Pred pár rokmi som netušil, aké hadrónové urýchľovače, Higgsov bozón, a prečo tisíce vedcov po celom svete pracujú na obrovskom fyzickom kampuse na hraniciach Švajčiarska a Francúzska a zahrabávajú do zeme miliardy dolárov.
Potom pre mňa, ako aj pre mnohých ďalších obyvateľov planéty, výraz Veľký hadrónový urýchľovač, znalosť elementárnych častíc, ktoré sa v ňom zrážajú rýchlosťou svetla a jeden z najväčšie objavy nedávna doba - Higgsov bozón.

A tak som mal v polovici júna možnosť na vlastné oči vidieť, o čom sa toľko hovorí a o čom koluje toľko protichodných fám.
Nebola to len krátka exkurzia, ale celý deň strávený v najväčšom svetovom laboratóriu jadrovej fyziky – CERN-e. Tu sa nám podarilo komunikovať so samotnými fyzikmi a vidieť veľa zaujímavých vecí v tomto vedeckom areáli, ísť dole do svätyne svätých - Veľkého hadrónového urýchľovača (a koniec koncov, keď sa spustí a budú sa vykonávať testy, akýkoľvek prístup k nemu zvonku je nemožný), navštívte továreň na výrobu obrovských magnetov pre zrážač, v centre Atlas, kde vedci analyzujú údaje získané v zrážači, tajne navštívia najnovší lineárny zrážač vo výstavbe a dokonca, skoro ako pri pátraní, prakticky kráčajte po tŕnistej ceste elementárnej častice, od konca až po vrchol. A uvidíte, kde to všetko začína...
Ale o tom všetkom v samostatných príspevkoch. Dnes len Veľký hadrónový urýchľovač.
Ak sa to dá nazvať jednoducho, môj mozog odmieta pochopiť, AKO sa také niečo dalo najskôr vymyslieť a až potom postaviť.

2. Pred mnohými rokmi sa tento obrázok stal svetoznámym. Mnohí veria, že toto je v kontexte Veľký hadrón. V skutočnosti ide o časť jedného z najväčších detektorov – CMS. Jeho priemer je asi 15 metrov. Toto nie je najväčší detektor. Priemer atlasu je asi 22 metrov.

3. Aby sme zhruba pochopili, čo to vo všeobecnosti je a aký veľký je urýchľovač, pozrime sa na satelitnú mapu.
Toto je predmestie Ženevy, v tesnej blízkosti Ženevského jazera. Práve tu sa nachádza obrovský kampus CERN, o ktorom budem hovoriť samostatne o niečo neskôr, a v podzemí sa v rôznych hĺbkach nachádza množstvo zrážačov. Áno áno. Nie je sám. Je ich desať. Veľký hadrón jednoducho korunuje túto štruktúru, obrazne povedané, dotvára reťaz zrážačov, cez ktoré sa urýchľujú elementárne častice. Budem o tom hovoriť aj samostatne, spolu s časticou z Veľkého (LHC) až po úplne prvý, lineárny Linac.
Prstenec LHC má priemer takmer 27 kilometrov a leží v hĺbke niečo vyše 100 metrov (najväčší prstenec na obrázku).
LHC má štyri detektory - Alice, Atlas, LHCb a CMS. Išli sme dolu k CMS detektoru.

4. Okrem týchto štyroch detektorov je zvyšok podzemného priestoru tunel, v ktorom je súvislé črevo týchto modrých segmentov. Toto sú magnety. Obrie magnety, v ktorých vzniká šialené magnetické pole, v ktorom sa elementárne častice pohybujú rýchlosťou svetla.
Spolu ich je 1734.

5. Vo vnútri magnetu je len taká zložitá štruktúra. Všetkého je tu veľa, no najzákladnejšie sú vo vnútri dve duté trubice, v ktorých lietajú protónové lúče.
Na štyroch miestach (v rovnakých detektoroch) sa tieto trubice pretínajú a lúče protónov sa zrážajú. V miestach, kde sa zrážajú, sa protóny rozptýlia na rôzne častice, čo je fixované detektormi.
Toto je stručné porozprávanie o tom, čo je to za nezmysel a ako to funguje.

6. Takže 14. júna ráno CERN. Prichádzame k nenápadnému plotu s bránou a malou budovou na území.
Toto je vchod do jedného zo štyroch detektorov Veľkého hadrónového urýchľovača - CMS.
Tu sa chcem trochu zastaviť pri rozprávaní o tom, ako sa nám sem vôbec podarilo dostať a vďaka komu.
A za všetko „chybuje“ Andrei, náš človek, ktorý pracuje v CERN-e a vďaka ktorému naša návšteva nebola krátkou nudnou exkurziou, ale neskutočne zaujímavou a nabitou obrovským množstvom informácií.
Andrei (je v zelenom tričku) nikdy nie je proti hosťom a vždy rád prispeje k návšteve tejto Mekky jadrovej fyziky.
Vieš čo je zaujímavé? Toto je prístupový režim v urýchľovači a vo všeobecnosti v CERN-e.
Áno, všetko je na magnetickej karte, ale ... zamestnanec so svojím preukazom má prístup na 95% územia a objektov.
A len tie, kde zvýšená hladina nebezpečenstvo radiácie, je potrebný špeciálny prístup - to je vnútri samotného zrážača.
A tak - bez problémov sa zamestnanci pohybujú po území.
Na chvíľu sa tu investovali miliardy dolárov a veľa neuveriteľného vybavenia.
A potom si spomínam na nejaké opustené objekty na Kryme, kde je všetko už dávno vystrihnuté, no napriek tomu je všetko megatajné, v žiadnom prípade sa nedá strieľať a objekt je nejaký strategický jeden.
Ide len o to, že ľudia tu rozmýšľajú adekvátne hlavou.

7. Takto vyzerá územie CMS. Žiadne predvádzanie sa v exteriéri a super-autá na parkovisku. Ale môžu si to dovoliť. Jednoducho netreba.

