Ziņas par Eiropā veikto eksperimentu satricināja sabiedrības mieru, paceļoties apspriesto tēmu saraksta augšgalā. Hadronu paātrinātājs parādījās visur – televīzijā, presē un internetā. Ko lai saka, ja LJ lietotāji veido atsevišķas kopienas, kurās simtiem gādīgu cilvēku jau ir aktīvi izteikuši savu viedokli par jauno zinātnes ideju. "Delo" piedāvā jums 10 faktus, par kuriem jūs nevarat nezināt hadronu paātrinātājs.

Noslēpumaina zinātniska frāze pārstāj būt tāda, tiklīdz mēs saprotam katra vārda nozīmi. Hadrons– elementārdaļiņu klases nosaukums. Collider- īpašs paātrinātājs, ar kura palīdzību iespējams pārnest lielu enerģiju uz matērijas elementārdaļiņām un, paātrinot tās līdz lielākajam ātrumam, reproducēt to sadursmi savā starpā.

2. Kāpēc visi runā par viņu?

Pēc Eiropas Kodolpētījumu centra CERN zinātnieku domām, eksperiments dos iespēju miniatūrā reproducēt sprādzienu, kura rezultātā pirms miljardiem gadu izveidojās Visums. Tomēr visvairāk sabiedrību satrauc tas, kādas būs minisprādziena sekas uz planētu, ja eksperiments neizdosies. Pēc dažu zinātnieku domām, elementārdaļiņu, kas lido ar ultrarelativistisku ātrumu pretējos virzienos, sadursmes rezultātā veidosies mikroskopiski melnie caurumi un izlidos citas bīstamas daļiņas. Nav īpašas jēgas paļauties uz īpašu starojumu, kas izraisa melno caurumu iztvaikošanu - nav eksperimentālu pierādījumu, ka tas darbojas. Tāpēc uz tādu zinātniskās inovācijas un rodas neuzticēšanās, ko aktīvi veicina skeptiski noskaņoti zinātnieki.

3. Kā šī lieta darbojas?

Elementārdaļiņas tiek paātrinātas dažādās orbītās pretējos virzienos, pēc tam tās tiek novietotas vienā orbītā. Sarežģītās ierīces vērtība ir tāda, ka, pateicoties tai, zinātniekiem ir iespēja pētīt elementārdaļiņu sadursmju produktus, kas ierakstīti ar īpašiem detektoriem digitālo kameru veidā ar izšķirtspēju 150 megapikseļi, kas spēj uzņemt 600 miljonus kadru uz vienu. otrais.

4. Kad radās ideja izveidot kolideru?

Ideja būvēt mašīnu radās jau 1984. gadā, bet tuneļa būvniecība sākās tikai 2001. gadā. Paātrinātājs atrodas tajā pašā tunelī, kur atradās iepriekšējais akselerators - Lielais elektronu-pozitronu paātrinātājs. 26,7 kilometrus garais gredzens ir ielikts aptuveni simts metru dziļumā pazemē Francijā un Šveicē. 10. septembrī akseleratorā tika palaists pirmais protonu stars. Otrais stars tiks palaists tuvāko dienu laikā.

5. Cik izmaksāja būvniecība?

Projekta izstrādē piedalījās simtiem zinātnieku no visas pasaules, arī Krievijas. Tā izmaksas tiek lēstas 10 miljardu dolāru apmērā, no kurām ASV ieguldīja 531 miljonu hadronu paātrinātāja būvniecībā.

6. Kādu ieguldījumu akseleratora izveidē deva Ukraina?

Zinātnieki no Ukrainas Teorētiskās fizikas institūta tieši piedalījās hadronu paātrinātāja būvniecībā. Īpaši pētījumiem viņi izstrādāja iekšējo sliežu sistēma(ITS). Viņa ir "Alises" sirds - daļa sadursme, kur vajadzētu notikt miniatūrai “lielajam sprādzienam”. Acīmredzot šī nav vissvarīgākā automašīnas sastāvdaļa. Par tiesībām piedalīties projektā Ukrainai ik gadu jāmaksā 200 tūkstoši grivnu. Tas ir 500–1000 reižu mazāk nekā citu valstu ieguldījums projektā.

7. Kad mums vajadzētu sagaidīt pasaules galu?

Pirmais eksperiments par elementārdaļiņu staru sadursmi ir paredzēts 21. oktobrī. Līdz šim zinātnieki plāno paātrināt daļiņas līdz ātrumam, kas ir tuvu gaismas ātrumam. Saskaņā ar Einšteina vispārējo relativitātes teoriju melnie caurumi mūs neapdraud. Tomēr, ja teorijas ar papildu telpiskie izmēri Tie izrādīsies pareizi, mums nav atlicis daudz laika, lai atrisinātu visas problēmas uz planētas Zeme.

8. Kāpēc melnie caurumi ir biedējoši?

Melnais caurums- telpas laika apgabals, kura gravitācijas pievilcība ir tik spēcīga, ka pat objekti, kas pārvietojas ar gaismas ātrumu, nevar to atstāt. Melno caurumu esamību apstiprina Einšteina vienādojumu risinājumi. Neskatoties uz to, ka daudzi jau iztēlojas, kā Eiropā izveidojies melnais caurums, augot, aprīs visu planētu, trauksmi saukt nav nepieciešams. Melnie caurumi, kas saskaņā ar dažām teorijām var parādīties, strādājot sadursme, saskaņā ar tām pašām teorijām, pastāvēs tik īsu laiku, ka viņiem vienkārši nebūs laika sākt vielas absorbcijas procesu. Pēc dažu zinātnieku domām, viņiem pat nebūs laika sasniegt kolidera sienas.

9. Kā pētījumi var būt noderīgi?

Papildus tam, ka šie pētījumi ir vēl viens neticams zinātnes sasniegums, kas ļaus cilvēcei uzzināt elementārdaļiņu sastāvu, tas nav viss ieguvums, kura dēļ cilvēce uzņēmās šādu risku. Iespējams, tuvākajā nākotnē mēs ar jums varēsim savām acīm redzēt dinozaurus un apspriest ar Napoleonu efektīvākās militārās stratēģijas. Krievu zinātnieki uzskata, ka eksperimenta rezultātā cilvēce spēs izveidot laika mašīnu.

