Berita tentang eksperimen yang dijalankan di Eropah menggegarkan ketenangan orang ramai, naik ke bahagian atas senarai topik yang dibincangkan. Hadron Collider dinyalakan di mana-mana - di TV, di akhbar dan di Internet. Apa yang boleh kita katakan, jika pengguna LJ mewujudkan komuniti yang berasingan, di mana beratus-ratus orang acuh tak acuh telah secara aktif menyatakan pandangan mereka tentang idea sains baru. "Delo" menawarkan anda 10 fakta yang mesti anda ketahui pelanggar hadron.

Frasa saintifik misteri tidak lagi seperti itu, sebaik sahaja kita mengetahui maksud setiap perkataan. Hadron- nama kelas zarah asas. Pelanggar- pemecut khas, dengan bantuan yang memungkinkan untuk memindahkan tenaga tinggi kepada zarah asas bahan dan, setelah memecut ke kelajuan tertinggi, menghasilkan semula perlanggaran mereka antara satu sama lain.

2. Kenapa semua orang bercakap tentang dia?

Menurut saintis dari Pusat Penyelidikan Nuklear Eropah CERN, eksperimen itu akan memungkinkan untuk menghasilkan semula dalam miniatur letupan yang mengakibatkan pembentukan Alam Semesta berbilion tahun yang lalu. Walau bagaimanapun, perkara yang paling dibimbangkan orang ramai ialah apakah akibat letupan mini di planet ini jika percubaan itu gagal. Menurut beberapa saintis, akibat perlanggaran zarah asas yang terbang pada kelajuan ultrarelativistik dalam arah yang bertentangan, lubang hitam mikroskopik terbentuk, serta zarah berbahaya lain akan terbang keluar. Bergantung pada sinaran khas yang membawa kepada penyejatan lubang hitam tidak begitu berbaloi - tidak ada bukti eksperimen bahawa ia berfungsi. Itulah sebabnya kepada sedemikian inovasi saintifik dan ketidakpercayaan timbul, secara aktif didorong oleh saintis yang ragu-ragu.

3. Bagaimanakah perkara ini berfungsi?

Zarah asas dipercepatkan dalam orbit yang berbeza dalam arah yang bertentangan, selepas itu ia diletakkan dalam satu orbit. Nilai peranti rumit itu ialah terima kasih kepadanya, saintis dapat mengkaji produk perlanggaran zarah asas, yang direkodkan oleh pengesan khas dalam bentuk kamera digital dengan resolusi 150 megapiksel, mampu mengambil 600 juta bingkai setiap kedua.

4. Bilakah anda mendapat idea untuk mencipta collider?

Idea untuk membina kereta itu dilahirkan pada tahun 1984, tetapi pembinaan terowong itu hanya bermula pada tahun 2001. Pemecut terletak dalam terowong yang sama di mana pemecut sebelumnya, Pelanggar Positron Elektron Besar, terletak. Lingkaran 26.7 kilometer itu diletakkan pada kedalaman kira-kira seratus meter di bawah tanah di Perancis dan Switzerland. Pada 10 September, pancaran proton pertama dilancarkan dalam pemecut. Himpunan kedua akan dilancarkan dalam beberapa hari akan datang.

5. Berapakah kos pembinaannya?

Beratus-ratus saintis dari seluruh dunia, termasuk Rusia, mengambil bahagian dalam pembangunan projek itu. Kosnya dianggarkan $ 10 bilion, di mana Amerika Syarikat melabur $ 531 juta dalam pembinaan pelanggar hadron.

6. Apakah sumbangan Ukraine kepada penciptaan pemecut?

Para saintis Institut Fizik Teori Ukraine mengambil bahagian secara langsung dalam pembinaan Hadron Collider. Mereka telah membangunkan sistem pengesanan dalaman (ITS) khususnya untuk penyelidikan. Dia adalah hati "Alice" - bahagian pelanggar di mana miniatur "big bang" sepatutnya berlaku. Jelas sekali, bukan bahagian paling penting dalam kereta itu. Ukraine mesti membayar 200,000 Hryvnia setiap tahun untuk hak untuk mengambil bahagian dalam projek itu. Ini adalah 500-1000 kali ganda kurang daripada sumbangan kepada projek negara lain.

7. Bila nak tunggu kiamat?

Percubaan pertama mengenai perlanggaran rasuk zarah asas dijadualkan pada 21 Oktober. Sehingga masa itu, saintis merancang untuk mempercepatkan zarah ke kelajuan yang hampir dengan kelajuan cahaya. Menurut teori relativiti am Einstein, kita tidak berada dalam bahaya lubang hitam. Walau bagaimanapun, jika teori dengan tambahan dimensi ruang akan betul, kita tidak mempunyai banyak masa lagi untuk mempunyai masa untuk menyelesaikan semua soalan kita di planet Bumi.

8. Mengapa lubang hitam menakutkan?

Lubang hitam- kawasan dalam ruang-masa, daya tarikan graviti yang sangat kuat sehingga objek yang bergerak pada kelajuan cahaya tidak dapat meninggalkannya. Kewujudan lubang hitam disahkan oleh penyelesaian persamaan Einstein. Walaupun hakikatnya, ramai sudah membayangkan bagaimana lubang hitam terbentuk di Eropah, berkembang, akan menelan seluruh planet, tidak perlu membunyikan penggera. Lubang hitam, yang, menurut beberapa teori, mungkin muncul apabila bekerja pelanggar, menurut semua teori yang sama, akan wujud untuk tempoh yang singkat sehingga mereka tidak akan mempunyai masa untuk memulakan proses menyerap bahan. Menurut beberapa saintis, mereka tidak akan mempunyai masa untuk terbang ke dinding pelanggar.

9. Bagaimanakah penyelidikan boleh berguna?

Sebagai tambahan kepada fakta bahawa data penyelidikan adalah satu lagi pencapaian saintifik yang luar biasa yang akan membolehkan manusia mengetahui komposisi zarah asas, ini bukan semua keuntungan yang manusia telah mengambil risiko sedemikian. Mungkin dalam masa terdekat kita akan dapat melihat dinosaur dengan mata kepala kita sendiri dan membincangkan strategi ketenteraan yang paling berkesan dengan Napoleon. Para saintis Rusia percaya bahawa hasil daripada eksperimen itu, manusia akan dapat mencipta mesin masa.

