Veliki hadronski sudarač (LHC ili LHC). Zašto hadronski sudarač?

Karta s označenom lokacijom Collidera

Za daljnje objedinjavanje fundamentalnih interakcija u jednu teoriju koriste se različiti pristupi: teorija struna, koja je razvijena u M-teoriji (teorija brane), teorija supergravitacije, petljasta kvantna gravitacija, itd. Neke od njih imaju unutarnje probleme, a niti jedna nema eksperimentalna potvrda. Problem je u tome što su za izvođenje odgovarajućih eksperimenata potrebne energije koje su nedostižne modernim akceleratorima nabijenih čestica.

LHC će omogućiti eksperimente koje je prije bilo nemoguće provesti i vjerojatno će potvrditi ili opovrgnuti neke od ovih teorija. Tako postoji čitav niz fizikalnih teorija s dimenzijama većim od četiri koje pretpostavljaju postojanje “supersimetrije” - primjerice, teorija struna, koja se ponekad naziva i teorija superstruna upravo zato što bez supersimetrije gubi svoj fizički smisao. Potvrda postojanja supersimetrije tako će biti neizravna potvrda istinitosti ovih teorija.

Proučavanje top kvarkova

Povijest graditeljstva

27 km podzemni tunel dizajniran za smještaj LHC akceleratora

Ideja za projekt Large Hadron Collider rođena je 1984. godine, a službeno je odobrena deset godina kasnije. Njegova gradnja započela je 2001. godine, nakon dovršetka prethodnog akceleratora, Large Electron-Positron Collider.

Akcelerator bi trebao sudarati protone ukupne energije od 14 TeV (odnosno 14 teraelektronvolti ili 14 10 12 elektronvolti) u sustavu središta mase upadnih čestica, kao i jezgre olova s ​​energijom od 5,5 GeV (5,5 10 9 elektronvolta) za svaki par nukleona koji se sudaraju. Tako će LHC biti akcelerator čestica s najvećom energijom na svijetu, za red veličine superiorniji u energiji od svojih najbližih konkurenata - sudarača protona i antiprotona Tevatron, koji trenutno radi u Nacionalnom akceleratorskom laboratoriju. Enrico Fermi (SAD), te relativistički sudarač teških iona RHIC, koji radi u Brookhaven Laboratoryju (SAD).

Akcelerator se nalazi u istom tunelu u kojem je prije bio Veliki elektron-pozitronski sudarač. Tunel s opsegom od 26,7 km položen je na dubini od oko sto metara pod zemljom u Francuskoj i Švicarskoj. Za zadržavanje i korekciju protonskih zraka koriste se 1624 supravodljiva magneta čija ukupna duljina prelazi 22 km. Posljednji od njih postavljen je u tunel 27. studenog 2006. godine. Magneti će raditi na 1,9 K (−271 °C). Izgradnja specijalne kriogene linije za rashladne magnete završena je 19. studenog 2006. godine.

Testovi

Tehnički podaci

Proces ubrzavanja čestica u sudaraču

Brzina čestica u LHC-u na sudarajućim zrakama bliska je brzini svjetlosti u vakuumu. Ubrzanje čestica do tako velikih brzina postiže se u nekoliko faza. U prvoj fazi niskoenergetski linearni akceleratori Linac 2 i Linac 3 ubrizgavaju protone i ione olova za daljnje ubrzanje. Čestice zatim ulaze u PS pojačivač, a zatim u sam PS (protonski sinkrotron), dobivajući energiju od 28 GeV. Nakon toga se ubrzavanje čestica nastavlja u SPS (Super Synchrotron Proton Synchrotron), gdje energija čestica doseže 450 GeV. Zraka se zatim usmjerava u glavni prsten od 26,7 kilometara, a detektori bilježe događaje koji se događaju na točkama sudara.

Potrošnja energije

Tijekom rada sudarača procijenjena potrošnja energije bit će 180 MW. Procijenjena potrošnja energije u cijelom kantonu Ženeva. Sam CERN ne proizvodi struju, ima samo rezervne dizel generatore.

Distribuirano računalstvo

Za upravljanje, pohranu i obradu podataka koji će dolaziti iz LHC akceleratora i detektora stvara se distribuirana računalna mreža LCG. L HC C računalstvo G OSLOBODITI ), koristeći grid tehnologiju. Za određene računalne zadatke koristit će se LHC@home projekt distribuiranog računalstva.

Nekontrolirani fizički procesi

Neki stručnjaci i članovi javnosti izrazili su zabrinutost da postoji vjerojatnost različita od nule da će eksperimenti koji se izvode na sudaraču izmaći kontroli i razviti lančanu reakciju koja bi pod određenim uvjetima teoretski mogla uništiti cijeli planet. Gledište pristaša katastrofičnih scenarija povezanih s radom LHC-a predstavljeno je na zasebnoj web stranici. Zbog sličnih osjećaja, LHC se ponekad dešifrira kao Posljednji hadronski sudarač ( Posljednji hadronski sudarač).

S tim u vezi, najčešće se spominje teorijska mogućnost pojave mikroskopskih crnih rupa u sudaraču, kao i teorijska mogućnost stvaranja nakupina antimaterije i magnetskih monopola s naknadnom lančanom reakcijom hvatanja okolne materije.

Ove teorijske mogućnosti razmatrala je posebna skupina CERN-a, koja je pripremila odgovarajuće izvješće u kojem se svi takvi strahovi prepoznaju kao neutemeljeni. Engleski teorijski fizičar Adrian Kent objavio je znanstveni članak u kojem kritizira sigurnosne standarde koje je usvojio CERN, budući da je očekivana šteta, odnosno umnožak vjerojatnosti događaja s brojem žrtava, po njemu neprihvatljiva. Međutim, najveća gornja granica za vjerojatnost katastrofalnog scenarija na LHC-u je 10 -31.