10. Kā kļūt par zinātniski gudru hadronu paātrinātāju?

Un visbeidzot, ja kāds, iepriekš bruņojies ar atbildi, jautā, kas ir hadronu paātrinātājs, mēs jums piedāvājam pieklājīgs variants atbilde, kas var patīkami pārsteigt ikvienu. Tātad, piesprādzējiet drošības jostas! Hadron Collider ir uzlādēts daļiņu paātrinātājs, kas paredzēts protonu un smago jonu paātrināšanai sadursmes staros. Uzcelts Eiropas Kodolpētniecības padomes pētniecības centrā, tas ir 27 kilometrus garš tunelis, kas ievilkts 100 metru dziļumā. Tā kā protoni ir elektriski uzlādēti, ultrarelativistisks protons rada gandrīz reālu fotonu mākoni, kas lido tuvu protonam. Šī fotonu plūsma kļūst vēl spēcīgāka kodolsadursmes režīmā, jo liela elektriskais lādiņš kodoli. Tie var sadurties vai nu ar pretimnākošu protonu, radot tipiskas fotonu-hadronu sadursmes, vai arī viens ar otru. Zinātnieki baidās, ka eksperimenta rezultātā telpā var veidoties laiktelpas “tuneļi”, kas ir laiktelpas tipoloģiskā iezīme. Eksperimenta rezultātā var pierādīt arī supersimetrijas esamību, kas tādējādi kļūs par netiešu apstiprinājumu superstīgu teorijas patiesībai.

(vai TANK)- šobrīd lielākais un jaudīgākais daļiņu paātrinātājs pasaulē. Šis koloss tika palaists 2008. gadā, taču ilgu laiku tas strādāja ar samazinātu jaudu. Noskaidrosim, kas tas ir un kāpēc mums ir nepieciešams liels hadronu paātrinātājs.

Vēsture, mīti un fakti

Ideja izveidot kolideru tika paziņota 1984. gadā. Un pats kolidera būvniecības projekts tika apstiprināts un pieņemts jau 1995. gadā. Izstrāde pieder Eiropas Kodolpētījumu centram (CERN). Kopumā kolidera palaišana piesaistīja lielu ne tikai zinātnieku, bet arī lielu uzmanību parastie cilvēki no visas pasaules. Viņi runāja par visdažādākajām bailēm un šausmām, kas saistītas ar kolidera palaišanu.

Tomēr kāds arī tagad, ļoti iespējams, gaida apokalipsi, kas saistīta ar LHC darbu, un plēš no domas, kas notiks, ja eksplodēs Lielais hadronu paātrinātājs. Lai gan, pirmkārt, visi baidījās no melnā cauruma, kas, sākotnēji būdams mikroskopisks, izaugs un droši absorbēs vispirms pašu triecienu, bet pēc tam Šveici un pārējo pasauli. Iznīcināšanas katastrofa izraisīja arī lielu paniku. Zinātnieku grupa pat iesniedza prasību tiesā, mēģinot apturēt būvniecību. Paziņojumā teikts, ka antimateriālu gabaliņi, kas var rasties sadursmē, sāks iznīcināties ar vielu, sāks ķēdes reakciju un tiks iznīcināts viss Visums. Kā teica slavenais varonis no filmas Back to the Future:

Viss Visums, protams, ir sliktākajā gadījumā. Labākajā gadījumā tikai mūsu galaktika. Doktors Emets Brauns.

Tagad mēģināsim saprast, kāpēc tas ir hadronisks? Fakts ir tāds, ka tas darbojas ar hadroniem, pareizāk sakot, paātrina, paātrina un saduras ar hadroniem.

Hadroni– elementārdaļiņu klase, kas pakļauta spēcīgai mijiedarbībai. Hadroni ir izgatavoti no kvarkiem.

Hadronus iedala barionos un mezonos. Lai būtu vieglāk, pieņemsim, ka gandrīz visa mums zināmā matērija sastāv no barioniem. Vienkāršosim vēl vairāk un teiksim, ka barioni ir nukleoni (protoni un neitroni, kas veido atoma kodolu).

Kā darbojas lielais hadronu paātrinātājs

Mērogs ir ļoti iespaidīgs. Kodinātājs ir apļveida tunelis, kas atrodas pazemē simts metru dziļumā. Lielais hadronu paātrinātājs ir 26 659 metrus garš. Protoni, kas paātrināti līdz ātrumam, kas tuvs gaismas ātrumam, pazemes lokā lido pāri Francijas un Šveices teritorijai. Precīzāk sakot, tuneļa dziļums svārstās no 50 līdz 175 metriem. Lai fokusētu un noturētu lidojošo protonu starus, tiek izmantoti supravadošie magnēti, to kopējais garums ir aptuveni 22 kilometri, un tie darbojas -271 grādu temperatūrā pēc Celsija.

Sadursmēs ietilpst 4 milzu detektori: ATLAS, CMS, ALICE un LHCb. Papildus galvenajiem lielajiem detektoriem ir arī papildu detektori. Detektori ir paredzēti, lai reģistrētu daļiņu sadursmes rezultātus. Tas ir, pēc tam, kad divi protoni saduras gandrīz gaismas ātrumā, neviens nezina, ko sagaidīt. Lai “redzētu”, kas noticis, kur tas atsitās un cik tālu aizlidojis, ir detektori, kas pildīti ar visādiem sensoriem.

Lielā hadronu paātrinātāja rezultāti.

Kāpēc jums ir nepieciešams koliders? Protams, ne tāpēc, lai iznīcinātu Zemi. Šķiet, kāda jēga ir daļiņu sadursmei? Fakts ir tāds, ka mūsdienu fizikā ir daudz neatbildētu jautājumu, un pasaules izpēte ar paātrinātu daļiņu palīdzību var burtiski atvērt jaunu realitātes slāni, izprast pasaules uzbūvi un varbūt pat atbildēt galvenais jautājums"Dzīves jēga, Visums un vispār."