10. Bagaimana untuk memberi gambaran orang yang bijak saintifik menggunakan Hadron Collider?

Dan akhirnya, jika seseorang, bersenjatakan jawapan terlebih dahulu, bertanya kepada anda apakah Hadron Collider, kami mencadangkan anda pilihan yang layak jawapan yang boleh mengejutkan sesiapa sahaja. Jadi, kencangkan tali pinggang keledar anda! Hadron Collider ialah pemecut zarah bercas yang direka untuk mempercepatkan proton dan ion berat dalam rasuk berlanggar. Dibina di Pusat Penyelidikan Majlis Eropah untuk Penyelidikan Nuklear, ia adalah terowong sepanjang 27 kilometer yang ditanam pada kedalaman 100 meter. Disebabkan fakta bahawa proton dicas secara elektrik, proton ultrarelativistik menghasilkan awan foton yang hampir nyata terbang berhampiran proton. Fluks foton ini menjadi lebih kuat dalam rejim perlanggaran nuklear, disebabkan oleh besarnya cas elektrik isirong. Mereka boleh berlanggar dengan kedua-dua proton yang akan datang, menimbulkan perlanggaran foton-hadron biasa, dan antara satu sama lain. Para saintis takut bahawa akibat daripada eksperimen itu, "terowong" ruang-masa di angkasa, yang merupakan ciri tipologi ruang-masa, mungkin terbentuk. Hasil daripada eksperimen, kewujudan supersimetri juga boleh dibuktikan, yang, oleh itu, akan menjadi pengesahan tidak langsung tentang kebenaran teori superstring.

(atau TANGKI) kini merupakan pemecut zarah terbesar dan paling berkuasa di dunia. Colossus ini telah dilancarkan pada tahun 2008, tetapi untuk masa yang lama bekerja pada kapasiti yang dikurangkan. Mari kita fikirkan apakah itu dan mengapa kita memerlukan Pelanggar Hadron Besar.

Sejarah, mitos dan fakta

Idea untuk mencipta collider diumumkan pada tahun 1984. Dan projek itu sendiri untuk pembinaan collider telah diluluskan dan diterima pakai pada tahun 1995. Pembangunan itu milik Pusat Penyelidikan Nuklear Eropah (CERN). Secara umum, pelancaran collider menarik banyak perhatian bukan sahaja saintis, tetapi juga orang biasa dari seluruh dunia. Kami bercakap tentang semua jenis ketakutan dan kengerian yang berkaitan dengan pelancaran pelanggar itu.

Walau bagaimanapun, pada masa ini, ada kemungkinan seseorang sedang menunggu kiamat yang berkaitan dengan kerja LHC dan memikirkan apa yang akan berlaku jika Large Hadron Collider meletup. Walaupun, pertama sekali, semua orang takut dengan lubang hitam, yang, pada mulanya mikroskopik, akan tumbuh dan selamat menyerap pertama collider itu sendiri, dan kemudian Switzerland dan seluruh dunia. Malapetaka pemusnahan juga menyebabkan panik yang hebat. Sekumpulan saintis juga menyaman, cuba menghentikan pembinaan. Kenyataan itu mengatakan bahawa gumpalan antijirim yang boleh dihasilkan pada pelanggar akan mula musnah dengan jirim, tindak balas berantai akan bermula dan seluruh alam semesta akan musnah. Seperti yang dikatakan oleh watak terkenal dari Back to the Future:

Seluruh alam semesta, sudah tentu, dalam senario kes terburuk. Pada yang terbaik, hanya galaksi kita. Dr Emet Brown.

Sekarang mari kita cuba memahami mengapa ia adalah hadronik? Hakikatnya ialah ia berfungsi dengan hadron, lebih tepat lagi, ia memecut, memecut dan berlanggar hadron.

Hadrons- kelas zarah asas yang tertakluk kepada interaksi yang kuat. Hadron diperbuat daripada kuark.

Hadron dibahagikan kepada baryon dan meson. Untuk memudahkannya, katakan hampir semua jirim yang kita ketahui terdiri daripada baryon. Mari kita permudahkan lagi dan katakan bahawa baryon ialah nukleon (proton dan neutron yang membentuk nukleus atom).

Bagaimana Large Hadron Collider berfungsi

Skalanya sangat mengagumkan. Pelanggar adalah terowong cincin yang tertimbus pada kedalaman seratus meter. LHC adalah 26,659 meter panjang. Proton, dipercepatkan kepada kelajuan hampir dengan kelajuan cahaya, terbang dalam bulatan bawah tanah melalui wilayah Perancis dan Switzerland. Tepatnya, kedalaman terowong itu terletak dalam julat antara 50 hingga 175 meter. Untuk memfokus dan mengurung rasuk proton terbang, magnet superkonduktor digunakan, mereka jumlah panjang adalah kira-kira 22 kilometer, dan ia beroperasi pada suhu -271 darjah Celsius.

Pelanggar termasuk 4 pengesan gergasi: ATLAS, CMS, ALICE dan LHCb. Sebagai tambahan kepada pengesan besar utama, terdapat juga yang tambahan. Pengesan direka untuk merekodkan hasil perlanggaran zarah. Iaitu, selepas dua proton berlanggar pada kelajuan hampir cahaya, tiada siapa yang tahu apa yang diharapkan. Untuk "melihat" apa yang berlaku, di mana ia melantun dan sejauh mana ia terbang, dan terdapat pengesan yang diisi dengan semua jenis penderia.

Keputusan operasi Large Hadron Collider.

Mengapa anda memerlukan collider? Sudah tentu bukan untuk memusnahkan Bumi. Apakah guna zarah berlanggar? Hakikatnya ialah terdapat banyak soalan yang tidak terjawab dalam fizik moden, dan kajian dunia dengan bantuan zarah dipercepatkan dapat secara literal menemui lapisan realiti baru, memahami struktur dunia, dan mungkin juga menjawab soalan utama "makna kehidupan, Alam Semesta dan secara umum."

