Большой адронный коллайдер (бак или lhc) – все о космосе

Будущее большого адронного коллайдера

«Наука требует жертв». Этот девиз, утверждение, вопрос, констатация факта – актуален как никогда. Наука продвигается вперед, возрастают и необходимые жертвы… Наука не остается обделенной жертвами, на ее алтарь приносят физические и душевные силы, верность и материальные блага. Приносят все люди, в той или иной степени, от школьника до академика.

Жертвы приносят науке прогресс и процветание. Даже когда, кажется, что достижение стало наивысшим, когда кажется что большего не достичь, наука требует большего. На пороге XXI века казалось, что Большой Адронный Коллайдер (БАК) стал вершиной научной мысли.

Однако, сегодня, его пользователи, ведущие мировые ученые, стали ясно понимать, что на БАК наука не остановится. Для продолжения работ понадобится нечто более мощное и передовое в техническом плане.

Европейская организация ядерных исследований CERN много сил и средств затратила на создание нынешнего 27-ми километрового коллайдера, оснащенного множеством научных приборов и управляющего оборудования. Эти усилия принесли свои плоды и будут полезны ближайшие 10-15 лет.

В ближайшие годы CERN планирует осуществить проект создания более мощного коллайдера Future Circular Collider, который в три раза превзойдет существующий.

Для проектных работ CERN заключила контракт с международной проектной компанией Arup, которая приступила к созданию специального программного комплекса моделирования нового коллайдера, который должен учесть все детали сооружения – от программного обеспечения до строительства туннеля ускорителя длиной около 100 км, а так же всей сопутствующей инфраструктуры.

После разработки программного обеспечения станет возможным выбор места строительства с учетом геологических особенностей места и различных экономических показателей. Выбор места строительства является основополагающим, так как строителям придется придерживаться филигранной точности в рытье туннеля, круг которого должен быть идеальным.

Чтобы представить сложность и точность предстоящих работ, нужно сказать несколько слов об оснастке Future Circular Collider и условиях для его успешной работы. Туннель для разгона частиц должен иметь мощную систему охлаждения, так как рабочая температура процесса не должна превышать двух градусов выше абсолютного нуля.

Трек ускорителя должен быть оборудован 1232-мя дипольными магнитами 15-ти метровой длины. Магнитные поля дипольных магнитов будут изгибать поток частиц так, чтобы траектория потока была круговой. Оснащение 392-мя четырехпольными магнитами, по 7 м каждый, позволит обеспечить необходимую фокусировку потоков. Наладка должна быть такой точной, чтобы обеспечить столкновение потоков частиц.

Это сродни дуэли двух иголок, которыми выстрелили с расстояния в 10 км, при этом иголки должны столкнуться своими остриями.

Строительство нового Future Circular Collider обеспечит исследование взаимодействия кварков с глюонами, позволит проводить исследования материи и других областях фундаментальной науки, которые уже не в состоянии обеспечить БАК.

Даже проведенная за последние 2 года модернизация БАКа, не сможет уберечь его от потери своего престижа и исчерпания потенциальных возможностей. Прогресс неумолим, наука движется вперед, на смену устаревшей технике неминуемо приходит передовая. Так это работает, так и будет продолжаться.

Будущее существующего адронного коллайдера незавидное…

Не обязательно ходить в магазин, чтобы узнать цены на мебель в наше время. Например, http://kvartiramebel.ru на сайте kvartiramebel.ru представлена в большом количестве с указанием цен и характеристик мебели.

Источник: http://pochemuha.ru/budushhee-bolshogo-adronnogo-kollajdera

Большой адронный коллайдер – зачем он нужен?

Большой адронный коллайдер (или БАК)  – на данный момент самый большой и мощный ускоритель частиц в мире. Эта махина была запущена в 2008 году, но долго работала на пониженных мощностях. Разберемся, что это такое и зачем нужен большой адронный коллайдер.

История, мифы и факты

Идея создания коллайдера была озвучена в 1984 году. А сам проект на строительство коллайдера был одобрен и принят аж в 1995 году. Разработка принадлежит Европейскому центру ядерных исследований (CERN). Вообще запуск коллайдера привлек к себе большое внимание не только ученых, но и простых людей со всего мира. Говорили о всевозможных  страхах и ужасах, связанных с запуском коллайдера.