Kādi atklājumi jau ir veikti LHC? Slavenākais ir atklājums Higsa bozons(mēs viņam veltīsim atsevišķu rakstu). Turklāt tie bija atvērti 5 jaunas daļiņas, tika iegūti pirmie dati par sadursmēm pie rekordenerģijām, parādīts protonu un antiprotonu asimetrijas trūkums, Atklātas neparastas protonu korelācijas. Saraksts turpinās vēl ilgi. Bet mikroskopiskos melnos caurumus, kas biedēja mājsaimnieces, nevarēja atklāt.

Un tas neskatoties uz to, ka koliders vēl nav paātrināts līdz maksimālajai jaudai. Pašlaik Lielā hadronu paātrinātāja maksimālā enerģija ir 13 TeV(tera elektronu-voltu). Tomēr pēc atbilstošas ​​sagatavošanas protonus plānots paātrināt 14 TeV. Salīdzinājumam LHC akseleratoros-prekursoros maksimālās iegūtās enerģijas nepārsniedza 1 TeV. Tādā veidā amerikāņu Tevatron paātrinātājs no Ilinoisas varētu paātrināt daļiņas. Koliderā sasniegtā enerģija ir tālu no augstākās pasaulē. Tādējādi uz Zemes konstatētā kosmisko staru enerģija miljards reižu pārsniedz koliderā paātrinātas daļiņas enerģiju! Tātad Lielā hadronu paātrinātāja briesmas ir minimālas. Visticamāk, ka pēc visu atbilžu iegūšanas, izmantojot LHC, cilvēcei būs jāveido vēl viens jaudīgāks triecienvidus.

Draugi, mīliet zinātni, un tā noteikti jūs mīlēs! Un tie var viegli palīdzēt jums iemīlēties zinātnē. Lūdziet palīdzību un ļaujiet studijām sagādāt jums prieku!

Tā ir divu fundamentālo teoriju – GTR (par gravitācijas teoriju) un Standarta modeli (standarta modeli, kas apvieno trīs fundamentālas fiziskās mijiedarbības – elektromagnētisko, stipro un vājo) apvienošanas veidu meklēšana. Risinājuma atrašanu pirms LHC izveides apgrūtināja grūtības kvantu gravitācijas teorijas izveidē.

Šīs hipotēzes konstruēšana ietver divu fizisko teoriju apvienošanu - kvantu mehānika un vispārējā relativitātes teorija.

Lai to izdarītu, tika izmantotas vairākas populāras un modernas pieejas - stīgu teorija, branu teorija, supergravitācijas teorija un arī kvantu gravitācijas teorija. Pirms kolidera uzbūvēšanas galvenā problēma lai veiktu nepieciešamos eksperimentus, bija enerģijas trūkums, ko nevar panākt ar citiem moderniem lādētu daļiņu paātrinātājiem.

Ženēvas LHC deva zinātniekiem iespēju veikt iepriekš neiespējamus eksperimentus. Tiek uzskatīts, ka tuvākajā nākotnē daudzas fizikālās teorijas tiks apstiprinātas vai atspēkotas ar aparāta palīdzību. Viena no problemātiskākajām ir supersimetrijas jeb stīgu teorija, kas fiziku jau sen ir sadalījusi divās nometnēs - “stīgu cienītājos” un viņu sāncenšos.

Citi fundamentālie eksperimenti, kas veikti kā daļa no LHC darba

Interesanti ir arī zinātnieku pētījumi top-, kas ir smagākie kvarki un smagākie (173,1 ± 1,3 GeV/c²) no visām šobrīd zināmajām elementārdaļiņām, izpētes jomā.

Šīs īpašības dēļ zinātnieki pat pirms LHC izveides varēja novērot kvarkus tikai pie Tevatron akseleratora, jo citām ierīcēm vienkārši nebija pietiekami daudz jaudas un enerģijas. Savukārt kvarku teorija ir svarīgs elements sensacionālā hipotēze par Higsa bozonu.

Zinātnieki veic visus zinātniskos pētījumus par kvarku radīšanu un īpašību izpēti LHC top-kvarka-antikvarka tvaika telpā.

Svarīgs Ženēvas projekta mērķis ir arī elektrovājās simetrijas mehānisma izpētes process, kas saistīts arī ar eksperimentālu Higsa bozona esamības pierādījumu. Lai vēl precīzāk definētu problēmu, pētījuma priekšmets ir ne tik daudz pats bozons, bet gan Pītera Higsa prognozētā elektrovājās mijiedarbības simetrijas pārrāvuma mehānisms.

LHC arī veic eksperimentus, lai meklētu supersimetriju - un vēlamais rezultāts būs teorija, ka jebkurai elementārdaļiņai vienmēr ir pievienots smagāks partneris, un tās atspēkošana.

Frāze “Lielais hadronu paātrinātājs” ir tik dziļi iesakņojusies plašsaziņas līdzekļos, ka par šo instalāciju zina milzums cilvēku, tostarp tie, kuru darbība nekādi nav saistīta ar elementārdaļiņu fiziku vai zinātni kopumā.

Patiešām, mediji nevarēja ignorēt tik apjomīgu un dārgu projektu - gandrīz 27 kilometrus garu, desmitiem miljardu dolāru maksājošu gredzenu instalāciju, ar kuru strādā vairāki tūkstoši zinātnieku no visas pasaules. Būtisku ieguldījumu kolidera popularitātē sniedza veiksmīgi reklamētais tā sauktais “Dieva daļiņa” jeb Higsa bozons, par kuru saņēma Pīters Higss. Nobela prēmija fizikā 2013. gadā.

Pirmkārt, jāatzīmē, ka lielais hadronu paātrinātājs netika uzbūvēts no nulles, bet gan radās tā priekšgājēja Lielā elektronu-pozitronu paātrinātāja (LEP) vietā. Darbs pie 27 kilometrus garā tuneļa tika sākts 1983. gadā, kur vēlāk tika plānots atrast paātrinātāju, kas sadurtos ar elektroniem un pozitroniem. 1988. gadā gredzenveida tunelis tika slēgts, un strādnieki tunelim tuvojās tik uzmanīgi, ka atšķirība starp abiem tuneļa galiem bija tikai 1 centimetrs.

