В 100 метрах под землей, на границе Франции и Швейцарии, расположено устройство, которое способно приоткрыть тайны мироздания. Или, по мнению некоторых, уничтожить всю жизнь на Земле.
Так или иначе, это самая большая машина в мире, и она используется для исследования мельчайших частиц во Вселенной. Это Большой адронный (не андроидный) коллайдер (LHC).
Краткое описание
LHC является частью проекта, который возглавляет Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН). Коллайдер включен в комплекс ускорителей ЦЕРН за пределами Женевы в Швейцарии и используется для разгона пучков протонов и ионов до скорости, приближающейся к скорости света, столкновения частиц друг с другом и записи результирующих событий. Ученые надеются, что это поможет больше узнать о возникновении Вселенной и о ее составе.
Что такое коллайдер (LHC)? Это самый амбициозный и мощный ускоритель частиц, построенный на сегодняшний день. Тысячи ученых из сотен стран сотрудничают и конкурируют друг с другом в поиске новых открытий. Для сбора данных экспериментов предусмотрены 6 участков, расположенные вдоль окружности коллайдера.
Сделанные с его помощью открытия могут стать полезными в будущем, но это не причина его постройки. Цель Большого адронного коллайдера - расширить наши знания о Вселенной. Учитывая, что LHC стоит миллиарды долларов и требует сотрудничества многих стран, отсутствие практического применения может быть неожиданным.
Для чего нужен Адронный коллайдер?
В попытке понять нашу Вселенную, ее функционирование и фактическую структуру, ученые предложили теорию, называемую стандартной моделью. В ней предпринята попытка определить и объяснить фундаментальные частицы, которые делают мир таким, каким он есть. Модель объединяет элементы теории относительности Эйнштейна с квантовой теорией. В ней также учтены 3 из 4 основных сил Вселенной: сильные и слабые ядерные взаимодействия и электромагнетизм. Теория не касается 4-й фундаментальной силы - силы тяжести.
Стандартная модель дала несколько предсказаний о Вселенной, которые согласуются с различными экспериментами. Но есть и другие ее аспекты, которые требовали подтверждения. Один из них - теоретическая частица, называемая бозоном Хиггса.
Его открытие дает ответ на вопросы о массе. Почему материя ею обладает? Ученые идентифицировали частицы, у которых нет массы, например, нейтрино. Почему у одних она есть, а у других - нет? Физики предложили много объяснений.
Самое простое из них - механизм Хиггса. Эта теория гласит, что существует частица и соответствующая ей сила, которая объясняет наличие массы. Ранее она никогда не наблюдалась, поэтому события, создаваемые LHC, должны были либо доказать существование бозона Хиггса, либо дать новую информацию.
Еще один вопрос, которым задаются ученые, связан с зарождением Вселенной. Тогда материя и энергия были одним целым. После их разделения частицы вещества и антиматерии уничтожили друг друга. Если бы количество их было равным, то ничего бы не осталось.
Но, к счастью для нас, во Вселенной материи было больше. Ученые надеются наблюдать антивещество во время работы LHC. Это могло бы помочь понять причину разницы в количестве материи и антиматерии, когда началась Вселенная.
Темная материя
Современное понимание Вселенной предполагает, что пока можно наблюдать лишь около 4% материи, которая должна существовать. Движение галактик и других небесных тел говорит о том, что существует гораздо больше видимого вещества.
Ученые назвали эту неопределенную материю темной. Наблюдаемая и темная материя составляют около 25%. Другие 3/4 исходят от гипотетической темной энергии, которая способствует расширению Вселенной.
Ученые надеются, что их эксперименты либо предоставят дополнительные доказательства существования темной материи и темной энергии, либо подтвердят альтернативную теорию.
Но это лишь верхушка айсберга физики элементарных частиц. Есть еще более экзотические и противоречивые вещи, которые необходимо выявить, для чего и нужен коллайдер.
Большой взрыв в микромасштабах
Сталкивая протоны с достаточно большой скоростью, LHC разбивает их на более мелкие атомные субчастицы. Они очень нестабильны, и до распада или рекомбинации существуют только долю секунды.
Согласно теории Большого взрыва, первоначально из них состояла все материя. По мере расширения и охлаждения Вселенной они объединились в более крупные частицы, такие как протоны и нейтроны.
Необычные теории
Если теоретические частицы, антиматерия и темная энергия, не являются достаточно экзотичными, некоторые ученые считают, что LHC может предоставить доказательства существования других измерений. Принято считать, что мир является четырехмерным (трехмерное пространство и время). Но физики предполагают, что могут существовать и другие измерения, которые люди не могут воспринимать. Например, одна версия теории струн требует наличия не менее 11 измерений.
Адепты этой теории надеются, что LHC предоставит доказательства предлагаемой ими модели Вселенной. По их мнению, фундаментальными строительными кирпичиками являются не частицы, а струны. Они могут быть открытыми или закрытыми, и вибрировать подобно гитарным. Различие в колебаниях делает струны разными. Одни проявляют себя в виде электронов, а другие реализуются как нейтрино.
Что такое коллайдер в цифрах?
LHC представляет собой массивную и мощную конструкцию. Он состоит из 8 секторов, каждый из которых является дугой, ограниченной на каждом конце секцией, называемой «вставкой». Длина окружности коллайдера равна 27 км.
Трубки ускорителя и камеры столкновений находятся на глубине 100 метров под землей. Доступ к ним обеспечивает сервисный туннель с лифтами и лестницами, расположенными в нескольких точках вдоль окружности LHC. ЦЕРН также построил наземные здания, в которых исследователи могут собирать и анализировать данные, генерируемые детекторами коллайдера.