Apakah penemuan yang telah dibuat di LHC? Yang paling terkenal ialah penemuan Higgs boson(kami akan menumpukan artikel berasingan kepadanya). Di samping itu, telah dibuka 5 zarah baru, data perlanggaran pertama yang diperolehi pada tenaga rekod, ketiadaan asimetri proton dan antiproton ditunjukkan, mendapati korelasi proton yang luar biasa... Senarai itu berterusan dan seterusnya. Tetapi lubang hitam mikroskopik yang menakutkan suri rumah tidak ditemui.

Dan ini walaupun fakta bahawa pelanggar belum lagi dipercepatkan ke kuasa maksimumnya. Kini tenaga maksimum LHC ialah 13 TeV(tera elektron-volt). Walau bagaimanapun, selepas penyediaan yang betul, proton dirancang untuk dipercepatkan 14 TeV... Sebagai perbandingan, dalam pemecut pendahulu LHC, tenaga maksimum yang diperoleh tidak melebihi 1 TeV... Beginilah cara pemecut Amerika Tevatron dari negeri Illinois boleh mempercepatkan zarah. Tenaga yang dicapai dalam collider adalah jauh dari yang terbesar di dunia. Jadi, tenaga sinar kosmik yang direkodkan di Bumi melebihi tenaga zarah yang dipercepatkan dalam pelanggar sebanyak satu bilion kali! Jadi, bahaya Large Hadron Collider adalah minimum. Berkemungkinan selepas semua jawapan diterima dengan bantuan LHC, manusia perlu membina satu lagi pelanggar yang lebih berkuasa.

Kawan, cintakan sains, dan ia pasti akan menyayangi anda! Dan mereka boleh membantu anda jatuh cinta dengan sains dengan mudah. Dapatkan bantuan dan jadikan pembelajaran menyeronokkan!

Ia adalah mencari cara untuk menyatukan dua teori asas - relativiti am (tentang teori graviti) dan model piawai (model piawai yang menyatukan tiga interaksi fizikal asas - elektromagnet, kuat dan lemah). Mencari penyelesaian sebelum penciptaan LHC telah dihalang oleh kesukaran dalam mencipta teori graviti kuantum.

Pembinaan hipotesis ini melibatkan gabungan dua teori fizik - mekanik kuantum dan relativiti am.

Untuk ini, beberapa pendekatan moden yang popular dan perlu digunakan serentak - teori rentetan, teori bran, teori supergraviti, dan juga teori graviti kuantum. Sebelum membina collider masalah utama menjalankan eksperimen yang diperlukan adalah kekurangan tenaga yang tidak dapat dicapai dengan pemecut zarah moden yang lain.

Geneva LHC memberi peluang kepada saintis untuk menjalankan eksperimen yang sebelum ini tidak dapat dilaksanakan. Adalah dipercayai bahawa dalam masa terdekat banyak teori fizikal akan disahkan atau disangkal dengan bantuan radas. Salah satu yang paling bermasalah ialah supersymmetry, atau teori rentetan, yang untuk masa yang lama membahagikan fizikal kepada dua kem - "stringers" dan saingan mereka.

Eksperimen asas lain yang dijalankan dalam rangka kerja LHC

Menarik dan penyelidikan saintis dalam bidang mengkaji bahagian atas, yang merupakan kuark paling banyak dan paling berat (173.1 ± 1.3 GeV / c²) daripada semua zarah asas yang diketahui sekarang.

Kerana sifat ini, dan sebelum penciptaan LHC, saintis hanya dapat memerhatikan kuark pada pemecut Tevatron, kerana peranti lain tidak mempunyai kuasa dan tenaga yang mencukupi. Sebaliknya, teori kuark ialah elemen penting hipotesis Higgs boson yang sensasi.

Semua penyelidikan saintifik mengenai penciptaan dan kajian sifat kuark, saintis menghasilkan dalam wap top-quark-antiquark dalam LHC.

Matlamat penting projek Geneva juga adalah proses mengkaji mekanisme simetri elektrolemah, yang juga dikaitkan dengan bukti eksperimen kewujudan boson Higgs. Untuk mentakrifkan masalah dengan lebih tepat lagi, subjek kajian bukanlah boson itu sendiri sebagai mekanisme pemecahan simetri interaksi elektrolemah yang diramalkan oleh Peter Higgs.

Dalam rangka kerja LHC, eksperimen juga sedang dijalankan untuk mencari supersimetri - dan hasil yang diinginkan ialah teori bahawa mana-mana zarah asas sentiasa disertai oleh rakan kongsi yang lebih berat, dan penyangkalannya.

Ungkapan "Large Hadron Collider" begitu mendalam tertanam dalam media massa sehinggakan sebahagian besar orang tahu tentang pemasangan ini, termasuk mereka yang aktivitinya sama sekali tidak berkaitan dengan fizik zarah asas, dan dengan sains secara amnya.

Malah, projek berskala besar dan mahal itu tidak boleh diabaikan oleh media - pemasangan cincin sepanjang hampir 27 kilometer, dengan kos berpuluh-puluh bilion dolar, yang mana beberapa ribu penyelidik dari seluruh dunia bekerja. Sumbangan penting kepada populariti pelanggar dibuat oleh apa yang dipanggil "zarah Tuhan" atau boson Higgs, yang berjaya diiklankan, dan yang diterima oleh Peter Higgs hadiah Nobel dalam fizik pada tahun 2013.

Pertama sekali, perlu diingatkan bahawa Large Hadron Collider tidak dibina dari awal, tetapi timbul di tapak pendahulunya, Large Electron-Positron Collider (LEP). Kerja pada terowong 27 batu bermula pada tahun 1983, di mana ia kemudiannya dirancang untuk mencari pemecut yang akan melanggar elektron dan positron. Pada tahun 1988, terowong cincin ditutup, manakala pekerja menghampiri terowong dengan berhati-hati sehingga perbezaan antara dua hujung terowong hanya 1 sentimeter.

