Gran Colisionador de Hadrones (LHC o LHC). ¿Por qué un colisionador de hadrones?
Mapa con la ubicación del Collider marcada en él.
Para unificar aún más las interacciones fundamentales en una teoría, se utilizan varios enfoques: la teoría de cuerdas, que se desarrolló en la teoría M (teoría de las branas), la teoría de la supergravedad, la gravedad cuántica de bucles, etc. Algunas de ellas tienen problemas internos y ninguna confirmación experimental. El problema es que para realizar los experimentos correspondientes se necesitan energías que son inalcanzables con los modernos aceleradores de partículas cargadas.
El LHC permitirá experimentos que antes eran imposibles de realizar y probablemente confirmará o refutará algunas de estas teorías. Así, existe toda una gama de teorías físicas con dimensiones mayores que cuatro que asumen la existencia de “supersimetría”; por ejemplo, la teoría de cuerdas, que a veces se llama teoría de supercuerdas precisamente porque sin supersimetría pierde su significado físico. La confirmación de la existencia de la supersimetría será, por tanto, una confirmación indirecta de la verdad de estas teorías.
Estudio de los quarks superiores.
Historia de la construcción
Túnel subterráneo de 27 km diseñado para albergar el acelerador LHC
La idea del proyecto Gran Colisionador de Hadrones nació en 1984 y fue aprobada oficialmente diez años después. Su construcción comenzó en 2001, tras la finalización del anterior acelerador, el Gran Colisionador Electrones-Positrones.
El acelerador debe hacer chocar protones con una energía total de 14 TeV (es decir, 14 teraelectronvoltios o 14 10 12 electronvoltios) en el sistema del centro de masa de las partículas incidentes, así como núcleos de plomo con una energía de 5,5 GeV. (5,5 · 10 9 electronvoltios) por cada par de nucleones en colisión. Por lo tanto, el LHC será el acelerador de partículas de mayor energía del mundo, un orden de magnitud superior en energía a sus competidores más cercanos: el colisionador protón-antiprotón Tevatron, que actualmente opera en el Laboratorio Nacional del Acelerador. Enrico Fermi (EE.UU.), y el colisionador relativista de iones pesados RHIC, que opera en el Laboratorio Brookhaven (EE.UU.).
El acelerador está ubicado en el mismo túnel que anteriormente ocupaba el Gran Colisionador de Electrones y Positrones. El túnel, con una circunferencia de 26,7 km, se encuentra a una profundidad de unos cien metros bajo tierra en Francia y Suiza. Para contener y corregir los haces de protones se utilizan 1.624 imanes superconductores, cuya longitud total supera los 22 km. El último de ellos fue instalado en el túnel el 27 de noviembre de 2006. Los imanes funcionarán a 1,9 K (−271 °C). La construcción de una línea criogénica especial para enfriar imanes se completó el 19 de noviembre de 2006.
Pruebas
Especificaciones
El proceso de aceleración de partículas en un colisionador.
La velocidad de las partículas en el LHC cuando chocan haces es cercana a la velocidad de la luz en el vacío. La aceleración de partículas a velocidades tan altas se logra en varias etapas. En la primera etapa, los aceleradores lineales de baja energía Linac 2 y Linac 3 inyectan protones e iones de plomo para una mayor aceleración. Luego, las partículas ingresan al refuerzo del PS y luego al propio PS (sincrotrón de protones), adquiriendo una energía de 28 GeV. Después de esto, la aceleración de las partículas continúa en el SPS (Super Synchrotron Proton Synchrotron), donde la energía de las partículas alcanza los 450 GeV. Luego el rayo se dirige hacia el anillo principal de 26,7 kilómetros y los detectores registran los eventos que ocurren en los puntos de colisión.
El consumo de energía
Durante el funcionamiento del colisionador, el consumo de energía estimado será de 180 MW. Consumo energético estimado de todo el cantón de Ginebra. El propio CERN no produce energía y sólo tiene generadores diésel de respaldo.
Computación distribuída
Para gestionar, almacenar y procesar los datos que provendrán del acelerador y los detectores del LHC, se está creando una red informática distribuida LCG. l HC C informática GRAMO DESHACERSE ), utilizando tecnología de red. Para determinadas tareas informáticas se utilizará el proyecto de informática distribuida LHC@home.
Procesos físicos incontrolados.
Algunos expertos y miembros del público han expresado su preocupación de que exista una probabilidad distinta de cero de que los experimentos realizados en el colisionador se salgan de control y desarrollen una reacción en cadena que, bajo ciertas condiciones, teóricamente podría destruir todo el planeta. El punto de vista de los partidarios de escenarios catastróficos asociados con el funcionamiento del LHC se presenta en un sitio web separado. Debido a sentimientos similares, el LHC a veces se descifra como Último Colisionador de Hadrones ( Último Colisionador de Hadrones).
En este sentido, la más mencionada es la posibilidad teórica de la aparición de agujeros negros microscópicos en el colisionador, así como la posibilidad teórica de la formación de acumulaciones de antimateria y monopolos magnéticos con la posterior reacción en cadena de captura de la materia circundante.
Estas posibilidades teóricas fueron examinadas por un grupo especial del CERN, que preparó un informe correspondiente en el que todos estos temores son declarados infundados. El físico teórico inglés Adrian Kent publicó un artículo científico criticando los estándares de seguridad adoptados por el CERN, ya que el daño esperado, es decir, el producto de la probabilidad de un evento por el número de víctimas, es, en su opinión, inaceptable. Sin embargo, el límite superior máximo para la probabilidad de un escenario catastrófico en el LHC es 10 -31.
