Berita tentang eksperimen yang dijalankan di Eropah menggegarkan keamanan awam, naik ke bahagian atas senarai topik yang dibincangkan. Hadron Collider muncul 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 yang prihatin telah secara aktif menyatakan pendapat mereka tentang idea sains baharu. "Delo" menawarkan anda 10 fakta yang anda tidak boleh mengelak daripada mengetahuinya pelanggar hadron.

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

2. Kenapa semua orang bercakap tentang dia?

Menurut saintis di 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 oleh orang ramai ialah apakah akibat letupan mini untuk planet ini jika percubaan itu gagal. Menurut beberapa saintis, akibat perlanggaran zarah asas yang terbang pada kelajuan ultra-relativistik dalam arah yang bertentangan, lubang hitam mikroskopik akan terbentuk dan zarah berbahaya lain akan terbang keluar. Tiada titik tertentu dalam bergantung pada sinaran khas yang membawa kepada penyejatan lubang hitam - 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 ke orbit yang berbeza dalam arah yang bertentangan, selepas itu ia diletakkan dalam satu orbit. Nilai peranti rumit itu ialah terima kasih kepadanya, saintis mempunyai peluang untuk 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 idea untuk mencipta collider tercetus?

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

5. Berapakah kos pembinaannya?

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

6. Apakah sumbangan yang diberikan oleh Ukraine kepada penciptaan pemecut?

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

7. Bilakah kita harus menjangkakan kiamat?

Percubaan pertama mengenai perlanggaran rasuk zarah asas dijadualkan pada 21 Oktober. Sehingga masa ini, saintis merancang untuk mempercepatkan zarah kepada kelajuan yang hampir dengan kelajuan cahaya. Menurut teori umum relativiti Einstein, lubang hitam tidak mengancam kita. Walau bagaimanapun, jika teori dengan tambahan dimensi ruang Ia akan menjadi betul, kita tidak mempunyai banyak masa lagi untuk menyelesaikan semua isu kita di planet Bumi.

8. Mengapa lubang hitam menakutkan?

Lubang hitam- rantau dalam ruang-masa yang tarikan gravitinya sangat kuat sehinggakan objek yang bergerak pada kelajuan cahaya tidak dapat meninggalkannya. Kewujudan lubang hitam disahkan oleh penyelesaian persamaan Einstein. Walaupun fakta bahawa 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 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 mencapai dinding pelanggar.

9. Bagaimanakah penyelidikan boleh berguna?

Selain fakta bahawa kajian-kajian ini adalah satu lagi pencapaian sains yang luar biasa yang akan membolehkan manusia mengetahui komposisi zarah asas, ini bukanlah keseluruhan keuntungan yang mana manusia mengambil risiko sedemikian. Mungkin dalam masa terdekat anda dan saya 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 melihat sebagai celik saintifik dengan Hadron Collider?

Dan akhirnya, jika sesiapa, bersenjatakan jawapan terlebih dahulu, bertanya kepada anda apa itu pelanggar hadron, kami menawarkan anda pilihan yang layak jawapan yang boleh mengejutkan sesiapa sahaja. Jadi, pasangkan 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 Penyelidikan Nuklear Eropah, ia adalah terowong sepanjang 27 kilometer yang diletakkan pada kedalaman 100 meter. Oleh kerana proton dicas secara elektrik, proton ultrarelativistik menghasilkan awan foton yang hampir nyata terbang dekat dengan proton. Aliran foton ini menjadi lebih kuat dalam rejim perlanggaran nuklear, disebabkan oleh besarnya cas elektrik isirong. Mereka boleh berlanggar sama ada dengan proton yang akan datang, menghasilkan perlanggaran foton-hadron biasa, atau antara satu sama lain. Para saintis takut bahawa akibat daripada eksperimen itu, "terowong" ruang masa mungkin terbentuk di angkasa, yang merupakan ciri tipologi ruang masa. Hasil daripada eksperimen, kewujudan supersimetri juga boleh dibuktikan, yang dengan itu akan menjadi pengesahan tidak langsung tentang kebenaran teori superstring.

(atau TANGKI)- pada masa ini pemecut zarah terbesar dan paling berkuasa di dunia. Colossus ini telah dilancarkan pada tahun 2008, tetapi untuk masa yang lama ia berfungsi pada kapasiti yang dikurangkan. Mari kita fikirkan apa itu dan mengapa kita memerlukan pelanggar hadron yang besar.