Pemecut beroperasi sehingga akhir tahun 2000, apabila ia mencapai kemuncaknya - tenaga sebanyak 209 GeV. Selepas itu, pembongkarannya bermula. Sepanjang sebelas tahun kerjanya, LEP telah membawa beberapa penemuan kepada fizik, termasuk penemuan boson W dan Z serta penyelidikan lanjutan mereka. Berdasarkan hasil kajian ini, kesimpulan dibuat mengenai persamaan mekanisme interaksi elektromagnet dan lemah, akibatnya kerja teori bermula untuk menggabungkan interaksi ini ke dalam elektrolemah.

Pada tahun 2001, pembinaan Large Hadron Collider bermula di tapak pemecut elektron-positron. Pembinaan pemecut baru telah siap pada penghujung tahun 2007. Ia terletak di tapak LEP - di sempadan antara Perancis dan Switzerland, di lembah Tasik Geneva (15 km dari Geneva), pada kedalaman seratus meter. Pada Ogos 2008, ujian pelanggar bermula, dan pada 10 September pelancaran rasmi LHC berlaku. Seperti pemecut sebelumnya, pembinaan dan pengendalian kemudahan itu diketuai oleh Pertubuhan Penyelidikan Nuklear Eropah - CERN.

CERN

Ringkasnya, adalah wajar menyebut organisasi CERN (Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire). Organisasi ini bertindak sebagai makmal terbesar di dunia dalam bidang fizik tenaga yang tinggi... Ia termasuk tiga ribu pekerja tetap, dan beberapa ribu lagi penyelidik dan saintis dari 80 negara mengambil bahagian dalam projek CERN.

Pada masa ini, peserta projek ialah 22 negara: Belgium, Denmark, Perancis, Jerman, Greece, Itali, Belanda, Norway, Sweden, Switzerland, UK - pengasas, Austria, Sepanyol, Portugal, Finland, Poland, Hungary, Republik Czech, Slovakia, Bulgaria dan Romania bersetuju. Walau bagaimanapun, seperti yang dinyatakan di atas, beberapa dozen lagi negara mengambil bahagian dalam satu atau lain cara dalam kerja organisasi, dan khususnya di Large Hadron Collider.

Bagaimanakah Large Hadron Collider berfungsi?

Apakah Large Hadron Collider dan cara ia berfungsi adalah persoalan utama yang menarik minat orang ramai. Mari kita pertimbangkan isu-isu ini dengan lebih lanjut.

Collider (collider) - diterjemahkan daripada bahasa Inggeris bermaksud "the one who collider." Tugas pemasangan sedemikian adalah perlanggaran zarah. Dalam kes pelanggar hadronma, peranan zarah dimainkan oleh hadron - zarah yang mengambil bahagian dalam interaksi yang kuat. Ini adalah proton.

Mendapatkan proton

Laluan panjang proton berasal dari duoplasmatron - peringkat pertama pemecut, di mana hidrogen masuk dalam bentuk gas. Duoplasmatron ialah ruang nyahcas di mana nyahcas elektrik dijalankan melalui gas. Jadi hidrogen, yang terdiri daripada hanya satu elektron dan satu proton, kehilangan elektronnya. Oleh itu, plasma terbentuk - bahan yang terdiri daripada zarah bercas - proton. Sudah tentu, sukar untuk mendapatkan plasma proton tulen, oleh itu, plasma yang terbentuk, yang juga termasuk awan ion molekul dan elektron, ditapis untuk memisahkan awan proton. Di bawah pengaruh magnet, plasma proton dipancarkan menjadi rasuk.

Pecutan zarah awal

Rasuk proton yang baru terbentuk memulakan perjalanannya dalam pemecut linear LINAC 2, iaitu cincin 30 meter, digantung secara berurutan dengan beberapa elektrod silinder berongga (konduktor). Medan elektrostatik yang dihasilkan di dalam pemecut diijazahkan sedemikian rupa sehingga zarah antara silinder berongga sentiasa mengalami daya pecutan ke arah elektrod seterusnya. Tanpa pergi sepenuhnya ke dalam mekanisme pecutan proton pada peringkat ini, kami hanya perhatikan bahawa di pintu keluar dari LINAC 2 ahli fizik menerima pancaran proton dengan tenaga 50 MeV, yang sudah mencapai 31% daripada kelajuan cahaya. Perlu diperhatikan bahawa dalam kes ini jisim zarah meningkat sebanyak 5%.

Menjelang 2019-2020, ia dirancang untuk menggantikan LINAC 2 dengan LINAC 4, yang akan mempercepatkan proton kepada 160 MeV.

Perlu diingat bahawa ion plumbum juga dipercepatkan pada collider, yang akan memungkinkan untuk mengkaji plasma quark-gluon. Ia dipercepatkan dalam gelang LINAC 3, serupa dengan LINAC 2. Eksperimen dengan argon dan xenon juga dirancang pada masa hadapan.

Seterusnya, paket proton memasuki proton-synchronous booster (PSB). Ia terdiri daripada empat cincin bertindih dengan diameter 50 meter, di mana resonator elektromagnet terletak. Medan elektromagnet yang dicipta oleh mereka mempunyai keamatan yang tinggi, dan zarah yang melaluinya menerima pecutan akibat daripada perbezaan potensi medan. Jadi selepas hanya 1.2 saat, zarah memecut dalam PSB kepada 91% daripada kelajuan cahaya dan mencapai tenaga 1.4 GeV, selepas itu ia memasuki proton synchrotron (PS). PS mempunyai diameter 628 meter dan dilengkapi dengan 27 magnet yang memandu pancaran zarah dalam orbit bulat. Di sini proton mencapai 26 zarah GeV.

Cincin kedua untuk mempercepatkan proton ialah Superproton Synchrotron (SPS), yang mempunyai lilitan 7 kilometer. Dilengkapi dengan 1,317 magnet, SPS mempercepatkan zarah kepada tenaga 450 GeV. Selepas kira-kira 20 minit, pancaran proton mencecah cincin utama - Large Hadron Collider (LHC).