Los principales argumentos a favor de la infundación de los escenarios catastróficos incluyen referencias al hecho de que la Tierra, la Luna y otros planetas son bombardeados constantemente por corrientes de partículas cósmicas con energías mucho más altas. También se menciona el funcionamiento exitoso de aceleradores puestos en servicio anteriormente, incluido el colisionador relativista de iones pesados RHIC en Brookhaven. Los especialistas del CERN no niegan la posibilidad de la formación de agujeros negros microscópicos, pero afirman que en nuestro espacio tridimensional tales objetos sólo pueden aparecer con energías 16 órdenes de magnitud mayores que la energía de los haces del LHC. Hipotéticamente, los agujeros negros microscópicos podrían aparecer en experimentos en el LHC en predicciones de teorías con dimensiones espaciales adicionales. Estas teorías aún no tienen ninguna confirmación experimental. Sin embargo, incluso si los agujeros negros se crean por colisiones de partículas en el LHC, se espera que sean extremadamente inestables debido a la radiación de Hawking y se evaporen casi instantáneamente como partículas ordinarias.
El 21 de marzo de 2008 se presentó una demanda de Walter Wagner ante el tribunal de distrito federal de Hawaii (EE.UU.). Walter Wagner) y Luis Sancho (ing. luis sancho), en el que, acusando al CERN de intentar provocar el fin del mundo, exigen que se prohíba el lanzamiento del colisionador hasta que se garantice su seguridad.
Comparación con velocidades y energías naturales.
El acelerador está diseñado para hacer colisionar partículas como hadrones y núcleos atómicos. Sin embargo, existen fuentes naturales de partículas cuya velocidad y energía son mucho mayores que en el colisionador (ver: Zevatron). Estas partículas naturales se detectan en los rayos cósmicos. La superficie del planeta Tierra está parcialmente protegida de estos rayos, pero a medida que atraviesan la atmósfera, las partículas de los rayos cósmicos chocan con los átomos y las moléculas de aire. Como resultado de estas colisiones naturales, se crean muchas partículas estables e inestables en la atmósfera terrestre. Como resultado, durante muchos millones de años ha habido una radiación de fondo natural en el planeta. Lo mismo (colisión de partículas elementales y átomos) ocurrirá en el LHC, pero con velocidades y energías más bajas, y en cantidades mucho menores.
Agujeros negros microscópicos
Si los agujeros negros se pueden crear durante la colisión de partículas elementales, también se desintegrarán en partículas elementales, de acuerdo con el principio de invariancia CPT, que es uno de los principios más fundamentales de la mecánica cuántica.
Además, si la hipótesis de la existencia de microagujeros negros estables fuera correcta, entonces se formarían en grandes cantidades como resultado del bombardeo de la Tierra por partículas elementales cósmicas. Pero la mayoría de las partículas elementales de alta energía que llegan del espacio tienen carga eléctrica, por lo que algunos agujeros negros estarían cargados eléctricamente. Estos agujeros negros cargados serían capturados por el campo magnético de la Tierra y, si fueran realmente peligrosos, habrían destruido la Tierra hace mucho tiempo. El mecanismo Schwimmer que hace que los agujeros negros sean eléctricamente neutros es muy similar al efecto Hawking y no puede funcionar si el efecto Hawking no funciona.
Además, cualquier agujero negro, cargado o eléctricamente neutro, sería capturado por enanas blancas y estrellas de neutrones (que, como la Tierra, son bombardeadas por radiación cósmica) y las destruiría. Como resultado, la vida útil de las enanas blancas y las estrellas de neutrones sería mucho más corta de lo que realmente se observa. Además, el colapso de las enanas blancas y las estrellas de neutrones emitiría radiación adicional que en realidad no se observa.
Finalmente, las teorías con dimensiones espaciales adicionales que predicen la aparición de agujeros negros microscópicos no contradicen los datos experimentales sólo si el número de dimensiones adicionales es al menos tres. Pero con tantas dimensiones adicionales, deben pasar miles de millones de años antes de que agujero negro causará algún daño significativo a la Tierra.
Strapelki
La opinión contraria es la de Eduard Boos, doctor en Ciencias Físicas y Matemáticas del Instituto de Investigación de Física Nuclear de la Universidad Estatal de Moscú, que niega la aparición de agujeros negros macroscópicos en el LHC y, por tanto, de “agujeros de gusano” y viajes en el tiempo.
Notas
- La guía definitiva del LHC (inglés) P. 30.
- LHC: hechos clave. "Elementos de la gran ciencia". Consultado el 15 de septiembre de 2008.
- Grupo de trabajo electrodébil de Tevatron, subgrupo superior
- Prueba de sincronización del LHC exitosa
- La segunda prueba del sistema de inyección transcurrió con interrupciones, pero logró su objetivo. “Elementos de la gran ciencia” (24 de agosto de 2008). Consultado el 6 de septiembre de 2008.
- El día de los hitos del LHC comienza rápidamente
- Primer haz del LHC: ciencia acelerada.
- Misión completada para el equipo del LHC. físicaworld.com. Consultado el 12 de septiembre de 2008.
- Se lanza un haz que circula de manera estable hacia el LHC. “Elementos de la gran ciencia” (12 de septiembre de 2008). Consultado el 12 de septiembre de 2008.
- Un accidente en el Gran Colisionador de Hadrones retrasa los experimentos indefinidamente. “Elementos de la gran ciencia” (19 de septiembre de 2008). Consultado el 21 de septiembre de 2008.
- El Gran Colisionador de Hadrones no volverá a funcionar hasta la primavera - CERN. RIA Novosti (23 de septiembre de 2008). Consultado el 25 de septiembre de 2008.
