 큰 고리를 11,000번 통과합니다. 입자가 충돌하기 전에 5~24시간 동안 링 주위를 순환합니다.

입자 충돌은 ATLAS, CMS, ALICE 및 LHCb의 4개 탐지기가 위치한 주 LHC 링의 4개 지점에서 발생합니다.

대형 강입자 충돌기 탐지기

ATLAS(토로이달 LHC 장치)

- 두 개의 탐지기 중 하나입니다. 범용 LHC(대형강입자가속기)에서 그는 힉스 보손(Higgs boson) 검색부터 구성 입자에 이르기까지 광범위한 물리학을 탐구합니다. 암흑물질. CMS 실험과 동일한 과학적 목표를 가지고 있지만 ATLAS는 다른 방법을 사용합니다. 기술 솔루션그리고 자기 시스템의 또 다른 디자인.

LHC의 입자 빔은 ATLAS 감지기 중앙에서 충돌하여 충돌 지점에서 모든 방향으로 날아가는 새로운 입자 형태의 다가오는 잔해를 생성합니다. 충격 지점 주위에 층으로 배열된 6개의 서로 다른 감지 하위 시스템이 입자의 경로, 운동량 및 에너지를 기록하여 입자를 개별적으로 식별할 수 있습니다. 거대한 자석 시스템은 전하 입자의 충격을 측정할 수 있도록 경로를 구부립니다.

ATLAS 감지기의 상호 작용은 엄청난 양의 데이터 흐름을 생성합니다. 이 데이터를 처리하기 위해 ATLAS는 고급 "트리거" 시스템을 사용하여 감지기에 기록할 이벤트와 무시할 이벤트를 알려줍니다. 그런 다음 기록된 충돌 이벤트를 분석하는 데 다음이 사용됩니다. 복잡한 시스템데이터 수집 및 계산.

탐지기의 크기는 높이 46m, 폭 25m, 질량은 7,000톤이다. 이러한 매개변수를 통해 ATLAS는 지금까지 만들어진 입자 탐지기 중 가장 큰 입자 탐지기입니다. 그것은 스위스 메이린(Meyrin) 마을 근처의 CERN 주요 현장 근처의 깊이 100m 터널에 위치하고 있습니다. 설치는 4가지 주요 구성요소로 구성됩니다.

• 내부 탐지기는 원통형, 내부 고리는 통과하는 입자 빔의 축에서 불과 몇 센티미터 떨어져 있으며 외부 고리는 직경 2.1m, 길이 6.2m입니다. 3개로 구성되어 있어요 다양한 시스템자기장에 잠긴 센서. 내부 검출기는 각 양성자-양성자 충돌에서 생성된 전하를 띤 입자의 방향, 운동량 및 전하를 측정합니다. 내부 검출기의 주요 요소는 픽셀 검출기, 반도체 추적기(SCT) 및 전이 방사선 추적기(TRT)입니다.

• 열량계는 입자가 검출기를 통과할 때 손실되는 에너지를 측정합니다. 충돌 중에 발생하는 입자를 흡수하여 에너지를 기록합니다. 열량계는 다음과 같은 "흡수" 물질 층으로 구성됩니다. 고밀도— 납, "활성 매체"층과 교대로 — 액체 아르곤. 전자기 열량계는 물질과 상호 작용할 때 전자와 광자의 에너지를 측정합니다. 강입자 열량계는 강입자가 원자핵과 상호작용할 때 강입자의 에너지를 측정합니다. 열량계는 뮤온과 중성미자를 제외한 대부분의 알려진 입자를 차단할 수 있습니다.

LAr(액체 아르곤 열량계) - ATLAS 열량계

• 뮤온 분광계(Muon Spectrometer) - 뮤온을 식별하고 운동량을 측정하기 위해 4가지 서로 다른 기술을 사용하는 4000개의 개별 뮤온 챔버로 구성됩니다. 뮤온은 일반적으로 내부 검출기와 열량계를 통과하므로 뮤온 분광계가 필요합니다.

• ATLAS의 자기 시스템은 감지기 시스템의 여러 층 주위에서 입자를 구부려 입자 추적을 더 쉽게 추적할 수 있도록 합니다.

ATLAS 실험(2012년 2월)에는 38개국 174개 기관의 3,000명 이상의 과학자가 참여했습니다.

CMS(컴팩트 뮤온 솔레노이드)

— LHC(Large Hadron Collider)의 범용 탐지기입니다. ATLAS와 마찬가지로 표준 모델(힉스 보존 포함) 연구부터 암흑 물질을 구성할 수 있는 입자 검색까지 광범위한 물리학 프로그램을 갖추고 있습니다. ATLAS 실험과 동일한 과학적 목표를 가지고 있지만 CMS는 다른 기술 솔루션과 다른 자기 시스템 설계를 사용합니다.