Для управления пучками протонов, движущихся со скоростью равной 99,99% скорости света, используются магниты. Они огромны, весят несколько тонн. В LHC имеется около 9 600 магнитов. Они охлаждаются до 1,9К (-271,25 °C). Это ниже температуры космического пространства.
Протоны внутри коллайдера проходят по трубам со сверхвысоким вакуумом. Это необходимо, чтобы не было частиц, с которыми они могли бы столкнуться до достижения цели. Единственная молекула газа может привести к неудаче эксперимента.
На окружности большого коллайдера есть 6 участков, где инженеры смогут проводить свои эксперименты. Их можно сравнить с микроскопами с цифровой камерой. Некоторые из этих детекторов огромны - ATLAS представляет собой устройство длиной 45 м, высотой 25 м и весом 7 т.
В LHC задействовано около 150 млн датчиков, которые собирают данные и отправляют их в вычислительную сеть. Согласно ЦЕРН объем информации, получаемой во время экспериментов, составляет около 700 МБ/с.
Очевидно, что такому коллайдеру требуется много энергии. Его годовая потребляемая мощность составляет около 800 ГВт∙ч. Она могла быть намного больше, но объект не работает в зимние месяцы. По данным ЦЕРН стоимость энергии составляет порядка 19 млн евро.
Столкновение протонов
Принцип, лежащий в основе физики коллайдера, довольно прост. Сперва производится запуск двух пучков: одного - по часовой стрелке, а второго - против. Оба потока ускоряются до скорости света. Затем их направляют навстречу друг к другу и наблюдают результат.
Оборудование, необходимое для достижения этой цели, намного сложнее. LHC является частью комплекса ЦЕРН. Прежде, чем какие-либо частицы войдут в LHC, они уже проходят ряд шагов.
Во-первых, для получения протонов ученые должны лишить атомы водорода электронов. Затем частицы направляются в установку LINAC 2, которая запускает их в ускоритель PS Booster. Эти машины для ускорения частиц используют переменное электрическое поле. Удерживать пучки помогают поля, создаваемые гигантскими магнитами.
Когда луч достигает нужного энергетического уровня, PS Booster направляет его в суперсинхротрон SPS. Поток ускоряется еще больше и делится на 2808 пучков по 1,1 x 1011 протонов. SPS вводит лучи в LHC по часовой и против часовой стрелки.
Внутри Большого адронного коллайдера протоны продолжают ускоряться в течение 20 минут. На максимальной скорости они совершают 11245 оборотов вокруг LHC каждую секунду. Лучи сходятся на одном из 6 детекторов. При этом происходит 600 млн столкновений в секунду.
Когда сталкиваются 2 протона, они расщепляются на более мелкие частицы, в том числе кварки и глюоны. Кварки очень неустойчивы и распадаются за долю секунды. Детекторы собирают информацию, отслеживая путь субатомных частиц, и направляют ее в вычислительную сеть.
Не все протоны сталкиваются. Остальные продолжают движение до секции сброса луча, где поглощаются графитом.
Детекторы
Вдоль окружности коллайдера расположены 6 секций, в которых производится сбор данных и проводятся эксперименты. Из них 4 детектора основные и 2 меньшего размера.
Самым крупным является ATLAS. Его размеры - 46 х 25 х 25 м. Трекер обнаруживает и анализирует импульс частиц, проходящих через ATLAS. Его окружает калориметр, измеряющий энергию частиц, поглощая их. Ученые могут наблюдать траекторию их движения и экстраполировать информацию о них.
Детектор ATLAS также имеет мюонный спектрометр. Мюоны - это отрицательно заряженные частицы в 200 раз тяжелее электронов. Они единственные способны проходить через калориметр без остановки. Спектрометр измеряет импульс каждого мюона датчиками заряженных частиц. Эти сенсоры могут обнаруживать флуктуации в магнитном поле ATLAS.
Компактный мюонный соленоид (CMS) является детектором общего назначения, который обнаруживает и измеряет субчастицы, высвобождаемые во время столкновений. Прибор находится внутри гигантского соленоидного магнита, который может создать магнитное поле, почти в 100 тысяч раз превышающее магнитное поле Земли.
Детектор ALICE разработан для изучения столкновений ионов железа. Таким образом исследователи надеются воссоздать условия, подобные тем, которые произошли сразу после Большого взрыва. Они ожидают увидеть, как ионы превращаются в смесь кварков и глюонов. Основным компонентом ALICE является камера TPC, служащая для изучения и воссоздания траектории частиц.
LHC служит для поиска доказательств существования антивещества. Он делает это путем поиска частицы, называемой прелестным кварком. Ряд субдетекторов, окружающих точку столкновения, имеет 20 метров в длину. Они могут улавливать очень неустойчивые и быстро распадающиеся частицы прелестных кварков.
Эксперимент ТОТЕМ проводится на участке с одним из малых детекторов. Он измеряет размер протонов и яркость LHC, указывающей на точность создания столкновений.
Эксперимент LHC имитирует космические лучи в контролируемой среде. Его целью является помощь в разработке широкомасштабных исследований реальных космических лучей.
На каждом участке детектирования работает команда исследователей, насчитывающая от нескольких десятков до более тысячи ученых.
Обработка данных
Неудивительно, что такой коллайдер генерирует огромный поток данных. 15 000 000 ГБ, ежегодно получаемых детекторами LHC, ставят перед исследователями огромную задачу. Ее решением является вычислительная сеть, состоящая из компьютеров, каждый из которых способен самостоятельно анализировать фрагмент данных. Как только компьютер завершит анализ, он отправляет результаты на центральный компьютер и получает новую порцию.