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- https://edms.cern.ch/file/973073/1/Report_on_080919_incident_at_LHC__2_.pdf
- https://lhc2008.web.cern.ch/LHC2008/inauguration/index.html
- La reparación de imanes dañados será más extensa de lo que se pensaba. “Elementos de la gran ciencia” (09 de noviembre de 2008). Consultado el 12 de noviembre de 2008.
- Calendario para 2009. “Elementos de la gran ciencia” (18 de enero de 2009). Consultado el 18 de enero de 2009.
- Comunicado de prensa del CERN
- Se aprobó el plan de operación del Gran Colisionador de Hadrones para el período 2009-2010. “Elementos de la gran ciencia” (6 de febrero de 2009). Consultado el 5 de abril de 2009.
- Los experimentos del LHC.
- Se abre "La Caja de Pandora". Vesti.ru (9 de septiembre de 2008). Consultado el 12 de septiembre de 2008.
- El potencial de peligro en los experimentos con colisionadores de partículas
- Dimopoulos S., Landsberg G. Agujeros negros en el Gran Colisionador de Hadrones (inglés) Phys. Rdo. Letón. 87 (2001)
- Blaizot J.-P. et al. Estudio de eventos potencialmente peligrosos durante colisiones de iones pesados en el LHC.
- Revisión de la seguridad de las colisiones del LHC Grupo de evaluación de la seguridad del LHC
- Una revisión crítica de los riesgos de los aceleradores. Proza.ru (23 de mayo de 2008). Consultado el 17 de septiembre de 2008.
- ¿Cuál es la probabilidad de desastre en el LHC?
- Día del juicio
- Pedirle a un juez que salve el mundo y tal vez mucho más
- Explicando por qué el LHC será seguro
- http://environmental-impact.web.cern.ch/environmental-impact/Objects/LHCSafety/LSAGSummaryReport2008-es.pdf (español)
- http://environmental-impact.web.cern.ch/environmental-impact/Objects/LHCSafety/LSAGSummaryReport2008-de.pdf (alemán)
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La historia de la creación del acelerador, que hoy conocemos como Gran Colisionador de Hadrones, se remonta a 2007. Inicialmente, la cronología de los aceleradores comenzó con el ciclotrón. El dispositivo era un dispositivo pequeño que cabía fácilmente sobre la mesa. Entonces la historia de los aceleradores comenzó a desarrollarse rápidamente. Aparecieron el sincrofasotrón y el sincrotrón.
En la historia, quizás el período más interesante fue el de 1956 a 1957. En aquellos tiempos ciencia soviética, en particular la física, no se quedó atrás de sus hermanos extranjeros. Gracias a sus años de experiencia, un físico soviético llamado Vladimir Veksler logró un gran avance en la ciencia. Creó el sincrofasotrón más potente de la época. Su potencia operativa era de 10 gigaelectronvoltios (10 mil millones de electronvoltios). Después de este descubrimiento, se crearon modelos serios de aceleradores: el gran colisionador electrón-positrón, el acelerador suizo, en Alemania y Estados Unidos. Todos tenían un objetivo común: el estudio de las partículas fundamentales de los quarks.
El Gran Colisionador de Hadrones fue creado principalmente gracias a los esfuerzos de un físico italiano. Su nombre es Carlo Rubbia, premio Nobel. Durante su carrera, Rubbia trabajó como director de la Organización Europea para la Investigación Nuclear. Se decidió construir y lanzar un colisionador de hadrones en el lugar del centro de investigación.
¿Dónde está el colisionador de hadrones?
El colisionador se encuentra en la frontera entre Suiza y Francia. Su circunferencia es de 27 kilómetros, por eso se le llama grande. El anillo del acelerador se adentra entre 50 y 175 metros de profundidad. El colisionador tiene 1232 imanes. Son superconductores, lo que significa que a partir de ellos se puede generar el máximo campo de aceleración, ya que en este tipo de imanes prácticamente no hay consumo de energía. El peso total de cada imán es de 3,5 toneladas con una longitud de 14,3 metros.
Como cualquier objeto físico, el Gran Colisionador de Hadrones genera calor. Por lo tanto, debe enfriarse constantemente. Para conseguirlo, se mantiene la temperatura a 1,7 K utilizando 12 millones de litros de nitrógeno líquido. Además, se utilizan 700 mil litros para enfriar y, lo más importante, se utiliza una presión diez veces menor que la presión atmosférica normal.
Una temperatura de 1,7 K en la escala Celsius equivale a -271 grados. Esta temperatura se acerca casi a lo que se llama el límite mínimo posible que puede tener un cuerpo físico.
El interior del túnel no es menos interesante. Existen cables de niobio-titanio con capacidades superconductoras. Su longitud es de 7600 kilómetros. El peso total de los cables es de 1200 toneladas. El interior del cable es un tejido de 6.300 hilos con una distancia total de 1.500 millones de kilómetros. Esta longitud es igual a 10 unidades astronómicas. Por ejemplo, equivale a 10 de esas unidades.
Si hablamos de su ubicación geográfica, podemos decir que los anillos del colisionador se encuentran entre las ciudades de Saint-Genis y Forney-Voltaire, ubicadas en el lado francés, así como Meyrin y Vessourat, en el lado suizo. Un pequeño anillo llamado PS recorre el diámetro del borde.
El significado de la existencia.
Para responder a la pregunta "¿para qué sirve un colisionador de hadrones?", es necesario recurrir a los científicos. Muchos científicos dicen que este es el mayor invento en toda la historia de la ciencia y que sin él, la ciencia tal como la conocemos hoy simplemente no tiene significado. La existencia y lanzamiento del Gran Colisionador de Hadrones es interesante porque cuando las partículas chocan en el colisionador de hadrones, se produce una explosión. Todas las partículas más pequeñas se dispersan en diferentes direcciones. Se forman nuevas partículas que pueden explicar la existencia y el significado de muchas cosas.