Glavni argumenti u prilog neutemeljenosti katastrofičnih scenarija uključuju pozivanje na činjenicu da su Zemlja, Mjesec i drugi planeti neprestano bombardirani strujama kozmičkih čestica s mnogo višim energijama. Spominje se i uspješan rad prethodno puštenih u pogon akceleratora, uključujući relativistički sudarač teških iona RHIC u Brookhavenu. Mogućnost nastanka mikroskopskih crnih rupa stručnjaci CERN-a ne poriču, ali navode da se u našem trodimenzionalnom prostoru takvi objekti mogu pojaviti samo pri energijama 16 redova veličine većim od energije zraka u LHC-u. Hipotetski, mikroskopske crne rupe mogle bi se pojaviti u eksperimentima na LHC-u u predviđanjima teorija s dodatnim prostornim dimenzijama. Takve teorije još nemaju nikakvu eksperimentalnu potvrdu. Međutim, čak i ako crne rupe nastaju sudarima čestica u LHC-u, očekuje se da će biti izuzetno nestabilne zbog Hawkingovog zračenja i da će ispariti gotovo trenutno kao obične čestice.

Dana 21. ožujka 2008. tužba Waltera Wagnera podnesena je federalnom okružnom sudu Havaja (SAD). Walter L. Wagner) i Luis Sancho (eng. Luis Sancho), u kojem oni, optužujući CERN za pokušaj smaka svijeta, traže da se zabrani lansiranje sudarača dok se ne zajamči njegova sigurnost.

Usporedba s prirodnim brzinama i energijama

Akcelerator je dizajniran za sudaranje čestica kao što su hadroni i atomske jezgre. Međutim, postoje prirodni izvori čestica čija je brzina i energija mnogo veća nego u sudaraču (vidi: Zevatron). Takve prirodne čestice detektiraju se u kozmičkim zrakama. Površina planeta Zemlje djelomično je zaštićena od tih zraka, no dok prolaze kroz atmosferu, čestice kozmičkih zraka sudaraju se s atomima i molekulama zraka. Kao rezultat tih prirodnih sudara, mnoge stabilne i nestabilne čestice stvaraju se u Zemljinoj atmosferi. Kao rezultat toga, milijunima godina na planetu postoji prirodno pozadinsko zračenje. Ista stvar (sudar elementarnih čestica i atoma) dogodit će se iu LHC-u, ali s manjim brzinama i energijama, te u znatno manjim količinama.

Mikroskopske crne rupe

Ako se prilikom sudara elementarnih čestica mogu stvoriti crne rupe, one će se i raspasti na elementarne čestice, u skladu s načelom CPT invarijantnosti, koje je jedno od temeljnih načela kvantne mehanike.

Nadalje, da je hipoteza o postojanju stabilnih crnih mikrorupa točna, onda bi one nastale u velikim količinama kao rezultat bombardiranja Zemlje elementarnim kozmičkim česticama. Ali većina visokoenergetskih elementarnih čestica koje stižu iz svemira imaju električni naboj, pa bi neke crne rupe bile električki nabijene. Ove nabijene crne rupe bile bi zarobljene Zemljinim magnetskim poljem i, da su doista opasne, davno bi uništile Zemlju. Schwimmerov mehanizam koji čini crne rupe električki neutralnima vrlo je sličan Hawkingovom efektu i ne može raditi ako Hawkingov efekt ne radi.

Osim toga, sve crne rupe, nabijene ili električki neutralne, uhvatile bi bijele patuljke i neutronske zvijezde (koje su, kao i Zemlja, bombardirane kozmičkim zračenjem) i uništile ih. Kao rezultat toga, životni vijek bijelih patuljaka i neutronskih zvijezda bio bi puno kraći od onoga što se stvarno promatra. Osim toga, bijeli patuljci i neutronske zvijezde u kolapsu emitirali bi dodatno zračenje koje se zapravo ne opaža.

Konačno, teorije s dodatnim prostornim dimenzijama koje predviđaju pojavu mikroskopskih crnih rupa nisu u suprotnosti s eksperimentalnim podacima samo ako je broj dodatnih dimenzija najmanje tri. Ali s toliko dodatnih dimenzija, prije toga moraju proći milijarde godina Crna rupa prouzročit će značajnu štetu Zemlji.

Strapelki

Suprotnih stavova zastupa Eduard Boos, doktor fizikalnih i matematičkih znanosti s Istraživačkog instituta za nuklearnu fiziku Moskovskog državnog sveučilišta, koji negira pojavu makroskopskih crnih rupa u LHC-u, a samim time i “crvotočina” i putovanja kroz vrijeme.