Sejarah, mitos dan fakta

Idea untuk mencipta collider diumumkan pada tahun 1984. Dan projek untuk pembinaan collider itu sendiri 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 daripada saintis, tetapi juga orang biasa dari seluruh dunia. Mereka bercakap tentang pelbagai ketakutan dan kengerian yang berkaitan dengan pelancaran pelanggar itu.

Walau bagaimanapun, seseorang walaupun sekarang, agak mungkin, 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 memfailkan tuntutan mahkamah dalam usaha untuk menghentikan pembinaan. Kenyataan itu mengatakan bahawa gumpalan antijirim yang boleh dihasilkan dalam pelanggar akan mula musnah dengan jirim, memulakan tindak balas berantai dan seluruh Alam Semesta akan musnah. Seperti yang dikatakan oleh watak terkenal dari Back to the Future:

Seluruh Alam Semesta, sudah tentu, berada dalam senario kes terburuk. Paling baik, hanya galaksi kita. Dr Emet Brown.

Sekarang mari kita cuba memahami mengapa ia adalah hadronik? Hakikatnya ialah ia berfungsi dengan hadron, atau sebaliknya mempercepatkan, 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 perkara 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 bulat yang terletak di bawah tanah pada kedalaman seratus meter. Large Hadron Collider adalah 26,659 meter panjang. Proton, dipercepatkan kepada kelajuan hampir dengan kelajuan cahaya, terbang dalam bulatan bawah tanah merentasi wilayah Perancis dan Switzerland. Tepatnya, kedalaman terowong antara 50 hingga 175 meter. Untuk memfokus dan menahan 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, terdapat pengesan yang diisi dengan semua jenis penderia.

Keputusan Large Hadron Collider.

Mengapa anda memerlukan collider? Sudah tentu, bukan untuk memusnahkan Bumi. Nampaknya, apa gunanya zarah berlanggar? Hakikatnya ialah terdapat banyak soalan yang tidak terjawab dalam fizik moden, dan mempelajari dunia dengan bantuan zarah dipercepatkan boleh secara literal membuka lapisan baru realiti, memahami struktur dunia, dan mungkin juga menjawab soalan utama"maksud kehidupan, Alam Semesta dan secara umum."

Apakah penemuan yang telah dibuat di LHC? Perkara yang paling terkenal ialah penemuan Higgs boson(kami akan menumpukan artikel berasingan kepadanya). Di samping itu, mereka terbuka 5 zarah baru, data pertama mengenai perlanggaran pada tenaga rekod diperolehi, ketiadaan asimetri proton dan antiproton ditunjukkan, Korelasi proton luar biasa ditemui. Senarai itu berterusan untuk masa yang lama. Tetapi lubang hitam mikroskopik yang menakutkan suri rumah tidak dapat dikesan.

Dan ini walaupun fakta bahawa pelanggar belum lagi dipercepatkan ke kuasa maksimumnya. Pada masa ini tenaga maksimum Large Hadron Collider ialah 13 TeV(tera elektron-Volt). Walau bagaimanapun, selepas penyediaan yang sesuai, proton dirancang untuk dipercepatkan 14 TeV. Sebagai perbandingan, dalam pemecut-prekursor LHC, tenaga maksimum yang diperoleh tidak melebihi 1 TeV. Beginilah cara pemecut Tevatron Amerika dari Illinois boleh mempercepatkan zarah. Tenaga yang dicapai dalam collider adalah jauh dari yang tertinggi di dunia. Oleh itu, tenaga sinar kosmik yang dikesan di Bumi melebihi tenaga zarah yang dipercepatkan dalam pelanggar sebanyak satu bilion kali! Jadi, bahaya Large Hadron Collider adalah minimum. Berkemungkinan selepas semua jawapan diperoleh menggunakan LHC, manusia perlu membina satu lagi pelanggar yang lebih kuat.

Kawan, cintakan sains, dan ia pasti akan menyayangi anda! Dan mereka boleh membantu anda jatuh cinta dengan sains dengan mudah. Minta bantuan dan biarkan pengajian anda membawa kegembiraan kepada anda!

Ia adalah mencari cara untuk menggabungkan dua teori asas - GTR (tentang teori graviti) dan Model Standard (model piawai yang menggabungkan 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 fizikal - mekanik kuantum dan teori umum relativiti.

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

Geneva LHC memberi peluang kepada saintis untuk menjalankan eksperimen yang mustahil sebelum ini. 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 telah lama membahagikan fizik kepada dua kem - "stringers" dan saingan mereka.