Lo primero que los científicos intentaron encontrar en estas partículas estrelladas fue una partícula elemental teóricamente predicha por el físico Peter Higgs, llamada Se cree que esta sorprendente partícula es portadora de información. También se la llama comúnmente “partícula de Dios”. Su descubrimiento acercaría a los científicos a la comprensión del universo. Cabe señalar que en 2012, el 4 de julio, el colisionador de hadrones (su lanzamiento fue parcialmente exitoso) ayudó a descubrir una partícula similar. Hoy, los científicos están intentando estudiarlo con más detalle.
Cuánto tiempo...
Por supuesto, inmediatamente surge la pregunta: ¿por qué los científicos han estado estudiando estas partículas durante tanto tiempo? Si tienes un dispositivo, puedes ejecutarlo y tomar más y más datos cada vez. El hecho es que operar un colisionador de hadrones es una propuesta costosa. Un lanzamiento cuesta mucho dinero. Por ejemplo, el consumo anual de energía es de 800 millones de kWh. Esta cantidad de energía la consume una ciudad con una población de unas 100.000 personas, según los estándares medios. Y eso no incluye los costos de mantenimiento. Otra razón es que en el colisionador de hadrones, la explosión que se produce cuando los protones chocan está asociada a la obtención de una gran cantidad de datos: las computadoras leen tanta información que lleva tiempo procesarla. un gran número de tiempo. Aunque el poder de las computadoras que reciben información es grande incluso para los estándares actuales.
La siguiente razón no es menos conocida: los científicos que trabajan con el colisionador en esta dirección están seguros de que el espectro visible de todo el universo es sólo del 4%. Se supone que los restantes son materia oscura y energía oscura. Están intentando demostrar experimentalmente que esta teoría es correcta.
Colisionador de Hadrones: a favor o en contra
La teoría propuesta sobre la materia oscura ha puesto en duda la seguridad del colisionador de hadrones. Surgió la pregunta: “Colisionador de hadrones: ¿a favor o en contra?” Preocupó a muchos científicos. Todas las grandes mentes del mundo se dividen en dos categorías. Los "opositores" propusieron una teoría interesante de que si tal materia existe, entonces debe tener una partícula opuesta. Y cuando las partículas chocan en el acelerador, aparece una parte oscura. Existía el riesgo de que la parte oscura y la parte que vemos chocaran. Entonces esto podría conducir a la muerte del universo entero. Sin embargo, tras el primer lanzamiento del colisionador de hadrones, esta teoría quedó parcialmente desmentida.
Le sigue en importancia la explosión del universo, o mejor dicho, el nacimiento. Se cree que durante una colisión se puede observar cómo se comportó el universo en los primeros segundos de su existencia. El aspecto que tenía después del origen del Big Bang. Se cree que el proceso de colisión de partículas es muy similar al que ocurrió en el comienzo del universo.
Otra idea igualmente fantástica que los científicos están probando son los modelos exóticos. Parece increíble, pero existe una teoría que sugiere que existen otras dimensiones y universos con personas similares a nosotros. Y, curiosamente, el acelerador también puede ayudar en este caso.
En pocas palabras, el propósito del acelerador es comprender qué es el universo, cómo se creó y probar o refutar todas las teorías existentes sobre partículas y fenómenos relacionados. Por supuesto, esto llevará años, pero con cada lanzamiento surgen nuevos descubrimientos que revolucionan el mundo de la ciencia.
Datos sobre el acelerador
Todo el mundo sabe que un acelerador acelera partículas al 99% de la velocidad de la luz, pero no mucha gente sabe que el porcentaje es el 99,9999991% de la velocidad de la luz. Esta asombrosa figura tiene sentido gracias al diseño perfecto y a los potentes imanes de aceleración. También hay que tener en cuenta algunos hechos menos conocidos.
Los aproximadamente 100 millones de flujos de datos procedentes de cada uno de los dos detectores principales podrían llenar más de 100.000 CD-ROM en cuestión de segundos. En tan solo un mes, el número de discos alcanzaría tal altura que, si se apilaran, serían suficientes para llegar a la Luna. Por lo tanto, se decidió recopilar no todos los datos que provienen de los detectores, sino solo aquellos que el sistema de recopilación de datos permitirá utilizar, que de hecho actúa como un filtro para los datos recibidos. Se decidió registrar sólo 100 hechos ocurridos en el momento de la explosión. Estos eventos quedarán registrados en el archivo del centro informático del Gran Colisionador de Hadrones, que se encuentra en el Laboratorio Europeo de Física de Partículas, donde también se encuentra el acelerador. Lo que se registrará no serán aquellos eventos que se registraron, sino aquellos que sean de mayor interés para la comunidad científica.
Postprocesamiento
Una vez registrados, se procesarán cientos de kilobytes de datos. Para ello se utilizan más de dos mil ordenadores ubicados en el CERN. La tarea de estas computadoras es procesar datos primarios y formar una base de datos a partir de ellos, que será conveniente para un análisis posterior. A continuación, el flujo de datos generado se enviará a la red informática GRID. Esta red de Internet une miles de ordenadores ubicados en diferentes institutos de todo el mundo, conecta más de cien centros principales que se encuentran en tres continentes. Todos estos centros están conectados al CERN mediante fibra óptica, por ejemplo velocidad máxima transmisión de datos.
