Prije nekoliko godina nisam imao pojma što su hadronski sudarači, Higgsov bozon i zašto tisuće znanstvenika diljem svijeta rade na ogromnom fizičkom kampusu na granici Švicarske i Francuske, zakopavajući milijarde dolara u zemlju.
Zatim, za mene, kao i za mnoge druge stanovnike planeta, izraz Veliki hadronski sudarač, spoznaja o elementarnim česticama koje se u njemu sudaraju brzinom svjetlosti i jedan od najveća otkrića novije vrijeme - Higgsov bozon.

I tako sam se sredinom lipnja imao prilike na svoje oči uvjeriti o čemu se toliko priča i o čemu kruže tolike oprečne glasine.
Nije to bio samo kratki izlet, već cjelodnevni boravak u najvećem svjetskom laboratoriju nuklearne fizike – CERN-u. Ovdje smo uspjeli komunicirati sa samim fizičarima i vidjeti puno zanimljivih stvari u ovom znanstvenom kampusu, spustiti se do svetinje nad svetinjama - Velikog hadronskog sudarača (i nakon svega, kada se pokrene i provode testovi, bilo kakav pristup izvana do njega je nemoguć) , posjetiti tvornicu za proizvodnju divovskih magneta za sudarač, Atlas centar, gdje znanstvenici analiziraju podatke dobivene u sudaraču, potajno posjetiti najnoviji linearni sudarač u izgradnji i čak, gotovo kao u potrazi, praktički hodati trnovitim putem elementarne čestice, od kraja do vrha. I vidite gdje sve počinje...
Ali o svemu tome u posebnim postovima. Danas samo Veliki hadronski sudarač.
Ako se to jednostavno može nazvati, moj mozak odbija shvatiti KAKO se tako nešto moglo prvo izmisliti, a zatim izgraditi.

2. Prije mnogo godina ova je slika postala svjetski poznata. Mnogi vjeruju da je to Veliki hadron u kontekstu. Zapravo, radi se o dijelu jednog od najvećih detektora - CMS-a. Promjer mu je oko 15 metara. Ovo nije najveći detektor. Promjer atlasa je oko 22 metra.

3. Da bismo otprilike razumjeli što je to uopće i koliki je sudarač, pogledajmo satelitsku kartu.
Ovo je predgrađe Ženeve, vrlo blizu Ženevskog jezera. Ovdje se nalazi ogroman kampus CERN-a, o kojem ću kasnije posebno govoriti, a hrpa sudarača nalazi se ispod zemlje na različitim dubinama. Da da. Nije sam. Ima ih deset. Veliki hadron jednostavno okrunjuje ovu strukturu, slikovito rečeno, zaokružujući lanac sudarača kroz koji se ubrzavaju elementarne čestice. O tome ću također posebno govoriti, idući s česticom od Velikog (LHC) do prvog, linearnog Linac-a.
LHC prsten promjera je gotovo 27 kilometara i nalazi se na dubini od nešto više od 100 metara (najveći prsten na slici).
LHC ima četiri detektora - Alice, Atlas, LHCb i CMS. Spustili smo se do CMS detektora.

4. Osim ova četiri detektora, ostatak podzemnog prostora je tunel, u kojem se nalazi kontinuirano crijevo ovih plavih segmenata. Ovo su magneti. Divovski magneti, u kojima se stvara ludo magnetsko polje u kojem se elementarne čestice kreću brzinom svjetlosti.
Ukupno ih je 1734.

5. Unutar magneta nalazi se upravo takva složena struktura. Ima tu svega puno, ali najosnovnije su dvije šuplje cijevi unutra, u kojima lete snopovi protona.
Na četiri mjesta (u istim detektorima) te se cijevi sijeku i snopovi protona se sudaraju. Na onim mjestima gdje se sudaraju, protoni se raspršuju u razne čestice, što fiksiraju detektori.
Ovo je da ukratko govorimo o tome što je to besmislica i kako funkcionira.

6. Dakle, 14. lipnja, jutro, CERN. Dolazimo do neugledne ograde s kapijom i malom zgradom na terenu.
Ovo je ulaz u jedan od četiri detektora Large Hadron Collider - CMS.
Ovdje želim malo stati da popričamo o tome kako smo uopće uspjeli doći ovdje i zahvaljujući kome.
A za sve je “kriv” Andrey, naš čovjek koji radi u CERN-u i zahvaljujući kojem naš posjet nije bio nekakav kratki dosadni izlet, već nevjerojatno zanimljiv i ispunjen ogromnom količinom informacija.
Andrej (on je u zelenoj majici) nikada nije protiv gostiju i uvijek rado pridonosi posjeti ovoj Meki nuklearne fizike.
Znate što je zanimljivo? Ovo je način pristupa na Collideru i općenito u CERN-u.
Da, sve je na magnetnoj kartici, ali ... zaposlenik sa svojom propusnicom ima pristup 95% teritorija i objekata.
A tek oni gdje povišena razina opasnost od zračenja, potreban je poseban pristup - to je unutar samog sudarača.
I tako - bez problema, zaposlenici se kreću po teritoriju.
Na trenutak – ovdje su uložene milijarde dolara i puno najnevjerojatnije opreme.
I onda se sjetim nekih napuštenih objekata na Krimu, gdje je sve već odavno izrezano, ali je ipak sve megatajno, ne možete pucati u svakom slučaju, a objekt je nekakav strateški. jedan.
Samo što ljudi ovdje adekvatno razmišljaju svojom glavom.