8. CERN ako svetová špička vedecké centrum v oblasti fyziky využíva niekoľko rôznych smerov z hľadiska PR. Jedným z nich je takzvaný „Strom“.
To pozýva školskí učitelia vo fyzike od rozdielne krajiny a mestá. Sú zobrazené a povedané tu. Učitelia sa potom vrátia do svojich škôl a oznámia študentom, čo videli. Istý počet študentov, inšpirovaný príbehom, začne s veľkým záujmom študovať fyziku, potom ide na vysoké školy na fyzikálne odbory a v budúcnosti sa tu možno aj dostane do práce.
No kým sú deti ešte v škole, majú možnosť navštíviť aj CERN a, samozrejme, zísť do Veľkého hadrónového urýchľovača.
Niekoľkokrát do mesiaca sú špeciálne „dni otvorené dvere» pre nadané deti z rôznych krajín, ktoré milujú fyziku.
Vyberajú ich práve učitelia, ktorí boli srdcom tohto stromu a predkladajú návrhy kancelárii CERN vo Švajčiarsku.
Zhodou okolností v deň, keď sme sa prišli pozrieť na Veľký hadrónový urýchľovač, sem prišla jedna z takýchto skupín z Ukrajiny - deti, žiaci Malej akadémie vied, ktorí obstáli v neľahkej konkurencii. Spolu s nimi sme zostúpili do hĺbky 100 metrov, do samotného srdca Collidera.

9. Sláva našim odznakom.
Povinnými prvkami tu pracujúcich fyzikov sú prilba s baterkou a topánky s kovovou platňou na špičke (na ochranu prstov pri páde nákladu)

10. Nadané deti, ktoré sú zapálené pre fyziku. O pár minút sa ich miesto naplní – zostúpia do Veľkého hadrónového urýchľovača

11. Robotníci hrajú domino a odpočívajú pred ďalšou šichtou v podzemí.

12. Riadiace a riadiace centrum CMS. Primárne údaje z hlavných senzorov charakterizujúcich fungovanie systému sa tu hrnú.
Počas prevádzky urýchľovača tu nepretržite pracuje tím 8 ľudí.

13. Treba povedať, že v súčasnosti je Veľký hadrónový urýchľovač na dva roky odstavený, aby sa uskutočnil program opravy a modernizácie urýchľovača.
Faktom je, že pred 4 rokmi na ňom došlo k havárii, po ktorej zrážač nefungoval naplno (o havárii poviem v ďalšom príspevku).
Po modernizácii, ktorá sa skončí v roku 2014, by mala fungovať ešte s väčšou kapacitou.
Ak by teraz zrážač fungoval, určite by sme ho nemohli navštíviť

14. Na špeciálnom technickom výťahu schádzame do hĺbky viac ako 100 metrov, kde sa nachádza Collider.
Výťah je jediným prostriedkom na záchranu personálu v prípade núdzový, pretože nie sú tu schody. To znamená, že toto je najbezpečnejšie miesto v CMS.
Podľa pokynov by v prípade poplachu mal všetok personál okamžite ísť do výťahu.
Vzniká tu nadmerný tlak, aby sa v prípade zadymenia dym nedostal dovnútra a ľudia sa neotrávili.

15. Borisa trápi, že sa nefajčí

16. Hlboký. Tu je všetko preniknuté komunikáciou

17. Nekonečné kilometre drôtov a dátových káblov

18. Existuje obrovské množstvo rúr. Takzvaná kryogenika. Faktom je, že vo vnútri magnetov sa na chladenie používa hélium. Nevyhnutné je aj chladenie ostatných systémov, ako aj hydrauliky.

19. V miestnostiach na spracovanie dát umiestnených v detektore sa nachádza veľké množstvo serverov.
Sú zoskupené do takzvaných spúšťačov neuveriteľného výkonu.
Napríklad prvý spúšťač za 3 milisekundy zo 40 000 000 udalostí by mal vybrať približne 400 a preniesť ich na druhý spúšťač – najvyššiu úroveň.

20. Optické šialenstvo.
Počítačové miestnosti sú umiestnené nad detektorom, as existuje veľmi malé magnetické pole, ktoré neruší činnosť elektroniky.
V samotnom detektore by nebolo možné zbierať dáta.

21. Globálna spúšť. Pozostáva z 200 počítačov

22. Čo je Apple? Dell!!!

23. Serverové skrine sú bezpečne uzamknuté

24. Vtipná kresba na jednom z operátorských pracovísk.

25. Koncom roka 2012 bol objavený Higgsov bozón ako výsledok experimentu na Veľkom hadrónovom urýchľovači a túto udalosť si pracovníci CERN-u veľmi všimli.
Fľaše šampanského sa po oslave nevyhadzovali v domnení, že je to len začiatok veľkých vecí

26. Pri prístupe k samotnému detektoru sú všade tabule upozorňujúce na radiačné nebezpečenstvo.

26. Všetci zamestnanci Collidera majú osobné dozimetre, ktoré musia priniesť k čítačke a zaznamenať si ich polohu.
Dozimeter akumuluje úroveň ožiarenia a v prípade priblíženia sa k limitnej dávke informuje zamestnanca a tiež prenáša údaje online na kontrolné stanovište s upozornením, že v blízkosti zrážača sa nachádza osoba, ktorá je v nebezpečenstve.