Eksperimen asas lain yang dijalankan sebagai sebahagian daripada kerja LHC

Penyelidikan saintis dalam bidang mengkaji top- , yang merupakan kuark paling berat dan paling berat (173.1 ± 1.3 GeV/c²) daripada semua zarah asas yang diketahui pada masa ini, juga menarik.

Kerana sifat ini, walaupun 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 sensasi tentang boson Higgs.

Para saintis menjalankan semua penyelidikan saintifik tentang penciptaan dan kajian sifat kuark di bilik wap top-quark-antiquark di LHC.

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

LHC juga sedang menjalankan eksperimen 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" telah menjadi sangat kuat dalam media sehinggakan sebilangan besar orang tahu tentang pemasangan ini, termasuk mereka yang aktivitinya sama sekali tidak berkaitan dengan fizik zarah asas, atau dengan sains secara umum.

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

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

Pemecut beroperasi sehingga akhir tahun 2000, apabila ia mencapai tenaga puncaknya sebanyak 209 GeV. Selepas ini, pembongkarannya bermula. Sepanjang sebelas tahun operasinya, LEP membawa beberapa penemuan kepada fizik, termasuk penemuan boson W dan Z serta penyelidikan lanjut mereka. Berdasarkan hasil kajian ini, disimpulkan bahawa mekanisme interaksi elektromagnet dan lemah adalah serupa, akibatnya kerja-kerja teori untuk menggabungkan interaksi ini ke dalam electroweak.

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

Perlu disebutkan secara ringkas tentang organisasi CERN (Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire). pertubuhan ini bertindak sebagai makmal terbesar di dunia dalam bidang fizik tenaga yang tinggi. Termasuk tiga ribu pekerja tetap, dan beberapa ribu lagi penyelidik dan saintis dari 80 negara mengambil bahagian dalam projek CERN.

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

Bagaimanakah Large Hadron Collider berfungsi?

Apakah Large Hadron Collider dan cara ia berfungsi adalah persoalan utama kepentingan awam. Mari kita lihat soalan-soalan ini dengan lebih lanjut.

Collider – diterjemahkan daripada bahasa Inggeris bermaksud “orang yang berlanggar.” Tujuan persediaan sedemikian adalah untuk berlanggar zarah. Dalam kes pelanggar hadron, zarah dimainkan oleh hadron - zarah yang mengambil bahagian dalam interaksi yang kuat. Ini adalah proton.

Mendapat proton

Perjalanan panjang proton berasal dari duoplasmatron - peringkat pertama pemecut, yang menerima hidrogen 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. Dengan cara ini, plasma terbentuk - bahan yang terdiri daripada zarah bercas - proton. Sudah tentu, sukar untuk mendapatkan plasma proton tulen, jadi plasma yang terhasil, yang juga termasuk awan ion molekul dan elektron, ditapis untuk mengasingkan awan proton. Di bawah pengaruh magnet, plasma proton diketuk menjadi rasuk.

Pecutan awal zarah

Rasuk proton yang baru terbentuk memulakan perjalanannya dalam pemecut linear LINAC 2, iaitu cincin 30 meter yang digantung secara berurutan dengan beberapa elektrod silinder berongga (konduktor). Medan elektrostatik yang dicipta di dalam pemecut digredkan sedemikian rupa sehingga zarah antara silinder berongga sentiasa mengalami daya pecutan ke arah elektrod seterusnya. Tanpa mendalami sepenuhnya mekanisme pecutan proton oleh di fasa ini, kami hanya perhatikan bahawa pada output daripada 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 pelanggar juga mempercepatkan ion plumbum, yang akan memungkinkan untuk mengkaji plasma quark-gluon. Mereka dipercepatkan dalam gelang LINAC 3, serupa dengan LINAC 2. Pada masa hadapan, eksperimen dengan argon dan xenon juga dirancang.

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 mereka cipta mempunyai keamatan yang tinggi, dan zarah yang melaluinya menerima pecutan hasil daripada perbezaan potensi medan. Jadi, selepas hanya 1.2 saat, zarah dipercepatkan dalam PSB kepada 91% daripada kelajuan cahaya dan mencapai tenaga 1.4 GeV, selepas itu ia memasuki proton synchrotron (PS). PS berdiameter 628 meter dan dilengkapi dengan 27 magnet yang mengarahkan pancaran zarah dalam orbit bulat. Di sini proton zarah mencapai 26 GeV.