Hablando de hechos, también debemos mencionar los indicadores físicos de la estructura. El túnel del acelerador está desviado un 1,4% del plano horizontal. Esto se hizo principalmente para colocar la mayor parte del túnel del acelerador en una roca monolítica. Por tanto, la profundidad de colocación en lados opuestos es diferente. Si contamos desde el lado del lago, que se encuentra cerca de Ginebra, la profundidad será de 50 metros. La parte opuesta tiene una profundidad de 175 metros.
Lo interesante es que fases lunares Afecta al acelerador. Parecería cómo un objeto tan distante puede influir a tal distancia. Sin embargo, se ha observado que durante la luna llena, cuando se produce la marea, la superficie del terreno en la zona de Ginebra se eleva hasta 25 centímetros. Esto afecta la longitud del colisionador. De este modo, la longitud aumenta en 1 milímetro y la energía del haz también varía en un 0,02%. Dado que la energía del haz debe controlarse al 0,002 %, los investigadores deben tener en cuenta este fenómeno.
Es interesante también que el túnel del colisionador tenga forma de octágono y no de círculo, como muchos imaginan. Las esquinas se crean mediante secciones cortas. Contienen detectores instalados, así como un sistema que controla el haz de partículas aceleradas.
Estructura
El Colisionador de Hadrones, cuyo lanzamiento involucra muchas piezas y mucho entusiasmo entre los científicos, es un dispositivo asombroso. Todo el acelerador consta de dos anillos. El pequeño anillo se llama Sincrotrón de Protones o, para usar sus abreviaturas, PS. anillo grande- Súper Sincrotrón de Protones o SPS. Juntos, los dos anillos permiten que las piezas aceleren al 99,9% de la velocidad de la luz. Al mismo tiempo, el colisionador también aumenta la energía de los protones, aumentando su energía total 16 veces. También permite que las partículas choquen entre sí aproximadamente 30 millones de veces por segundo. dentro de 10 horas. Los 4 detectores principales producen al menos 100 terabytes de datos digitales por segundo. La obtención de datos está determinada por factores individuales. Por ejemplo, pueden detectar partículas elementales que tienen carga eléctrica negativa y además tienen medio espín. Como estas partículas son inestables, su detección directa es imposible; sólo es posible detectar su energía, que será emitida en un cierto ángulo con respecto al eje del haz. Esta etapa se llama primer nivel de lanzamiento. Esta etapa es monitoreada por más de 100 placas de procesamiento de datos especiales, que tienen una lógica de implementación incorporada. Esta parte del trabajo se caracteriza por el hecho de que durante el período de adquisición de datos se seleccionan más de 100 mil bloques de datos por segundo. Estos datos luego se utilizarán para el análisis, que se realiza mediante un mecanismo de nivel superior.
Los sistemas del siguiente nivel, por el contrario, reciben información de todos los hilos del detector. Software El detector funciona en la red. Allí utilizará una gran cantidad de computadoras para procesar bloques de datos posteriores, el tiempo promedio entre bloques es de 10 microsegundos. Los programas deberán crear marcas de partículas correspondientes a los puntos originales. El resultado será un conjunto generado de datos que consta de impulso, energía, trayectoria y otros que surgieron durante un evento.
Piezas del acelerador
Todo el acelerador se puede dividir en 5 partes principales:
1) Acelerador del colisionador electrón-positrón. La pieza consta de unos 7 mil imanes con propiedades superconductoras. Con su ayuda, el haz se dirige a través de un túnel circular. También concentran el haz en un chorro, cuyo ancho se reduce al ancho de un cabello.
2) Solenoide de muón compacto. Este es un detector de uso general. Un detector de este tipo se utiliza para buscar nuevos fenómenos y, por ejemplo, para buscar partículas de Higgs.
3) detector de LHCb. La importancia de este dispositivo es la búsqueda de quarks y sus partículas opuestas: los antiquarks.
4) Instalación toroidal ATLAS. Este detector está diseñado para detectar muones.
5) Alicia. Este detector captura colisiones de iones de plomo y colisiones de protón-protón.
Problemas al lanzar el Colisionador de Hadrones
A pesar de que la presencia alta tecnología elimina la posibilidad de errores; en la práctica, todo es diferente. Durante el montaje del acelerador se produjeron retrasos y fallos. Hay que decir que esta situación no fue inesperada. El dispositivo contiene tantos matices y requiere tal precisión que los científicos esperaban resultados similares. Por ejemplo, uno de los problemas que enfrentaron los científicos durante el lanzamiento fue el fallo del imán que enfocaba los haces de protones inmediatamente antes de su colisión. Este grave accidente se produjo por la destrucción de parte de la fijación debido a la pérdida de superconductividad del imán.
Este problema ocurrió en 2007. Debido a esto, el lanzamiento del colisionador se pospuso varias veces, y recién en junio se realizó el lanzamiento, casi un año después, se lanzó el colisionador.
El último lanzamiento del colisionador fue exitoso y recopiló muchos terabytes de datos.
El Colisionador de Hadrones, lanzado el 5 de abril de 2015, funciona con éxito. Durante un mes, los rayos circularán alrededor del anillo, aumentando gradualmente su potencia. No existe ningún propósito para el estudio como tal. La energía de colisión del haz aumentará. El valor aumentará de 7 TeV a 13 TeV. Este aumento nos permitirá ver nuevas posibilidades en las colisiones de partículas.
En 2013 y 2014 Se llevaron a cabo serias inspecciones técnicas de túneles, aceleradores, detectores y otros equipos. El resultado fueron 18 imanes bipolares con función superconductora. Cabe señalar que su número total es de 1232 piezas. Sin embargo, los imanes restantes no pasaron desapercibidos. En el resto se sustituyeron los sistemas de protección de refrigeración y se instalaron otros mejorados. También se ha mejorado el sistema de refrigeración magnético. Esto les permite quedarse temperaturas bajas con máxima potencia.