Ученые из ЦЕРН решили сосредоточиться на использовании относительно недорогого оборудования для выполнения своих расчетов. Вместо приобретения передовых серверов и процессоров используется имеющееся оборудование, которое может хорошо работать в сети. При помощи специального ПО сеть компьютеров сможет хранить и анализировать данные каждого эксперимента.
Опасность для планеты?
Некоторые опасаются, что такой мощный коллайдер может представлять угрозу для жизни на Земле, в том числе участвовать в формировании черных дыр, «странной материи», магнитных монополий, радиации и т.д.
Ученые последовательно опровергают такие утверждения. Образование черной дыры невозможно, поскольку между протонами и звездами есть большая разница. «Странная материя» уже давно бы могла образоваться под действием космических лучей, и опасность этих гипотетических образований сильно преувеличена.
Коллайдер чрезвычайно безопасен: он отделен от поверхности 100-метровым слоем грунта, а персоналу запрещено находиться под землей во время проведения экспериментов.
История создания ускорителя, который мы знаем сегодня как большой адронный коллайдер, начинается ещё с 2007 года. Изначально хронология ускорителей началась с циклотрона. Прибор представлял собой небольшое устройство, которое легко умещалось на столе. Затем история ускорителей стала стремительно развиваться. Появился синхрофазотрон и синхротрон.
В истории, пожалуй, самым занимательным стал период с 1956 по 1957 годы. В те времена советская наука, в частности физика, не отставала от зарубежных братьев. Используя наработанный годами опыт, советский физик по имени Владимир Векслер совершил прорыв в науке. Им был создан самый мощный по тем временам синхрофазотрон. Его рабочая мощность была равна 10 гигаэлектронвольт (10 миллиардов электронвольт). После этого открытия создавались уже серьёзные образцы ускорителей: большой электронно-позитронный коллайдер, Швейцарский ускоритель, в Германии, США. Все они имели одну общую цель — изучение фундаментальных частиц кварков.
Большой адронный коллайдер был создан в первую очередь благодаря стараниям итальянского физика. Имя ему Карло Руббиа, лауреат Нобелевской премии. Во время своей деятельности Руббиа работал директором в Европейской организации по ядерным исследованиям. Решено было построить и запустить адронный коллайдер именно на месте центра исследований.
Где адронный коллайдер?
Коллайдер размещён на границе между Швейцарией и Францией. Длина его окружности составляет 27 километров, поэтому его и называют большим. Кольцо ускорителя уходит вглубь от 50 до 175 метров. В коллайдере установлено 1232 магнита. Они являются сверхпроводящими, а значит из них можно выработать максимальное поле для разгона, так как затраты энергии в таких магнитах практически отсутствуют. Общий вес каждого магнита составляет 3,5 тонны при длине 14,3 метра.
Как и любой физический объект, большой адронный коллайдер выделяет тепло. Поэтому его необходимо постоянно остужать. Для этого поддерживается температура 1,7 К с помощью 12 миллионов литров жидкого азота. Помимо этого, для охлаждения используется (700 тысяч литров), и самое важное - используется давление, которое в десять раз ниже нормального атмосферного.
Температура 1,7 К по шкале Цельсия составляет -271 градус. Такая температура почти близка к называется минимально возможный предел, который может иметь физическое тело.
Внутренняя часть тоннеля не менее интересна. Там находятся ниобий-титановые кабели со сверхпроводящими возможностями. Их длина составляет 7600 километров. Общий вес кабелей равен 1200 тонн. Внутренность кабеля — это сплетение 6300 проволок с общим расстоянием в 1,5 миллиарда километров. Такая длина равна 10 астрономическим единицам. Например, равняется 10 таким единицам.
Если говорить о его географическом местоположении, то можно сказать, что кольца коллайдера лежат меж городов Сен-Жени и Форнее-Вольтер, расположенными на французской стороне, а также Мейрин и Вессурат - со Швейцарской стороны. Маленькое кольцо, именуемое PS, проходит вдоль границы по диаметру.
Смысл существования
Для того чтобы ответить на вопрос «для чего нужен адронный коллайдер», нужно обратиться к учёным. Многие учёные говорят, что это самое великое изобретение за весь период существования науки, и то, что без него у науки, которая известна нам сегодня, просто нет смысла. Существование и запуск большого адронного коллайдера интересны тем, что при столкновении частиц в адронном коллайдере происходит взрыв. Все мельчайшие частицы разлетаются в разные стороны. Образовываются новые частицы, которые могут объяснить существование и смысл многого.
Первое, что учёные старались найти в этих разбившихся частицах — это теоретически предсказанную физиком Питером Хиггсом элементарную частицу, названную Это потрясающая частица является носителем информации, как считается. Ещё её принято называть «частицей Бога». Открытие ее приблизило бы учёных к пониманию вселенной. Нужно отметить, что в 2012 году, 4 июля, адронный коллайдер (запуск его частично удался) помог обнаружить похожую частицу. На сегодняшний день учёные пытаются изучить её подробнее.
Долго ли...
Конечно, сразу возникает вопрос, а почему учёные так долго изучают эти частицы. Если есть прибор, то можно запускать его, и каждый раз снимать все новые и новые данные. Дело в том, что работа адронного коллайдера — это дорогостоящее удовольствие. Один запуск обходится в большую сумму. Например, годовой расход энергии равняется 800 млн. кВт/ч. Такой объем энергии расходует город, в котором проживает около 100 тыс. человек, по средним меркам. И это не считая затрат на обслуживание. Ещё одна причина - это то, что у адронного коллайдера взрыв, который происходит при сталкивании протонов, связан с получением большого объёма данных: компьютеры считывают столько информации, что на обработку уходит большое количество времени. Даже несмотря на то что мощность компьютеров, которые получают информацию, велика даже по сегодняшним меркам.