CMS 감지기는 거대한 솔레노이드 자석을 중심으로 제작되었습니다. 이는 지구 자기장의 약 100,000배에 달하는 4테슬라 장을 생성하는 초전도 케이블의 원통형 코일입니다. 이 필드는 무게가 14,000톤에 달하는 탐지기의 가장 거대한 구성 요소인 강철 "요크"에 의해 제한됩니다. 전체 감지기는 길이 21m, 너비 15m, 높이 15m입니다. 설치는 4개의 주요 구성 요소로 구성됩니다.

• 솔레노이드 자석은 세계에서 가장 큰 자석으로 충격 지점에서 방출되는 하전 입자의 궤적을 구부리는 역할을 합니다. 궤적 왜곡을 사용하면 양전하 입자와 음전하 입자(반대 방향으로 구부러지기 때문에)를 구별할 수 있을 뿐만 아니라 궤적의 곡률에 따라 크기가 달라지는 운동량을 측정할 수 있습니다. 솔레노이드의 크기가 커서 추적기와 열량계를 코일 내부에 배치할 수 있습니다.
• Silicon Tracker - 동심원 레이어로 배열된 7,500만 개의 개별 전자 센서로 구성됩니다. 하전 입자가 추적기의 레이어를 통해 날아갈 때 에너지의 일부가 각 레이어로 전달됩니다. 이러한 입자 충돌 지점을 다른 레이어와 결합하면 해당 궤적을 더 자세히 결정할 수 있습니다.
• 열량계 – 전자 및 하드론, ATLAS 열량계 참조.
• 하위 탐지기 - 뮤온을 탐지할 수 있습니다. 그들은 "요크"의 금속판과 번갈아 가며 코일 외부 층에 위치한 1,400개의 뮤온 챔버로 표시됩니다.

CMS 실험은 가장 큰 국제 실험 중 하나입니다. 과학적 연구역사상 42개국 182개 기관의 입자 물리학자, 엔지니어 및 기술자, 학생 및 지원 직원 등 4,300명이 참여했습니다(2014년 2월).

앨리스(대형 이온 충돌기 실험)

— LHC(Large Hadron Collider) 링에 있는 중이온 탐지기입니다. 이는 쿼크-글루온 플라즈마라고 불리는 물질의 상이 형성되는 극한의 에너지 밀도에서 강하게 상호 작용하는 물질의 물리학을 연구하도록 설계되었습니다.

오늘날 우주의 모든 일반적인 물질은 원자로 구성되어 있습니다. 각 원자에는 전자 구름으로 둘러싸인 양성자와 중성자 핵(중성자가 없는 수소 제외)이 포함되어 있습니다. 양성자와 중성자는 쿼크가 글루온이라는 다른 입자와 결합되어 만들어집니다. 쿼크는 단독으로 관찰된 적이 없습니다. 쿼크와 글루온은 영구적으로 서로 결합되어 양성자와 중성자와 같은 구성 입자 내에 갇혀 있는 것처럼 보입니다. 이것을 감금이라고 합니다.

LHC의 충돌은 태양 중심보다 100,000배 이상 더 뜨거운 온도를 생성합니다. 충돌기는 납 이온 간의 충돌을 가능하게 하여 빅뱅 직후 발생한 것과 유사한 조건을 재현합니다. 이러한 극단적인 조건에서 양성자와 중성자는 "녹아" 글루온과의 결합에서 쿼크가 분리됩니다. 이것이 쿼크-글루온 플라즈마입니다.

ALICE 실험은 무게 10,000톤, 길이 26m, 높이 16m, 폭 16m의 ALICE 탐지기를 사용합니다. 이 장치는 추적 장치, 열량계 및 입자 식별 감지기의 세 가지 주요 구성 요소 세트로 구성됩니다. 또한 18개의 모듈로 나누어져 있습니다. 탐지기는 프랑스 Saint-Denis-Pouilly 마을 근처, 지하 56m 깊이의 터널에 위치해 있습니다.

실험에는 30개국 100개 이상의 물리학 연구소에서 온 1,000명 이상의 과학자가 참여했습니다.

LHCb (대형 강입자 충돌기 미용 실험)

– 이 실험에서는 뷰티 쿼크 또는 b 쿼크라고 불리는 입자 유형을 연구하여 물질과 반물질의 작은 차이를 탐구합니다.