27. Pred detektorom špičkový prístupový systém.
Môžete vstúpiť priložením osobnej karty, dozimetra a absolvovaním skenu sietnice

28. Čo robím

29. A je to tu - detektor. Malé žihadlo vo vnútri je niečo podobné ako skľučovadlo, ktoré obsahuje tie obrovské magnety, ktoré by sa teraz zdali dosť malé. Momentálne tam nie sú žiadne magnety, pretože. prechádza modernizáciou

30. V prevádzkovom stave je detektor pripojený a vyzerá ako jeden celok

31. Hmotnosť detektora je 15 tisíc ton. Vytvára sa tu neuveriteľné magnetické pole.

32. Porovnajte veľkosť detektora s ľuďmi a strojmi pracujúcimi na prízemí

33. Kábel modrej farby- napájanie, červená - dáta

34. Zaujímavé je, že počas prevádzky spotrebuje Big Hadron 180 megawattov elektriny za hodinu.

35. Údržba snímača prúdu

36. Početné snímače

37. A napájanie im ... optické vlákno sa vracia späť

38. Pohľad neuveriteľne inteligentného človeka.

39. Hodina a pol pod zemou letí ako päť minút ... Po návrate späť na smrteľnú zem si mimovoľne myslíte ... AKO sa to dá urobiť.
A PREČO to robia....

Kde sa nachádza Veľký hadrónový urýchľovač?

V roku 2008 CERN (Európska rada pre jadrový výskum) dokončil stavbu supervýkonného urýchľovača častíc s názvom Veľký hadrónový urýchľovač. V angličtine: LHC - Large Hadron Collider. CERN je medzinárodný medzivládny vedecká organizácia, založená v roku 1955. V skutočnosti je to hlavné svetové laboratórium v ​​oblasti vysokých energií, fyziky častíc a solárna energia. Členmi organizácie je približne 20 krajín.

Prečo je potrebný Veľký hadrónový urýchľovač?

V okolí Ženevy sa v 27-kilometrovom (26 659 m) kruhovom betónovom tuneli vytvoril prstenec supravodivých magnetov na urýchľovanie protónov. Predpokladá sa, že urýchľovač pomôže nielen preniknúť do tajov mikroštruktúry hmoty, ale aj napredovať pri hľadaní odpovede na otázku nových zdrojov energie v hlbinách hmoty.

Za týmto účelom boli súčasne s konštrukciou samotného urýchľovača (za cenu viac ako 2 miliardy dolárov) vytvorené štyri detektory častíc. Z toho dva sú veľké univerzálne (CMS a ATLAS) a dva špecializovanejšie. Celkové náklady na detektory sa tiež blížia k 2 miliardám dolárov. Na každom z veľkých projektov CMS a ATLAS sa zúčastnilo viac ako 150 inštitúcií z 50 krajín vrátane Ruska a Bieloruska.

Hon na nepolapiteľný Higgsov bozón

Ako funguje urýchľovač hadrónového urýchľovača? Collider je najväčší protónový urýchľovač pracujúci na zrážke lúčov. V dôsledku zrýchlenia bude mať každý z lúčov v laboratórnom systéme energiu 7 teraelektrónvoltov (TeV), teda 7x1012 elektrónvoltov. Pri zrážke protónov vzniká veľa nových častíc, ktoré zaregistrujú detektory. Po analýze sekundárnych častíc získané údaje pomôžu zodpovedať základné otázky, ktoré sa týkajú vedcov zaoberajúcich sa fyzikou mikrosveta a astrofyzikou. Medzi hlavné problémy patrí experimentálna detekcia Higgsovho bozónu.

Dnes už „slávny“ Higgsov bozón je hypotetická častica, ktorá je jednou z hlavných zložiek takzvaného štandardného, ​​klasického modelu elementárnych častíc. Je pomenovaný po britskom teoretikovi Petrovi Higgsovi, ktorý jeho existenciu predpovedal v roku 1964. Higgsove bozóny, ktoré sú kvantami Higgsovho poľa, sa považujú za relevantné pre základné otázky fyziky. Najmä ku konceptu pôvodu hmotností elementárnych častíc.

2. až 4. júla 2012 séria experimentov na urýchľovači odhalila určitú časticu, ktorá môže korelovať s Higgsovým bozónom. Údaje boli navyše počas merania potvrdené systémom ATLAS aj systémom CMS. Stále sa diskutuje o tom, či bol skutočne objavený notoricky známy Higgsov bozón, alebo ide o inú časticu. Faktom je, že objavený bozón je najťažší z predtým zaznamenaných. K vyriešeniu základnej otázky boli pozvaní poprední fyzici sveta: Gerald Guralnik, Karl Hagen, Francois Engler a samotný Peter Higgs, ktorý teoreticky podložil existenciu bozónu pomenovaného po ňom už v roku 1964. Po analýze súboru údajov majú účastníci štúdie tendenciu veriť, že Higgsov bozón bol skutočne objavený.

Mnohí fyzici dúfali, že štúdium Higgsovho bozónu odhalí „anomálie“, ktoré povedú k hovorom o takzvanej „novej fyzike“. Do konca roka 2014 však bolo spracované takmer celé pole údajov nazhromaždených za predchádzajúce tri roky v dôsledku experimentov na LHC a neboli odhalené žiadne zaujímavé odchýlky (s výnimkou jednotlivých prípadov). V skutočnosti sa ukázalo, že dvojfotónový rozpad notoricky známeho Higgsovho bozónu bol podľa vedcov „príliš štandardný“. Experimenty naplánované na jar 2015 však môžu prekvapiť vedecký svet nové objavy.

Ani jeden bozón

Pátranie po Higgsovom bozóne nie je samo osebe koncom gigantického projektu. Pre vedcov je tiež dôležité hľadať nové typy častíc, ktoré umožňujú posúdiť jednotnú interakciu prírody v ranom štádiu existencie vesmíru. Teraz vedci rozlišujú štyri základné interakcie prírody: silné, elektromagnetické, slabé a gravitačné. Teória naznačuje, že v počiatočnom štádiu vesmíru mohlo dôjsť k jedinej interakcii. Ak sa objavia nové častice, táto verzia bude potvrdená.