Paātrinātājs darbojās līdz 2000. gada beigām, kad tas sasniedza maksimālo enerģiju 209 GeV. Pēc tam sākās tā demontāža. Vienpadsmit darbības gadu laikā LEP fizikā ienesa vairākus atklājumus, tostarp W un Z bozonu atklāšanu un to turpmāko izpēti. Pamatojoties uz šo pētījumu rezultātiem, tika secināts, ka elektromagnētiskās un vājās mijiedarbības mehānismi ir līdzīgi, kā rezultātā teorētiskie darbi apvienot šīs mijiedarbības elektrovājā.

2001. gadā elektronu-pozitronu paātrinātāja vietā sākās Lielā hadronu paātrinātāja būvniecība. Jaunā akseleratora būvniecība tika pabeigta 2007. gada beigās. Tas atradās LEP vietā - uz Francijas un Šveices robežas, Ženēvas ezera ielejā (15 km no Ženēvas), simts metru dziļumā. 2008. gada augustā sākās kolidera testi, un 10. septembrī notika oficiālā LHC palaišana. Tāpat kā iepriekšējā paātrinātājā, objekta būvniecību un darbību vada Eiropas Kodolpētniecības organizācija – CERN.

CERN

Ir vērts īsi pieminēt CERN organizāciju (Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire). Šī organizācija darbojas kā pasaulē lielākā laboratorija fizikas jomā augstas enerģijas. Ietver trīs tūkstošus pastāvīgo darbinieku, un CERN projektos piedalās vēl vairāki tūkstoši pētnieku un zinātnieku no 80 valstīm.

Šobrīd projektā piedalās 22 valstis: Beļģija, Dānija, Francija, Vācija, Grieķija, Itālija, Nīderlande, Norvēģija, Zviedrija, Šveice, Lielbritānija - dibinātāji, Austrija, Spānija, Portugāle, Somija, Polija, Ungārija , Čehija, Slovākija, Bulgārija un Rumānija – pievienojās. Tomēr, kā minēts iepriekš, organizācijas darbā tā vai citādi piedalās vēl vairāki desmiti valstu, un jo īpaši Lielajā hadronu paātrinātājā.

Kā darbojas lielais hadronu paātrinātājs?

Kas ir lielais hadronu paātrinātājs un kā tas darbojas, ir galvenie sabiedrības interešu jautājumi. Apskatīsim šos jautājumus tālāk.

Collider - tulkojumā no angļu valodas nozīmē "tas, kurš saduras". Šādas iestatīšanas mērķis ir daļiņu sadursme. Hadronu paātrinātāja gadījumā daļiņas spēlē hadroni - daļiņas, kas piedalās spēcīgā mijiedarbībā. Tie ir protoni.

Protonu iegūšana

Protonu garais ceļojums rodas duoplazmatronā - paātrinātāja pirmajā posmā, kas saņem ūdeņradi gāzes veidā. Duoplazmatrons ir izlādes kamera, kurā elektriskā izlāde tiek vadīta caur gāzi. Tātad ūdeņradis, kas sastāv tikai no viena elektrona un viena protona, zaudē savu elektronu. Tādā veidā veidojas plazma – viela, kas sastāv no lādētām daļiņām – protoniem. Protams, ir grūti iegūt tīru protonu plazmu, tāpēc iegūtā plazma, kurā ietilpst arī molekulāro jonu un elektronu mākonis, tiek filtrēta, lai izolētu protonu mākoni. Magnētu ietekmē protonu plazma tiek sasista starā.

Daļiņu provizoriskais paātrinājums

Jaunizveidotais protonu stars sāk savu ceļojumu lineārajā paātrinātājā LINAC 2, kas ir 30 metrus garš gredzens, kas secīgi piekārts ar vairākiem dobiem cilindriskiem elektrodiem (vadītājiem). Akseleratora iekšpusē radītais elektrostatiskais lauks tiek gradēts tā, lai daļiņas starp dobajiem cilindriem vienmēr piedzīvo paātrinājuma spēku nākamā elektroda virzienā. Neiedziļinoties pilnībā protonu paātrinājuma mehānismā šajā posmā, mēs tikai atzīmējam, ka LINAC 2 izejā fiziķi saņem protonu staru kūli ar 50 MeV enerģiju, kas jau sasniedz 31% no gaismas ātruma. Jāatzīmē, ka šajā gadījumā daļiņu masa palielinās par 5%.

Līdz 2019.-2020.gadam LINAC 2 plānots aizstāt ar LINAC 4, kas paātrinās protonus līdz 160 MeV.

Ir vērts atzīmēt, ka koliders paātrina arī svina jonus, kas ļaus izpētīt kvarka-gluona plazmu. Tie tiek paātrināti LINAC 3 gredzenā, līdzīgi kā LINAC 2. Nākotnē plānoti arī eksperimenti ar argonu un ksenonu.

Pēc tam protonu paketes nonāk protonu sinhronajā pastiprinātājā (PSB). Tas sastāv no četriem uzklātiem gredzeniem ar diametru 50 metri, kuros atrodas elektromagnētiskie rezonatori. Viņu radītajam elektromagnētiskajam laukam ir augsta intensitāte, un daļiņa, kas iet caur to, saņem paātrinājumu lauka potenciālu starpības rezultātā. Tātad jau pēc 1,2 sekundēm daļiņas tiek paātrinātas PSB līdz 91% no gaismas ātruma un sasniedz 1,4 GeV enerģiju, pēc tam tās nonāk protonu sinhrotronā (PS). PS diametrs ir 628 metri, un tas ir aprīkots ar 27 magnētiem, kas virza daļiņu staru apļveida orbītā. Šeit daļiņu protoni sasniedz 26 GeV.

Priekšpēdējais protonu paātrināšanas gredzens ir Super Proton Synchrotron (SPS), kura apkārtmērs sasniedz 7 kilometrus. Aprīkots ar 1317 magnētiem, SPS paātrina daļiņas līdz 450 GeV enerģijai. Pēc aptuveni 20 minūtēm protonu stars nonāk galvenajā gredzenā - lielajā hadronu paātrinātājā (LHC).