Bilješke

1. Najbolji vodič kroz LHC (engleski) str. 30.
2. LHC: Ključne činjenice. "Elementi velike znanosti." Preuzeto 15. rujna 2008.
3. Tevatron Electroweak radna skupina, gornja podskupina
4. LHC test sinkronizacije uspješan
5. Drugi test sustava ubrizgavanja prošao je s prekidima, ali je postigao cilj. “Elementi velike znanosti” (24. kolovoza 2008.). Preuzeto 6. rujna 2008.
6. Dan prekretnice LHC-a brzo počinje
7. Prva zraka u LHC-u - ubrzanje znanosti.
8. Misija LHC tima završena. physicsworld.com. Preuzeto 12. rujna 2008.
9. Stabilno cirkulirajuća zraka lansirana je na LHC. “Elementi velike znanosti” (12. rujna 2008.). Preuzeto 12. rujna 2008.
10. Nesreća na Velikom hadronskom sudaraču odgađa eksperimente na neodređeno vrijeme. “Elementi velike znanosti” (19. rujna 2008.). Preuzeto 21. rujna 2008.
11. Veliki hadronski sudarač neće nastaviti s radom do proljeća - CERN. RIA Novosti (23. rujna 2008.). Preuzeto 25. rujna 2008.
12. http://press.web.cern.ch/Press/PressReleases/Releases2008/PR14.08E.html
13. https://edms.cern.ch/file/973073/1/Report_on_080919_incident_at_LHC__2_.pdf
14. https://lhc2008.web.cern.ch/LHC2008/inauguration/index.html
15. Popravak oštećenih magneta bit će opsežniji nego što se dosad mislilo. “Elementi velike znanosti” (09. studenog 2008.). Preuzeto 12. studenog 2008.
16. Raspored za 2009. godinu. “Elementi velike znanosti” (18. siječnja 2009.). Preuzeto 18. siječnja 2009.
17. Priopćenje za javnost CERN-a
18. Odobren je plan rada Velikog hadronskog sudarača za 2009.-2010. “Elementi velike znanosti” (6. veljače 2009.). Preuzeto 5. travnja 2009.
19. LHC eksperimenti.
20. Otvara se "Pandorina kutija". Vesti.ru (9. rujna 2008.). Preuzeto 12. rujna 2008.
21. Potencijal za opasnost u eksperimentima sa sudaračem čestica
22. Dimopoulos S., Landsberg G. Crne rupe na velikom hadronskom sudaraču (engleski) Phys. vlč. Lett. 87 (2001.)
23. Blaizot J.-P. et al. Studija potencijalno opasnih događaja tijekom sudara teških iona u LHC-u.
24. Pregled sigurnosti LHC sudara LHC Safety Assessment Group
25. Kritički osvrt na rizike akceleratora. Proza.ru (23. svibnja 2008.). Preuzeto 17. rujna 2008.
26. Kolika je vjerojatnost katastrofe na LHC-u?
27. Sudnji dan
28. Tražiti od suca da spasi svijet, a možda i puno više
29. Objašnjavajući zašto će LHC biti siguran
30. http://environmental-impact.web.cern.ch/environmental-impact/Objects/LHCSafety/LSAGSummaryReport2008-es.pdf (španjolski)
31. http://environmental-impact.web.cern.ch/environmental-impact/Objects/LHCSafety/LSAGSummaryReport2008-de.pdf (njemački)
32. http://environmental-impact.web.cern.ch/environmental-impact/Objects/LHCSafety/LSAGSummaryReport2008-fr.pdf (francuski)
33. H. Heiselberg. Probir u kapljicama kvarka // Physical Review D. - 1993. - T. 48. - Br. 3. - P. 1418-1423. DOI:10.1103/PhysRevD.48.1418
34. M. Alford, K. Rajagopal, S. Reddy, A. Steiner. Stabilnost čudnih zvjezdanih kora i strangeleta // Američko fizikalno društvo. Physical Review D. - 2006. - T. 73, 114016.

Povijest nastanka akceleratora, koji danas poznajemo kao Large Hadron Collider, seže u 2007. godinu. U početku je kronologija akceleratora započela s ciklotronom. Uređaj je bio mali uređaj koji je lako stao na stol. Tada se povijest akceleratora počela ubrzano razvijati. Pojavili su se sinkrofazotron i sinkrotron.

U povijesti je možda najzanimljivije razdoblje od 1956. do 1957. godine. U tim vremenima Sovjetska znanost, osobito fizika, nije zaostajala za svojom inozemnom braćom. Koristeći godine iskustva, sovjetski fizičar po imenu Vladimir Veksler napravio je iskorak u znanosti. Stvorio je tada najjači sinhrofazotron. Njegova radna snaga bila je 10 gigaelektronvolti (10 milijardi elektronvolti). Nakon ovog otkrića stvoreni su ozbiljni uzorci akceleratora: veliki elektron-pozitronski sudarač, švicarski akcelerator, u Njemačkoj, SAD. Svi su imali jedan zajednički cilj - proučavanje osnovnih čestica kvarkova.

Veliki hadronski sudarač nastao je prvenstveno zahvaljujući naporima talijanskog fizičara. Njegovo ime je Carlo Rubbia, dobitnik je Nobelove nagrade. Tijekom svoje karijere Rubbia je radio kao direktor u Europskoj organizaciji za nuklearna istraživanja. Odlučeno je izgraditi i pokrenuti hadronski sudarač na mjestu istraživačkog centra.

Gdje je hadronski sudarač?

Sudarač se nalazi na granici između Švicarske i Francuske. Opseg mu je 27 kilometara, pa se zato i naziva velikim. Akceleratorski prsten ide duboko od 50 do 175 metara. Sudarač ima 1232 magneta. Oni su supravodljivi, što znači da se iz njih može generirati maksimalno polje za ubrzanje, jer kod takvih magneta praktički nema potrošnje energije. Ukupna težina svakog magneta je 3,5 tona s duljinom od 14,3 metra.

Kao i svaki fizički objekt, Large Hadron Collider stvara toplinu. Stoga se mora stalno hladiti. Da bi se to postiglo, temperatura se održava na 1,7 K pomoću 12 milijuna litara tekućeg dušika. Osim toga, za hlađenje se troši 700 tisuća litara, a što je najvažnije, koristi se tlak koji je deset puta niži od normalnog atmosferskog tlaka.