Впрочем, кто-то и сейчас, вполне возможно, ждет апокалипсиса, связанного с работой БАК и тресется от одной мысли о том, что будет, если ч взорвется большой адронный коллайдер.

Хотя, в первую очередь все боялись черной дыры, которая, сначала будучи микроскопической, разрастется и благополучно поглотит сначала сам коллайдер, а за ним Швейцарию и весь остальной мир. Также большую панику вызывала аннигиляционная катастрофа. Группа ученых даже подала в суд, пытаясь остановить строительство.

В заявлении говорилось, что сгустки антиматерии, которые могут быть получены в коллайдере, начнут аннигилировать с материей, начнется цепная реакция и вся Вселенная будет уничтожена. Как говорил известный персонаж из «Назад в Будущее»:

Коллайдер уничтожает землю

А теперь попытаемся понять, почему он адронный? Дело в том, что он работает с адронами, точнее разгоняет, ускоряет и сталкивает адроны.

Адроны делятся на барионы и мезоны. Чтобы было проще, скажем, что из барионов состоит почти все известное нам вещество. Упростим еще больше и скажем, что  барионы – это нуклоны (протоны и нейтроны, составляющие атомное ядро).

Столкновение частиц

Как работает большой адронный коллайдер

Масштаб очень впечатляет. Коллайдер представляет собой кольцевой туннель, залегающий под землей на глубине ста метров. Длина большого адронного коллайдера составялет 26 659 метров.

  Протоны, разогнанные до скоростей близких к скорости света, пролетают в подземном круге по территории Франции и Швейцарии. Если говорить точно, то глубина залегания туннеля лежит в пределах от 50 до 175 метров.

Для фокусировки и удержания пучков  летящих протонов используются сверхпроводящие магниты, их общая длина составляет около 22 километров, а работают они при температуре -271 градусов по Цельсию.

Детектор на БАК

В составе коллайдера 4 гигантских детектора:  ATLAS, CMS, ALICE и LHCb. Помимо основных больших детекторов, есть еще и вспомогательные. Детекторы предназначены для фиксации результатов столкновений частиц.

То есть после того, как на околосветовых скоростях сталкиваются два протона, никто не знает чего ожидать.

Чтобы «увидеть», что получилось, куда отскочило и как далеко улетело, и существуют детекторы, напичканные всевозможными датчиками.

Большой адронный коллайдер. Фото расположения

Результаты работы большого адронного коллайдера

Зачем нужен коллайдер? Ну уж точно не для того, чтобы уничтожить Землю.

Казалось бы, какой смысл сталкивать частицы? Дело в том, что вопросов без ответов в современной физике очень много, и изучение мира с помощью разогнанных частиц может в буквальном смысле открыть новый пласт реальности, понять устройство мира, а может быть даже ответить на главный вопрос «смысла жизни, Вселенной и вообще».

Какие открытия уже совершили на БАК? Самое знаменитое – это открытие бозона Хиггса (ему мы посвятим отдельную статью).

Помимо того были открыты 5 новых частиц, получены первые данные столкновений на рекордных энергиях, показано отсутствие асимметрии протонов и антипротонов, обнаружены необычные корреляции протонов.

Список можно продолжать долго. А вот микроскопических черных дыр, которые наводили страх на домохозяек, обнаружить не удалось.

Большой адронный коллайдер

И это при том, что коллайдер еще не разогнали до его максимальной мощности. Сейчас максимальная энергия большого адронного коллайдера – 13 ТэВ (тера электрон-Вольт).

Однако, после соответствующей подготовки протоны планируют разогнать до 14 ТэВ. Для сравнения, в ускорителях- предшественниках БАК максимально полученные энергии не превышали 1 ТэВ. Так разгонять частицы мог американский ускоритель Тэватрон из штата Иллинойс.

Энергия, достигнутая в коллайдере – далеко не самая Большая в мире. Так, энергия космических лучей, зафиксированных на Земле, превышает энергию частицы, разогнанной в коллайдере в миллиард раз! Так что, опасность большого адронного коллайдера минимальна.

Вполне вероятно, что после того, как все ответы будут получены с помощью БАК, человечеству придется строить еще один коллайдер по-мощнее.

Друзья, любите науку, и она обязательно полюбит Вас! А помочь Вам полюбить науку легко смогут наши авторы. Обращайтесь за помощью, и пусть учеба приносит радость!