Daļiņu paātrinājums un sadursme LHC

Pārejas starp akseleratora gredzeniem notiek caur elektromagnētiskajiem laukiem, ko rada spēcīgi magnēti. Kodinātāja galvenais gredzens sastāv no divām paralēlām līnijām, kurās daļiņas pārvietojas apļveida orbītā pretējā virzienā. Aptuveni 10 000 magnētu ir atbildīgi par daļiņu apļveida trajektorijas uzturēšanu un virzīšanu uz sadursmes punktiem, daži no tiem sver līdz 27 tonnām. Lai izvairītos no magnētu pārkaršanas, tiek izmantota hēlija-4 ķēde, caur kuru -271,25 ° C (1,9 K) temperatūrā plūst aptuveni 96 tonnas vielas. Protoni sasniedz 6,5 TeV enerģiju (tas ir, sadursmes enerģija ir 13 TeV), savukārt to ātrums ir par 11 km/h mazāks nekā gaismas ātrums. Tādējādi sekundē protonu stars iziet cauri paātrinātāja lielajam gredzenam 11 000 reižu. Pirms daļiņu sadursmes tās cirkulēs ap gredzenu 5 līdz 24 stundas.

Daļiņu sadursmes notiek četros punktos galvenajā LHC gredzenā, kur atrodas četri detektori: ATLAS, CMS, ALICE un LHCb.

Lielie hadronu paātrinātāja detektori

ATLAS (toroidāls LHC aparāts)

- ir viens no diviem detektoriem vispārīgs mērķis Lielajā hadronu paātrinātājā (LHC). Viņš pēta plašu fizikas spektru, sākot no Higsa bozona meklējumiem līdz daļiņām, kas var veidot tumšā matērija. Lai gan tam ir tādi paši zinātniskie mērķi kā CMS eksperimentam, ATLAS izmanto atšķirīgus tehniskie risinājumi un cits magnētiskās sistēmas dizains.

Daļiņu stari no LHC saduras ATLAS detektora centrā, radot tuvojošos gružus jaunu daļiņu veidā, kas izlido no sadursmes punkta visos virzienos. Sešas dažādas noteikšanas apakšsistēmas, kas sakārtotas slāņos ap trieciena punktu, reģistrē daļiņu ceļu, impulsu un enerģiju, ļaujot tās individuāli identificēt. Milzīga magnētu sistēma izliek lādētu daļiņu ceļus, lai varētu izmērīt to impulsus.

Mijiedarbība ATLAS detektorā rada milzīgu datu plūsmu. Lai apstrādātu šos datus, ATLAS izmanto progresīvu "sprūda" sistēmu, lai pateiktu detektoram, kurus notikumus reģistrēt un kurus ignorēt. Pēc tam, lai analizētu reģistrētos sadursmes notikumus, tiek izmantoti šādi: sarežģītas sistēmas datu vākšana un aprēķināšana.

Detektors ir 46 metrus augsts un 25 metrus plats, bet tā masa ir 7000 tonnu. Šie parametri padara ATLAS par lielāko jebkad uzbūvēto daļiņu detektoru. Tas atrodas tunelī 100 m dziļumā netālu no galvenās CERN vietas, netālu no Meirinas ciema Šveicē. Instalācija sastāv no 4 galvenajām sastāvdaļām:

• Iekšējam detektoram ir cilindriska forma, iekšējais gredzens atrodas tikai dažus centimetrus no garāmejošā daļiņu stara ass, bet ārējā gredzena diametrs ir 2,1 metrs un garums 6,2 metri. Tas sastāv no trim dažādas sistēmas sensori, kas iegremdēti magnētiskajā laukā. Iekšējais detektors mēra elektriski lādēto daļiņu virzienu, impulsu un lādiņu, kas rodas katrā protonu un protonu sadursmē. Iekšējā detektora galvenie elementi ir: pikseļu detektors, pusvadītāju izsekotājs (SCT) un pārejas starojuma izsekotājs (TRT).

• Kalorimetri mēra enerģiju, ko daļiņa zaudē, izejot cauri detektoram. Tas absorbē daļiņas, kas rodas sadursmes laikā, tādējādi reģistrējot to enerģiju. Kalorimetri sastāv no "absorbējoša" materiāla slāņiem ar liels blīvums— svins, pārmaiņus ar “aktīvās vides” — šķidrā argona — slāņiem. Elektromagnētiskie kalorimetri mēra elektronu un fotonu enerģiju, kad tie mijiedarbojas ar vielu. Hadronu kalorimetri mēra hadronu enerģiju, kad tie mijiedarbojas ar atomu kodoliem. Kalorimetri var apturēt lielāko daļu zināmo daļiņu, izņemot mionus un neitrīno.

LAr (Liquid Argon Calorimeter) - ATLAS kalorimetrs

• Mūonu spektrometrs – sastāv no 4000 atsevišķām mūonu kamerām, kas izmanto četras dažādas tehnoloģijas, lai identificētu mionus un izmērītu to momentus. Mūoni parasti iziet caur iekšējo detektoru un kalorimetru, kam nepieciešams mionu spektrometrs.

• ATLAS magnētiskā sistēma izliek daļiņas ap dažādiem detektoru sistēmu slāņiem, tādējādi atvieglojot daļiņu pēdu izsekošanu.

ATLAS eksperimentā (2012. gada februārī) ir iesaistīti vairāk nekā 3000 zinātnieku no 174 iestādēm 38 valstīs.

CMS (kompaktais muona solenoīds)

— ir liela hadronu paātrinātāja (LHC) vispārējas nozīmes detektors. Tāpat kā ATLAS, tai ir plaša fizikas programma, sākot no standarta modeļa (tostarp Higsa bozona) izpētes līdz daļiņu meklēšanai, kas var veidot tumšo vielu. Lai gan tam ir tādi paši zinātniskie mērķi kā ATLAS eksperimentam, CMS izmanto dažādus tehniskos risinājumus un atšķirīgu magnētiskās sistēmas dizainu.