Temperatura od 1,7 K na Celzijevoj ljestvici iznosi -271 stupanj. Ta je temperatura gotovo blizu onoga što se zove minimalna moguća granica koju fizičko tijelo može imati.

Ništa manje zanimljiva nije ni unutrašnjost tunela. Postoje kabeli od niobij-titan sa supravodljivošću. Njihova duljina je 7600 kilometara. Ukupna težina kablova je 1200 tona. Unutrašnjost kabela isprepletena je od 6300 žica ukupne duljine od 1,5 milijardi kilometara. Ova dužina je jednaka 10 astronomskih jedinica. Na primjer, jednako je 10 takvih jedinica.

Ako govorimo o njegovom geografskom položaju, možemo reći da se prstenovi sudarača nalaze između gradova Saint-Genis i Forney-Voltaire, koji se nalaze na francuskoj strani, kao i Meyrin i Vessourat - na švicarskoj strani. Mali prsten nazvan PS proteže se duž promjera obruba.

Smisao postojanja

Da biste odgovorili na pitanje "čemu služi hadronski sudarač", morate se obratiti znanstvenicima. Mnogi znanstvenici kažu da je ovo najveći izum u cjelokupnoj povijesti znanosti te da bez njega znanost kakvu danas poznajemo jednostavno nema smisla. Postojanje i pokretanje Velikog hadronskog sudarača zanimljivo je jer pri sudaru čestica u hadronskom sudaraču dolazi do eksplozije. Sve najmanje čestice raspršuju se u različitim smjerovima. Nastaju nove čestice koje mogu objasniti postojanje i značenje mnogih stvari.

Prvo što su znanstvenici pokušali pronaći u tim srušenim česticama bila je teoretski predviđena elementarna čestica fizičara Petera Higgsa, nazvana Ova nevjerojatna čestica je nositelj informacija, vjeruje se. Također se obično naziva "Božjom česticom". Njegovo bi otkriće znanstvenike približilo razumijevanju svemira. Valja napomenuti da je 2012., 4. srpnja, hadronski sudarač (njegovo lansiranje bilo djelomično uspješno) pomogao otkriti sličnu česticu. Danas ga znanstvenici pokušavaju detaljnije proučiti.

Koliko dugo...

Naravno, odmah se postavlja pitanje zašto znanstvenici toliko dugo proučavaju te čestice? Ako imate uređaj, možete ga pokrenuti i uzimati svaki put sve više podataka. Činjenica je da je rad hadronskog sudarača skup prijedlog. Jedno lansiranje košta puno novca. Primjerice, godišnja potrošnja energije iznosi 800 milijuna kWh. Ovu količinu energije troši grad s populacijom od oko 100 tisuća ljudi, prema prosječnim standardima. I to ne uključuje troškove održavanja. Drugi razlog je taj što je u hadronskom sudaraču eksplozija koja se događa pri sudaru protona povezana s dobivanjem velike količine podataka: računala čitaju toliko informacija da je potrebno vrijeme da se obrade veliki broj vrijeme. Iako je moć računala koja primaju informacije i za današnje standarde velika.

Sljedeći razlog nije manje poznat Znanstvenici koji rade sa sudaračem u ovom smjeru uvjereni su da je vidljivi spektar cijelog svemira samo 4%. Pretpostavlja se da su preostali tamna tvar i tamna energija. Pokušavaju eksperimentalno dokazati da je ta teorija točna.

Hadronski sudarač: za ili protiv

Iznesena teorija o tamnoj tvari bacila je sumnju na sigurnost hadronskog sudarača. Postavilo se pitanje: "Hadronski sudarač: za ili protiv?" Zabrinuo je mnoge znanstvenike. Svi veliki umovi svijeta dijele se u dvije kategorije. “Protivnici” su iznijeli zanimljivu teoriju da ako takva materija postoji, onda mora imati česticu nasuprot sebi. A kada se čestice sudare u akceleratoru, pojavljuje se tamni dio. Postojao je rizik da se tamni dio i dio koji vidimo sudare. Tada bi to moglo dovesti do smrti cijelog svemira. Međutim, nakon prvog lansiranja hadronskog sudarača, ova je teorija djelomično razbijena.

Sljedeća po važnosti dolazi eksplozija svemira, odnosno rođenje. Vjeruje se da je tijekom sudara moguće promatrati kako se svemir ponašao u prvim sekundama svog postojanja. Kako je izgledao nakon Velikog praska. Vjeruje se da je proces sudaranja čestica vrlo sličan onome koji se dogodio na samom početku svemira.

Još jedna jednako fantastična ideja koju znanstvenici testiraju su egzotični modeli. Čini se nevjerojatnim, ali postoji teorija koja sugerira da postoje druge dimenzije i svemiri s ljudima sličnim nama. I što je čudno, akcelerator i ovdje može pomoći.

Jednostavno rečeno, svrha akceleratora je razumjeti što je svemir, kako je nastao te dokazati ili opovrgnuti sve postojeće teorije o česticama i srodnim fenomenima. Naravno, to će trajati godinama, ali sa svakim lansiranjem pojavljuju se nova otkrića koja revolucioniraju svijet znanosti.

Činjenice o akceleratoru

Svi znaju da akcelerator ubrzava čestice do 99% brzine svjetlosti, ali malo ljudi zna da je taj postotak 99,9999991% brzine svjetlosti. Ova nevjerojatna brojka ima smisla zahvaljujući savršenom dizajnu i snažnim magnetima za ubrzanje. Treba napomenuti i neke manje poznate činjenice.