Pecutan dan perlanggaran zarah pada LHC

Peralihan antara cincin pemecut berlaku melalui medan elektromagnet yang dicipta oleh magnet berkuasa. Cincin utama collidero terdiri daripada dua garis selari di mana zarah bergerak dalam orbit anulus dalam arah yang bertentangan. Kira-kira 10,000 magnet bertanggungjawab untuk mengekalkan trajektori bulatan zarah dan mengarahkannya ke titik perlanggaran, beberapa daripadanya mempunyai berat sehingga 27 tan. Untuk mengelakkan terlalu panas magnet, litar helium-4 digunakan, yang melaluinya kira-kira 96 ​​tan bahan mengalir pada suhu -271.25 ° C (1.9 K). Proton mencapai tenaga 6.5 TeV (iaitu, tenaga perlanggaran ialah 13 TeV), manakala kelajuannya adalah 11 km / j kurang daripada kelajuan cahaya. Oleh itu, rasuk proton melalui gelang pelanggar besar 11,000 kali sesaat. Sebelum perlanggaran zarah berlaku, ia akan beredar di sekeliling cincin selama 5 hingga 24 jam.

Perlanggaran zarah berlaku pada empat titik cincin LHC utama, di mana empat pengesan terletak: ATLAS, CMS, ALICE dan LHCb.

Pengesan Hadron Collider Besar

ATLAS (Radas LHC Toroidal)

- adalah salah satu daripada dua pengesan tujuan am di Large Hadron Collider (LHC). Dia meneroka pelbagai fizik, daripada mencari boson Higgs kepada zarah yang boleh membentuk jirim gelap... Walaupun ia mempunyai matlamat saintifik yang sama seperti percubaan CMS, ATLAS menggunakan kaedah yang berbeza penyelesaian teknikal dan reka bentuk lain sistem magnetik.

Rasuk zarah dari LHC berlanggar di tengah pengesan ATLAS, menghasilkan serpihan berlanggar dalam bentuk zarah baru yang dipancarkan dari titik perlanggaran ke semua arah. Enam subsistem pengesan yang berbeza, terletak dalam lapisan di sekeliling titik perlanggaran, merekodkan laluan, momentum dan tenaga zarah, membolehkan ia dikenal pasti secara individu. Sistem magnet yang besar membengkokkan laluan zarah bercas supaya momennya boleh diukur.

Interaksi dalam pengesan ATLAS mencipta aliran data yang besar. Untuk memproses data ini, ATLAS menggunakan sistem "pencetus" lanjutan untuk memberitahu pengesan peristiwa yang hendak dirakam dan yang harus diabaikan. Kemudian, untuk menganalisis peristiwa perlanggaran yang direkodkan, gunakan sistem yang kompleks pengumpulan data dan pengiraan.

Pengesan adalah 46 meter tinggi dan 25 meter lebar dan berat 7,000 tan. Parameter ini menjadikan ATLAS pengesan zarah terbesar yang pernah dibina. Ia terletak di dalam terowong pada kedalaman 100 m berhampiran kemudahan utama CERN, berhampiran kampung Meirin di Switzerland. Pemasangan terdiri daripada 4 komponen utama:

• Pengesan dalaman mempunyai bentuk silinder, cincin dalam hanya beberapa sentimeter dari paksi rasuk zarah yang berlalu, manakala cincin luar adalah diameter 2.1 meter dan panjang 6.2 meter. Ia terdiri daripada tiga sistem yang berbeza penderia yang direndam dalam medan magnet. Pengesan dalaman mengukur arah, momentum dan cas zarah bercas elektrik yang dihasilkan dalam setiap perlanggaran proton-proton. Elemen utama pengesan dalaman ialah: Pengesan Piksel, Penjejak Semi-Konduktor (SCT) dan Penjejak sinaran peralihan (TRT).

• Kalorimeter mengukur tenaga yang hilang apabila zarah melalui pengesan. Ia menyerap zarah yang timbul daripada perlanggaran, dengan itu membetulkan tenaga mereka. Kalorimeter terdiri daripada lapisan bahan "menyerap" dengan ketumpatan tinggi- plumbum, berselang seli dengan lapisan "medium aktif" - argon cecair. Kalorimeter elektromagnet mengukur tenaga elektron dan foton apabila berinteraksi dengan jirim. Kalorimeter Hadron mengukur tenaga hadron yang berinteraksi dengan nukleus atom. Kalorimeter boleh menghentikan kebanyakan zarah yang diketahui, kecuali muon dan neutrino.

LAr (Kalorimeter Argon Cecair) - kalorimeter ATLAS

• Spektrometer Muon - Terdiri daripada 4,000 ruang muon individu menggunakan empat teknologi berbeza untuk mengenal pasti muon dan mengukur momenta mereka. Muon biasanya melalui pengesan dalaman dan kalorimeter, dan oleh itu spektrometer muon diperlukan.

• Sistem magnet ATLAS membengkokkan zarah di sekeliling pelbagai lapisan sistem pengesan, menjadikannya lebih mudah untuk mengesan jejak zarah.

Percubaan ATLAS (Februari 2012) menggaji lebih 3,000 saintis daripada 174 institusi di 38 negara.

CMS (Solenoid Muon Padat)

- ialah pengesan tujuan am di Large Hadron Collider (LHC). Seperti ATLAS, ia mempunyai program fizik yang luas, mulai daripada mempelajari Model Standard (termasuk boson Higgs) kepada mencari zarah yang boleh membentuk jirim gelap. Walaupun ia mempunyai matlamat saintifik yang sama seperti percubaan ATLAS, CMS menggunakan penyelesaian teknikal yang berbeza dan reka bentuk sistem magnet yang berbeza.