Следующая причина — это не менее известная Учёные, работающие с коллайдером в этом направлении, уверены, что видимый спектр всей вселенной составляет всего 4%. Предполагается, что оставшиеся — это тёмная материя и тёмная энергия. Экспериментально пытаются доказать то, что эта теория верна.
Адронный коллайдер: за или против
Выдвинутая теория о тёмной материи поставила под сомнение безопасность существования адронного коллайдера. Возник вопрос: "Адронный коллайдер: за или против?" Он волновал многих учёных. Все великие умы мира разделились на две категории. «Противники» выдвинули интересную теорию о том, что если такая материя существует, то у неё должна быть противоположная ей частица. И при столкновении частиц в ускорителе возникает тёмная часть. Существовал риск того, что тёмная часть и часть, которую мы видим, столкнутся. Тогда это могло бы привести к гибели всей вселенной. Однако после первого запуска адронного коллайдера эта теория была частично разбита.
Далее по значимости идёт взрыв вселенной, вернее сказать - рождение. Считается, что при столкновении можно пронаблюдать то, как вселенная вела себя в первые секунды существования. То, как она выглядела после происхождения Большого взрыва. Считается, что процесс столкновения частиц очень схож с тем, который был в самом начале зарождения вселенной.
Ещё не менее фантастичная идея, которую проверяют учёные - это экзотические модели. Это кажется невероятным, но есть теория, которая предполагает, что существуют иные измерения и вселенные с похожими на нас людьми. И как ни странно, ускоритель и здесь сможет помочь.
Проще говоря, цель существования ускорителя в том, чтобы понять, что такое вселенная, как она была создана, доказать или опровергнуть все существующие теории о частицах и связанных с ними явлениях. Конечно, на это потребуются годы, но с каждым запуском появляются новые открытия, которые переворачивают мир науки.
Факты об ускорителе
Всем известно, что ускоритель разгоняет частицы до 99% скорости света, но не многие знают, что процент равен 99,9999991% от скорости света. Это потрясающая цифра имеет смысл благодаря идеальной конструкции и мощным магнитам ускорения. Также нужно отметить некоторые менее известные факты.
Приблизительно 100 млн. потоков с данными, которые приходят от каждого из двух основных детекторов, могут в считаные секунды заполнить больше 100 тысяч компакт-дисков. Всего за один месяц количество дисков бы достигло такой высоты, что если их сложить в стопу, то хватило бы до Луны. Поэтому было принято решение собирать не все данные, которые приходят с детекторов, а лишь те, которые разрешит использовать система сбора данных, которая по факту выступает как фильтр для полученных данных. Было решено записывать лишь 100 событий, которые возникли в момент взрыва. Записываться эти события будут в архив вычислительного центра системы Большого адронного коллайдера, который расположен в Европейской лаборатории по физике элементарных частиц, которая по совместительству является местом расположения ускорителя. Записываться будут не те события, которые были зафиксированы, а те, которые представляют для научного сообщества наибольший интерес.
Последующая обработка
После записи сотни килобайт данных будут обрабатывать. Для этого используется более двух тысяч компьютеров, расположенных, в ЦЕРН. Задача этих компьютеров заключается в обработке первичных данных и формировании из них базы, которая будет удобна для дальнейшего анализа. Далее сформированный поток данных будет направлен на вычислительную сеть GRID. Эта интернет-сеть объединяет тысячи компьютеров, которые располагаются в разных институтах по всему миру, связывает более сотни крупных центров, которые расположены на трёх континентах. Все такие центры соединены с ЦЕРН с использованием оптоволокна - для максимальной скорости передачи данных.
Говоря о фактах, нужно упомянуть также о физических показателях строения. Туннель ускорителя находится в отклонении на 1,4% от горизонтальной плоскости. Сделано это в первую очередь для того, чтобы поместить большую часть туннеля ускорителя в монолитную скалу. Таким образом, глубина размещения на противоположных сторонах разная. Если считать со стороны озера, которое находится недалеко от Женевы, то глубина будет равна 50 метрам. Противоположная часть имеет глубину 175 метров.
Интересно то, что лунные фазы влияют на ускоритель. Казалось бы, как такой отдалённый объект может воздействовать на таком расстоянии. Однако замечено, что во время полнолуния, когда происходит прилив, земля в районе Женевы, поднимается на целых 25 сантиметров. Это влияет на длину коллайдера. Протяжённость тем самым увеличивается на 1 миллиметр, а также изменяется энергия пучка на 0,02%. Поскольку контроль энергии пучка должен проходить вплоть до 0,002%, исследователи обязаны учитывать это явление.
Также интересно то, что туннель коллайдера имеет форму восьмиугольника, а не круга, как многие представляют. Углы образуются из-за коротких секций. В них располагаются установленные детекторы, а также система, которая управляет пучком ускоряющихся частиц.
Строение
Адронный коллайдер, запуск которого связан с использованием многих деталей и волнением учёных, - удивительное устройство. Весь ускоритель состоит из двух колец. Малое кольцо называется Протонный синхротрон или, если использовать аббревиатуры — PS. Большое кольцо - Протонный суперсинхротрон, или SPS. Совместно два кольца позволяют разогнать части до 99,9 % скорости света. При этом коллайдер повышает и энергию протонов, увеличивая их суммарную энергию в 16 раз. Также он позволяет сталкивать частицы между собой примерно 30 млн. раз/с. в течение 10 часов. От 4 основных детекторов получается по большей мере 100 терабайт цифровых данных в секунду. Получение данных обусловлено отдельными факторами. Например, они могут обнаружить элементарные частицы, которые имеют отрицательный электрический заряд, а также обладают половинным спином. Поскольку эти частицы являются неустойчивыми, то прямое их обнаружение невозможно, возможно обнаружить только их энергию, которая будет вылетать под определённым углом к оси пучка. Эта стадия называется первым уровнем запуска. За этой стадией следят более чем 100 специальных плат обработки данных, в которые встроены логические схемы реализации. Эта часть работы характерна тем, что в период получения данных происходит отбор более чем 100 тысяч блоков с данными в одну секунду. Затем эти данные будут использоваться для анализа, который происходит с использованием механизма более высокого уровня.