7. Ovako izgleda CMS teritorij. Bez razmetanja u eksterijeru i super-automobila na parkiralištu. Ali mogu si to priuštiti. Jednostavno nema potrebe.

8. CERN kao vodeći u svijetu znanstveni centar u području fizike koristi nekoliko različitih pravaca u smislu PR-a. Jedno od njih je takozvano "Stablo".
Poziva profesori u školi u fizici od različite zemlje i gradovima. Ovdje su prikazani i ispričani. Učitelji se zatim vraćaju u svoje škole i izvještavaju učenike o onome što su vidjeli. Određeni broj studenata, inspiriran pričom, s velikim zanimanjem počinje učiti fiziku, zatim odlazi na sveučilišta za fizičke specijalnosti iu budućnosti možda čak i radi ovdje.
No, dok su djeca još u školi, imaju priliku posjetiti i CERN i, naravno, spustiti se u Large Hadron Collider.
Nekoliko puta u mjesecu postoje posebni dani otvorena vrata» za nadarenu djecu iz različitih zemalja koja su zaljubljena u fiziku.
Odabiru ih upravo oni učitelji koji su bili u srcu ovog stabla i podnose prijedloge uredu CERN-a u Švicarskoj.
Igrom slučaja, na dan kada smo došli vidjeti Veliki hadronski sudarač, ovamo je došla jedna takva grupa iz Ukrajine - djeca, polaznici Male akademije znanosti, koji su prošli na teškom natjecanju. Zajedno s njima spustili smo se na dubinu od 100 metara, u samo srce Collidera.

9. Slava našim značkama.
Obavezni elementi fizičara koji ovdje rade su kaciga sa svjetiljkom i čizme s metalnom pločicom na prstu (za zaštitu prstiju pri padu tereta)

10. Darovita djeca koja su strastvena za fiziku. Za nekoliko minuta njihovo mjesto će se ostvariti - spustit će se u Large Hadron Collider

11. Radnici igraju domine i odmaraju prije sljedeće smjene pod zemljom.

12. Kontrolno-upravljački centar CMS. Ovdje se prikupljaju primarni podaci s glavnih senzora koji karakteriziraju funkcioniranje sustava.
Tijekom rada sudarača, tim od 8 ljudi radi ovdje danonoćno.

13. Mora se reći da je Veliki hadronski sudarač trenutno zaustavljen na dvije godine kako bi se proveo program popravka i modernizacije sudarača.
Činjenica je da se prije 4 godine na njemu dogodila nesreća, nakon koje sudarač nije radio punim kapacitetom (o nesreći ću u sljedećem postu).
Nakon modernizacije, koja će završiti 2014., trebala bi raditi još većim kapacitetom.
Da sudarač sada radi, sigurno ga ne bismo mogli posjetiti

14. Posebnim tehničkim dizalom spuštamo se na dubinu veću od 100 metara, gdje se nalazi Collider.
Dizalo je jedino sredstvo spašavanja osoblja u slučaju hitan slučaj, jer ovdje nema stepenica. Odnosno, ovo je najsigurnije mjesto u CMS-u.
Prema uputama, u slučaju alarma, svo osoblje treba odmah otići do dizala.
Ovdje se stvara preveliki pritisak da u slučaju dima dim ne uđe unutra i da se ljudi ne otruju.

15. Boris se brine da nema dima

16. Duboko. Ovdje je sve prožeto komunikacijama

17. Beskrajni kilometri žica i podatkovnih kabela

18. Postoji ogroman broj cijevi. Takozvana kriogenika. Činjenica je da se unutar magneta helij koristi za hlađenje. Nužno je i hlađenje ostalih sustava, kao i hidraulike.

19. Postoji ogroman broj poslužitelja smještenih u sobama za obradu podataka smještenim u detektoru.
Grupirani su u takozvane okidače za nevjerojatne performanse.
Primjerice, prvi okidač u 3 milisekunde od 40.000.000 događaja trebao bi odabrati oko 400 i prenijeti ih na drugi okidač – najvišu razinu.

20. Ludilo optičkih vlakana.
Računalne prostorije nalaze se iznad detektora, kao postoji vrlo malo magnetsko polje koje ne ometa rad elektronike.
Ne bi bilo moguće prikupiti podatke u samom detektoru.

21. Globalni okidač. Sastoji se od 200 računala

22. Što je Apple? Dell!!!

23. Ormari poslužitelja sigurno su zaključani

24. Smiješni crtež na jednom od radnih mjesta operatera.

25. Krajem 2012. Higgsov bozon otkriven je kao rezultat eksperimenta na Velikom hadronskom sudaraču, a ovaj događaj naširoko su primijetili radnici CERN-a.
Boce šampanjca nakon slavlja nisu bacali, vjerujući da je ovo tek početak velikih stvari

26. Na prilazu samom detektoru posvuda su postavljeni znakovi upozorenja na opasnost od zračenja.

26. Svi zaposlenici Collidera imaju osobne dozimetre, koje moraju donijeti do čitača i zabilježiti njihovu lokaciju.
Dozimetar akumulira razinu zračenja i, u slučaju približavanja graničnoj dozi, obavještava zaposlenika, a također prenosi podatke putem interneta na kontrolno mjesto, upozoravajući da se u blizini sudarača nalazi osoba koja je u opasnosti

27. Ispred detektora, pristupni sustav najviše razine.
Ući možete priložiti osobnu iskaznicu, dozimetar i proći skeniranje mrežnice