CMS detektors ir veidots ap milzīgu solenoīda magnētu. Tā ir supravadoša kabeļa cilindriska spole, kas ģenerē 4 Teslu lauku, kas ir aptuveni 100 000 reižu lielāks par Zemes magnētisko lauku. Lauku ierobežo tērauda “jūgs”, kas ir masīvākā detektora sastāvdaļa, kas sver 14 000 tonnu. Pilns detektors ir 21 m garš, 15 m plats un 15 m augsts. Instalācija sastāv no 4 galvenajām sastāvdaļām:

• Solenoīda magnēts ir lielākais magnēts pasaulē un kalpo, lai saliektu no trieciena punkta izstaroto uzlādēto daļiņu trajektoriju. Trajektorijas deformācija ļauj atšķirt pozitīvi un negatīvi lādētas daļiņas (jo tās liecas pretējos virzienos), kā arī izmērīt impulsu, kura lielums ir atkarīgs no trajektorijas izliekuma. Lielais solenoīda izmērs ļauj izsekotājam un kalorimetriem atrasties spoles iekšpusē.
• Silicon Tracker — sastāv no 75 miljoniem atsevišķu elektronisku sensoru, kas sakārtoti koncentriskos slāņos. Kad uzlādēta daļiņa lido cauri izsekotāja slāņiem, tā nodod daļu enerģijas katram slānim, apvienojot šos daļiņas sadursmes punktus ar dažādiem slāņiem, ļauj mums tālāk noteikt tās trajektoriju.
• Kalorimetri – elektronu un hadronu, skatīt ATLAS kalorimetri.
• Apakšdetektori – ļauj atklāt mūonus. Tos attēlo 1400 mionu kameras, kas atrodas slāņos ārpus spoles, mijas ar “jūga” metāla plāksnēm.

CMS eksperiments ir viens no lielākajiem starptautiskajiem zinātniskie pētījumi vēsturē, ar 4300 dalībniekiem: daļiņu fiziķi, inženieri un tehniķi, studenti un atbalsta personāls no 182 iestādēm, 42 valstīm (2014. gada februāris).

ALISE (liela jonu paātrinātāja eksperiments)

— ir smago jonu detektors uz lielā hadronu paātrinātāja (LHC) gredzeniem. Tas ir paredzēts, lai pētītu spēcīgi mijiedarbojošu vielu fiziku pie ārkārtēja enerģijas blīvuma, kur veidojas vielas fāze, ko sauc par kvarka-gluona plazmu.

Visa parastā viela mūsdienu Visumā sastāv no atomiem. Katrs atoms satur protonu un neitronu kodolu (izņemot ūdeņradi, kuram nav neitronu), ko ieskauj elektronu mākonis. Protoni un neitroni savukārt ir izgatavoti no kvarkiem, kas saistīti ar citām daļiņām, ko sauc par gluoniem. Neviens kvarks nekad nav novērots atsevišķi: kvarki, kā arī gluoni, šķiet, ir pastāvīgi saistīti kopā un atrodas daļiņās, piemēram, protonos un neitronos. To sauc par ieslodzījumu.

Sadursmes LHC rada temperatūru, kas ir vairāk nekā 100 000 reižu augstāka nekā Saules centrā. Kodolieris nodrošina sadursmes starp svina joniem, atjaunojot apstākļus, kas līdzīgi tiem, kas radās tūlīt pēc Lielā sprādziena. Šajos ekstremālos apstākļos protoni un neitroni “kūst”, atbrīvojot kvarkus no saitēm ar gluoniem. Tā ir kvarka-gluona plazma.

ALICE eksperimentā tiek izmantots ALICE detektors, kas sver 10 000 tonnu, ir 26 m garš, 16 m augsts un 16 m plats. Ierīce sastāv no trim galvenajiem komponentu komplektiem: izsekošanas ierīces, kalorimetri un daļiņu identifikatoru detektori. Tas ir arī sadalīts 18 moduļos. Detektors atrodas tunelī 56 m dziļumā, netālu no Saint-Denis-Pouilly ciema Francijā.

Eksperimentā piedalās vairāk nekā 1000 zinātnieku no vairāk nekā 100 fizikas institūtiem 30 valstīs.

LHCb (lielā hadronu paātrinātāja skaistuma eksperiments)

- Eksperimentā tiek pētītas nelielas atšķirības starp matēriju un antimateriālu, pētot daļiņu veidu, ko sauc par skaistuma kvarku vai b kvarku.

Tā vietā, lai aptvertu visu sadursmes punktu ar slēgtu detektoru, piemēram, ATLAS un CMS, LHCb eksperimentā tiek izmantota virkne apakšdetektoru, lai noteiktu pārsvarā uz priekšu virzītās daļiņas - tās, kuras tika vērstas uz priekšu, sadursme vienā virzienā. Pirmais apakšdetektors ir uzstādīts tuvu sadursmes vietai, bet pārējie tiek uzstādīti viens pēc otra 20 metru attālumā.

Liela pārpilnība radīta LHC dažādi veidi kvarki, pirms tie ātri sadalās citās formās. Lai notvertu b kvarkus, LHCb tika izstrādāti sarežģīti kustīgas izsekošanas detektori, kas atrodas tuvu daļiņu stara kustībai cauri kolideram.

5600 tonnu smagais LHCb detektors sastāv no tiešā spektrometra un plakanu plākšņu detektoriem. Tas ir 21 metru garš, 10 metrus augsts un 13 metrus plats, un tas atrodas 100 metrus pazemē. LHCb eksperimentā (2013. gada oktobrī) ir iesaistīti aptuveni 700 zinātnieku no 66 dažādiem institūtiem un universitātēm.

Citi eksperimenti koliderā

Papildus iepriekšminētajiem eksperimentiem lielajā hadronu paātrinātājā ir vēl divi eksperimenti ar instalācijām:

• LHCf (lielā hadronu paātrinātāja uz priekšu)— pēta daļiņas, kas izmestas uz priekšu pēc daļiņu staru sadursmes. Tie simulē kosmiskos starus, kurus zinātnieki pēta eksperimenta ietvaros. Kosmiskie stari ir dabiski lādētas daļiņas no kosmosa, kas pastāvīgi bombardē Zemes atmosfēru. Tie saduras ar kodoliem atmosfēras augšējos slāņos, izraisot daļiņu kaskādi, kas sasniedz zemes līmeni. Izpētot, kā sadursmes LHC iekšienē rada šādas daļiņu kaskādes, fiziķi varēs interpretēt un kalibrēt liela mēroga kosmisko staru eksperimentus, kas var aptvert tūkstošiem kilometru.