Системы следующего уровня, наоборот, принимают информацию от всех потоков детектора. Программное обеспечение детектора работает в сети. Там оно будет использовать большое количество компьютеров для обработки последующих блоков данных, среднее время между блоками - 10 микросекунд. Программы должны будут создавать отметки частиц, соответствуя изначальным точкам. В результате получится сформированный набор данных, состоящих из импульса, энергии, траектории и других, которые возникли при одном событии.
Части ускорителя
Весь ускоритель можно поделить на 5 основных частей:
1) Ускоритель электронно-позитронного коллайдера. Деталь, представляет собой около 7 тысяч магнитов со сверхпроводящими свойствами. С помощью них происходит направление пучка по кольцевому туннелю. А также они сосредотачивают пучок в один поток, ширина которого уменьшится до ширины одного волоса.
2) Компактный мюонный соленоид. Это детектор, предназначенный для общего назначения. В таком детекторе ведутся поиски новых явлений и, например, поиск частиц Хиггса.
3) Детектор LHCb. Значение этого устройства заключается в поиске кварков и противоположных им частиц - антикварков.
4) Тороидальная установка ATLAS. Этот детектор предназначен для фиксации мюонов.
5) Alice. Этот детектор захватывает столкновения ионов свинца и протон-протонные столкновения.
Проблемы при запуске адронного коллайдера
Несмотря на то что наличие высоких технологий исключает возможность ошибок, на практике все иначе. Во время сборки ускорителя происходили задержки, а также сбои. Нужно сказать, что неожиданной такая ситуация не была. Устройство содержит столько нюансов и требует такой точности, что учёные ожидали подобных результатов. Например, одна из проблем, которая встала перед учёными во время запуска - отказ магнита, который фокусировал пучки протонов непосредственно перед их столкновением. Эта серьёзная авария была вызвана разрушением части крепления вследствие потери сверхпроводимости магнитом.
Эта проблема возникла 2007 году. Из-за неё запуск коллайдера откладывали несколько раз, и только в июне запуск состоялся, спустя почти год коллайдер все же запустился.
Последний запуск коллайдера прошёл успешно, было собрано множество терабайт данных.
Адронный коллайдер, запуск которого состоялся 5 апреля 2015 года, успешно функционирует. В течение месяца пучки будут гонять по кольцу, постепенно увеличивая мощность. Цели для исследования как таковой нет. Будет повышена энергия столкновения пучков. Значение поднимут с 7 ТэВ до 13 ТэВ. Такое увеличение позволит увидеть новые возможности при столкновении частиц.
В 2013 и 2014 гг. проходили серьёзные технические осмотры туннелей, ускорителей, детекторов и другого оборудования. В результате было 18 биполярных магнитов со сверхпроводящей функцией. Нужно отметить, что общее количество их составляет 1232 штуки. Однако оставшиеся магниты не остались без внимания. В остальных заменили системы защиты от остывания, поставили улучшенные. Также улучшена охлаждающая система магнитов. Это позволяет им оставаться при низких температурах с максимальной мощностью.
Если все пройдёт успешно, то следующий запуск ускорителя пройдёт лишь через три года. Через этот период намечены плановые работы по улучшению, техническому осмотру коллайдера.
Нужно отметить, что ремонт обходится в копейку, не учитывая стоимость. Адронный коллайдер, по состоянию на 2010 год имеет цену, равную 7,5 млрд. евро. Эта цифра выводит весь проект на первое место в списке самых дорогих проектов в истории науки.
Где находится большой адронный коллайдер?
В 2008 году CERN (Европейский совет ядерных исследований) завершил строительство сверхмощного ускорителя частиц, названного Большой адронный коллайдер. По-английски: LHC – Large Hadron Collider. CERN – международная межправительственная научная организация, образованная в 1955 году. По сути, это главная лаборатория мира в областях высоких энергий, физики частиц и солнечной энергетики . Членами организации являются порядка 20 стран.
Зачем нужен большой адронный коллайдер?
В окрестностях Женевы в 27-километровом (26 659 м) круговом бетонном тоннеле создано кольцо сверхпроводящих магнитов для разгона протонов. Предполагается, что ускоритель поможет не только проникнуть в тайны микроструктуры материи, но и позволит продвинуться в поисках ответа на вопрос о новых источниках энергии в глубине материи.
С этой целью одновременно со строительством самого ускорителя (стоимостью свыше 2 млрд долларов) созданы четыре детектора частиц. Из них два больших универсальных (CMS и ATLAS) и два – более специализированных. Общая стоимость детекторов приближается также к 2 млрд долларов. В каждом из больших проектов CMS и ATLAS приняли участие свыше 150 институтов из 50 стран, в том числе российских и белорусских.
Охота за неуловимым бозоном Хиггса
Как работает адронный коллайдер ускоритель? Коллайдер – это крупнейший ускоритель протонов, работающий на встречных пучках. В результате ускорения каждый из пучков будет иметь энергию в лабораторной системе 7 тераэлектрон-вольт (ТэВ), то есть 7x1012 электрон-вольт. При столкновении протонов образуется множество новых частиц, которые будут регистрироваться детекторами. После анализа вторичных частиц полученные данные помогут ответить на фундаментальные вопросы, волнующие ученых, занимающихся физикой микромира и астрофизикой. В числе главных вопросов – экспериментальное обнаружение бозона Хиггса.