LHCb 실험은 ATLAS 및 CMS와 같은 폐쇄형 탐지기로 전체 충돌 지점을 둘러싸는 대신 일련의 하위 탐지기를 사용하여 주로 전방 입자(충돌로 인해 한 방향으로 향하는 입자)를 탐지합니다. 첫 번째 보조 감지기는 충돌 지점 가까이에 설치되고, 나머지 감지기는 20m 거리에 차례로 설치됩니다.

LHC에서 창조된 풍요 다양한 유형쿼크는 빠르게 다른 형태로 붕괴되기 전에 생성됩니다. b 쿼크를 포착하기 위해 충돌기를 통과하는 입자 빔의 움직임 가까이에 위치한 LHCb용 복잡한 이동 추적 감지기가 개발되었습니다.

5,600톤 규모의 LHCb 검출기는 직접 분광계와 평판형 검출기로 구성됩니다. 길이 21m, 높이 10m, 폭 13m 규모로 지하 100m에 위치해 있다. 66개 기관 및 대학의 약 700명의 과학자가 LHCb 실험에 참여하고 있습니다(2013년 10월).

충돌기에서의 다른 실험

위의 Large Hadron Collider 실험 외에도 설치에 대한 두 가지 다른 실험이 있습니다.

• LHCf(대형 강입자 충돌기 전방)— 입자 빔의 충돌 후 앞으로 던져진 입자를 연구합니다. 과학자들이 실험의 일부로 연구하고 있는 우주선을 시뮬레이션합니다. 우주선(Cosmic Rays)은 지구 대기권에 지속적으로 충격을 가하는 우주 공간에서 자연적으로 발생하는 전하 입자입니다. 그들은 상층 대기의 핵과 충돌하여 지상에 도달하는 입자의 폭포를 일으킵니다. LHC 내부의 충돌이 이러한 입자 폭포를 생성하는 방법을 연구하면 물리학자들이 수천 킬로미터에 걸친 대규모 우주선 실험을 해석하고 보정하는 데 도움이 될 것입니다.

LHCf는 ATLAS 충돌 지점 양쪽에서 140m 떨어진 LHC를 따라 위치한 두 개의 탐지기로 구성됩니다. 두 감지기 각각의 무게는 40kg에 불과하며 길이 30cm, 높이 80cm, 너비 10cm입니다. LHCf 실험에는 5개국 9개 연구소의 과학자 30명이 참여했습니다(2012년 11월).

• TOTEM(총 단면적, 탄성 산란 및 회절 해리)- 충돌체에 가장 오랫동안 설치한 실험입니다. 그 임무는 작은 각도 충돌에서 생성된 양성자를 정확하게 측정하여 양성자 자체를 연구하는 것입니다. 이 영역은 "전진" 방향으로 알려져 있으며 다른 LHC 실험에서는 접근할 수 없습니다. TOTEM 감지기는 CMS 상호 작용 지점 주위로 거의 0.5km 확장됩니다. TOTEM은 4개의 핵 망원경과 26개의 로마 냄비 탐지기를 포함하여 약 3,000kg의 장비를 보유하고 있습니다. 후자 유형을 사용하면 검출기를 입자 빔에 최대한 가깝게 배치할 수 있습니다. TOTEM 실험에는 8개국 16개 연구소의 약 100명의 과학자가 참여합니다(2014년 8월).

대형 강입자 충돌기가 필요한 이유는 무엇입니까?

가장 큰 국제 과학 시설에서는 광범위한 물리적 문제를 탐구합니다.

• 최고 쿼크 연구. 이 입자는 가장 무거운 쿼크일 뿐만 아니라 가장 무거운 기본 입자이기도 합니다. 톱 쿼크의 특성을 연구하는 것도 연구 도구이기 때문에 의미가 있습니다.
• 힉스 보손(Higgs boson)을 검색하고 연구합니다. CERN은 힉스 보손이 이미 발견되었다고 주장하지만(2012년), 그 특성에 대해서는 알려진 바가 거의 없으며 추가 연구를 통해 그 작동 메커니즘을 더 명확하게 이해할 수 있습니다.

• 쿼크-글루온 플라즈마 연구. 납 핵이 고속으로 충돌하면 충돌기에서 . 그녀의 연구는 핵물리학(강한 상호작용 이론 개선)과 천체물리학(우주 탄생 초기 연구) 모두에 유용한 결과를 가져올 수 있습니다.
• 초대칭을 검색하세요. 이 연구의 목표는 모든 기본 입자가 "초입자"라고 불리는 더 무거운 파트너를 가지고 있다는 이론인 "초대칭"을 반증하거나 증명하는 것입니다.
• 광자-광자 및 광자-강체 충돌에 대한 연구. 이러한 충돌 과정의 메커니즘에 대한 이해가 향상될 것입니다.
• 이국적인 이론을 테스트합니다. 이 작업 범주에는 미니 블랙홀을 생성하여 평행 우주를 검색하는 것과 같이 가장 색다른 "이국적인" 작업이 포함됩니다.