Fyzikov znepokojuje aj záhadný pôvod hmoty častíc. Prečo majú častice vôbec hmotnosť? A prečo majú také masy a iní nie? Mimochodom, tu máme vždy na mysli vzorec E=mc². Každý hmotný objekt má energiu. Otázka je, ako to uvoľniť. Ako vytvoriť technológie, ktoré by umožnili jeho uvoľňovanie z látky s maximálnou účinnosťou? Dnes je to hlavná otázka energetiky.

Inými slovami, projekt Veľký hadrónový urýchľovač pomôže vedcom nájsť odpovede na základné otázky a rozšíriť poznatky o mikrokozme, a teda o vzniku a vývoji vesmíru.

Príspevok bieloruských a ruských vedcov a inžinierov k vytvoreniu LHC

Európski partneri z CERNu vo fáze výstavby oslovili skupinu bieloruských vedcov s vážnymi skúsenosťami v tejto oblasti, aby sa už od začiatku projektu podieľali na tvorbe detektorov pre LHC. Bieloruskí vedci zase prizvali k spolupráci kolegov zo Spojeného inštitútu pre jadrový výskum z vedeckého mesta Dubna a ďalších. ruské inštitúcie. Špecialisti ako jeden tím začali pracovať na takzvanom CMS detektore - "Compact Muon Solenoid". Pozostáva z mnohých zložitých podsystémov, z ktorých každý je navrhnutý tak, aby plnil špecifické úlohy, pričom spoločne poskytujú identifikáciu a presné meranie energií a emisných uhlov všetkých častíc narodených v čase zrážok protónov v LHC.

Na vytvorení detektora ATLAS sa podieľali aj bieloruskí špecialisti. Toto je 20 m vysoká inštalácia schopná merať trajektórie častíc s vysokou presnosťou: až 0,01 mm. Citlivé senzory vo vnútri detektora obsahujú asi 10 miliárd tranzistorov. Prioritným cieľom experimentu ATLAS je odhaliť Higgsov bozón a študovať jeho vlastnosti.

Bez preháňania naši vedci významne prispeli k vytvoreniu detektorov CMS a ATLAS. Niektoré dôležité komponenty boli vyrobené v Minskom strojárskom závode. Októbrová revolúcia(MZOR). Konkrétne hadrónové kalorimetre s koncovým uzáverom pre experiment CMS. Okrem toho závod vyrábal vysoko sofistikované prvky magnetického systému detektora ATLAS. Ide o veľkorozmerné produkty, ktoré si vyžadujú vlastníctvo špeciálnych technológií na spracovanie kovov a ultra presné spracovanie. Podľa technikov CERNu boli príkazy splnené bravúrne.

Netreba podceňovať ani „prínos jednotlivcov k histórii“. Napríklad Roman Stefanovich, Ph.D.inžinier, je zodpovedný za ultrapresnú mechaniku v projekte CMS. Dokonca vtipne hovoria, že bez toho by CMS nevznikol. Ale vážne, dá sa celkom určite konštatovať: bez toho by neboli dodržané termíny montáže a uvedenia do prevádzky v požadovanej kvalite. Náš ďalší elektronický inžinier Vladimir Čechovskij, ktorý prešiel pomerne náročnou súťažou, dnes ladí elektroniku detektora CMS a jeho miónových komôr.

Naši vedci sa podieľajú tak na spustení detektorov, ako aj v laboratórnej časti, na ich prevádzke, údržbe a aktualizácii. Vedci z Dubny a ich bieloruskí kolegovia oprávnene zaujímajú svoje miesta v medzinárodnej fyzikálnej komunite CERN, ktorá sa snaží získať nové informácie o hlbokých vlastnostiach a štruktúre hmoty.

Video

Recenzia z kanála Simple Science, ktorá jasne ukazuje princíp urýchľovača:

Recenzia od Huanal Galileo:

Recenzia od Huanal Galileo:

Spustenie hadrónového urýchľovača 2015:

Veľký hadrónový urýchľovač (LHC) je urýchľovač nabitých častíc, ktorý fyzikom pomôže dozvedieť sa oveľa viac o vlastnostiach hmoty, ako bolo doteraz známe. Urýchľovače sa používajú na výrobu vysokoenergetických nabitých elementárnych častíc. Činnosť takmer akéhokoľvek urýchľovača je založená na interakcii nabitých častíc s elektrickými a magnetické polia. Elektrické pole priamo pôsobí na časticu, to znamená, že zvyšuje jej energiu a magnetické pole vytvárajúce Lorentzovu silu iba vychyľuje časticu bez zmeny jej energie a nastavuje obežnú dráhu, po ktorej sa častice pohybujú.

Collider (anglicky collide - "zraziť") - urýchľovač na zrážkových lúčoch, určený na štúdium produktov ich zrážok. Umožňuje vám dať elementárnym časticiam hmoty vysokú kinetickú energiu, nasmerovať ich k sebe, aby došlo k ich zrážke.

Prečo "veľký hadrón"

Veľký urýchľovač je v skutočnosti pomenovaný kvôli svojej veľkosti. Dĺžka hlavného urýchľovacieho prstenca je 26 659 m; hadrónový - vďaka tomu, že urýchľuje hadróny, teda ťažké častice pozostávajúce z kvarkov.

LHC postavili vo výskumnom centre Európskej rady pre jadrový výskum (CERN), na hraniciach Švajčiarska a Francúzska, neďaleko Ženevy. K dnešnému dňu je LHC najväčším experimentálnym zariadením na svete. Vedúcim tohto rozsiahleho projektu je britská fyzička Lyn Evansová a na konštrukcii a výskume sa podieľalo viac ako 10 000 vedcov a inžinierov z viac ako 100 krajín.

Malá odbočka do histórie

Koncom 60. rokov minulého storočia fyzici vyvinuli takzvaný Štandardný model. Spája tri zo štyroch základných síl – silnú, slabú a elektromagnetickú. Gravitačná interakcia je stále opísaná v termínoch všeobecná teória a relativity. To znamená, že dnes sú základné interakcie opísané dvoma všeobecne uznávanými teóriami: všeobecnou teóriou relativity a štandardným modelom.