Pengesan CMS dibina di sekeliling magnet solenoid yang besar. Ia adalah gegelung silinder kabel superkonduktor yang menjana medan 4 Tesla, kira-kira 100,000 kali medan magnet Bumi. Medan itu dibatasi oleh "kuk" keluli, yang merupakan komponen pengesan yang paling besar, seberat 14,000 tan. Pengesan lengkap adalah 21 m panjang, 15 m lebar dan 15 m tinggi. Pemasangan terdiri daripada 4 komponen utama:

• Magnet solenoid adalah magnet terbesar di dunia, yang berfungsi untuk membengkokkan trajektori zarah bercas yang dipancarkan dari titik perlanggaran. Herotan trajektori membolehkan anda membezakan antara zarah bercas positif dan negatif (kerana ia bengkok ke arah yang bertentangan), serta mengukur momentum, magnitud yang bergantung pada kelengkungan trajektori. Saiz besar solenoid membolehkan penjejak dan kalorimeter diletakkan di dalam gegelung.
• Penjejak Silikon - Terdiri daripada 75 juta penderia elektronik individu yang disusun dalam lapisan sepusat. Apabila zarah bercas terbang melalui lapisan penjejak, ia memindahkan sebahagian daripada tenaga ke setiap lapisan, gabungan titik perlanggaran zarah ini dengan lapisan berbeza membolehkan anda menentukan lagi trajektorinya.
• Kalorimeter - elektronik dan hadronik, lihat kalorimeter ATLAS.
• Pengesan kecil - benarkan pengesanan muon. Mereka diwakili oleh 1,400 ruang muon, yang terletak di lapisan di luar gegelung, berselang-seli dengan plat logam "hamut".

Eksperimen CMS adalah salah satu yang terbesar antarabangsa kajian saintifik dalam cerita yang melibatkan 4,300 orang: ahli fizik zarah, jurutera dan juruteknik, pelajar dan kakitangan sokongan dari 182 institut, 42 negara (Februari 2014).

ALICE (Percubaan Pelanggar Ion Besar)

- ialah pengesan ion berat pada gelang Large Hadron Collider (LHC). Ia bertujuan untuk mengkaji fizik jirim yang berinteraksi kuat pada ketumpatan tenaga yang melampau, di mana fasa jirim yang dipanggil plasma quark-gluon terbentuk.

Semua jirim biasa di alam semesta hari ini terdiri daripada atom. Setiap atom mengandungi nukleus yang terdiri daripada proton dan neutron (kecuali hidrogen, yang tidak mempunyai neutron), dikelilingi oleh awan elektron. Proton dan neutron pula terdiri daripada kuark yang terikat bersama zarah lain yang dipanggil gluon. Tiada quark pernah diperhatikan secara berasingan: quark serta gluon kelihatan terikat secara kekal dan terkurung dalam zarah majmuk seperti proton dan neutron. Ini dipanggil berpantang.

Perlanggaran di LHC menghasilkan suhu lebih 100,000 kali lebih panas daripada di pusat Matahari. Pelanggar menyediakan perlanggaran antara ion plumbum, mensimulasikan keadaan yang serupa dengan yang berlaku sejurus selepas Letupan Besar. Dalam keadaan yang melampau ini, proton dan neutron "cair", membebaskan kuark daripada ikatannya dengan gluon. Ini adalah plasma quark-gluon.

Eksperimen ALICE menggunakan pengesan ALICE seberat 10,000 tan, panjang 26 m, tinggi 16 m dan lebar 16 m. Peranti ini terdiri daripada tiga set komponen utama: peranti pengesan, kalorimeter dan pengesan pengesanan zarah. Ia juga dibahagikan kepada 18 modul. Pengesan terletak di dalam terowong pada kedalaman 56 m di bawah, berhampiran perkampungan Saint-Denis-Pouilly di Perancis.

Eksperimen ini menggunakan lebih 1,000 saintis dari lebih 100 institut fizik di 30 negara.

LHCb (Percubaan kecantikan Large Hadron Collider)

- Sebagai sebahagian daripada eksperimen, kajian tentang perbezaan kecil antara jirim dan antijirim dijalankan dengan mengkaji sejenis zarah yang dipanggil "beauty quark" atau "b-quark".

Daripada mengelilingi keseluruhan titik perlanggaran dengan pengesan tertutup seperti ATLAS dan CMS, percubaan LHCb menggunakan satu siri subpengesan untuk mengesan zarah terutamanya ke hadapan — zarah yang diarahkan ke hadapan akibat perlanggaran dalam arah yang sama. Pengesan kecil pertama dipasang berhampiran dengan titik perlanggaran, dan selebihnya - satu demi satu pada jarak 20 meter.

LHC mencipta kelimpahan yang besar jenis yang berbeza kuark sebelum ia cepat mereput ke dalam bentuk lain. Untuk menangkap b-quark, pengesan pengesan bergerak yang canggih telah dibangunkan untuk LHCb, terletak berhampiran pergerakan rasuk zarah melalui pelanggar.

Pengesan LHCb 5600 tan terdiri daripada spektrometer langsung dan pengesan rata. Ia adalah 21 meter panjang, 10 meter tinggi dan 13 meter lebar, dan 100 meter di bawah tanah. Kira-kira 700 saintis dari 66 institut dan universiti yang berbeza terlibat dalam eksperimen LHCb (Oktober 2013).

Eksperimen lain pada pelanggar

Sebagai tambahan kepada eksperimen di atas di Large Hadron Collider, terdapat dua percubaan lain dengan pemasangan:

• LHCf (Pelanggar Hadron Besar ke hadapan)- mengkaji zarah yang dilontar ke hadapan selepas perlanggaran rasuk zarah. Mereka meniru sinar kosmik, yang sedang dikaji oleh saintis sebagai sebahagian daripada eksperimen. Sinar kosmik ialah zarah bercas yang wujud secara semula jadi dari angkasa lepas yang sentiasa mengebom atmosfera bumi. Mereka berlanggar dengan nukleus di atmosfera atas, menyebabkan lata zarah yang mencapai paras tanah. Mempelajari cara perlanggaran di dalam LHC menyebabkan lata zarah yang serupa akan membantu ahli fizik mentafsir dan menentukur eksperimen sinar kosmik berskala besar yang boleh menjangkau ribuan kilometer.