Si todo va bien, el próximo lanzamiento del acelerador se realizará dentro de tres años. Transcurrido este plazo se prevén las obras de mejora previstas, Inspección técnica colisionador.
Cabe señalar que las reparaciones cuestan un centavo, sin tener en cuenta el costo. El Colisionador de Hadrones tiene un precio de 7.500 millones de euros en 2010. Esta cifra sitúa a todo el proyecto en el primer lugar de la lista de los proyectos más caros de la historia de la ciencia.
El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) es un acelerador de partículas cargadas que ayudará a los físicos a aprender mucho más sobre las propiedades de la materia de lo que se sabía anteriormente. Los aceleradores se utilizan para producir partículas elementales cargadas de alta energía. El funcionamiento de casi cualquier acelerador se basa en la interacción de partículas cargadas con energía eléctrica y campos magnéticos. Campo eléctrico trabaja directamente sobre la partícula, es decir, aumenta su energía, y el campo magnético, creando la fuerza de Lorentz, solo desvía la partícula sin cambiar su energía y establece la órbita a lo largo de la cual se mueven las partículas.
Un colisionador (en inglés colisionar - "colisionar") es un acelerador que utiliza haces en colisión, diseñado para estudiar los productos de sus colisiones. Le permite impartir alta energía cinética a partículas elementales de materia, dirigirlas entre sí para producir una colisión.
¿Por qué "hadrones grandes"?
De hecho, el colisionador se llama grande debido a su tamaño. La longitud del anillo acelerador principal es de 26.659 m; hadrónico: debido al hecho de que acelera los hadrones, es decir, partículas pesadas que consisten en quarks.
El LHC fue construido en el centro de investigación del Consejo Europeo para la Investigación Nuclear (CERN), en la frontera de Suiza y Francia, cerca de Ginebra. Hoy el LHC es la instalación experimental más grande del mundo. El líder de este proyecto a gran escala es el físico británico Lyn Evans, y en la construcción y la investigación participaron más de 10 mil científicos e ingenieros de más de 100 países.
Una breve excursión a la historia.
A finales de los años 60 del siglo pasado, los físicos desarrollaron el llamado Modelo Estándar. Combina tres de las cuatro interacciones fundamentales: fuerte, débil y electromagnética. La interacción gravitacional todavía se describe en términos de la relatividad general. Es decir, hoy las interacciones fundamentales se describen mediante dos teorías generalmente aceptadas: teoria general La relatividad y el modelo estándar.
Se cree que el modelo estándar debería ser parte de alguna teoría más profunda de la estructura del micromundo, la parte que es visible en experimentos en colisionadores a energías inferiores a aproximadamente 1 TeV (teraelectronvoltio). la tarea principal Gran Colisionador de Hadrones: para obtener al menos los primeros indicios de lo que es esta teoría más profunda.
Los principales objetivos del colisionador también incluyen el descubrimiento y confirmación del bosón de Higgs. Este descubrimiento confirmaría el Modelo Estándar del origen de las partículas atómicas elementales y la materia estándar. Cuando el colisionador funcione a máxima potencia, la integridad del modelo estándar quedará destruida. Las partículas elementales cuyas propiedades sólo entendemos parcialmente no podrán mantener su integridad estructural. El modelo estándar tiene un límite superior de energía de 1 TeV, por encima del cual una partícula se desintegra. Con una energía de 7 TeV se podrían crear partículas con masas diez veces mayores que las conocidas actualmente.
Especificaciones
Se espera que en el acelerador colisionen protones con una energía total de 14 TeV (es decir, 14 teraelectronvoltios o 14·1012 electronvoltios) en el sistema del centro de masa de las partículas incidentes, así como núcleos de plomo con una energía de 5 GeV (5·109 electronvoltios) por cada par de nucleones en colisión.
La luminosidad del LHC durante las primeras semanas de funcionamiento no superaba los 1029 partículas/cm²·s, pero sigue aumentando constantemente. El objetivo es lograr una luminosidad nominal de 1,7 × 1034 partículas/cm² s, que es el mismo orden de magnitud que las luminosidades de BaBar (SLAC, EE. UU.) y Belle (KEK, Japón).
El acelerador está situado en el mismo túnel que antiguamente ocupaba el Gran Colisionador Electrones-Positrones, subterráneo en Francia y Suiza. La profundidad del túnel es de 50 a 175 metros y el anillo del túnel está inclinado aproximadamente un 1,4% con respecto a la superficie de la tierra. Para sujetar, corregir y enfocar los haces de protones se utilizan 1.624 imanes superconductores, cuya longitud total supera los 22 km. Los imanes funcionan a una temperatura de 1,9 K (-271 °C), que es ligeramente inferior a la temperatura a la que el helio se vuelve superfluido.
detectores BAK
El LHC tiene 4 detectores principales y 3 auxiliares:
- ALICE (Un gran experimento de colisionador de iones)
- ATLAS (Un aparato toroidal del LHC)
- CMS (solenoide de muón compacto)
- LHCb (El experimento de belleza del Gran Colisionador de Hadrones)
- TOTEM (Medición de sección transversal elástica y difractiva TOTal)
- LHCf (El Gran Colisionador de Hadrones adelante)
- MoEDAL (Detector monopolo y exóticos en el LHC).
El primero de ellos está configurado para estudiar colisiones de iones pesados. La temperatura y la densidad de energía de la materia nuclear formada en este caso son suficientes para el nacimiento del plasma de gluones. El Sistema de Seguimiento Interno (ITS) de ALICE consta de seis capas cilíndricas de sensores de silicio que rodean el punto de impacto y miden las propiedades y posiciones precisas de las partículas emergentes. De este modo se pueden detectar fácilmente partículas que contengan un quark pesado.