28. Što radim

29. I evo ga - detektor. Mali ubod unutra je nešto slično steznoj glavi bušilice, koja sadrži one ogromne magnete koji bi sada izgledali vrlo maleni. Trenutačno nema magneta jer. prolazi kroz modernizaciju

30. U radnom stanju detektor je povezan i izgleda kao jedna cjelina

31. Težina detektora je 15 tisuća tona. Ovdje se stvara nevjerojatno magnetsko polje.

32. Usporedite veličinu detektora s ljudima i strojevima koji rade dolje

33. Kabel plave boje- napajanje, crveno - podaci

34. Zanimljivo je da tijekom rada Big Hadron troši 180 megavata električne energije na sat.

35. Tekući radovi na održavanju senzora

36. Brojni senzori

37. A snaga im ... optičko vlakno se vraća natrag

38. Izgled nevjerojatno pametne osobe.

39. Sat i pol pod zemljom leti kao pet minuta ... Nakon što ste se vratili na smrtnu zemlju, nehotice mislite ... KAKO se to može učiniti.
I ZAŠTO to rade….

Gdje se nalazi Large Hadron Collider?

Godine 2008. CERN (Europsko vijeće za nuklearna istraživanja) završio je izgradnju super-snažnog akceleratora čestica nazvanog Large Hadron Collider. Na engleskom: LHC - Large Hadron Collider. CERN je međunarodna međuvladina organizacija znanstvena organizacija, osnovana 1955. godine. Zapravo, ovo je glavni svjetski laboratorij u poljima visokih energija, fizike čestica i solarna energija. Oko 20 zemalja je članica organizacije.

Zašto je potreban Veliki hadronski sudarač?

U blizini Ženeve, u 27 kilometara (26.659 m) kružnom betonskom tunelu, stvoren je prsten supravodljivih magneta za ubrzavanje protona. Pretpostavlja se da će akcelerator pomoći ne samo proniknuti u tajne mikrostrukture materije, već i napredovati u potrazi za odgovorom na pitanje novih izvora energije u dubinama materije.

U tu svrhu, istovremeno s izgradnjom samog akceleratora (koji je koštao preko 2 milijarde dolara), stvorena su četiri detektora čestica. Od toga su dva velika univerzalna (CMS i ATLAS) i dva više specijalizirana. Ukupna cijena detektora također se približava 2 milijarde dolara. U svakom od velikih projekata CMS i ATLAS sudjelovalo je više od 150 institucija iz 50 zemalja, uključujući ruske i bjeloruske.

Lov na nedostižni Higgsov bozon

Kako radi akcelerator hadronskog sudarača? Sudarač je najveći akcelerator protona koji radi na sudarajućim snopovima. Kao rezultat ubrzanja, svaka od zraka će u laboratorijskom sustavu imati energiju od 7 teraelektron volti (TeV), odnosno 7x1012 elektron volti. Prilikom sudara protona nastaju mnoge nove čestice koje će registrirati detektori. Nakon analize sekundarnih čestica, dobiveni podaci pomoći će odgovoriti na temeljna pitanja koja zabrinjavaju znanstvenike koji se bave fizikom mikrosvijeta i astrofizikom. Među glavnim problemima je eksperimentalna detekcija Higgsovog bozona.

Sada već "čuveni" Higgsov bozon je hipotetska čestica koja je jedna od glavnih komponenti tzv. standardnog, klasičnog modela elementarnih čestica. Ime je dobio po britanskom teoretičaru Peteru Higgsu, koji je predvidio njegovo postojanje 1964. godine. Higgsovi bozoni, kao kvanti Higgsovog polja, smatraju se relevantnima za temeljna pitanja u fizici. Konkretno, na koncept podrijetla masa elementarnih čestica.

Od 2. do 4. srpnja 2012. niz eksperimenata na sudaraču otkrio je određenu česticu koja se može povezati s Higgsovim bozonom. Štoviše, podaci su potvrđeni tijekom mjerenja i sustavom ATLAS i sustavom CMS. Još uvijek se raspravlja je li zloglasni Higgsov bozon doista otkriven ili se radi o nekoj drugoj čestici. Činjenica je da je otkriveni bozon najteži od dosad zabilježenih. Za rješavanje temeljnog pitanja pozvani su vodeći svjetski fizičari: Gerald Guralnik, Karl Hagen, Francois Engler i sam Peter Higgs, koji je još 1964. godine teorijski potkrijepio postojanje bozona nazvanog po njemu. Nakon analize skupa podataka, sudionici studije skloni su vjerovati da je Higgsov bozon doista otkriven.

Mnogi fizičari su se nadali da će proučavanje Higgsovog bozona otkriti "anomalije" koje će dovesti do razgovora o takozvanoj "Novoj fizici". No, do kraja 2014. obrađena je gotovo cijela lepeza podataka prikupljena tijekom prethodne tri godine kao rezultat eksperimenata na LHC-u, te nisu otkrivena intrigantna odstupanja (s iznimkom pojedinačnih slučajeva). Zapravo, pokazalo se da je dvofotonski raspad ozloglašenog Higgsovog bozona, prema istraživačima, "previše standardan". Međutim, eksperimenti zakazani za proljeće 2015. mogu iznenaditi znanstveni svijet nova otkrića.