Verí sa, že štandardný model musí byť súčasťou nejakej hlbšej teórie štruktúry mikrosveta, časti, ktorá je viditeľná pri experimentoch s urýchľovačmi pri energiách pod asi 1 TeV (teraelektrónvolt). Hlavnou úlohou Veľkého hadrónového urýchľovača je získať aspoň prvé náznaky, v čom spočíva táto hlbšia teória.

Medzi hlavné úlohy urýchľovača patrí aj objav a potvrdenie Higgsovho bozónu. Tento objav by potvrdil Štandardný model pôvodu elementárnych atómových častíc a štandardnej hmoty. Počas štartu urýchľovača na plný výkon sa zničí integrita štandardného modelu. Elementárne častice, ktorých vlastnosti chápeme len čiastočne, si nedokážu zachovať svoju štruktúrnu integritu. Štandardný model má hornú hranicu energie 1 TeV, pri ktorej sa častica rozkladá, keď sa zvyšuje. Pri energii 7 TeV by mohli vzniknúť častice s hmotnosťou desaťkrát väčšou, ako je v súčasnosti známa.

technické údaje

Má sa zraziť v protónoch urýchľovača s celkovou energiou 14 TeV (t. j. 14 teraelektronvoltov alebo 14 1012 elektronvoltov) v systéme ťažiska dopadajúcich častíc, ako aj jadier olova s ​​energiou 5 GeV (5 109 elektronvoltov). ) pre každý pár kolidujúcich nukleónov.

Svietivosť LHC počas prvých týždňov prevádzky nebola vyššia ako 1 029 častíc/cm²·s, avšak neustále stúpa. Cieľom je dosiahnuť nominálnu svietivosť 1,7 1034 častíc/cm² s, čo je rádovo ekvivalentné svietivosti BaBar (SLAC, USA) a Belle (KEK, Japonsko).

Urýchľovač sa nachádza v tom istom tuneli, ktorý predtým obsadil Veľký elektrón-pozitrónový urýchľovač, pod zemou vo Francúzsku a Švajčiarsku. Hĺbka tunela je od 50 do 175 metrov a prstenec tunela je sklonený približne o 1,4 % vzhľadom k povrchu zeme. Na uchytenie, korekciu a zaostrenie protónových lúčov sa používa 1624 supravodivých magnetov, ktorých celková dĺžka presahuje 22 km. Magnety pracujú pri teplote 1,9 K (−271 °C), čo je mierne pod teplotou prechodu hélia do supratekutého stavu.

LHC detektory

LHC má 4 hlavné a 3 pomocné detektory:

• ALICE (experiment s veľkým urýchľovačom iónov)
• ATLAS (toroidný LHC prístroj)
• CMS (kompaktný miónový solenoid)
• LHCb (experiment krásy The Large Hadron Collider)
• TOTEM (celkové meranie elastického a difrakčného prierezu)
• LHCf (The Large Hadron Collider forward)
• MoEDAL (monopolný a exotický detektor na LHC).

Prvý z nich je nastavený na štúdium zrážok ťažkých iónov. Teplota a hustota energie výslednej jadrovej hmoty postačuje na zrod gluónovej plazmy. Internal Tracking System (ITS) v ALICE pozostáva zo šiestich valcových vrstiev kremíkových senzorov, ktoré obklopujú bod kolízie a merajú vlastnosti a presné polohy vznikajúcich častíc. Týmto spôsobom možno ľahko zistiť častice obsahujúce ťažký kvark.

Druhý je určený na štúdium zrážok medzi protónmi. ATLAS je 44 metrov dlhý, 25 metrov v priemere a váži približne 7000 ton. Protónové lúče sa zrážajú v strede tunela, najväčšieho a najkomplexnejšieho senzora svojho druhu, aký bol kedy vyrobený. Senzor zachytáva všetko, čo sa deje počas a po zrážke protónov. Cieľom projektu je odhaliť častice, ktoré predtým neboli v našom vesmíre registrované a detegované.

CMS je jedným z dvoch obrovských univerzálnych detektorov častíc na LHC. Prevádzku CMS podporuje približne 3600 vedcov zo 183 laboratórií a univerzít v 38 krajinách (zariadenie CMS je znázornené na obrázku).

Najvnútornejšia vrstva je sledovač na báze kremíka. Sledovač je najväčší kremíkový senzor na svete. Disponuje 205 m2 silikónových senzorov (približne plocha tenisového kurtu) zahŕňajúcich 76 miliónov kanálov. Sledovač umožňuje merať stopy nabitých častíc v elektromagnetickom poli.

Na druhej úrovni je elektromagnetický kalorimeter. Hadrónový kalorimeter na ďalšej úrovni meria energiu jednotlivých hadrónov produkovaných v každom prípade.

Ďalšia vrstva CMS Veľkého hadrónového urýchľovača je obrovský magnet. Veľký solenoidový magnet je dlhý 13 metrov a má priemer 6 metrov. Pozostáva z chladených cievok vyrobených z nióbu a titánu. Tento obrovský solenoidový magnet funguje plná sila aby sa maximalizovala životnosť častíc solenoidového magnetu.

Piatou vrstvou sú miónové detektory a spätné jarmo. CMS je na výskum rôzne druhy fyziky, ktorú možno nájsť v energetických zrážkach LHC. Niektoré z týchto výskumov majú potvrdiť alebo zlepšiť merania parametrov štandardného modelu, zatiaľ čo mnohé iné hľadajú novú fyziku.

O Veľkom hadrónovom urýchľovači sa dá rozprávať dlho. Dúfame, že náš článok pomohol pochopiť, čo je LHC a prečo ho vedci potrebujú.

Ide o hľadanie spôsobov, ako spojiť dve základné teórie – GR (o gravitácii) a SM (štandardný model, ktorý kombinuje tri základné fyzické interakcie- elektromagnetické, silné a slabé). Hľadanie riešenia pred vytvorením LHC bolo brzdené ťažkosťami pri vytváraní teórie kvantovej gravitácie.