Cincin kedua untuk mempercepatkan proton ialah Super Proton Synchrotron (SPS), yang lilitannya mencapai 7 kilometer. Dilengkapi dengan 1317 magnet, SPS mempercepatkan zarah kepada tenaga 450 GeV. Selepas kira-kira 20 minit, rasuk proton memasuki gelang utama - Large Hadron Collider (LHC).

Pecutan dan perlanggaran zarah dalam LHC

Peralihan antara cincin pemecut berlaku melalui medan elektromagnet yang dicipta oleh magnet berkuasa. Cincin utama pelanggar terdiri daripada dua garis selari di mana zarah bergerak dalam orbit bulat dalam arah yang bertentangan. Kira-kira 10,000 magnet bertanggungjawab untuk mengekalkan trajektori bulatan zarah dan mengarahkannya ke titik perlanggaran, beberapa daripadanya seberat 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, dalam satu saat, pancaran proton melalui gelang besar pelanggar sebanyak 11,000 kali. Sebelum zarah berlanggar, ia akan beredar di sekeliling cincin selama 5 hingga 24 jam.

Perlanggaran zarah berlaku pada empat titik dalam gelang 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 pencarian boson Higgs kepada zarah yang mungkin membentuk jirim gelap. Walaupun ia mempunyai matlamat saintifik yang sama seperti percubaan CMS, ATLAS menggunakan kaedah yang berbeza penyelesaian teknikal dan satu lagi reka bentuk sistem magnetik.

Rasuk zarah dari LHC berlanggar di tengah pengesan ATLAS, menghasilkan serpihan yang datang dalam bentuk zarah baharu yang terbang keluar dari titik perlanggaran ke semua arah. Enam subsistem pengesanan berbeza, disusun dalam lapisan di sekeliling titik hentaman, merekodkan laluan, momentum dan tenaga zarah, membolehkan ia dikenal pasti secara individu. Sistem magnet yang besar membengkokkan laluan zarah bercas supaya impulsnya 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. Perkara berikut kemudiannya digunakan untuk menganalisis peristiwa perlanggaran yang direkodkan: sistem yang kompleks pengumpulan dan pengiraan data.

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

• Pengesan dalaman mempunyai bentuk silinder, cincin dalam terletak hanya beberapa sentimeter dari paksi rasuk zarah yang berlalu, dan cincin luar mempunyai diameter 2.1 meter dan panjang 6.2 meter. Ia terdiri daripada tiga pelbagai sistem 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 Separuh Konduktor (SCT) dan Penjejak Sinaran Peralihan (TRT).

• Kalorimeter mengukur tenaga yang hilang apabila zarah melalui pengesan. Ia menyerap zarah yang timbul semasa perlanggaran, dengan itu merekodkan tenaganya. Kalorimeter terdiri daripada lapisan bahan "menyerap" dengan ketumpatan tinggi— plumbum, berselang seli dengan lapisan “media aktif” — argon cecair. Kalorimeter elektromagnet mengukur tenaga elektron dan foton semasa ia berinteraksi dengan jirim. Kalorimeter Hadron mengukur tenaga hadron apabila ia berinteraksi dengan nukleus atom. Kalorimeter boleh menghentikan zarah yang paling diketahui kecuali muon dan neutrino.

LAr (Kalorimeter Argon Cecair) - kalorimeter ATLAS

• Spektrometer Muon - terdiri daripada 4000 ruang muon individu menggunakan empat teknologi berbeza untuk mengenal pasti muon dan mengukur momenta mereka. Muon biasanya melalui pengesan dalaman dan kalorimeter, memerlukan spektrometer muon.

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

Eksperimen ATLAS (Februari 2012) melibatkan 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, bermula daripada mengkaji model standard (termasuk boson Higgs) kepada mencari zarah yang mungkin 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 dihadkan 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 dan berfungsi untuk membengkokkan trajektori zarah bercas yang dipancarkan dari titik hentaman. Herotan trajektori memungkinkan untuk membezakan antara zarah bercas positif dan negatif (kerana ia membengkok dalam arah yang bertentangan), serta untuk mengukur momentum, yang magnitudnya bergantung pada kelengkungan trajektori. Saiz besar solenoid membolehkan penjejak dan kalorimeter terletak 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 dengan menggabungkan titik perlanggaran zarah ini dengan lapisan yang berbeza membolehkan kita menentukan trajektorinya lagi.
• Kalorimeter – elektron dan hadronik, lihat kalorimeter ATLAS.
• Pengesan kecil - membolehkan anda mengesan muon. Mereka diwakili oleh 1,400 ruang muon, yang terletak di lapisan di luar gegelung, berselang-seli dengan plat logam "kuk".