LHCf terdiri daripada dua pengesan, yang terletak di sepanjang LHC, pada jarak 140 meter di kedua-dua belah titik perlanggaran ATLAS. Setiap satu daripada dua pengesan itu hanya mempunyai berat 40 kilogram dan berukuran 30 cm panjang, 80 cm tinggi dan 10 cm lebar. Eksperimen LHCf melibatkan 30 saintis dari 9 institut di 5 negara (November 2012).

• TOTEM (Jumlah Keratan Rentas, Penyerakan Elastik dan Pemisahan Belauan)- percubaan dengan pemasangan terpanjang di collider. Tugasnya adalah untuk mengkaji proton itu sendiri, dengan mengukur proton yang timbul daripada perlanggaran pada sudut kecil dengan tepat. Kawasan ini dikenali sebagai arah "ke hadapan" dan tidak tersedia untuk eksperimen LHC yang lain. Pengesan TOTEM memanjang hampir setengah kilometer di sekitar titik interaksi CMS. TOTEM mempunyai hampir 3,000 kg peralatan, termasuk empat teleskop nuklear dan 26 pengesan periuk Rom. Jenis kedua membolehkan pengesan diletakkan sedekat mungkin dengan pancaran zarah. Percubaan TOTEM merangkumi kira-kira 100 saintis dari 16 institut di 8 negara (Ogos 2014).

Mengapa Large Hadron Collider diperlukan?

Kemudahan saintifik antarabangsa terbesar meneroka pelbagai masalah fizik:

• Kajian kuark atas. Zarah ini bukan sahaja quark terberat, tetapi juga zarah asas yang paling berat. Mengkaji sifat kuark teratas juga masuk akal kerana ia adalah alat penyelidikan.
• Cari dan kaji boson Higgs. Walaupun CERN mendakwa bahawa boson Higgs telah ditemui (pada 2012), setakat ini sangat sedikit yang diketahui tentang sifatnya dan penyelidikan lanjut boleh membawa lebih kejelasan kepada mekanisme operasinya.

• Kajian plasma quark-gluon. Dalam perlanggaran nukleus plumbum pada kelajuan tinggi, ia terbentuk dalam pelanggar. Penyelidikannya boleh membawa hasil yang berguna untuk fizik nuklear (penambahbaikan teori interaksi kuat) dan untuk astrofizik (kajian Alam Semesta pada saat pertama kewujudannya).
• Cari supersimetri. Penyelidikan ini bertujuan untuk menyangkal atau membuktikan "supersymmetry" - teori bahawa mana-mana zarah asas mempunyai pasangan yang lebih berat, dipanggil "superparticle".
• Penyiasatan perlanggaran foton-foton dan foton-hadron. Ia akan meningkatkan pemahaman tentang mekanisme proses perlanggaran tersebut.
• Menguji teori eksotik. Kategori tugas ini termasuk yang paling tidak konvensional - "eksotik", contohnya, pencarian alam semesta selari dengan mencipta lubang hitam mini.

Sebagai tambahan kepada tugas-tugas ini, terdapat banyak lagi, penyelesaiannya juga akan membolehkan manusia memahami alam semula jadi dan dunia di sekeliling kita pada tahap kualiti yang lebih tinggi, yang seterusnya akan membuka peluang untuk mencipta teknologi baharu.

Faedah praktikal Large Hadron Collider dan sains asas

Pertama sekali, perlu diingatkan bahawa penyelidikan asas menyumbang kepada sains asas. Sains gunaan berkaitan dengan aplikasi pengetahuan ini. Segmen masyarakat yang tidak menyedari faedah sains asas selalunya tidak menganggap penemuan boson Higgs atau penciptaan plasma quark-gluon sebagai sesuatu yang penting. Hubungan antara kajian sedemikian dan kehidupan orang biasa tidak jelas. Mari kita ambil contoh cepat dari kuasa nuklear:

Pada tahun 1896, ahli fizik Perancis Antoine Henri Becquerel menemui fenomena radioaktiviti. lama ia dipercayai bahawa dia kegunaan industri manusia tidak akan menyeberang tidak lama lagi. Hanya lima tahun sebelum pelancaran reaktor nuklear pertama dalam sejarah, ahli fizik hebat Ernest Rutherford, yang sebenarnya menemui nukleus atom pada tahun 1911, berkata bahawa tenaga atom tidak akan dapat digunakan. Pakar berjaya memikirkan semula sikap mereka terhadap tenaga yang terkandung dalam nukleus atom pada tahun 1939, apabila saintis Jerman Lisa Meitner dan Otto Hahn mendapati bahawa nukleus uranium, apabila disinari dengan neutron, berpecah kepada dua bahagian, melepaskan sejumlah besar tenaga - nuklear tenaga.

Dan hanya selepas pautan baris terakhir ini penyelidikan asas sains gunaan mula bermain, yang, berdasarkan penemuan ini, mencipta peranti untuk mendapatkan tenaga nuklear - reaktor atom. Skala penemuan boleh dianggarkan dengan melihat bahagian elektrik yang dihasilkan oleh reaktor nuklear. Jadi di Ukraine, sebagai contoh, loji kuasa nuklear menyumbang 56% daripada penjanaan elektrik, dan di Perancis - 76% semuanya.

Semua teknologi baharu adalah berdasarkan satu atau satu lagi pengetahuan asas. Berikut adalah beberapa lagi contoh ringkas:

• Pada tahun 1895, Wilhelm Konrad Roentgen menyedari bahawa plat fotografi menjadi gelap di bawah pengaruh sinar-X. Hari ini, radiografi adalah salah satu kajian yang paling banyak digunakan dalam bidang perubatan, yang membolehkan anda mengkaji keadaan organ dalaman dan mengesan jangkitan dan bengkak.
• Pada tahun 1915, Albert Einstein mencadangkan sendiri. Hari ini, teori ini diambil kira apabila satelit GPS berfungsi, yang menentukan lokasi objek dengan ketepatan beberapa meter. GPS digunakan dalam komunikasi selular, kartografi, pemantauan kenderaan, tetapi terutamanya dalam navigasi. Kesilapan satelit yang tidak mengambil kira relativiti am akan meningkat sebanyak 10 kilometer sehari dari saat pelancaran! Dan jika pejalan kaki boleh menggunakan alasan dan kad kertas, maka juruterbang pesawat itu akan mendapati diri mereka dalam situasi yang sukar, kerana ia adalah mustahil untuk mengemudi oleh awan.