Оцените материал 5 984

Источник: https://Zaochnik.ru/blog/bolshoj-adronnyj-kollajder-zachem-on-nuzhen/

Мифы о Большом адронном коллайдере

Сначала о реальном. Большой адронный коллайдер существует. Это ускоритель заряженных частиц на встречных пучках. Предназначен для разгона протонов и тяжёлых ионов (в данном конкретном случае ионов свинца) и изучения продуктов их соударений.

Коллайдер расположился на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы. Сейчас это самая крупная в мире экспериментальная установка: его общая длина составляет 27 километров.

Да и по стоимости она самая-самая: строительство Большого адронного коллайдера обошлось в 10 миллиардов долларов.

Правда, как подсчитал некто интересующийся и поделился информацией с жителями Сети, в сравнении со строительством дороги в Москве сумма просто теряется: на эти деньги можно построить лишь 13 километров четвёртого транспортного кольца в Москве.

Одна из основных целей эксперимента – это получение на практике бозона Хиггса: элементарной частицы, которую физикам пока так и не удалось обнаружить опытным путём.

Также физики планируют, что с помощью БАКа им удастся воспроизвести условия, близкие к тем, что имели место быть после Большого взрыва, породившего Вселенную.

Несомненно, энергия, высвобождаемая в результате столкновения протонов, велика, но она не превышает энергию, выделяемую при взрыве атомной бомбы и не достаточна для начала Апокалипсиса. Хотя мнений на этот счёт бытует много.

В ходе эксперимента в коллайдере будут появляться микроскопические чёрные дыры. Отсюда самые большие опасения граждан.

Ведь, несмотря на малый размер и заверения учёных об их мгновенном рассасывании, они – братья меньшие внушающих ужас небесных тел, пожирающих все близлежащие объекты.

И по одним теориям они, притягивая заряженные частицы, могут постепенно увеличиться в размере и, в конце концов, поглотить всю Землю вместе с нами. Приятного мало. Но только слишком уж это надуманно.

Пожалуй, внушает реальные опасения лишь то, что результаты эксперимента абсолютно непредсказуемы. Ещё вместе с Большим адронным коллайдером появилось предсказание о создании машины времени. Это объясняется тем, что протонные столкновения способны породить так называемые «кротовые норы» – туннели, ведущие в иное пространство или время.

И хотя подобные предсказания конца света не новы и не убедительны, многих людей охватило «апокалипсическое настроение».

Так, двое жителей штаты Гавайи даже обратились в окружной суд с иском о прекращении работ по сооружению «смертоносной» машины, а группа европейских учёных подала жалобу в Европейский суд по правам человека. Оба иска были отклонены.

А Большой адронный коллайдер (LHC – его английская аббревиатура) получил в народе ещё одно название, сохраняющее прежнее сочетание заглавных букв: Последний адронный коллайдер (Last Hadron Collider).

А пока в воздухе витают пессимистичные настроения, эксперимент так и не удаётся провести. С первого запуска сентября 2008 года произошло уже четыре крупных поломки установки.

Её планировалось запустить этим летом, но очередная неисправность вновь помешала физикам.

Череда неудач сразу же дала повод подумать о великом вселенском замысле, не дающем нам проникнуть в тайны мироздания или хранящем нас от большой опасности.

Читайте также:  Стелларатор - все о космосе

»

Источник: http://mozg.by/content/mify-o-bolshom-adronnom-kollaidere

Большой адронный коллайдер


Общий вид детектора CMS
Детектор ATLAS в процессе сборки
Проекционная камера детектора ALICE

Характерно, что запуск адронного коллайдера и будущие эксперименты с его использованием вызвали неподдельный интерес не только у физиков, как это обычно бывало, но и у «широких кругов общественности».

Эксперименты и их вероятные мрачные последствия бурно обсуждались в Интернете, на телевидении и в печати. Газеты пестрели заголовками — «Большой адронный коллайдер — путь к катастрофе или открытиям?», «Большой адронный коллайдер — конец света!», «БАК: Будет Аннигиляционная Катастрофа?» и т.д.

Страхи касались в первую очередь истории о страшной черной дыре, которая возникнет в месте столкновения частиц и, быстро разрастаясь, через некоторое время пожрет не только Женевский аэропорт и Юрские горы, но и всю нашу планету.