Konštrukcia tejto hypotézy zahŕňa kombináciu dvoch fyzikálnych teórií - kvantovej mechaniky a všeobecnej teórie relativity.

Na to sa použilo niekoľko populárnych a potrebných prístupov v modernej dobe naraz - teória strún, teória brány, teória supergravitácie, ako aj teória kvantovej gravitácie. Pred konštrukciou urýchľovača bol hlavným problémom pri vykonávaní potrebných experimentov nedostatok energie, ktorý nie je možné dosiahnuť inými modernými urýchľovačmi častíc.

Ženevský LHC dal vedcom príležitosť uskutočniť predtým neuskutočniteľné experimenty. Predpokladá sa, že v blízkej budúcnosti sa pomocou prístroja potvrdí alebo vyvráti veľa fyzikálnych teórií. Jednou z najproblematickejších je supersymetria alebo teória strún, ktorá na dlhý čas rozdeľovala fyzično na dva tábory – „strunárov“ a ich súperov.

Ďalšie zásadné experimenty uskutočnené v rámci práce LHC

Zaujímavý je aj výskum vedcov v oblasti štúdia top kvarkov, ktoré sú najväčšími a najťažšími (173,1 ± 1,3 GeV / c²) zo všetkých v súčasnosti známych elementárnych častíc.

Kvôli tejto vlastnosti mohli vedci ešte pred vytvorením LHC pozorovať kvarky iba na urýchľovači Tevatron, keďže iné zariadenia jednoducho nemali dostatok výkonu a energie. Na druhej strane teória kvarkov je dôležitý prvok senzačná hypotéza o Higgsovom bozóne.

Všetky vedecké výskumy o tvorbe a štúdiu vlastností kvarkov vykonávajú vedci v špičkovej kvarkovo-antikvarkovej parnej miestnosti na LHC.

Dôležitým cieľom ženevského projektu je aj proces štúdia mechanizmu elektroslabej symetrie, s čím súvisí aj experimentálny dôkaz existencie Higgsovho bozónu. Ak si problém zadefinujeme presnejšie, tak predmetom skúmania nie je ani tak samotný bozón, ale mechanizmus narušenia symetrie elektroslabej interakcie predpovedanej Petrom Higgsom.

V rámci LHC sa tiež uskutočňujú experimenty na hľadanie supersymetrie – a teórie, že vôbec elementárna častica vždy sprevádzaný ťažším partnerom, a jej vyvrátenie.

Skrátene LHC (Large Hadron Collider, skrátene LHC) je urýchľovač nabitých častíc v zrážkach lúčov, určený na urýchľovanie protónov a ťažkých iónov (ióny olova) a štúdium produktov ich zrážok. Zrážač postavili v CERN (Európska rada pre jadrový výskum), ktorý sa nachádza neďaleko Ženevy, na hraniciach Švajčiarska a Francúzska. LHC je najväčšie experimentálne zariadenie na svete. Na výstavbe a výskume sa podieľalo a podieľa viac ako 10 000 vedcov a inžinierov z viac ako 100 krajín.

Je pomenovaný veľký kvôli svojej veľkosti: dĺžka hlavného prstenca urýchľovača je 26 659 m; hadrónový - vďaka tomu, že urýchľuje hadróny, teda ťažké častice pozostávajúce z kvarkov; collider (anglicky collider - collider) - kvôli tomu, že lúče častíc sú urýchľované v opačných smeroch a zrážajú sa v špeciálnych kolíziových bodoch.

technické údaje

Urýchľovač má zrážať protóny s celkovou energiou 14 TeV (teda 14 teraelektronvoltov alebo 14 1012 elektronvoltov) v systéme ťažiska dopadajúcich častíc, ako aj jadrá olova s ​​energiou 5 GeV (5 109 elektronvoltov). ) pre každý pár kolidujúcich nukleónov. Začiatkom roku 2010 už LHC v protónovej energii o niečo prekonal doterajšieho šampióna – protón-antiprotónový urýchľovač Tevatron, ktorý do konca roku 2011 pracoval v Národnom urýchľovačom laboratóriu. Enrico Fermi (USA). Napriek tomu, že úprava zariadení sa ťahá už roky a ešte nie je dokončená, LHC sa už stal najvyšším energetickým urýchľovačom častíc na svete, ktorý svojou energiou rádovo prekonal ostatné urýchľovače, vrátane relativistického urýchľovača ťažkých iónov RHIC. pôsobiace v Brookhaven Laboratory (USA).

Svietivosť LHC počas prvých týždňov behu nebola vyššia ako 1029 častíc/cm 2 s, stále sa však zvyšuje. Cieľom je dosiahnuť nominálnu svietivosť 1,7·1034 častíc/cm 2 s, čo je rádovo rovnaké ako svietivosti BaBar (SLAC, USA) a Belle (anglicky) (KEK, Japonsko).

Urýchľovač sa nachádza v rovnakom tuneli, v ktorom býval Veľký elektrón-pozitrónový urýchľovač. Tunel s obvodom 26,7 km položili pod zem vo Francúzsku a Švajčiarsku. Hĺbka tunela je od 50 do 175 metrov a prstenec tunela je sklonený približne o 1,4 % vzhľadom k povrchu zeme. Na uchytenie, korekciu a zaostrenie protónových lúčov sa používa 1624 supravodivých magnetov, ktorých celková dĺžka presahuje 22 km. Magnety pracujú pri teplote 1,9 K (-271 °C), čo je mierne pod supratekutou teplotou hélia.

LHC detektory

LHC má 4 hlavné a 3 pomocné detektory:

• ALICE (experiment s veľkým urýchľovačom iónov)
• ATLAS (toroidný LHC prístroj)
• CMS (kompaktný miónový solenoid)
• LHCb (experiment krásy The Large Hadron Collider)
• TOTEM (celkové meranie elastického a difrakčného prierezu)
• LHCf (The Large Hadron Collider forward)
• MoEDAL (monopolný a exotický detektor na LHC).