Jika hari ini aplikasi praktikal penemuan yang berlaku di LHC masih belum ditemui, ini tidak bermakna bahawa saintis "bermain-main dengan collider dengan sia-sia". Seperti yang anda tahu, orang yang munasabah sentiasa berniat untuk mendapatkan yang maksimum. permohonan praktikal daripada pengetahuan yang ada, dan oleh itu pengetahuan tentang alam semula jadi yang terkumpul dalam proses penyelidikan di LHC pasti akan menemui aplikasinya, lambat laun. Seperti yang telah ditunjukkan di atas, kaitan antara penemuan asas dan teknologi yang menggunakannya mungkin kadangkala tidak jelas sama sekali.

Akhir sekali, mari kita perhatikan apa yang dipanggil penemuan tidak langsung, yang tidak ditetapkan sebagai matlamat awal kajian. Ia agak biasa, kerana untuk membuat penemuan asas biasanya memerlukan pengenalan dan penggunaan teknologi baharu. Jadi perkembangan optik mendapat dorongan daripada penyelidikan ruang angkasa asas, berdasarkan pemerhatian ahli astronomi melalui teleskop. Dalam kes CERN, ini adalah bagaimana teknologi yang ada di mana-mana muncul - Internet, projek yang dicadangkan oleh Tim Berners-Lee pada tahun 1989 untuk memudahkan pencarian data CERN.

Dalam soalan ini (dan lain-lain seperti itu), penampilan perkataan "sebenarnya" adalah ingin tahu - seolah-olah ada intipati yang tersembunyi dari yang belum tahu, dijaga oleh "imam sains" dari orang biasa, rahsia yang perlu didedahkan. Walau bagaimanapun, apabila melihat dari dalam sains, misteri itu hilang dan tidak ada tempat untuk kata-kata ini - soalan "mengapa kita memerlukan pelanggar hadron" secara asasnya tidak berbeza daripada soalan "mengapa kita memerlukan pembaris (atau skala, atau jam, dsb.)". Hakikat bahawa pelanggar adalah perkara yang besar, mahal dan rumit oleh sebarang ukuran tidak mengubah perkara itu.

Analogi terdekat yang membolehkan kita memahami "mengapa ini diperlukan" adalah, pada pendapat saya, kanta. Manusia telah biasa dengan sifat-sifat kanta sejak dahulu lagi, tetapi hanya pada pertengahan milenium yang lalu ia menyedari bahawa kombinasi kanta tertentu boleh digunakan sebagai instrumen untuk melihat objek yang sangat kecil atau sangat jauh - kita, sudah tentu, bercakap tentang mikroskop dan teleskop. Tidak dinafikan bahawa persoalan mengapa semua ini diperlukan berulang kali ditanya apabila pembinaan baru untuk sezaman ini muncul. Walau bagaimanapun, ia membatalkan agenda dengan sendirinya, apabila bidang aplikasi saintifik dan gunaan kedua-dua peranti berkembang. Ambil perhatian bahawa, secara umumnya, ini adalah peranti yang berbeza - anda tidak akan dapat melihat bintang dengan mikroskop terbalik. Large Hadron Collider, sebaliknya, secara paradoks menyatukan mereka dalam dirinya sendiri, dan dengan alasan yang munasabah boleh dianggap sebagai titik tertinggi dalam evolusi kedua-dua mikroskop dan teleskop yang dicapai oleh manusia sejak berabad-abad yang lalu. Kenyataan ini mungkin kelihatan pelik, dan, sudah tentu, ia tidak sepatutnya diambil secara literal - tiada kanta (sekurang-kurangnya optik) dalam pemecut. Tetapi pada dasarnya, ini betul-betul berlaku. Dalam hipostasis "mikroskopik", collider membolehkan seseorang mengkaji struktur dan sifat objek pada tahap 10-19 meter (biar saya ingatkan anda bahawa saiz atom hidrogen adalah kira-kira 10-10 meter). Keadaan ini lebih menarik di bahagian "teleskopik". Setiap teleskop adalah mesin masa sebenar, kerana gambar yang diperhatikan di dalamnya sepadan dengan objek pemerhatian pada masa lalu, iaitu masa lalu, yang diperlukan untuk sinaran elektromagnet mencapai pemerhati dari objek ini. Masa ini boleh menjadi lebih sedikit lapan minit dalam kes memerhati Matahari dari Bumi dan sehingga berbilion tahun apabila memerhati quasar jauh. Di dalam Large Hadron Collider, keadaan dicipta yang wujud di Alam Semesta sebahagian kecil daripada saat selepas Big Bang. Oleh itu, kita mendapat peluang untuk melihat masa lalu selama hampir 14 bilion tahun, hingga ke permulaan dunia kita. Teleskop terestrial dan orbital konvensional (sekurang-kurangnya yang mendaftar radiasi elektromagnetik), memperoleh "penglihatan" hanya selepas era penggabungan semula, apabila Alam Semesta menjadi telus optik - ini berlaku, mengikut konsep moden, 380 ribu tahun selepas Big Bang.

Seterusnya, kita perlu memutuskan apa yang perlu dilakukan dengan pengetahuan ini: kedua-duanya mengenai struktur jirim pada skala kecil, dan tentang sifat-sifatnya pada kelahiran Alam Semesta, dan inilah yang akhirnya akan mengembalikan misteri yang telah dibincangkan pada mulanya. , dan tentukan sebab pelanggar itu diperlukan "sebenarnya". Tetapi ini adalah keputusan manusia, pelanggar, dengan bantuan pengetahuan ini diperoleh, akan kekal sebagai peranti - mungkin sistem "kanta" paling canggih yang pernah dilihat oleh dunia.