Ni jedan bozon

Potraga za Higgsovim bozonom nije sama sebi cilj golemog projekta. Znanstvenicima je također važno tragati za novim vrstama čestica koje omogućuju prosuđivanje jedinstvene interakcije prirode u ranoj fazi postojanja Svemira. Sada znanstvenici razlikuju četiri temeljne interakcije prirode: jaku, elektromagnetsku, slabu i gravitacijsku. Teorija sugerira da je u početnoj fazi svemira mogla postojati samo jedna interakcija. Ako se otkriju nove čestice, onda će ova verzija biti potvrđena.

Fizičari su također zabrinuti zbog misterioznog porijekla mase čestica. Zašto čestice uopće imaju masu? I zašto oni imaju takve mase a ne drugi? Usput, ovdje uvijek mislimo na formulu E=mc². Svaki materijalni objekt ima energiju. Pitanje je kako to osloboditi. Kako stvoriti tehnologije koje bi omogućile njegovo oslobađanje od tvari s maksimalnom učinkovitošću? Danas je to glavno pitanje energetike.

Drugim riječima, projekt Large Hadron Collider pomoći će znanstvenicima pronaći odgovore na temeljna pitanja i proširiti znanje o mikrokozmosu, a time i o nastanku i razvoju Svemira.

Doprinos bjeloruskih i ruskih znanstvenika i inženjera stvaranju LHC-a

Tijekom faze izgradnje europski partneri iz CERN-a obratili su se skupini bjeloruskih znanstvenika s ozbiljnim iskustvom u ovom području da od samog početka projekta sudjeluju u izradi detektora za LHC. S druge strane, bjeloruski znanstvenici pozvali su na suradnju kolege iz Zajedničkog instituta za nuklearna istraživanja iz grada znanosti Dubne i druge. ruske institucije. Stručnjaci su kao jedan tim započeli rad na takozvanom CMS detektoru - "Compact Muon Solenoid". Sastoji se od mnogih složenih podsustava, od kojih je svaki dizajniran za obavljanje specifičnih zadataka, dok zajedno osiguravaju identifikaciju i točno mjerenje energija i kutova emisije svih čestica rođenih u trenutku sudara protona u LHC-u.

Bjelorusko-ruski stručnjaci također su sudjelovali u stvaranju detektora ATLAS. Ovo je instalacija visoka 20 m koja može mjeriti putanje čestica s visokom točnošću: do 0,01 mm. Osjetljivi senzori unutar detektora sadrže oko 10 milijardi tranzistora. Prioritetni cilj eksperimenta ATLAS je otkrivanje Higgsovog bozona i proučavanje njegovih svojstava.

Bez pretjerivanja, naši su znanstvenici dali značajan doprinos stvaranju detektora CMS i ATLAS. Neke važne komponente proizvedene su u tvornici strojeva u Minsku. Oktobarska revolucija(MZOR). Konkretno, end cap hadronski kalorimetri za CMS eksperiment. Osim toga, tvornica je proizvodila visokosofisticirane elemente magnetskog sustava detektora ATLAS. Riječ je o proizvodima velikih dimenzija koji zahtijevaju posjedovanje posebnih tehnologija za obradu metala i ultrapreciznu obradu. Prema tehničarima CERN-a, narudžbe su izvršene briljantno.

Ne treba podcjenjivati ​​ni “doprinos pojedinaca povijesti”. Na primjer, Roman Stefanovich, doktor znanosti, inženjer, odgovoran je za ultrapreciznu mehaniku u CMS projektu. Čak u šali kažu da bez njega CMS ne bi bio sastavljen. Ali ozbiljno, može se sasvim sigurno reći: bez njega kvalitetno ne bi bili ispoštovani rokovi montaže i puštanja u pogon. Naš drugi inženjer elektronike Vladimir Čehovski, koji je prošao prilično teško natjecanje, danas otklanja greške u elektronici CMS detektora i njegovih mionskih komora.

Naši znanstvenici sudjeluju kako u lansiranju detektora, tako iu laboratorijskom dijelu, u njihovom radu, održavanju i ažuriranju. Znanstvenici iz Dubne i njihovi bjeloruski kolege s pravom zauzimaju svoja mjesta u međunarodnoj zajednici fizičara CERN, koja radi na dobivanju nove informacije o dubinskim svojstvima i strukturi materije.

Video

Pregled s kanala Simple Science, koji jasno prikazuje princip akceleratora:

Recenzija Huanala Galilea:

Recenzija Huanala Galilea:

Lansiranje hadronskog sudarača 2015.:

Large Hadron Collider (LHC) je akcelerator nabijenih čestica s kojim će fizičari moći naučiti mnogo više o svojstvima materije nego što se dosad znalo. Akceleratori se koriste za proizvodnju visokoenergetskih nabijenih elementarnih čestica. Rad gotovo svakog akceleratora temelji se na interakciji nabijenih čestica s električnim i magnetska polja. Električno polje izravno vrši rad na čestici, odnosno povećava joj energiju, a magnetsko polje, stvarajući Lorentzovu silu, samo skreće česticu ne mijenjajući joj energiju i postavlja orbitu po kojoj se čestice kreću.

Collider (engleski collide - "sudarati") - akcelerator na sudarajućim zrakama, dizajniran za proučavanje proizvoda njihovih sudara. Omogućuje vam da elementarnim česticama materije date visoku kinetičku energiju, usmjerite ih jedne prema drugima kako biste proizveli njihov sudar.

Zašto "veliki hadron"

Veliki sudarač je dobio ime, zapravo, zbog svoje veličine. Duljina glavnog akceleratorskog prstena je 26 659 m; hadronski - zbog činjenice da ubrzava hadrone, odnosno teške čestice koje se sastoje od kvarkova.