Ставший «знаменитым» бозон Хиггса – гипотетическая частица, являющаяся одним из главных компонентов так называемой стандартной, классической модели элементарных частиц. Назван по имени британского теоретика Питера Хиггса, предсказавшего его существование в 1964 году. Считается, что хиггсовские бозоны, будучи квантами поля Хиггса, имеют отношение к фундаментальным вопросам физики. В частности – к концепции происхождения масс элементарных частиц.
2-4 июля 2012 ряд экспериментов на коллайдере выявили некую частицу, которую можно соотнести с бозоном Хиггса. Причем, данные подтвердились при измерении и системой ATLAS, и системой CMS. До сих пор идут споры, действительно ли открыт пресловутый бозон Хиггса, или это другая частица. Факт в том, что обнаруженный бозон – самый тяжелый из ранее фиксировавшихся. Для решения фундаментального вопроса были приглашены ведущие физики мира: Джеральд Гуральник, Карл Хаген, Франсуа Энглер и сам Питер Хиггс, теоретически обосновавший в далеком 1964 году существование бозона, названного в его честь. После анализа массива данных, участники исследования склонны считать, что бозон Хиггса действительно обнаружен.
Многие физики надеялись, что при исследовании бозона Хиггса выявятся «аномалии», которые заставили бы говорить о так называемой «Новой физике». Однако к концу 2014 года обработан почти весь массив данных, накопленный за три предыдущих года в результате экспериментов на БАК, и интригующих отклонений (за исключением отдельных случаев) не выявлено. На поверку оказалось, что двухфотонный распад пресловутого бозона Хиггса оказался, по словам исследователей, «слишком стандартным». Впрочем, намеченные на весну 2015 года эксперименты могут удивить научный мир новыми открытиями.
Не бозоном единым
Поиск бозона Хиггса – не самоцель гигантского проекта. Для ученых также важен поиск новых видов частиц, позволяющих судить о едином взаимодействии природы на ранней стадии существования Вселенной. Сейчас ученые различают четыре фундаментальных взаимодействия природы: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Теория предполагает, что на начальной стадии Вселенной, возможно, существовало единое взаимодействие. Если новые частицы будут открыты, то подтвердится эта версия.
Физиков также волнует вопрос о загадочном происхождении массы частиц. Почему частицы вообще имеют массу? И почему они имеют такие массы, а не другие? Попутно здесь всегда имеется в виду формула Е =mc ². В любом материальном объекте есть энергия. Вопрос в том, как ее высвободить. Как создать такие технологии, которые позволили бы высвобождать ее из вещества с максимальным коэффициентом полезного действия? На сегодня это основной вопрос энергетики.
Иными словами, проект Большого адронного коллайдера поможет ученым найти ответы на фундаментальные вопросы и расширить знания о микромире и, таким образом, – о происхождении и развитии Вселенной.
Вклад белорусских и российских ученых и инженеров в создание БАК
На этапе строительства европейские партнеры из CERN обратились к группе белорусских ученых, имеющих серьезные наработки в этой области, принять участие в создании детекторов для LHC с самого начала проекта. В свою очередь, белорусские ученые пригласили к сотрудничеству коллег Объединенного института ядерных исследований из наукограда Дубна и других российских институтов. Специалисты единой командой приступили к работе над так называемым детектором CMS – «Компактным мюонным соленоидом». Он состоит из многих сложнейших подсистем, каждая из которых сконструирована так, чтобы выполнялись специфические задачи, при этом совместно они обеспечивают идентификацию и точное измерение энергий и углов вылета всех частиц, рождающихся в момент протонных столкновений в БАК.
Белорусско-российские специалисты также участвовали в создании детектора ATLAS. Это установка высотой 20 м, способная измерить траектории частиц с высокой точностью: до 0,01 мм. Чувствительные датчики внутри детектора содержат около 10 млрд транзисторов. Приоритетная цель эксперимента ATLAS состоит в обнаружении бозона Хиггса, изучении его свойств.
Без преувеличения, наши ученые внесли существенный вклад в создание детекторов CMS и ATLAS. Некоторые важные компоненты были изготовлены на минском Машиностроительном заводе им. Октябрьской революции (МЗОР). В частности – торцевые адронные калориметры для эксперимента CMS. Кроме того, завод произвел весьма сложные элементы магнитной системы детектора ATLAS. Это крупногабаритные изделия, требующие владения специальными технологиями обработки металлов и сверхточной обработки. По оценке техников CERN, заказы были выполнены блестяще.
Нельзя недооценивать и «вклад личностей в историю». Например, инженер кандидат технических наук Роман Стефанович ответственен в проекте CMS за сверхточную механику. В шутку даже говорят, что без него CMS не был бы собран. Но если серьезно, то можно вполне определенно утверждать: без него сроки сборки и наладки при требуемом качестве не были бы выдержаны. Другой наш инженер-электронщик Владимир Чеховский, пройдя достаточно сложный конкурс, сегодня отлаживает электронику детектора CMS и его мюонных камер.
Наши ученые участвуют как в запуске детекторов, так и в лабораторной части, в их эксплуатации, поддержании и обновлении. Ученые из Дубны и их белорусские коллеги полноправно занимают свои места в международном физическом сообществе CERN, которое трудится ради получения новой информации о глубинных свойствах и строении материи.