Percubaan CMS adalah salah satu yang terbesar antarabangsa kajian saintifik dalam sejarah, dengan 4,300 peserta: ahli fizik zarah, jurutera dan juruteknik, pelajar dan kakitangan sokongan dari 182 institusi, 42 negara (Februari 2014).

ALICE (Percubaan Pelanggar Ion Besar)

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

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

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

Eksperimen ALICE menggunakan pengesan ALICE, yang mempunyai berat 10,000 tan, adalah 26 m panjang, 16 m tinggi dan 16 m lebar. Peranti ini terdiri daripada tiga set komponen utama: peranti pengesan, kalorimeter dan pengesan pengecam 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 itu merangkumi lebih 1,000 saintis dari lebih 100 institut fizik di 30 negara.

LHCb (Percubaan kecantikan Large Hadron Collider)

– Eksperimen meneroka perbezaan kecil antara jirim dan antijirim 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—yang dihalakan ke hadapan oleh perlanggaran dalam satu arah. Pengesan kecil pertama dipasang berhampiran dengan titik perlanggaran, dan yang lain dipasang satu demi satu pada jarak 20 meter.

Kelimpahan Hebat Dicipta di LHC pelbagai jenis kuark sebelum ia cepat mereput ke dalam bentuk lain. Untuk menangkap b quark, pengesan pengesan bergerak kompleks telah dibangunkan untuk LHCb, terletak berhampiran dengan pergerakan rasuk zarah melalui pelanggar.

Pengesan LHCb 5,600 tan terdiri daripada spektrometer langsung dan pengesan plat rata. Ia adalah 21 meter panjang, 10 meter tinggi dan 13 meter lebar, dan terletak 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 mensimulasikan 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 menghasilkan lata zarah sedemikian 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, 140 meter dari kedua-dua belah titik hentaman ATLAS. Setiap satu daripada dua pengesan 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 Difraksi)- percubaan dengan pemasangan terpanjang pada collider. Misinya adalah untuk mengkaji proton sendiri, dengan mengukur proton yang dihasilkan dalam perlanggaran sudut rendah dengan tepat. Rantau ini dikenali sebagai arah "ke hadapan" dan tidak boleh diakses oleh 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, serta 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?

Pemasangan saintifik antarabangsa terbesar meneroka pelbagai masalah fizikal:

• Kajian kuark atas. Zarah ini bukan sahaja quark terberat, tetapi juga zarah asas yang paling berat. Mengkaji sifat-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), sangat sedikit yang diketahui tentang sifatnya dan penyelidikan lanjut boleh membawa kejelasan yang lebih besar kepada mekanisme operasinya.

• Kajian plasma quark-gluon. Apabila nukleus plumbum berlanggar pada kelajuan tinggi, . Penyelidikannya boleh membawa hasil yang berguna untuk fizik nuklear (memperbaiki teori interaksi yang kuat) dan astrofizik (mempelajari Alam Semesta pada saat pertama kewujudannya).
• Cari supersimetri. Penyelidikan ini bertujuan untuk menyangkal atau membuktikan "supersimetri," teori bahawa setiap zarah asas mempunyai pasangan yang lebih berat yang dipanggil "superparticle."
• Kajian 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 - yang "eksotik", sebagai contoh, 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 yang lebih baik, yang seterusnya akan membuka peluang untuk penciptaan 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 kajian sedemikian dengan kehidupan orang biasa tidak jelas. Mari kita lihat contoh ringkas dengan tenaga nuklear:

Pada tahun 1896, ahli fizik Perancis Antoine Henri Becquerel menemui fenomena radioaktiviti. Untuk masa yang lama itu dipercayai kepadanya kegunaan industri manusia tidak akan berlalu 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 pernah menemui aplikasinya. Pakar berjaya memikirkan semula sikap mereka terhadap tenaga yang terkandung dalam nukleus atom pada tahun 1939, apabila saintis Jerman Lise 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 terakhir dalam siri ini penyelidikan asas Sains gunaan mula bermain dan, berdasarkan penemuan ini, mencipta peranti untuk menghasilkan tenaga nuklear - reaktor atom. Skala penemuan boleh dinilai 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%.