LHC je izgrađen u istraživačkom centru Europskog vijeća za nuklearna istraživanja (CERN), na granici Švicarske i Francuske, nedaleko od Ženeve. Do danas, LHC je najveće eksperimentalno postrojenje na svijetu. Voditeljica ovog velikog projekta je britanska fizičarka Lyn Evans, a u izgradnji i istraživanju sudjelovalo je više od 10.000 znanstvenika i inženjera iz više od 100 zemalja.

Mala digresija u povijest

Kasnih 60-ih godina prošlog stoljeća fizičari su razvili tzv. Standardni model. Kombinira tri od četiri temeljne sile - jaku, slabu i elektromagnetsku. Gravitacijska interakcija još uvijek se opisuje terminima opća teorija i relativnosti. Odnosno, danas temeljne interakcije opisuju dvije općeprihvaćene teorije: opća teorija relativnosti i standardni model.

Vjeruje se da standardni model mora biti dio neke dublje teorije o strukturi mikrokozmosa, dio koji je vidljiv u eksperimentima na sudaraču na energijama ispod oko 1 TeV (teraelektronvolt). Glavni zadatak Large Hadron Collidera je dobiti barem prve naznake o tome što je ta dublja teorija.

Glavne zadaće sudarača također uključuju otkrivanje i potvrdu Higgsovog bozona. Ovo bi otkriće potvrdilo Standardni model nastanka elementarnih atomskih čestica i standardne materije. Tijekom lansiranja sudarača punom snagom, integritet standardnog modela bit će uništen. Elementarne čestice, čija svojstva razumijemo samo djelomično, neće moći održati svoj strukturni integritet. Standardni model ima gornju granicu energije od 1 TeV, pri kojoj se čestica raspada kako raste. Pri energiji od 7 TeV mogle bi se stvoriti čestice s masama deset puta većim od trenutno poznatih.

Tehnički podaci

U akceleratoru bi se trebao sudariti protoni ukupne energije od 14 TeV (odnosno 14 teraelektronvolti ili 14 1012 elektronvolti) u sustavu upadnih čestica u središtu mase, kao i jezgre olova s ​​energijom od 5 GeV ( 5 109 elektron volti) za svaki par nukleona koji se sudaraju.

Sjaj LHC-a tijekom prvih tjedana rada nije bio veći od 1029 čestica/cm²·s, međutim, nastavlja stalno rasti. Cilj je postići nominalni luminozitet od 1,7 1034 čestica/cm² s, što je po redu veličine ekvivalentno luminozitetima BaBar (SLAC, SAD) i Belle (KEK, Japan).

Akcelerator se nalazi u istom tunelu koji je prethodno bio zauzet Velikim sudaračem elektrona i pozitrona, pod zemljom u Francuskoj i Švicarskoj. Dubina tunela je od 50 do 175 metara, a tunelski prsten je nagnut oko 1,4% u odnosu na površinu zemlje. Za držanje, korekciju i fokusiranje protonskih zraka koriste se 1624 supravodljiva magneta čija ukupna duljina prelazi 22 km. Magneti rade na temperaturi od 1,9 K (−271 °C), što je malo ispod temperature prijelaza helija u superfluidno stanje.

LHC detektori

LHC ima 4 glavna i 3 pomoćna detektora:

• ALICE (Eksperiment velikog ionskog sudarača)
• ATLAS (toroidni LHC aparat)
• CMS (kompaktni mionski solenoid)
• LHCb (Eksperiment ljepote Velikog hadronskog sudarača)
• TOTEM (Ukupno mjerenje elastičnog i difrakcijskog presjeka)
• LHCf (Veliki hadronski sudarač naprijed)
• MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At LHC).

Prvi je postavljen za proučavanje sudara teških iona. Temperatura i gustoća energije nastale nuklearne tvari dovoljne su za rađanje gluonske plazme. Interni sustav praćenja (ITS) u ALICE-u sastoji se od šest cilindričnih slojeva silikonskih senzora koji okružuju točku udara i mjere svojstva i precizne položaje čestica koje se pojavljuju. Na taj se način lako mogu detektirati čestice koje sadrže teški kvark.

Drugi je dizajniran za proučavanje sudara između protona. ATLAS je dug 44 metra, promjera 25 metara i težak oko 7000 tona. Zrake protona sudaraju se u središtu tunela, najvećeg i najsloženijeg senzora te vrste ikada napravljenog. Senzor bilježi sve što se događa tijekom i nakon sudara protona. Cilj projekta je detektirati čestice koje dosad nisu bile registrirane i nisu detektirane u našem svemiru.

CMS je jedan od dva velika univerzalna detektora čestica na LHC-u. Oko 3600 znanstvenika iz 183 laboratorija i sveučilišta u 38 zemalja podupire rad CMS-a (CMS uređaj prikazan je na slici).

Najdublji sloj je tracker na bazi silicija. Tragač je najveći silikonski senzor na svijetu. Ima 205 m2 silikonskih senzora (približno površini teniskog igrališta) sa 76 milijuna kanala. Tragač vam omogućuje mjerenje tragova nabijenih čestica u elektromagnetskom polju.

Na drugoj razini nalazi se elektromagnetski kalorimetar. Hadronski kalorimetar, na sljedećoj razini, mjeri energiju pojedinačnih hadrona proizvedenih u svakom slučaju.