El segundo está diseñado para estudiar las colisiones entre protones. ATLAS tiene 44 metros de largo, 25 metros de diámetro y pesa aproximadamente 7.000 toneladas. En el centro del túnel colisionan haces de protones, lo que lo convierte en el sensor más grande y complejo de su tipo jamás construido. El sensor registra todo lo que sucede durante y después de la colisión de protones. El objetivo del proyecto es detectar partículas que no han sido registradas ni detectadas previamente en nuestro universo.
CMS es uno de los dos enormes detectores universales de partículas del LHC. Alrededor de 3.600 científicos de 183 laboratorios y universidades de 38 países apoyan el trabajo del CMS (la imagen muestra el dispositivo CMS).
La capa más interna es el rastreador a base de silicio. El rastreador es el sensor de silicio más grande del mundo. Dispone de 205 m2 de sensores de silicio (aproximadamente el área de una cancha de tenis) que comprenden 76 millones de canales. El rastreador le permite medir rastros de partículas cargadas en un campo electromagnético.
En el segundo nivel hay un calorímetro electromagnético. El calorímetro de hadrones, en el siguiente nivel, mide la energía de los hadrones individuales producidos en cada caso.
La siguiente capa del Gran Colisionador de Hadrones (CMS) es un enorme imán. El imán solenoide grande tiene 13 metros de largo y 6 metros de diámetro. Consiste en bobinas enfriadas hechas de niobio y titanio. Este enorme imán solenoide funciona con toda su fuerza para maximizar la vida útil de las partículas del imán solenoide.
La quinta capa son detectores de muones y un yugo de retorno. CMS está diseñado para la investigación. varios tipos física que podría detectarse en colisiones energéticas del LHC. Algunas de estas investigaciones tienen como objetivo confirmar o mejorar las mediciones de los parámetros del Modelo Estándar, mientras que muchas otras están en la búsqueda de nueva física.
Se puede hablar mucho sobre el Gran Colisionador de Hadrones durante mucho tiempo. Esperamos que nuestro artículo haya ayudado a comprender qué es el LHC y por qué los científicos lo necesitan.
Después de una serie de experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), especialistas del Centro Europeo de Investigaciones Nucleares (CERN) anunciaron el descubrimiento de una nueva partícula llamada pentaquark, previamente predicha por los científicos rusos.
El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) es un acelerador diseñado para acelerar partículas elementales (en particular, protones).
Tiene sede en Francia y Suiza y pertenece al Consejo Europeo para la Investigación Nuclear (Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire, CERN).
En ese momento, los científicos no tenían exactamente claro cómo la partícula que descubrieron correspondía a las predicciones del Modelo Estándar. En marzo de 2013, los físicos tenían suficientes datos sobre la partícula para declararla oficialmente como el bosón de Higgs.
El 8 de octubre de 2013, el físico británico Peter Higgs y el belga François Engler, que descubrieron el mecanismo de ruptura de la simetría electrodébil (debido a esta violación las partículas elementales pueden tener masa), recibieron el Premio Nobel de Física por “el descubrimiento teórico de un mecanismo que proporcionó información sobre el origen de las masas de las partículas elementales”.
En diciembre de 2013, gracias al análisis de datos mediante redes neuronales, los físicos del CERN rastrearon por primera vez la desintegración del bosón de Higgs en fermiones: leptones tau y pares de quarks b y antiquarks b.
En junio de 2014, los científicos que trabajan en el detector ATLAS, después de procesar todas las estadísticas acumuladas, aclararon los resultados de la medición de la masa del bosón de Higgs. Según sus datos, la masa del bosón de Higgs es de 125,36 ± 0,41 gigaelectronvoltios. Esto es casi idéntico, tanto en valor como en precisión, al resultado de los científicos que trabajan en el detector CMS.
En una publicación de febrero de 2015 en la revista Physical Review Letters, los físicos afirmaron que razón posible La ausencia casi total de antimateria en el Universo y el predominio de la materia visible ordinaria podrían deberse a los movimientos del campo de Higgs, una estructura especial donde "viven" los bosones de Higgs. El físico ruso-estadounidense Alexander Kusenko de la Universidad de California en Los Ángeles (EE. UU.) y sus colegas creen que lograron encontrar la respuesta a este enigma universal en los datos recopilados por el Gran Colisionador de Hadrones durante la primera etapa de su funcionamiento. , cuando se descubrió el bosón de Higgs, la famosa "partícula de Dios".
El 14 de julio de 2015 se supo que especialistas del Centro Europeo de Investigación Nuclear (CERN), tras una serie de experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), anunciaron el descubrimiento de una nueva partícula llamada pentaquark, previamente predicha por Científicos rusos. El estudio de las propiedades de los pentaquarks nos permitirá comprender mejor cómo funciona la materia ordinaria. La posibilidad de la existencia de pentaquarks, empleados del Instituto de Física Nuclear de San Petersburgo que llevan el nombre de Konstantinov Dmitry Dyakonov, Maxim Polyakov y Viktor Petrov.
Los datos recopilados por el LHC en la primera etapa de trabajo permitieron a los físicos de la colaboración LHCb, que busca partículas exóticas en el detector del mismo nombre, "captar" varias partículas de cinco quarks, que recibieron el nombre temporal de Pc(4450). + y Pc(4380)+. Tienen una masa muy grande: entre 4,4 y 4,5 mil megaelectronvoltios, que es entre cuatro y cinco veces más que la misma cifra para protones y neutrones, además de un espín bastante inusual. Por su naturaleza, son cuatro quarks “normales” pegados a un antiquark.