Otprilike 100 milijuna tokova podataka koji dolaze iz svakog od dva glavna detektora mogli bi ispuniti više od 100.000 CD-ROM-ova u nekoliko sekundi. Za samo mjesec dana, broj diskova bi dosegao toliku visinu da bi, kad bi ih naslagali, bili dovoljni da dosegnu Mjesec. Stoga je odlučeno da se ne prikupljaju svi podaci koji dolaze s detektora, već samo oni koji će biti dopušteni za korištenje sustavu prikupljanja podataka, koji zapravo djeluje kao filter za primljene podatke. Odlučeno je zabilježiti samo 100 događaja koji su se dogodili u trenutku eksplozije. Ti događaji bit će zabilježeni u arhivi računalnog centra Large Hadron Collider, koji se nalazi u Europskom laboratoriju za fiziku čestica, gdje se nalazi i akcelerator. Neće se snimati oni događaji koji su zabilježeni, nego oni koji su od najvećeg interesa znanstvene zajednice.

Naknadna obrada

Jednom snimljeni, stotine kilobajta podataka bit će obrađeni. U tu svrhu koristi se više od dvije tisuće računala smještenih u CERN-u. Zadatak ovih računala je obraditi primarne podatke i iz njih formirati bazu podataka koja će biti pogodna za daljnju analizu. Zatim će se generirani tok podataka poslati u GRID računalnu mrežu. Ova internetska mreža ujedinjuje tisuće računala smještenih u različitim institutima diljem svijeta, povezuje više od stotinu glavna središta koji se nalaze na tri kontinenta. Svi takvi centri povezani su s CERN-om pomoću optičkih vlakana - za maksimalna brzina prijenos podataka.

Govoreći o činjenicama, moramo spomenuti i fizičke pokazatelje strukture. Tunel akceleratora odstupio je od horizontalne ravnine za 1,4%. To je prvenstveno učinjeno kako bi se veći dio tunela akceleratora smjestio u monolitnu stijenu. Dakle, dubina postavljanja na suprotnim stranama je različita. Ako računamo od strane jezera, koje se nalazi u blizini Ženeve, tada će dubina biti 50 metara. Suprotni dio ima dubinu od 175 metara.

Zanimljivo je da mjesečeve mijene utjecati na akcelerator. Čini se kako tako udaljen objekt može utjecati na takvu udaljenost. Međutim, primijećeno je da se za vrijeme punog Mjeseca, kada nastupi plima, kopno na području Ženeve digne za čak 25 centimetara. To utječe na duljinu sudarača. Duljina se time povećava za 1 milimetar, a energija snopa također se mijenja za 0,02%. Budući da se energija snopa mora kontrolirati do 0,002%, istraživači moraju uzeti u obzir ovaj fenomen.

Zanimljivo je i da tunel sudarača ima oblik osmerokuta, a ne kruga, kako mnogi zamišljaju. Kutovi se stvaraju kratkim dijelovima. U njima su instalirani detektori, kao i sustav koji kontrolira snop ubrzavajućih čestica.

Struktura

Hadron Collider, čije lansiranje uključuje puno dijelova i puno uzbuđenja među znanstvenicima, nevjerojatan je uređaj. Cijeli akcelerator sastoji se od dva prstena. Mali prsten naziva se protonski sinkrotron ili, da upotrijebimo njegove kratice, PS. Veliki prsten- Super protonski sinkrotron ili SPS. Zajedno, dva prstena omogućuju dijelovima da ubrzaju do 99,9% brzine svjetlosti. Istodobno, sudarač također povećava energiju protona, povećavajući njihovu ukupnu energiju za 16 puta. Također omogućuje česticama da se sudaraju jedna s drugom približno 30 milijuna puta/s. u roku od 10 sati. 4 glavna detektora proizvode najmanje 100 terabajta digitalnih podataka u sekundi. Dobivanje podataka određeno je individualnim čimbenicima. Na primjer, mogu detektirati elementarne čestice koje imaju negativan električni naboj i također imaju pola spina. Budući da su te čestice nestabilne, njihova izravna detekcija je nemoguća, moguće je samo detektirati njihovu energiju, koja će biti emitirana pod određenim kutom u odnosu na os snopa. Ova faza se naziva prva razina lansiranja. Ovu fazu nadzire više od 100 posebnih ploča za obradu podataka, koje imaju ugrađenu implementacijsku logiku. Ovaj dio posla karakterizira činjenica da se tijekom perioda akvizicije podataka selektira više od 100 tisuća blokova podataka u sekundi. Ti će se podaci zatim koristiti za analizu, koja se odvija pomoću mehanizma više razine.

Sustavi na sljedećoj razini, naprotiv, primaju informacije iz svih niti detektora. Softver Detektor radi na mreži. Tamo će koristiti veliki broj računala za obradu sljedećih blokova podataka, prosječno vrijeme između blokova je 10 mikrosekundi. Programi će morati stvoriti oznake čestica koje odgovaraju izvornim točkama. Rezultat će biti generirani skup podataka koji se sastoji od impulsa, energije, putanje i drugih koji su nastali tijekom jednog događaja.

Dijelovi akceleratora

Cijeli akcelerator može se podijeliti u 5 glavnih dijelova:

1) Akcelerator sudarača elektron-pozitron. Dio se sastoji od oko 7 tisuća magneta sa svojstvima supravodljivosti. Uz njihovu pomoć, zraka se usmjerava kroz kružni tunel. Oni također koncentriraju zraku u jedan tok, čija se širina smanjuje na širinu jedne kose.

2) Kompaktni mionski solenoid. Ovo je detektor opće namjene. Takav detektor služi za traženje novih pojava i, primjerice, za traženje Higgsovih čestica.