ATLAS, CMS, ALICE, LHCb sú veľké detektory umiestnené okolo bodov kolízie lúčov. Detektory TOTEM a LHCf sú pomocné, nachádzajú sa vo vzdialenosti niekoľkých desiatok metrov od priesečníkov lúčov obsadených detektormi CMS a ATLAS a budú sa používať spolu s hlavnými.

Detektory ATLAS a CMS sú univerzálne detektory určené na vyhľadávanie Higgsovho bozónu a "neštandardnej fyziky", najmä tmavej hmoty, ALICE - na štúdium kvark-gluónovej plazmy pri zrážkach ťažkých iónov olova, LHCb - na štúdium fyziky b-kvarkov, ktoré umožnia lepšie porozumieť rozdielom medzi hmotou a antihmotou, je TOTEM určený na štúdium rozptylu častíc pod malými uhlami, ku ktorému dochádza počas blízkych rozpätí bez kolízií (tzv. nezrážkové častice, vpred častice), čo vám umožňuje presnejšie merať veľkosť protónov, ako aj riadiť svietivosť urýchľovača a nakoniec LHCf - na štúdium kozmického žiarenia, modelovaného pomocou rovnakých nezrážaných častíc.

S prevádzkou LHC je spojený aj siedmy detektor (experiment) MoEDAL, určený na vyhľadávanie pomaly sa pohybujúcich ťažkých častíc.

Počas činnosti urýchľovača sa zrážky uskutočňujú súčasne vo všetkých štyroch priesečníkoch lúčov, bez ohľadu na typ urýchlených častíc (protóny alebo jadrá). Zároveň všetky detektory zbierajú štatistiky súčasne.

Zrýchlenie častíc v urýchľovači

Rýchlosť častíc v LHC na zrážaných lúčoch je blízka rýchlosti svetla vo vákuu. Zrýchlenie častíc na takéto vysoké energie sa dosahuje v niekoľkých stupňoch. V prvej fáze nízkoenergetické lineárne urýchľovače Linac 2 a Linac 3 vstrekujú protóny a ióny olova na ďalšie zrýchlenie. Potom častice vstúpia do zosilňovača PS a potom do samotného PS (protónový synchrotrón), pričom získajú energiu 28 GeV. S touto energiou sa už pohybujú rýchlosťou blízkou svetlu. Potom zrýchlenie častíc pokračuje v SPS (Proton Super Synchrotron), kde energia častíc dosahuje 450 GeV. Potom sa zväzok protónov odošle do hlavného 26,7-kilometrového prstenca, čím sa energia protónov zvýši na maximálne 7 TeV a v bodoch kolízie detektory zaznamenajú udalosti, ktoré nastanú. Dva kolidujúce protónové lúče, keď sú úplne naplnené, môžu obsahovať 2808 zväzkov. Na skoré štádia ladenie procesu zrýchlenia cirkuluje iba jeden zväzok v lúči dlhom niekoľko centimetrov a malej priečnej veľkosti. Potom začnú zvyšovať počet zrazenín. Klastre sú umiestnené v pevných polohách voči sebe navzájom, ktoré sa pohybujú synchrónne pozdĺž prstenca. Zhluky v určitej sekvencii sa môžu zraziť v štyroch bodoch prstenca, kde sú umiestnené detektory častíc.

Kinetická energia všetkých hadrónových zväzkov v LHC, keď je úplne naplnená, je porovnateľná s kinetickou energiou prúdového lietadla, hoci hmotnosť všetkých častíc nepresahuje nanogram a nie je možné ich vidieť ani voľným okom. Takáto energia sa dosahuje vďaka rýchlosti častíc blízkej rýchlosti svetla.

Zväzky prejdú celým kruhom urýchľovača rýchlejšie ako 0,0001 sekundy, čím urobia viac ako 10 000 otáčok za sekundu

Ciele a zámery LHC

Hlavnou úlohou Veľkého hadrónového urýchľovača je zistiť štruktúru nášho sveta vo vzdialenostiach menších ako 10–19 m, „sondovať“ ho časticami s energiou niekoľkých TeV. K dnešnému dňu sa už nahromadilo veľa nepriamych dôkazov, že v tomto meradle by fyzici mali otvoriť určitú „novú vrstvu reality“, ktorej štúdium poskytne odpovede na mnohé otázky základnej fyziky. Čo presne sa táto vrstva reality ukáže, nie je vopred známe. Teoretici, samozrejme, už navrhli stovky rôznych javov, ktoré by bolo možné pozorovať pri zrážkových energiách niekoľkých TeV, ale práve experiment ukáže, čo sa v prírode skutočne realizuje.