Sljedeći sloj CMS-a Velikog hadronskog sudarača je ogroman magnet. Veliki solenoidni magnet dug je 13 metara i ima promjer od 6 metara. Sastoji se od hlađenih zavojnica izrađenih od niobija i titana. Ovaj ogromni solenoidni magnet radi dalje puna snaga kako bi se maksimizirao životni vijek čestica solenoidnog magneta.

Peti sloj su mionski detektori i povratni jaram. CMS je za istraživanje različite vrste fizika koja se može naći u energetskim sudarima LHC-a. Neka od ovih istraživanja potvrđuju ili poboljšavaju mjerenja parametara standardnog modela, dok su mnoga druga u potrazi za novom fizikom.

O Velikom hadronskom sudaraču možete pričati dugo. Nadamo se da je naš članak pomogao razumjeti što je LHC i zašto je znanstvenicima potreban.

To je potraga za načinima da se spoje dvije temeljne teorije - GR (o gravitacijskoj) i SM (standardni model koji kombinira tri temeljne teorije fizičke interakcije- elektromagnetski, jaki i slabi). Pronalaženje rješenja prije stvaranja LHC-a ometale su poteškoće u stvaranju teorije kvantne gravitacije.

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

Za to je korišteno nekoliko popularnih i potrebnih pristupa u moderno doba odjednom - teorija struna, teorija brane, teorija supergravitacije, kao i teorija kvantne gravitacije. Prije izgradnje sudarača, glavni problem u provođenju potrebnih eksperimenata bio je nedostatak energije, što se ne može postići drugim modernim akceleratorima čestica.

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

Drugi temeljni eksperimenti provedeni u sklopu rada LHC-a

Zanimljiva su i istraživanja znanstvenika na području proučavanja top kvarkova, koji su najkvarkoviji i najteži (173,1 ± 1,3 GeV/s²) od svih danas poznatih elementarnih čestica.

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

Sva znanstvena istraživanja o stvaranju i proučavanju svojstava kvarkova provode znanstvenici u vrhunskoj kvark-antikvark parnoj sobi u LHC-u.

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

U sklopu LHC-a također se provode eksperimenti u potrazi za supersimetrijom - i teorijom da bilo koja elementarna čestica uvijek u pratnji težeg partnera, a njezino pobijanje.

Skraćeno LHC (Large Hadron Collider, skraćeno LHC) je akcelerator nabijenih čestica u sudarajućim snopovima, dizajniran za ubrzavanje protona i teških iona (iona olova) i proučavanje proizvoda njihovih sudara. Sudarač je izgrađen u CERN-u (Europsko vijeće za nuklearna istraživanja), koji se nalazi u blizini Ženeve, na granici Švicarske i Francuske. LHC je najveće eksperimentalno postrojenje na svijetu. Više od 10.000 znanstvenika i inženjera iz više od 100 zemalja sudjelovalo je i sudjeluje u izgradnji i istraživanju.

Veliki je nazvan zbog svoje veličine: duljina glavnog prstena akceleratora je 26 659 m; hadronski - zbog činjenice da ubrzava hadrone, odnosno teške čestice koje se sastoje od kvarkova; sudarač (eng. collider - sudarač) - zbog činjenice da se snopovi čestica ubrzavaju u suprotnim smjerovima i sudaraju u posebnim točkama sudara.

Tehnički podaci

Akcelerator bi trebao sudarati protone ukupne energije od 14 TeV (odnosno 14 teraelektronvolti ili 14 1012 elektronvolti) u središtu mase sustava upadnih čestica, kao i jezgre olova s ​​energijom od 5 GeV (5 109 elektron volti) za svaki par nukleona koji se sudaraju. Početkom 2010. LHC je već donekle nadmašio dosadašnjeg šampiona po energiji protona - proton-antiprotonski sudarač Tevatron, koji je do kraja 2011. radio u Nacionalnom akceleratorskom laboratoriju. Enrico Fermi (SAD). Unatoč činjenici da se prilagodba opreme proteže godinama i još nije dovršena, LHC je već postao akcelerator čestica s najvećom energijom na svijetu, nadmašujući druge sudarače u energiji za red veličine, uključujući RHIC relativistički teški ion sudarač koji radi u Laboratoriju Brookhaven (SAD). ).

Sjaj LHC-a tijekom prvih tjedana rada nije bio veći od 1029 čestica/cm 2 s, međutim, nastavlja se stalno povećavati. Cilj je postići nominalni luminozitet od 1,7·1034 čestica/cm 2 s, što je po redu veličine jednako luminozitetima BaBar (SLAC, SAD) i Belle (Engleski) (KEK, Japan).

Akcelerator se nalazi u istom tunelu u kojem je prije bio Veliki elektron-pozitronski sudarač. Tunel s opsegom od 26,7 km položen je pod zemljom u Francuskoj i Švicarskoj. Dubina tunela je od 50 do 175 metara, a tunelski prsten je nagnut oko 1,4% u odnosu na površinu zemlje. Za držanje, korekciju i fokusiranje protonskih zraka koriste se 1624 supravodljiva magneta čija ukupna duljina prelazi 22 km. Magneti rade na temperaturi od 1,9 K (-271 °C), što je malo ispod superfluidne temperature helija.

LHC detektori

LHC ima 4 glavna i 3 pomoćna detektora:

• ALICE (Eksperiment velikog ionskog sudarača)
• ATLAS (toroidni LHC aparat)
• CMS (kompaktni mionski solenoid)
• LHCb (Eksperiment ljepote Velikog hadronskog sudarača)
• TOTEM (Ukupno mjerenje elastičnog i difrakcijskog presjeka)
• LHCf (Veliki hadronski sudarač naprijed)
• MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At LHC).