3) LHCb detektor. Značaj ovog uređaja je u potrazi za kvarkovima i njima suprotnim česticama - antikvarkovima.

4) Toroidalni instalacijski ATLAS. Ovaj detektor je dizajniran za otkrivanje miona.

5) Alisa. Ovaj detektor bilježi sudare iona olova i sudare proton-proton.

Problemi prilikom pokretanja hadronskog sudarača

Unatoč činjenici da prisutnost visoka tehnologija eliminira mogućnost pogreške; u praksi je sve drugačije. Tijekom montaže akceleratora dolazilo je do kašnjenja i kvarova. Mora se reći da ova situacija nije bila neočekivana. Uređaj sadrži toliko nijansi i zahtijeva toliku preciznost da su znanstvenici očekivali slične rezultate. Na primjer, jedan od problema s kojima su se znanstvenici suočili tijekom lansiranja bio je kvar magneta koji je fokusirao zrake protona neposredno prije njihovog sudara. Ovu ozbiljnu nesreću uzrokovalo je uništenje dijela pričvršćivača zbog gubitka supravodljivosti magneta.

Ovaj problem se pojavio 2007. Zbog toga je lansiranje sudarača nekoliko puta odgađano, a tek u lipnju je lansiranje održano gotovo godinu dana kasnije;

Posljednje lansiranje sudarača bilo je uspješno, prikupivši mnogo terabajta podataka.

Hadron Collider, koji je pokrenut 5. travnja 2015., uspješno radi. Tijekom mjesec dana, grede će se voziti oko prstena, postupno povećavajući njihovu snagu. Ne postoji svrha studije kao takve. Energija sudara zraka će se povećati. Vrijednost će biti podignuta sa 7 TeV na 13 TeV. Takav porast će nam omogućiti da vidimo nove mogućnosti u sudarima čestica.

U 2013. i 2014. god izvršeni su ozbiljni tehnički pregledi tunela, akceleratora, detektora i druge opreme. Rezultat je bilo 18 bipolarnih magneta sa supravodljivom funkcijom. Treba napomenuti da je njihov ukupan broj 1232 komada. Međutim, preostali magneti nisu prošli nezapaženo. U ostalom su zamijenjeni sustavi zaštite hlađenja i ugrađeni poboljšani. Poboljšan je i magnetski sustav hlađenja. To im omogućuje da ostanu niske temperature s maksimalnom snagom.

Bude li sve u redu, sljedeće lansiranje akceleratora bit će tek za tri godine. Nakon tog razdoblja planirani su radovi na poboljšanju, tehnički pregled sudarač.

Treba napomenuti da popravci koštaju prilično peni, ne uzimajući u obzir troškove. Hadronski sudarač od 2010. godine ima cijenu od 7,5 milijardi eura. Ova brojka stavlja cijeli projekt na prvo mjesto na listi najskupljih projekata u povijesti znanosti.

Large Hadron Collider (LHC) je akcelerator nabijenih čestica koji će pomoći fizičarima da nauče 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, te postavlja orbitu po kojoj se čestice kreću.

Sudarač (engleski collide - "sudarati") je akcelerator koji koristi sudarajuće zrake, dizajniran za proučavanje proizvoda njihovih sudara. Omogućuje vam da prenesete visoku kinetičku energiju elementarnim česticama materije, usmjerite ih jedne prema drugima kako biste proizveli sudar.

Zašto "veliki hadron"

Sudarač se naziva velikim, 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, u blizini Ženeve. Danas je LHC najveće eksperimentalno postrojenje na svijetu. Voditeljica ovog velikog projekta je britanska fizičarka Lyn Evans, au izgradnji i istraživanju sudjelovalo je i sudjeluje više od 10 tisuća znanstvenika i inženjera iz više od 100 zemalja.

Kratki izlet u povijest

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

Vjeruje se da bi standardni model trebao biti dio neke dublje teorije strukture mikrosvijeta, onaj dio koji je vidljiv u eksperimentima na sudaračima na energijama ispod oko 1 TeV (teraelektronvolt). glavni zadatak Large Hadron Collider - da dobijemo barem prve naznake što je ta dublja teorija.

Glavni ciljevi sudarača također uključuju otkriće i potvrdu Higgsovog bozona. Ovo bi otkriće potvrdilo Standardni model nastanka elementarnih atomskih čestica i standardne materije. Kada sudarač radi punom snagom, integritet standardnog modela bit će uništen. Elementarne čestice čija svojstva samo djelomično razumijemo neće moći održati svoj strukturni integritet. Standardni model ima gornju granicu energije od 1 TeV, iznad koje se čestica raspada. Pri energiji od 7 TeV mogle bi se stvoriti čestice s masama deset puta većim od trenutno poznatih.

Tehnički podaci

Očekuje se da će se u akceleratoru sudariti protoni ukupne energije od 14 TeV (odnosno 14 teraelektronvolti ili 14·1012 elektronvolti) u sustavu središta mase upadnih čestica, kao i jezgre olova s ​​energijom od 5 GeV (5·109 elektronvolta) za svaki par nukleona koji se sudaraju.

Sjaj LHC-a tijekom prvih tjedana njegovog rada nije bio veći od 1029 čestica/cm²·s, međutim, nastavlja se stalno povećavati. Cilj je postići nominalni luminozitet od 1,7 × 1034 čestica/cm² s, što je isti red veličine kao luminozitet BaBar (SLAC, SAD) i Belle (KEK, Japan).

Akcelerator se nalazi u istom tunelu koji je prije zauzimao Veliki elektron-pozitronski sudarač, pod zemljom u Francuskoj i Švicarskoj. Dubina tunela je od 50 do 175 metara, a tunelski prsten je nagnut za 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 na kojoj helij postaje superfluidan.