La confianza estadística del descubrimiento es nueve sigma, lo que equivale a un error aleatorio o mal funcionamiento del detector en un caso cada cuatro millones de billones (10 elevado a 18) intentos.
Uno de los objetivos del segundo lanzamiento del LHC será la búsqueda de materia oscura. Se supone que el descubrimiento de dicha materia ayudará a resolver el problema de la masa oculta, que, en particular, se compone de forma anómala alta velocidad Rotación de las regiones exteriores de las galaxias.
El material fue elaborado a partir de información de RIA Novosti y fuentes abiertas.
Seguramente casi todas las personas en la Tierra al menos una vez han oído hablar del Gran Colisionador de Hadrones. Pero, a pesar de que muchos han oído hablar de él, pocas personas entienden qué es un colisionador de hadrones, cuál es su propósito, cuál es la esencia de un colisionador de hadrones. En nuestro artículo de hoy responderemos a estas preguntas.
¿Qué es un colisionador de hadrones?
Básicamente, un colisionador de hadrones es un acelerador de partículas complejo. Con su ayuda, los físicos logran acelerar protones e iones pesados. Inicialmente, el colisionador de hadrones se creó para confirmar la existencia de la esquiva partícula elemental, que los físicos a veces llaman en broma la "partícula de Dios". Y sí, la existencia de esta partícula fue confirmada experimentalmente utilizando un colisionador, y su descubridor Peter Higgs recibió premio Nobel en física en 2013.
Por supuesto, la materia no se limitó únicamente al bosón de Higgs, sino que además de él, los físicos también encontraron otras partículas elementales. Ahora ya sabes la respuesta a la pregunta de por qué se necesita un colisionador de hadrones.
¿Qué es el Gran Colisionador de Hadrones?
En primer lugar, cabe señalar que el Gran Colisionador de Hadrones no apareció de la nada, sino que apareció como una evolución de su predecesor, el Gran Colisionador de Electrones y Positrones, que es un túnel subterráneo de 27 kilómetros, cuya construcción comenzó. en 1983. En 1988 se cerró el túnel de circunvalación, y lo interesante es que los constructores abordaron el asunto con mucho cuidado, hasta el punto de que la discrepancia entre los dos extremos del túnel es de sólo 1 centímetro.
Así es como se ve el circuito del colisionador de hadrones.
El colisionador electrón-positrón funcionó hasta el año 2000 y durante su funcionamiento en física con su ayuda se hicieron varios descubrimientos, incluido el descubrimiento de los bosones W y Z y sus investigaciones posteriores.
En 2001 se inició la construcción de un colisionador de hadrones en el lugar del colisionador de electrones y positrones, que se completó en 2007.
¿Dónde está ubicado el Colisionador de Hadrones?
El Gran Colisionador de Hadrones está situado en la frontera de Suiza y Francia, en el valle del lago Lemán, a sólo 15 km de la propia Ginebra. Y se encuentra a una profundidad de 100 metros.
Ubicación del Colisionador de Hadrones.
En 2008 comenzaron sus primeras pruebas bajo el patrocinio del CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear, que este momento es el laboratorio más grande del mundo en el campo de la física de altas energías.
¿Para qué sirve el colisionador de hadrones?
Con este gigantesco acelerador de partículas, los físicos pueden penetrar más profundamente que nunca en la materia. Todo esto ayuda, cómo confirmar la edad. hipótesis científicas y crear nuevas teorías interesantes. Un estudio detallado de la física de partículas elementales nos ayuda a acercarnos más en nuestra búsqueda de respuestas a preguntas sobre la estructura del Universo y cómo se originó.
Una inmersión profunda en el micromundo nos permite descubrir nuevas y revolucionarias teorías del espacio-tiempo y, quién sabe, tal vez incluso podamos penetrar el secreto del tiempo, esta cuarta dimensión de nuestro mundo.
¿Cómo funciona el Colisionador de Hadrones?
Ahora describamos cómo funciona realmente el Gran Colisionador de Hadrones. El nombre habla de los principios de su funcionamiento, ya que la palabra "collider" se traduce del inglés como "el que choca". Su tarea principal es provocar una colisión de partículas elementales. Además, las partículas en el colisionador vuelan (y chocan) a velocidades cercanas a la velocidad de la luz. Los resultados de las colisiones de partículas son registrados por cuatro grandes detectores principales: ATLAS, CMS, ALICE y LHCb, y muchos detectores auxiliares.
El principio de funcionamiento del colisionador de hadrones se describe con más detalle en este interesante vídeo.
Los peligros del colisionador de hadrones
En general, las personas tienden a tener miedo de las cosas que no comprenden. Esto es precisamente lo que ilustra la actitud hacia el colisionador de hadrones y las diversas preocupaciones asociadas a él. Los más radicales expresaron que ante una posible explosión del colisionador de hadrones, no mucha, ni poca, pero toda la humanidad podría morir, junto con el planeta Tierra, que sería devorado por el formado después. La explosión. Por supuesto, los primeros experimentos demostraron que esos miedos no son más que una historia de terror para niños.
Pero el recientemente fallecido científico inglés Stephen Hawking expresó serias preocupaciones sobre el funcionamiento del colisionador. Además, las preocupaciones de Hawking no están relacionadas tanto con el colisionador en sí, sino con el bosón de Higgs obtenido con su ayuda. Según el científico, este bosón es un material extremadamente inestable y, como resultado de una determinada combinación de circunstancias, puede provocar la decadencia del vacío y la desaparición completa de conceptos como el espacio y el tiempo. Pero no todo es tan aterrador, porque según Hawking, para que suceda algo como esto se necesita un colisionador del tamaño de un planeta entero.