Hľadanie novej fyziky Štandardný model nemožno považovať za konečnú teóriu elementárnych častíc. Musí to byť časť nejakej hlbšej teórie štruktúry mikrosveta, časť, ktorá je viditeľná pri experimentoch s urýchľovačmi pri energiách pod asi 1 TeV. Takéto teórie sa súhrnne označujú ako „ Nová fyzika“ alebo „Beyond the Standard Model“. Hlavnou úlohou Veľkého hadrónového urýchľovača je získať aspoň prvé náznaky, v čom spočíva táto hlbšia teória. Na ďalšie zjednotenie základných interakcií v jednej teórii používame rôzne prístupy: teória strún, vyvinutá v M-teórii (teória brány), teória supergravitácie, slučková kvantová gravitácia atď. Niektoré z nich majú vnútorné problémy a žiadna z nich nemá experimentálne potvrdenie. Problémom je, že na uskutočnenie zodpovedajúcich experimentov sú potrebné energie, ktoré sú na moderných urýchľovačoch častíc nedosiahnuteľné. LHC umožní experimenty, ktoré boli predtým nemožné a pravdepodobne potvrdí alebo vyvráti niektoré z týchto teórií. Existuje teda celý rad fyzikálnych teórií s rozmermi väčšími ako štyri, ktoré naznačujú existenciu „supersymetrie“ – napríklad teória strún, ktorá sa niekedy nazýva teória superstrun práve preto, že bez supersymetrie stráca fyzický význam. Potvrdenie existencie supersymetrie by tak bolo nepriamym potvrdením pravdivosti týchto teórií. Štúdium top kvarkov Top kvark je najťažší kvark a navyše je to najťažšia doteraz objavená elementárna častica. Podľa najnovších výsledkov z Tevatronu je jeho hmotnosť 173,1 ± 1,3 GeV/c 2 . Kvôli jeho veľká hmota top kvark bol zatiaľ pozorovaný len na jednom urýchľovači - Tevatrone, na iných urýchľovačoch jednoducho nebolo dosť energie na jeho výrobu. Okrem toho sú top kvarky pre fyzikov zaujímavé nielen samy osebe, ale aj ako „pracovný nástroj“ na štúdium Higgsovho bozónu. Jedným z najdôležitejších kanálov na produkciu Higgsovho bozónu na LHC je asociatívna produkcia spolu s párom top kvark-antikvark. Aby sme takéto udalosti spoľahlivo oddelili od pozadia, je potrebné najskôr preštudovať vlastnosti samotných top kvarkov. Štúdium mechanizmu elektroslabej symetrie Jedným z hlavných cieľov projektu je experimentálne dokázať existenciu Higgsovho bozónu, častice predpovedanej škótskym fyzikom Petrom Higgsom v roku 1964 v rámci Štandardného modelu. Higgsov bozón je kvantom takzvaného Higgsovho poľa, pri prechode ktorým častice pociťujú odpor, ktorý predstavujeme ako korekcie hmotnosti. Samotný bozón je nestabilný a má veľkú hmotnosť (viac ako 120 GeV/c2). Fyzikov v skutočnosti ani tak nezaujíma samotný Higgsov bozón, ale Higgsov mechanizmus narušenia symetrie elektroslabej interakcie. Štúdium kvark-gluónovej plazmy Predpokladá sa, že približne jeden mesiac za rok strávi v urýchľovači v režime jadrových zrážok. Počas tohto mesiaca sa urýchľovač zrýchli a zrazí sa v detektoroch nie protónoch, ale jadrách olova. Pri nepružnej zrážke dvoch jadier ultrarelativistickými rýchlosťami sa na krátky čas vytvorí hustá a veľmi horúca hrudka jadrovej hmoty, ktorá sa potom rozpadne. Pochopenie javov vyskytujúcich sa v tomto prípade (prechod hmoty do stavu kvark-gluónovej plazmy a jej ochladzovanie) je nevyhnutné na zostavenie dokonalejšej teórie silných interakcií, ktorá bude užitočná ako pre jadrovú fyziku, tak aj pre astrofyziku. Hľadanie supersymetrie Prvá významná vedecký úspech experimenty na LHC môžu dokázať alebo vyvrátiť "supersymetriu" - teóriu, že každá elementárna častica má oveľa ťažšieho partnera, čiže "superčasticu". Štúdium zrážok fotón-hadrón a fotón-fotón Elektromagnetická interakcia častíc je opísaná ako výmena (v niektorých prípadoch virtuálnych) fotónov. Inými slovami, fotóny sú nosiče elektromagnetického poľa. Protóny sú elektricky nabité a obklopené elektrostatické pole, respektíve toto pole možno považovať za oblak virtuálnych fotónov. Akýkoľvek protón, najmä relativistický protón, zahŕňa oblak virtuálnych častíc ako základná časť. Keď sa protóny navzájom zrazia, virtuálne častice obklopujúce každý z protónov tiež interagujú. Matematicky je proces interakcie častíc opísaný dlhým radom korekcií, z ktorých každá popisuje interakciu pomocou virtuálnych častíc určitého typu (pozri: Feynmanove diagramy). Pri štúdiu zrážky protónov sa teda nepriamo študuje aj interakcia hmoty s vysokoenergetickými fotónmi, ktorá je veľmi zaujímavá pre teoretickú fyziku. Uvažuje sa aj o špeciálnej triede reakcií – o priamej interakcii dvoch fotónov, ktoré sa môžu zraziť tak s blížiacim sa protónom, pričom vznikajú typické zrážky fotón-hadrón, ako aj navzájom. V režime jadrových zrážok sa v dôsledku veľkých nabíjačka jadra, je vplyv elektromagnetických procesov ešte dôležitejší. Testovanie exotických teórií Teoretici na konci 20. storočia predložili obrovské množstvo nezvyčajných predstáv o štruktúre sveta, ktoré sa súhrnne nazývajú „exotické modely“. Patria sem teórie so silnou gravitáciou na energetickej škále rádovo 1 TeV, modely s veľkým počtom priestorových rozmerov, preónové modely, v ktorých sú samotné kvarky a leptóny zložené z častíc, modely s novými typmi interakcie. Faktom je, že nahromadené experimentálne údaje stále nestačia na vytvorenie jedinej teórie. A všetky tieto teórie samotné sú kompatibilné s dostupnými experimentálnymi údajmi. Keďže tieto teórie môžu robiť špecifické predpovede pre LHC, experimentátori plánujú predpovede otestovať a hľadať vo svojich údajoch stopy určitých teórií. Očakáva sa, že výsledky získané na urýchľovači budú môcť obmedziť predstavivosť teoretikov a uzavrieť niektoré z navrhovaných konštrukcií. Iné Tiež čaká na objavenie fyzikálnych javov mimo štandardného modelu. Plánuje sa štúdium vlastností W a Z bozónov, jadrových interakcií pri supervysokých energiách, procesov výroby a rozpadu ťažkých kvarkov (b a t).