이러한 과제 외에도 다른 많은 과제가 있으며, 그 솔루션을 통해 인류는 자연과 주변 세계를 더 나은 수준으로 이해할 수 있으며, 이는 결국 새로운 기술 창출의 기회를 열어줄 것입니다.

대형 강입자 충돌기 및 기초 과학의 실질적인 이점

우선, 기초연구는 기초과학에 기여한다는 점에 주목해야 한다. 응용과학은 이러한 지식의 적용을 다룬다. 기초 과학의 이점을 인식하지 못하는 사회 계층은 종종 힉스 보손의 발견이나 쿼크-글루온 플라즈마의 생성을 중요한 것으로 인식하지 않습니다. 그러한 연구와 일반인의 삶의 연관성은 분명하지 않습니다. 원자력 에너지에 대한 간단한 예를 살펴보겠습니다.

1896년 프랑스 물리학자 앙투안 앙리 베크렐은 방사능 현상을 발견했습니다. 오랫동안그녀에게는 그렇게 믿어졌다 산업용인류는 곧 지나가지 않을 것입니다. 역사상 최초의 원자로가 발사되기 불과 ​​5년 전인 1911년 실제로 원자핵을 발견한 위대한 물리학자 어니스트 러더퍼드는 원자력은 결코 응용될 수 없을 것이라고 말했습니다. 전문가들은 1939년 독일 과학자 Lise Meitner와 Otto Hahn이 중성자를 조사하면 우라늄 핵이 두 부분으로 나뉘어 엄청난 양의 에너지를 방출한다는 사실을 발견했을 때 원자핵에 포함된 에너지에 대한 자신의 태도를 다시 생각해 보았습니다. 에너지.

그리고 시리즈의 마지막 링크 이후에만 기초 연구응용 과학이 등장했고 이러한 발견을 바탕으로 원자력 생산 장치 인 원자로를 발명했습니다. 이번 발견의 규모는 원자로가 생산하는 전기의 비중을 보면 알 수 있다. 예를 들어 우크라이나에서는 원자력 발전소가 전력 생산량의 56%를 차지하고 프랑스에서는 76%를 차지합니다.

모든 새로운 기술은 특정 기본 지식을 기반으로 합니다. 다음은 몇 가지 간단한 예입니다.

• 1895년에 빌헬름 콘라트 뢴트겐(Wilhelm Conrad Roentgen)은 X선에 노출되면 사진 건판이 어두워지는 것을 발견했습니다. 오늘날 방사선 촬영은 의학에서 가장 많이 사용되는 연구 중 하나이며, 이를 통해 상태를 연구할 수 있습니다. 내부 장기감염과 부종을 감지합니다.
• 1915년에 알베르트 아인슈타인은 자신만의 제안을 했습니다. 오늘날 이 이론은 몇 미터의 정확도로 물체의 위치를 ​​결정하는 GPS 위성을 작동할 때 고려됩니다. GPS는 셀룰러 통신, 지도 제작, 교통 모니터링에 사용되지만 주로 내비게이션에 사용됩니다. 일반 상대성이론을 고려하지 않은 위성의 오차는 발사 순간부터 하루에 10km씩 증가합니다! 그리고 보행자가 이성을 사용할 수 있다면 종이 카드, 그러면 항공사 조종사는 구름으로 항해하는 것이 불가능하기 때문에 어려운 상황에 처하게 될 것입니다.

오늘날 LHC에서 이루어진 발견에 대한 실제적인 적용이 아직 발견되지 않았다고 해서 과학자들이 "가속기를 헛되이 만지작거리고 있다"는 의미는 아닙니다. 아시다시피, 합리적인 사람은 항상 최대한의 이익을 얻으려고 합니다. 실제 적용따라서 LHC에서 연구하는 과정에서 축적된 자연에 대한 지식은 조만간 분명히 응용될 것입니다. 위에서 이미 설명한 것처럼, 근본적인 발견과 이를 사용하는 기술 사이의 연관성은 때때로 전혀 명확하지 않을 수 있습니다.