LHCf sastāv no diviem detektoriem, kas atrodas gar LHC, 140 metru attālumā abās pusēs no ATLAS trieciena punkta. Katrs no diviem detektoriem sver tikai 40 kilogramus un ir 30 cm garš, 80 cm augsts un 10 cm plats. LHCf eksperimentā piedalās 30 zinātnieki no 9 institūtiem 5 valstīs (2012. gada novembris).

• TOTEMS (kopējais šķērsgriezums, elastīgā izkliede un difrakcijas disociācija)- eksperiments ar garāko uzstādīšanu uz kolidera. Tās misija ir pētīt pašus protonus, precīzi mērot protonus, kas rodas zema leņķa sadursmēs. Šis reģions ir pazīstams kā "uz priekšu" virziens, un tas nav pieejams citiem LHC eksperimentiem. TOTEM detektori sniedzas gandrīz puskilometru ap CMS mijiedarbības punktu. TOTEM rīcībā ir gandrīz 3000 kg iekārtas, tostarp četri kodolteleskopi, kā arī 26 romiešu katlu detektori. Pēdējais veids ļauj detektorus novietot pēc iespējas tuvāk daļiņu staram. TOTEM eksperimentā ir iesaistīti aptuveni 100 zinātnieki no 16 institūtiem 8 valstīs (2014. gada augusts).

Kāpēc ir nepieciešams lielais hadronu paātrinātājs?

Lielākā starptautiskā zinātniskā instalācija pēta plašu fizisko problēmu loku:

• Top kvarku pētījums. Šī daļiņa ir ne tikai smagākais kvarks, bet arī smagākā elementārdaļiņa. Augšējā kvarka īpašību izpēte ir jēga arī tāpēc, ka tas ir pētniecības instruments.
• Higsa bozona meklēšana un izpēte. Lai gan CERN apgalvo, ka Higsa bozons jau ir atklāts (2012. gadā), par tā būtību ir zināms ļoti maz un turpmāki pētījumi varētu ieviest lielāku skaidrību tā darbības mehānismā.

• Kvarka-gluona plazmas izpēte. Svina kodoliem saduroties lielā ātrumā, koliderā veidojas . Viņas pētījumi var nest rezultātus, kas noder gan kodolfizikai (spēcīgas mijiedarbības teorijas uzlabošanai), gan astrofizikai (Visuma izpētei tā pirmajos pastāvēšanas brīžos).
• Meklēt supersimetriju. Šī pētījuma mērķis ir atspēkot vai pierādīt “supersimetriju”, teoriju, ka katrai elementārdaļiņai ir smagāks partneris, ko sauc par “superdaļiņu”.
• Fotonu-fotonu un fotonu-hadronu sadursmju izpēte. Tas uzlabos izpratni par šādu sadursmju procesu mehānismiem.
• Eksotisko teoriju pārbaude. Šajā uzdevumu kategorijā ietilpst visnetradicionālākie - “eksotiskie”, piemēram, paralēlo visumu meklēšana, veidojot mini-melnos caurumus.

Bez šiem uzdevumiem ir vēl daudzi citi, kuru risinājums arī ļaus cilvēcei labāk izprast dabu un pasauli mums apkārt, kas savukārt pavērs iespējas jaunu tehnoloģiju radīšanai.

Lielā hadronu paātrinātāja praktiskie ieguvumi un fundamentālā zinātne

Pirmkārt, jāatzīmē, ka fundamentālie pētījumi sniedz ieguldījumu fundamentālajā zinātnē. Lietišķā zinātne nodarbojas ar šo zināšanu pielietošanu. Sabiedrības daļa, kas neapzinās fundamentālās zinātnes priekšrocības, bieži vien neuztver Higsa bozona atklāšanu vai kvarka-gluona plazmas radīšanu kā kaut ko nozīmīgu. Šādu studiju saistība ar vienkārša cilvēka dzīvi nav acīmredzama. Apskatīsim īsu piemēru ar kodolenerģiju:

1896. gadā franču fiziķis Antuāns Anrī Bekerels atklāja radioaktivitātes fenomenu. Ilgu laiku viņai tā ticēja rūpnieciskai lietošanai cilvēce drīz nepāries. Tikai piecus gadus pirms pirmā kodolreaktora palaišanas vēsturē izcilais fiziķis Ernests Raterfords, kurš faktiski atklāja atoma kodolu 1911. gadā, teica, ka atomenerģija nekad neatradīs savu pielietojumu. Speciālistiem savu attieksmi pret atoma kodolā ietverto enerģiju izdevās pārdomāt 1939. gadā, kad vācu zinātnieki Līze Meitnere un Oto Hāns atklāja, ka urāna kodoli, apstarojot ar neitroniem, sadalās divās daļās, atbrīvojot milzīgu enerģijas daudzumu – kodolu. enerģiju.

Un tikai pēc šīs sērijas pēdējās saites fundamentālie pētījumi Lietišķā zinātne sāka darboties un, pamatojoties uz šiem atklājumiem, izgudroja ierīci kodolenerģijas ražošanai - atomreaktoru. Atklājuma mērogu var novērtēt, aplūkojot kodolreaktoros saražotās elektroenerģijas daļu. Tā, piemēram, Ukrainā atomelektrostacijas veido 56% no elektroenerģijas ražošanas, bet Francijā – 76%.

Visas jaunās tehnoloģijas ir balstītas uz noteiktām fundamentālām zināšanām. Šeit ir vēl pāris īsi piemēri:

• 1895. gadā Vilhelms Konrāds Rentgens pamanīja, ka, pakļaujot rentgena stariem, fotoplate kļūst tumšāka. Mūsdienās radiogrāfija ir viens no visbiežāk izmantotajiem pētījumiem medicīnā, kas ļauj pētīt stāvokli iekšējie orgāni un atklāt infekcijas un pietūkumu.
• 1915. gadā Alberts Einšteins ierosināja savu. Mūsdienās šī teorija tiek ņemta vērā, darbojoties ar GPS satelītiem, kas nosaka objekta atrašanās vietu ar pāris metru precizitāti. GPS tiek izmantots mobilajos sakaros, kartogrāfijā, transporta uzraudzībā, bet galvenokārt navigācijā. Satelīta kļūda, kas neņem vērā vispārējo relativitāti, pieaugtu par 10 kilometriem dienā no palaišanas brīža! Un, ja gājējs var izmantot saprātu un papīra karte, tad aviokompāniju piloti nonāks sarežģītā situācijā, jo nav iespējams orientēties pa mākoņiem.