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

• Pada tahun 1895, Wilhelm Conrad Roentgen menyedari bahawa apabila terdedah kepada sinar-X, plat fotografi menjadi gelap. Hari ini, radiografi adalah salah satu kajian yang paling banyak digunakan dalam bidang perubatan, membolehkan seseorang mengkaji keadaannya organ dalaman dan mengesan jangkitan dan bengkak.
• Pada tahun 1915, Albert Einstein mencadangkan sendiri. Hari ini, teori ini diambil kira semasa mengendalikan satelit GPS, yang menentukan lokasi objek dengan ketepatan beberapa meter. GPS digunakan dalam komunikasi selular, kartografi, pemantauan pengangkutan, 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 syarikat penerbangan akan mendapati diri mereka dalam situasi yang sukar, kerana mustahil untuk menavigasi dengan awan.

Jika hari ini aplikasi praktikal untuk penemuan yang dibuat di LHC masih belum ditemui, ini tidak bermakna saintis "memain-mainkan pelanggar dengan sia-sia." Seperti yang anda tahu, orang yang munasabah sentiasa berniat untuk mendapatkan yang maksimum permohonan praktikal daripada pengetahuan sedia 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 berlaku agak kerap, kerana membuat penemuan asas biasanya memerlukan pengenalan dan penggunaan teknologi baharu. Oleh itu, perkembangan optik mendapat dorongan daripada penyelidikan ruang angkasa asas, berdasarkan pemerhatian oleh 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 menjadikan data organisasi CERN lebih mudah dicari.

Dalam soalan ini (dan yang lain seperti itu), penampilan kata-kata "sebenarnya" ingin tahu - seolah-olah ada intipati yang tersembunyi dari yang belum tahu, dilindungi oleh "imam sains" daripada orang biasa, rahsia yang perlu didedahkan. Walau bagaimanapun, apabila dilihat 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 tangan, dsb.). Hakikat bahawa pelanggar adalah perkara yang besar, mahal dan kompleks mengikut mana-mana piawaian tidak mengubah perkara.

Analogi terdekat untuk memahami "mengapa ini diperlukan" adalah, pada pendapat saya, kanta. Umat ​​manusia sudah biasa dengan sifat-sifat kanta sejak dahulu lagi, tetapi hanya pada pertengahan milenium yang lalu barulah ia menyedari bahawa kombinasi kanta tertentu boleh digunakan sebagai instrumen yang membolehkan kita memeriksa 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 reka bentuk baru untuk kontemporari ini muncul. Walau bagaimanapun, ia telah dialih keluar daripada agenda dengan sendirinya, kerana bidang aplikasi saintifik dan gunaan kedua-dua peranti berkembang. Perhatikan bahawa, secara amnya, ini pelbagai peranti– Anda tidak akan dapat melihat bintang dengan mikroskop terbalik. Large Hadron Collider, secara paradoks, menggabungkannya dengan sendirinya, dan boleh dianggap sebagai titik tertinggi dalam evolusi kedua-dua mikroskop dan teleskop yang dicapai oleh manusia sejak berabad-abad yang lalu. Pernyataan ini mungkin kelihatan pelik, dan, sudah tentu, ia tidak boleh dianggap secara literal - tiada kanta (sekurang-kurangnya optik) dalam pemecut. Tetapi pada dasarnya ini betul-betul berlaku. Dalam bentuk "mikroskopik", collider membolehkan anda mengkaji struktur dan sifat objek pada tahap 10-19 meter (biar saya ingatkan anda bahawa saiz atom hidrogen adalah lebih kurang 10-10 meter). Keadaan ini lebih menarik di bahagian "teleskop". Setiap teleskop adalah mesin masa sebenar, kerana gambar yang diperhatikan di dalamnya sepadan dengan objek pemerhatian pada masa lalu, iaitu masa lalu bahawa sinaran elektromagnet perlu sampai kepada pemerhati dari objek ini. Masa ini boleh menjadi lebih daripada lapan minit apabila 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 kembali hampir 14 bilion tahun, ke permulaan dunia kita. Teleskop terestrial dan orbital konvensional (sekurang-kurangnya yang merakam radiasi elektromagnetik), memperoleh "penglihatan" hanya selepas era penggabungan semula, apabila Alam Semesta menjadi telus optik - ini berlaku, menurut idea 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 semasa kelahiran Alam Semesta, dan inilah yang akhirnya akan mengembalikan misteri yang dibincangkan pada mulanya dan menentukan mengapa pelanggar itu. diperlukan diperlukan "benar-benar". Tetapi ini adalah keputusan manusia, dan perlanggaran dengan bantuan yang diperolehi pengetahuan ini akan kekal sebagai peranti - mungkin sistem "kanta" paling canggih yang pernah dilihat oleh dunia.