마지막으로 연구의 초기 목표로 설정되지 않은 소위 간접적인 발견에 주목하겠습니다. 근본적인 발견을 위해서는 일반적으로 새로운 기술의 도입과 사용이 필요하기 때문에 이러한 현상은 매우 자주 발생합니다. 따라서 광학의 발전은 천문학자들이 망원경을 통해 관찰한 것을 바탕으로 한 근본적인 우주 연구로부터 자극을 받았습니다. CERN의 경우 유비쿼터스 기술이 등장한 방식이 바로 인터넷입니다. 인터넷은 CERN 조직 데이터를 더 쉽게 찾을 수 있도록 1989년 Tim Berners-Lee가 제안한 프로젝트입니다.

이 질문 (및 이와 유사한 다른 질문)에서 "사실"이라는 단어의 출현이 궁금합니다. 마치 초심자에게 숨겨져 있고 일반 사람들로부터 "과학의 사제"에 ​​의해 보호되는 어떤 본질이있는 것처럼, 공개됩니다. 그러나 과학의 내부에서 보면 미스터리는 사라지고 이러한 단어가 들어갈 자리가 없습니다. "강입자 충돌기가 왜 필요한가?"라는 질문은 "왜 자(또는 저울)가 필요한가?"라는 질문과 근본적으로 다르지 않습니다. , 또는 시계 등).” 어떤 기준에서든 충돌체가 크고 비싸며 복잡한 것이라는 사실은 문제를 바꾸지 않습니다.

"이것이 왜 필요한지"를 이해하는 가장 가까운 비유는 제 생각에는 렌즈입니다. 인류는 아주 오래전부터 렌즈의 특성에 대해 잘 알고 있었지만, 지난 천년 중반에야 특정 렌즈 조합을 사용하여 아주 작거나 아주 먼 물체를 검사할 수 있는 도구로 사용할 수 있다는 사실을 깨달았습니다. 물론 현미경과 망원경에 대해 이야기하고 있습니다. 현대인을 위한 새로운 디자인이 등장했을 때 이 모든 것이 왜 필요한지에 대한 질문이 반복적으로 제기되었다는 것은 의심의 여지가 없습니다. 그러나 두 장치의 과학적 응용 분야가 확대되면서 자체적으로 의제에서 제외되었습니다. 일반적으로 말하면 이 점에 유의하세요. 다양한 장치– 거꾸로 된 현미경으로는 별을 볼 수 없습니다. 역설적이게도 대형 강입자 충돌기는 이를 자체적으로 결합하며 지난 수세기 동안 인류가 달성한 현미경과 망원경의 진화에서 가장 높은 지점으로 정당하게 간주될 수 있습니다. 이 진술은 이상하게 보일 수 있으며 물론 문자 그대로 받아 들여서는 안됩니다. 가속기에는 렌즈 (적어도 광학 렌즈)가 없습니다. 그러나 본질적으로 이것이 바로 사실입니다. "현미경" 형태의 충돌체를 사용하면 10-19미터 수준에서 물체의 구조와 특성을 연구할 수 있습니다(수소 원자의 크기는 약 10-10미터입니다). 상황은 "망원경" 부분에서 더욱 흥미롭습니다. 각각의 망원경은 실시간 기계입니다. 관찰된 사진은 관찰 대상의 과거, 즉 전자기 복사가 이 대상에서 관찰자에게 도달해야 했던 시간과 일치하기 때문입니다. 이 시간은 지구에서 태양을 관찰할 경우 8분이 조금 넘을 수 있으며 멀리 있는 퀘이사를 관찰할 경우 최대 수십억 년이 걸릴 수 있습니다. 대형 강입자 충돌기 내부에서는 빅뱅 이후 아주 짧은 순간에 우주에 존재했던 조건이 생성됩니다. 따라서 우리는 거의 140억년 전, 즉 우리 세계의 탄생 초기까지 되돌아볼 수 있는 기회를 얻게 됩니다. 기존의 지상 및 궤도 망원경(최소한 기록하는 망원경) 전자기 방사선), 우주가 광학적으로 투명해진 재결합 시대 이후에만 "시력"을 얻습니다. 현대 사상에 따르면 이것은 빅뱅 이후 380,000년 후에 일어났습니다.

다음으로 우리는 이 지식으로 무엇을 해야 할지 결정해야 합니다. 작은 규모의 물질 구조와 우주 탄생 시의 속성에 관한 것이며, 이것이 궁극적으로 처음에 논의된 미스터리를 반환하고 충돌체가 충돌하는 이유를 결정하는 것입니다. 필요하다 "정말" 필요했습니다. 그러나 이것은 인간의 결정이며, 이 지식을 얻은 충돌기는 단지 장치로 남을 것입니다. 아마도 세계에서 가장 정교한 "렌즈"시스템 일 것입니다.