Ja šodien LHC atklājumiem praktisks pielietojums vēl nav atrasts, tas nenozīmē, ka zinātnieki "velti mānās pie sadursmes". Kā zināms, saprātīgs cilvēks vienmēr vēlas iegūt maksimumu praktisks pielietojums no esošajām zināšanām, un tāpēc LHC pētījumu procesā uzkrātās zināšanas par dabu agri vai vēlu noteikti atradīs savu pielietojumu. Kā jau tika parādīts iepriekš, saikne starp fundamentāliem atklājumiem un tehnoloģijām, kas tos izmanto, dažkārt var nebūt acīmredzama.

Visbeidzot, atzīmēsim tā sauktos netiešos atklājumus, kas nav izvirzīti kā pētījuma sākotnējie mērķi. Tās notiek diezgan bieži, jo fundamentāla atklājuma veikšanai parasti ir jāievieš un jāizmanto jaunas tehnoloģijas. Tādējādi optikas attīstība saņēma stimulu no fundamentālajiem kosmosa pētījumiem, kuru pamatā bija astronomu novērojumi caur teleskopu. CERN gadījumā radās visuresoša tehnoloģija: internets, projekts, ko Tims Berners-Lī ierosināja 1989. gadā, lai atvieglotu CERN organizācijas datu atrašanu.

Šajā jautājumā (un citos līdzīgos) vārdu “patiesībā” izskats ir ziņkārīgs - it kā nezinātājam ir paslēpta kāda būtība, ko no parastajiem cilvēkiem aizsargā “zinātnes priesteri”, noslēpums, kas ir nepieciešams. tikt atklātam. Taču, skatoties no zinātnes iekšienes, noslēpums pazūd un šiem vārdiem vairs nav vietas - jautājums “kāpēc mums vajadzīgs hadronu paātrinātājs” būtiski neatšķiras no jautājuma “kāpēc mums vajadzīgs lineāls (vai svari) , vai pulksteņi utt.). Fakts, ka koliders pēc jebkādiem standartiem ir liela, dārga un sarežģīta lieta, neko nemaina.

Manuprāt, tuvākā līdzība, lai saprastu, “kāpēc tas ir vajadzīgs”, ir objektīvs. Cilvēce ar lēcu īpašībām ir pazīstama kopš neatminamiem laikiem, taču tikai pagājušās tūkstošgades vidū tika saprasts, ka noteiktas lēcu kombinācijas var izmantot kā instrumentus, kas ļauj izpētīt ļoti mazus vai ļoti tālus objektus – mēs esam, protams, runājot par mikroskopu un teleskopu. Nav šaubu, ka jautājums par to, kāpēc tas viss ir vajadzīgs, tika atkārtoti uzdots, kad parādījās šie laikabiedriem jauni dizaini. Taču tā pati no dienas kārtības tika izņemta, jo paplašinājās abu ierīču zinātniskās un lietišķās pielietošanas jomas. Ņemiet vērā, ka, vispārīgi runājot, šis dažādas ierīces- Jūs nevarēsit skatīties uz zvaigznēm ar apgrieztu mikroskopu. Paradoksālā kārtā lielais hadronu paātrinātājs tos apvieno sevī, un to var pamatoti uzskatīt par augstāko punktu gan mikroskopu, gan teleskopu evolūcijā, ko cilvēce ir sasniegusi pēdējos gadsimtos. Šis apgalvojums var šķist dīvains, un, protams, to nevajag uztvert burtiski – akseleratorā nav lēcu (vismaz optisko). Bet pēc būtības tas ir tieši tā. Koliders savā “mikroskopiskajā” formā ļauj pētīt objektu uzbūvi un īpašības 10-19 metru līmenī (atgādināšu, ka ūdeņraža atoma izmērs ir aptuveni 10-10 metri). Vēl interesantāka situācija ir “teleskopa” daļā. Katrs teleskops ir reālā laika mašīna, jo tajā redzamais attēls atbilst tam, kāds bija novērojamā objekta pagātnē, proti, pirms laika, kad elektromagnētiskajam starojumam no šī objekta jānonāk līdz novērotājam. Šis laiks var būt nedaudz vairāk par astoņām minūtēm, novērojot Sauli no Zemes, un līdz pat miljardiem gadu, novērojot tālos kvazārus. Lielā hadronu paātrinātājā tiek radīti apstākļi, kas Visumā pastāvēja niecīgu sekundes daļu pēc Lielā sprādziena. Tādējādi mēs iegūstam iespēju atskatīties gandrīz 14 miljardu gadu senā pagātnē, uz mūsu pasaules pirmsākumiem. Parastie zemes un orbitālie teleskopi (vismaz tie, kas ieraksta elektromagnētiskā radiācija), iegūst "redzi" tikai pēc rekombinācijas laikmeta, kad Visums kļuva optiski caurspīdīgs - tas notika, saskaņā ar mūsdienu priekšstatiem, 380 tūkstošus gadu pēc Lielā sprādziena.

Tālāk mums ir jāizlemj, ko darīt ar šīm zināšanām: gan par matērijas uzbūvi mazos mērogos, gan par tās īpašībām Visuma dzimšanas brīdī, un tieši tas galu galā atgriezīs sākumā apspriesto noslēpumu un noteiks, kāpēc sadursme. ir vajadzīgs, bija vajadzīgs “patiešām”. Bet tas ir cilvēka lēmums, un koliders, ar kura palīdzību tika iegūtas šīs zināšanas, paliks tikai ierīce - iespējams, vismodernākā “lēcu” sistēma, kādu pasaule jebkad ir redzējusi.