BAK detektori

LHC ima 4 glavna i 3 pomoćna detektora:

• ALICE (Eksperiment velikog ionskog sudarača)
• ATLAS (Toroidalni 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 od njih je konfiguriran za proučavanje sudara teških iona. Temperatura i gustoća energije nuklearne tvari nastale u ovom slučaju 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. U središtu tunela sudaraju se snopovi protona, čineći ga najvećim i najsloženijim senzorom te vrste ikada napravljenim. Senzor bilježi sve što se događa tijekom i nakon sudara protona. Cilj projekta je detektirati čestice koje dosad nisu bile registrirane ili detektirane u našem svemiru.

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

Najdublji sloj je tracker na bazi silicija. Tragač je najveći silikonski senzor na svijetu. Ima 205 m2 silikonskih senzora (otprilike kao površina teniskog terena) 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 Large Hadron Collider CMS 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 punom snagom kako bi maksimalno produžio životni vijek čestica solenoidnog magneta.

Peti sloj su mionski detektori i povratni jaram. CMS je dizajniran za istraživanje različite vrste fizika koja bi se mogla detektirati u energetskim LHC sudarima. 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 puno dugo. Nadamo se da je naš članak pomogao razumjeti što je LHC i zašto je znanstvenicima potreban.

Nakon niza eksperimenata na Velikom hadronskom sudaraču (LHC), stručnjaci iz Europskog centra za nuklearna istraživanja (CERN) objavili su otkriće nove čestice nazvane pentakvark, koju su prethodno predvidjeli ruski znanstvenici.

Veliki hadronski sudarač (LHC) je akcelerator dizajniran za ubrzavanje elementarnih čestica (osobito protona).

Fizičari kažu da je na Velikom hadronskom sudaraču otkrivena nova česticaStručnjaci Europskog centra za nuklearna istraživanja koji rade na Velikom hadronskom sudaraču objavili su otkriće pentakvarka, čestice koju su predvidjeli ruski znanstvenici.

Nalazi se u Francuskoj i Švicarskoj i pripada Europskom vijeću za nuklearna istraživanja (Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire, CERN).

U to vrijeme znanstvenicima nije bilo sasvim jasno kako čestica koju su otkrili odgovara predviđanjima Standardnog modela. Do ožujka 2013. fizičari su imali dovoljno podataka o čestici da je službeno proglase Higgsovim bozonom.

8. listopada 2013. britanski fizičar Peter Higgs i Belgijanac François Engler, koji su otkrili mehanizam narušavanja elektroslabe simetrije (zbog tog narušavanja elementarne čestice mogu imati masu), dobili su Nobelovu nagradu za fiziku za “teoretsko otkriće mehanizma koji je omogućio uvid u podrijetlo masa elementarnih čestica.”

U prosincu 2013., zahvaljujući analizi podataka pomoću neuronskih mreža, fizičari CERN-a prvi su put pratili raspad Higgsovog bozona na fermione - tau leptone te parove b-kvark i b-antikvark.

U lipnju 2014. znanstvenici koji rade na detektoru ATLAS, nakon obrade svih prikupljenih statistika, razjasnili su rezultate mjerenja mase Higgsovog bozona. Prema njihovim podacima, masa Higgsovog bozona iznosi 125,36 ± 0,41 gigaelektronvolta. Ovo je gotovo identično - i po vrijednosti i po točnosti - rezultatu znanstvenika koji rade na CMS detektoru.

U publikaciji iz veljače 2015. u časopisu Physical Review Letters, fizičari su izjavili da mogući razlog Gotovo potpuni nedostatak antimaterije u Svemiru i prevlast obične vidljive materije mogli bi biti uzrokovani pokretima Higgsovog polja - posebne strukture u kojoj "žive" Higgsovi bozoni. Rusko-američki fizičar Alexander Kusenko sa Kalifornijskog sveučilišta u Los Angelesu (SAD) i njegovi kolege vjeruju da su uspjeli pronaći odgovor na ovu univerzalnu zagonetku u podacima koje je prikupio Veliki hadronski sudarač tijekom prve faze rada. , kada je otkriven Higgsov bozon, poznata "Božja čestica".

14. srpnja 2015. postalo je poznato da su stručnjaci iz Europskog centra za nuklearna istraživanja (CERN), nakon niza eksperimenata na Velikom hadronskom sudaraču (LHC), objavili otkriće nove čestice nazvane pentakvark, koju je prethodno predvidio ruski znanstvenici. Proučavanje svojstava pentakvarkova omogućit će nam da bolje razumijemo kako funkcionira obična materija. Mogućnost postojanja pentakvarkova, zaposlenici Petrogradskog instituta za nuklearnu fiziku nazvani su po Konstantinovu Dmitry Dyakonov, Maxim Polyakov i Viktor Petrov.

Podaci koje je LHC prikupio u prvoj fazi rada omogućili su fizičarima iz LHCb kolaboracije, koja traži egzotične čestice na istoimenom detektoru, da "uhvate" nekoliko čestica pet kvarkova, koji su dobili privremena imena Pc(4450) + i Pc(4380)+. Imaju vrlo veliku masu - oko 4,4-4,5 tisuća megaelektronvolti, što je oko četiri do pet puta više od iste brojke za protone i neutrone, kao i prilično neobičan spin. Po svojoj prirodi, to su četiri "normalna" kvarka zalijepljena na jedan antikvark.

Statistička pouzdanost otkrića je devet sigma, što je ekvivalentno jednoj slučajnoj pogrešci ili kvaru detektora u jednom slučaju u četiri milijuna milijardi (10 na 18. potenciju) pokušaja.