Видео
Обзор от канала Простая наука, наглядно показывающий принцип действия ускорителя:
Обзор от уанала Галилео:
Обзор от уанала Галилео:
Адронный коллайдер запуск 2015:
Большой адронный коллайдер (БАК) - это ускоритель заряженных частиц, с помощью которого физики смогут узнать о свойсвтах материи значительно больше, чем было известно раньше. Ускорители используются для получения заряженных элементарных частиц высоких энергий. В основе работы практически любого ускорителя лежит взаимодействие заряженных частиц с электрическим и магнитным полями. Электрическое поле напрямую совершает работу над частицей, то есть увеличивает её энергию, а магнитное поле, создавая силу Лоренца, только отклоняет частицу, не изменяя её энергии, и задаёт орбиту, по которой движутся частицы.
Коллайдер (англ. collide - "сталкиваться") - ускоритель на встречных пучках, предназначенный для изучения продуктов их соударений. Позволяет придать элементарным частицам вещества высокую кинетическую энергию, направить их навстречу друг другу, чтобы произвести их столкновение.
Почему "большой адронный"
Большим коллайдер назван, собственно, из-за своих размеров. Длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м; адронным - из-за того, что он ускоряет адроны, то есть тяжёлые частицы, состоящие из кварков.
Построен БАК в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (ЦЕРН), на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы. На сегодняшний день БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. Руководителем этого масштабного проекта является британский физик Лин Эванс, а в строительстве и исследованиях принимали и принимают участие более 10 тыс. учёных и инженеров из более чем 100 стран.
Небольшой экскурс в историю
В конце 60-х годов прошлого века физиками была разработана так называемая Стандартная модель. Она объединяет три из четырёх фундаментальных взаимодействий - сильное, слабое и электромагнитное. Гравитационное взаимодействие по-прежнему описывают в терминах общей теориии относительности. То есть, на сегодняшний день фундаментальные взаимодействия описываются двумя общепринятыми теориями: общей теорией относительности и стандартной моделью.
Считается, что стандартная модель должна быть частью некоторой более глубокой теории строения микромира, той частью, которая видна в экспериментах на коллайдерах при энергиях ниже примерно 1 ТэВ(тераэлектронвольт). Главная задача Большого адронного коллайдера - получить хотя бы первые намеки на то, что это за более глубокая теория.
В число основных задач коллайдера входит также открытие и подтверждение Бозона Хиггса. Это открытие подтвердило бы Стандартную Модель возникновения элементарных атомных частиц и стандартной материи. Во время запуска коллайдера на полную мощность целостность Стандартной Модели будет разрушена. Элементарные частицы, свойства которых мы понимаем лишь частично, не будут в состоянии поддерживать свою структурную целостность. У Стандартной Модели есть верхняя граница энергии 1 ТэВ, при увеличении которой частица распадается. При энергии в 7 ТэВ могли бы быть созданы частицы с массами, в десять раз больше чем ныне известные.
Технические характеристики
Предполагается сталкивать в ускорителе протоны с суммарной энергией 14 ТэВ (то есть 14 тераэлектронвольт или 14·1012 электронвольт) в системе центра масс налетающих частиц, а также ядра свинца с энергией 5 ГэВ (5·109 электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов.
Светимость БАК во время первых недель работы пробега была не более 1029 частиц/см²·с, тем не менее она продолжает постоянно повышаться. Целью является достижение номинальной светимости в 1,7·1034 частиц/см²·с, что по порядку величины соответствует светимостям BaBar (SLAC, США) и Belle(KEK, Япония).
Ускоритель расположен в том же туннеле, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер, под землёй на территории Франции и Швейцарии. Глубина залегания туннеля - от 50 до 175 метров, причём кольцо туннеля наклонено примерно на 1,4 % относительно поверхности земли. Для удержания, коррекции и фокусировки протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км. Магниты работают при температуре 1,9 K (−271 °C), что немного ниже температуры перехода гелия в сверхтекучее состояние.
Детекторы БАК
На БАК работают 4 основных и 3 вспомогательных детектора:
- ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
- ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)
- CMS (Compact Muon Solenoid)
- LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment)
- TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement)
- LHCf (The Large Hadron Collider forward)
- MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC).
Первый из них настроен для исследования столкновений тяжёлых ионов. Температура и плотность энергии образованной при этом ядерной материи достаточной для рождения глюонной плазмы. Внутренняя система слежения (ITS) в ALICE состоит из шести цилиндрических слоев кремниевых датчиков, окружающих пункт столкновения и измеряющих свойства и точные положения появляющихся частиц. Таким образом могут быть легко обнаружены частицы, содержащие тяжелый кварк.
Второй предназначен для исследования столкновений между протонами. Длина ATLAS – 44 метра, 25 метров в диаметре и вес приблизительно 7000 тонн. В центре тоннеля сталкиваются лучи протонов, это самый большой и самый сложный из когда либо построенных датчиков такого типа. Датчик фиксирует все, что происходит во время и после столкновения протонов. Целью проекта является обнаружение частиц, до этого не зарегистрированных и не обнаруженных в нашей вселенной.
CMS - один из двух огромных универсальных детекторов элементарных частиц на БАК. Около 3600 ученых из 183 лабораторий и университетов 38 стран, поддерживают работу CMS (На рисунке - устройство CMS).
Самый внутренний слой - основанный на кремнии трекер. Трекер - самый большой в мире кремниевый датчик. У этого есть 205 m2 кремниевых датчиков (приблизительно область теннисного корта), включающих 76 миллионов каналов. Трекер позволяет измерять следы заряженных частиц в электромагнитном поле.
На втором уровне находиться Электромагнитный калориметр. Адронный Калориметр, находящийся на следующем уровне, измеряет энергию отдельных адронов, произведенных в каждом случае.
Следующий слой CMS Большого Адронного Коллайдера – огромный магнит. Большой Соленоидный Магнит составляет 13 метров в длину и имеет 6-метровый диаметр. Состоит он из охлаждаемых катушек, сделанных из ниобия и титана. Этот огромный соленоидный магнит работает на полную силу, чтоб максимизировать время существования частиц соленоидный магнит.