ATLAS, CMS, ALICE, LHCb su veliki detektori smješteni oko točaka sudara zraka. Detektori TOTEM i LHCf su pomoćni, smješteni na udaljenosti od nekoliko desetaka metara od točaka sjecišta zraka koje zauzimaju detektori CMS odnosno ATLAS i koristit će se uz glavne.

Detektori ATLAS i CMS su detektori opće namjene dizajnirani za traženje Higgsovog bozona i "nestandardne fizike", posebice tamne tvari, ALICE - za proučavanje kvark-gluonske plazme u teškim sudarima iona olova, LHCb - za proučavanje fizike b-kvarkova, što će omogućiti bolje razumijevanje razlika između materije i antimaterije, TOTEM je dizajniran za proučavanje raspršenja čestica pod malim kutovima, kao što se događa tijekom bliskih raspona bez sudara (tzv. čestice koje se ne sudaraju, naprijed čestice), što vam omogućuje točnije mjerenje veličine protona, kao i kontrolu luminoznosti sudarača, i, konačno, LHCf - za proučavanje kozmičkih zraka, modeliranih korištenjem istih čestica koje se ne sudaraju.

Sedmi detektor (eksperimentalni) MoEDAL, dizajniran za traženje sporo pokretnih teških čestica, također je povezan s radom LHC-a.

Tijekom rada sudarača sudari se odvijaju istovremeno u sve četiri točke sjecišta snopova, neovisno o vrsti ubrzanih čestica (protoni ili jezgre). U isto vrijeme, svi detektori prikupljaju statistiku istovremeno.

Ubrzanje čestica u sudaraču

Brzina čestica u LHC-u na sudarajućim zrakama bliska je brzini svjetlosti u vakuumu. Ubrzanje čestica do tako visokih energija postiže se u nekoliko faza. U prvoj fazi niskoenergetski linearni akceleratori Linac 2 i Linac 3 ubrizgavaju protone i ione olova za daljnje ubrzanje. Zatim čestice ulaze u PS pojačivač, a zatim u sam PS (protonski sinkrotron), dobivajući energiju od 28 GeV. S ovom energijom već se kreću brzinom bliskom svjetlosnoj. Nakon toga, ubrzavanje čestica se nastavlja u SPS (Proton Super Synchrotron), gdje energija čestica doseže 450 GeV. Zatim se hrpa protona šalje u glavni prsten od 26,7 kilometara, čime se energija protona dovodi do maksimalnih 7 TeV, a na mjestima sudara detektori bilježe događaje koji se događaju. Dva sudarajuća snopa protona, kada su potpuno ispunjena, mogu sadržavati po 2808 hrpa. Na rani stadiji debugging proces ubrzanja cirkulira samo jedan hrp u snopu dugom nekoliko centimetara i male poprečne veličine. Zatim počinju povećavati broj ugrušaka. Grozdovi se nalaze u fiksnim položajima jedan u odnosu na drugi, koji se sinkrono kreću duž prstena. Grudice u određenom nizu mogu se sudarati na četiri točke prstena, gdje se nalaze detektori čestica.

Kinetička energija svih snopova hadrona u LHC-u kada je potpuno ispunjen usporediva je s kinetičkom energijom mlaznog zrakoplova, iako masa svih čestica ne prelazi nanogram i ne mogu se vidjeti ni golim okom. Takva energija se postiže zahvaljujući brzini čestica bliskoj brzini svjetlosti.

Grozdovi prolaze kroz puni krug akceleratora brže od 0,0001 s, čineći tako više od 10 tisuća okretaja u sekundi

Ciljevi i zadaci LHC-a

Glavni zadatak Velikog hadronskog sudarača je otkriti strukturu našeg svijeta na udaljenostima manjim od 10-19 m, "ispitujući" ga česticama s energijom od nekoliko TeV. Do danas se već skupilo mnogo neizravnih dokaza da bi u ovoj mjeri fizičari trebali otvoriti određeni "novi sloj stvarnosti", čije će proučavanje dati odgovore na mnoga pitanja fundamentalne fizike. Kakav će točno biti taj sloj stvarnosti ne zna se unaprijed. Teoretičari su, naravno, već predložili stotine raznih fenomena koji bi se mogli promatrati pri energijama sudara od nekoliko TeV, no eksperiment je taj koji će pokazati što se zapravo realizira u prirodi.