Jedan od ciljeva drugog lansiranja LHC-a bit će potraga za tamnom tvari. Pretpostavlja se da će otkriće takve materije pomoći u rješavanju problema skrivene mase, koja se posebice sastoji od anomalno velika brzina rotacija vanjskih područja galaksija.

Materijal je pripremljen na temelju informacija RIA Novosti i otvorenih izvora

Zasigurno je gotovo svaka osoba na Zemlji barem jednom čula za Large Hadron Collider. No, unatoč tome što su mnogi čuli za njega, malo ljudi razumije što je hadronski sudarač, koja mu je svrha, koja je bit hadronskog sudarača. U našem današnjem članku odgovorit ćemo na ova pitanja.

Što je hadronski sudarač

U biti, hadronski sudarač je složen akcelerator čestica. Uz njegovu pomoć fizičari uspijevaju ubrzati protone i teške ione. U početku je hadronski sudarač stvoren kako bi se potvrdilo postojanje nedokučive elementarne čestice, koju fizičari ponekad u šali nazivaju "Božjom česticom". I da, postojanje ove čestice potvrđeno je eksperimentalno uz pomoć sudarača, a sam njezin otkrivač Peter Higgs dobio je Nobelova nagrada iz fizike 2013.

Naravno, stvar nije bila ograničena samo na Higgsov bozon, osim njega, fizičari su pronašli i neke druge elementarne čestice. Sada znate odgovor na pitanje zašto je potreban hadronski sudarač.

Što je Veliki hadronski sudarač?

Prije svega treba napomenuti da se Veliki hadronski sudarač nije pojavio niotkuda, već se pojavio kao evolucija svog prethodnika - Velikog elektron-pozitronskog sudarača, koji je 27 kilometara dug podzemni tunel čija je izgradnja započela 1983. godine. Godine 1988. prstenasti tunel je zatvoren, a zanimljivo je da su graditelji tom pitanju pristupili vrlo pažljivo, tako da je razlika između dva kraja tunela samo 1 centimetar.

Ovako izgleda krug hadronskog sudarača.

Elektron-pozitronski sudarač radio je do 2000. godine i tijekom njegovog djelovanja u fizici je uz njegovu pomoć došlo do niza otkrića, uključujući otkriće W i Z bozona i njihova daljnja istraživanja.

Od 2001. godine započela je izgradnja hadronskog sudarača na mjestu elektron-pozitronskog sudarača koji je dovršen 2007. godine.

Gdje se nalazi hadronski sudarač?

Veliki hadronski sudarač nalazi se na granici Švicarske i Francuske, u dolini Ženevskog jezera, samo 15 km od same Ženeve. I nalazi se na dubini od 100 metara.

Lokacija hadronskog sudarača.

Godine 2008. započela su njegova prva testiranja pod pokroviteljstvom CERN-a, Europske organizacije za nuklearna istraživanja, koja ovaj trenutak je najveći laboratorij na svijetu u području fizike visokih energija.

Čemu služi hadronski sudarač?

S ovim ogromnim akceleratorom čestica fizičari mogu prodrijeti dublje u materiju nego ikad prije. Sve ovo pomaže, kako potvrditi staru znanstvene hipoteze, i stvoriti nove zanimljive teorije. Detaljno proučavanje fizike elementarnih čestica pomaže nam da se približimo u potrazi za odgovorima na pitanja o strukturi Svemira i kako je nastao.

Duboko poniranje u mikrosvijet omogućuje nam otkrivanje novih revolucionarnih prostorno-vremenskih teorija, a tko zna, možda i uspijemo proniknuti u tajnu vremena, ove četvrte dimenzije našeg svijeta.

Kako radi hadronski sudarač?

Sada opišimo kako zapravo radi Veliki hadronski sudarač. Naziv govori o principima njegovog rada, budući da je sama riječ "collider" s engleskog prevedena kao "onaj koji se sudara". Njegov glavni zadatak je organizirati sudar elementarnih čestica. Štoviše, čestice u sudaraču lete (i sudaraju se) brzinama bliskim brzini svjetlosti. Rezultate sudara čestica bilježe četiri glavna velika detektora: ATLAS, CMS, ALICE i LHCb te mnogi pomoćni detektori.

Princip rada hadronskog sudarača je detaljnije opisan u ovom zanimljivom videu.

Opasnosti hadronskog sudarača

Općenito, ljudi su skloni bojati se stvari koje ne razumiju. To je upravo ono što ilustrira odnos prema hadronskom sudaraču i raznim zabrinutostima povezanim s njim. Najradikalniji od njih izrazili su da bi u slučaju moguće eksplozije hadronskog sudarača moglo umrijeti ne puno, ne malo, nego cijelo čovječanstvo, zajedno s planetom Zemljom koju bi progutao onaj nastao nakon eksplozija. Naravno, već prvi eksperimenti pokazali su da takvi strahovi nisu ništa više od dječje horor priče.

No neke ozbiljne zabrinutosti oko rada sudarača izrazio je nedavno preminuli engleski znanstvenik Stephen Hawking. Štoviše, Hawkingova zabrinutost povezana je ne toliko sa samim sudaračem, koliko s Higgsovim bozonom dobivenim uz njegovu pomoć. Prema riječima znanstvenika, ovaj bozon je izuzetno nestabilan materijal i, kao rezultat određenog spleta okolnosti, može dovesti do raspada vakuuma i potpunog nestanka pojmova kao što su prostor i vrijeme. No nije sve tako strašno jer prema Hawkingu, da bi se ovako nešto dogodilo potreban je sudarač veličine cijelog planeta.