Пятый слой - мюонные детекторы и ярмо возврата. CMS предназначен для исследования различных типов физики, которые могли бы быть обнаружены в энергичных столкновениях LHC. Некоторые из этих исследований заключаются в подтверждении или улучшенных измерениях параметров Стандартной Модели, в то время как многие другие - в поисках новой физики.
О Большом адронном коллайдере можно рассказывать много и долго. Надеемся, что наша статья помогла разобраться в том, что же такое БАК и для чего он необходим учёным.
В этом году ученые планируют воспроизвести в ядерной лаборатории те далекие первозданные условия, когда еще не было протонов и нейтронов, а существовала сплошная кварк-глюонная плазма. Иными словами, исследователи надеются увидеть мир элементарных частиц в том виде, каким он был всего через доли микросекунд после Большого взрыва, то есть после образования Вселенной. Программа называется «Как все началось». Кроме того, уже более 30 лет в научном мире выстраиваются теории, объясняющие наличие массы у элементарных частиц. Одна из них предполагает существование бозона Хиггса. Эту элементарную частицу называют еще божественной. Как сказал один из сотрудников ЦЕРН, «поймав следы Хиггс-бозона, я приду к собственной бабушке и скажу: посмотри-ка, пожалуйста, - из-за этой маленькой штучки у тебя столько лишних килограммов». Но экспериментально существование бозона пока не подтверждено: все надежды - на ускоритель LHC.
Большой адронный коллайдер – ускоритель частиц, благодаря которому физики смогут проникнуть так глубоко внутрь материи, как никогда ранее. Суть работ на коллайдере заключается в изучении столкновения двух пучков протонов с суммарной энергией 14 ТэВ на один протон. Эта энергия в миллионы раз больше, чем энергия, выделяемая в единичном акте термоядерного синтеза. Кроме того, будут проводиться эксперименты с ядрами свинца, сталкивающимися при энергии 1150 ТэВ.
Ускоритель БАК обеспечит новую ступень в ряду открытий частиц, которые начались столетие назад. Тогда ученые еще только обнаружили всевозможные виды таинственных лучей: рентгеновские, катодное излучение. Откуда они возникают, одинаковой ли природы их происхождение и, если да, то какова она?
Сегодня мы имеем ответы на вопросы, позволяющие гораздо лучше понять происхождение Вселенной. Однако в самом начале XXI века перед нами стоят новые вопросы, ответы на которые ученые надеются получить с помощью ускорителя БАК. И кто знает, развитие каких новых областей человеческих знаний повлекут за собой предстоящие исследования. А пока же наши знания о Вселенной недостаточны.
Комментирует член-корреспондент РАН из Института физики высоких энергий Сергей Денисов:
- В этом коллайдере участвует много российских физиков, которые связывают определенные надежды с открытиями, которые могут там произойти. Основное событие, которое может случиться – это открытие так называемой гипотетической частицы Хиггса (Питер Хиггс — выдающийся шотландский физик.). Роль этой частицы чрезвычайно важна. Она ответственна за образование массы других элементарных частиц. Если такую частицу откроют, то это будет величайшим открытием. Оно подтвердило бы так называемую Стандартную модель, которая сейчас широко используется для описания всех процессов в микромире. Пока эта частица не будет открыта, эту модель нельзя считать полностью обоснованной и подтвержденной. Это, конечно, самое первое, чего ученые ожидают от этого коллайдера (LHC).
Хотя, вообще говоря, никто не считает эту Стандартную модель истиной в последней инстанции. И, скорее всего, по мнению большинства теоретиков, она является приближением или, иногда говорят, «низкоэнергетическим приближением» к более Общей теории, которая описывает мир на расстояниях в миллион раз меньших, чем размер ядер. Это примерно как теория Ньютона является «низкоэнергетическим приближением» к теории Эйнштейна – теории относительности. Вторая важная задача, связанная с коллайдером – это попытаться перейти за пределы этой самой Стандартной модели, то есть совершить переход к новым пространственно-временным интервалам.
Физики смогут понять, в каком направлении надо двигаться, чтобы построить более красивую и более Общую теорию физики, которая будет эквивалентна таким малым пространственно-временным интервалам. Те процессы, которые там изучаются, воспроизводят по сути процесс образования Вселенной, как говорят, «в момент Большого Взрыва». Конечно, это для тех, кто верит в эту теорию о том, что Вселенная создавалась таким образом: взрыв, затем процессы при супервысоких энергиях. Оговариваемое путешествие во времени может оказаться связанным с этим Большим Взрывом.
Как бы там ни было, БАК – это достаточно серьезное продвижение в глубь микромира. Поэтому могут открыться совершенно неожиданные вещи. Скажу одно, что на БАКе могут быть открыты совершенно новые свойства пространства и времени. В каком направлении они будут открыты – сейчас сказать трудно. Главное – прорываться дальше и дальше.
Справка
Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН) — крупнейший в мире научно-исследовательский центр в области физики частиц. К настоящему времени число стран-участниц выросло до 20. Около 7000 ученых, представляющих 500 научных центров и университетов, пользуются экспериментальным оборудованием ЦЕРН. Кстати, в работе над Большим адронным коллайдером принимал непосредственное участие и российский Институт ядерной физики СО РАН. Наши специалисты сейчас заняты монтажом и тестированием оборудования, которое разработано и произведено в России для этого ускорителя. Ожидается, что Большой адронный коллайдер будет запущен в мае 2008 года. Как выразился Лин Эванс, глава проекта, ускорителю не хватает лишь одной детали – большой красной кнопки.