Potraga za novom fizikom Standardni model ne može se smatrati ultimativnom teorijom elementarnih čestica. To mora biti dio neke dublje teorije o strukturi mikrosvijeta, dio koji je vidljiv u eksperimentima sa sudaračem na energijama ispod oko 1 TeV. Takve teorije se zajedno nazivaju " Nova fizika' ili 'Izvan standardnog modela'. Glavni zadatak Large Hadron Collidera je dobiti barem prve naznake o tome što je ta dublja teorija. Kako bismo dodatno objedinili temeljne interakcije u jednoj teoriji, koristimo različiti pristupi: teorija struna, razvijena u M-teoriji (teorija brane), teorija supergravitacije, petljasta kvantna gravitacija, itd. Neke od njih imaju unutarnje probleme, a niti jedna nema eksperimentalnu potvrdu. Problem je u tome što su za izvođenje odgovarajućih eksperimenata potrebne energije koje su nedostižne u modernim akceleratorima čestica. LHC će omogućiti eksperimente koji su prije bili nemogući i vjerojatno će potvrditi ili opovrgnuti neke od ovih teorija. Dakle, postoji čitav niz fizikalnih teorija s dimenzijama većim od četiri koje upućuju na postojanje "supersimetrije" - na primjer, teorija struna, koja se ponekad naziva i teorija superstruna upravo zato što bez supersimetrije gubi fizičko značenje. Potvrda postojanja supersimetrije tako bi bila neizravna potvrda istinitosti ovih teorija. Proučavanje top kvarkova Top kvark je najteži kvark i, štoviše, to je najteža elementarna čestica dosad otkrivena. Prema posljednjim rezultatima s Tevatrona, njegova masa iznosi 173,1 ± 1,3 GeV/c 2 . Zbog njegovog velika masa top kvark je do sada opažen samo na jednom akceleratoru - Tevatronu, na drugim akceleratorima jednostavno nije bilo dovoljno energije za njegovu proizvodnju. Osim toga, top kvarkovi su od interesa za fizičare ne samo sami po sebi, već i kao "radni alat" za proučavanje Higgsovog bozona. Jedan od najvažnijih kanala za proizvodnju Higgsovog bozona u LHC-u je asocijativna proizvodnja zajedno s parom top kvark-antikvark. Kako bi se takvi događaji pouzdano odvojili od pozadine, prvo je potrebno proučiti svojstva samih top kvarkova. Proučavanje mehanizma elektroslabe simetrije Jedan od glavnih ciljeva projekta je eksperimentalno dokazati postojanje Higgsovog bozona, čestice koju je predvidio škotski fizičar Peter Higgs 1964. godine u okviru Standardnog modela. Higgsov bozon je kvant takozvanog Higgsovog polja, pri prolasku kroz koje čestice doživljavaju otpor, što predstavljamo kao korekcije mase. Sam bozon je nestabilan i ima veliku masu (više od 120 GeV/c2). Zapravo, fizičare ne zanima toliko sam Higgsov bozon, koliko Higgsov mehanizam narušavanja simetrije elektroslabe interakcije. Proučavanje kvark-gluonske plazme Očekuje se da će otprilike mjesec dana godišnje u akceleratoru biti provedeno u režimu nuklearnih sudara. Tijekom ovog mjeseca, sudarač će se ubrzati i sudarati u detektorima ne protona, već jezgri olova. U neelastičnom sudaru dviju jezgri pri ultrarelativističkim brzinama nakratko nastaje gusta i vrlo vruća gruda nuklearne tvari koja se potom raspada. Razumijevanje pojava koje se u ovom slučaju događaju (prijelaz materije u stanje kvark-gluonske plazme i njezino hlađenje) nužno je za izgradnju savršenije teorije jakih međudjelovanja, koja će biti korisna kako za nuklearnu fiziku tako i za astrofiziku. Potraga za supersimetrijom Prvi značajan znanstveno dostignuće eksperimenti na LHC-u mogu dokazati ili opovrgnuti "supersimetriju" - teoriju da svaka elementarna čestica ima mnogo težeg partnera ili "superčesticu". Proučavanje sudara foton-hadron i foton-foton Elektromagnetsko međudjelovanje čestica opisuje se kao izmjena (u nekim slučajevima virtualnih) fotona. Drugim riječima, fotoni su nosioci elektromagnetsko polje. Protoni su električno nabijeni i okruženi elektrostatičko polje, odnosno, ovo polje se može smatrati oblakom virtualnih fotona. Svaki proton, posebno relativistički proton, uključuje oblak virtualnih čestica kao sastavni dio. Kada se protoni sudaraju jedni s drugima, virtualne čestice koje okružuju svaki od protona također stupaju u interakciju. Matematički, proces interakcije čestica opisuje se dugim nizom korekcija, od kojih svaka opisuje interakciju pomoću virtualnih čestica određenog tipa (vidi: Feynman dijagrami). Tako se pri proučavanju sudara protona posredno proučava i interakcija materije s fotonima visoke energije, koja je od velikog interesa za teorijsku fiziku. Također se razmatra posebna klasa reakcija - izravna interakcija dvaju fotona, koji se mogu sudariti i s nadolazećim protonom, generirajući tipične foton-hadronske sudare, i međusobno. U načinu nuklearnih sudara, zbog velike električno punjenje jezgre, utjecaj elektromagnetskih procesa još je važniji. Provjera egzotičnih teorija Teoretičari su krajem 20. stoljeća iznijeli ogroman broj neobičnih ideja o strukturi svijeta, koje se zajednički nazivaju "egzotični modeli". Tu spadaju teorije s jakom gravitacijom na skali od oko 1 TeV, modeli s velikim brojem prostornih dimenzija, preonski modeli u kojima su sami kvarkovi i leptoni sastavljeni od čestica, modeli s novim vrstama interakcija. Činjenica je da prikupljeni eksperimentalni podaci još uvijek nisu dovoljni za stvaranje jedne teorije. I sve su te teorije same po sebi kompatibilne s dostupnim eksperimentalnim podacima. Budući da te teorije mogu dati specifična predviđanja za LHC, eksperimentatori planiraju testirati predviđanja i potražiti tragove određenih teorija u svojim podacima. Očekuje se da će rezultati dobiveni na akceleratoru moći ograničiti maštu teoretičara, zatvarajući neke od predloženih konstrukcija. Ostalo Također čeka otkriće fizičke pojave izvan Standardnog modela. Predviđeno je proučavanje svojstava W i Z bozona, nuklearnih interakcija pri supervisokim energijama, procesa proizvodnje i raspada teških kvarkova (b i t).