Кроме того, было озвучено еще несколько апокалиптических сценариев, включающих превращение всех атомных ядер нашей планеты в так называемое «странное» вещество, разрушение протонов магнитными монополями и даже стремительное крушение привычной нам структуры всей Вселенной при расширении созданного в ускорителе пузыря «истинного» вакуума.

Появились и мрачные анекдоты, как например: — У физиков есть традиция — раз в 50 миллиардов лет (считается, что именно столько времени прошло с момента Большого взрыва, в результате которого и возникла наша Вселенная) они собираются и строят адронный коллайдер… — Черные дыры — это места, где инопланетяне изобрели коллайдеры раньше нас.

— Что все так боятся адронного коллайдера? Говорят же вам, ничего не будет! В радиусе 30 световых лет ничего не будет!

Дело дошло даже до судов… 30 августа в Европейском суде по правам человека в Страсбурге состоялось судебное разбирательство, на котором слушался иск группы ученых, которые, пытаясь запретить запуск Большого адронного коллайдера, заявляли, что эксперимент может привести к непредсказуемым последствиям, угрожающим всей Земле.

Речь шла о теоретической возможности появления в коллайдере микроскопических черных дыр, а также возможности образования сгустков антиматерии и магнитных аномалий с последующей неконтролируемой цепной реакцией захвата окружающей материи.
Словом, страх перед этим доселе невиданным экспериментом разбудил фантазию человечества.

Так же, как это было перед испытанием первой водородной бомбы. Ведь тогда даже некоторые физики всерьез опасались, что ее взрыв инициирует термоядерную реакцию по всей планете — и она вспыхнет, словно новая звезда.

Но этого не случилось, потому что мощности даже миллиарда самых мощных водородных бомб (типа советской «Кузькиной матери») было бы для этого, конечно же, недостаточно.

Кстати, все современные физические эксперименты и исследования требуют очень мощную компьютерную технику. Эта техника дорого стоит и должна быть в идеальном рабочем состоянии. Поддерживают компьютеры в “здравии” высоквалифицированные специалисты. Они же производят абонентское обслуживание компьютеров, которое доступно каждому из вас.

Что такое Большой адронный коллайдер?

Итак, что же такое Большой адронный коллайдер (англ. Large Hadron Collider, LHC; русск. сокр.

 — БАК)?
Большой адронный коллайдер — это типичный (хотя и сверхмощный) ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжелых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений.

По существу БАК — это микроскоп, с помощью которого физики будут пытаться разглядеть, из чего и как сделана материя, получая сведения об ее устройстве на новом, еще более микроскопическом уровне.

Вспомним, что еще древнегреческий философ Демокрит высказал догадку о том, что вещество состоит из неделимых частиц — атомов («атом» в переводе с древнегреческого означает «неделимый»).

Но доказательство этому ученые нашли только спустя много веков, заодно выяснив, что атом на самом деле разделить можно, — он состоит из электронов и ядра, а ядро — из протонов и нейтронов. Но и они, как выяснилось, не самые мелкие частицы и в свою очередь состоят из кварков. На сегодняшний день физики считают, что кварки — предел деления материи и ничего меньше не существует. Известно шесть типов кварков: нижний, верхний, странный, очарованный, прелестный и истинный. А соединяются кварки между собой с помощью глюонов (от английского слова glue — клей).

Само слово «коллайдер» происходит от английского collide — сталкиваться. В коллайдере два пучка частиц летят навстречу друг другу и при столкновении энергии пучков складываются.

Тогда как в обычных ускорителях, которые строятся и работают вот уже несколько десятилетий (первые их модели, относительно умеренных размеров и мощности, появились еще в 30-х годах XX века), пучок ударяет по неподвижной мишени и энергия такого соударения гораздо меньше.

«Адронным» коллайдер назван, потому что предназначается для разгона адронов. Адроны — это семейство элементарных частиц, к которому относятся протоны и нейтроны, из них состоят ядра всех атомов, а также разнообразные мезоны. Важное свойство адронов — то, что они не являются по-настоящему элементарными частицами, а состоят из кварков, «склеенных» глюонами.

https://www.youtube.com/watch?v=zq_wnmVC-rw

Но разогнать в адронном коллайдере можно далеко не всякий адрон, а только тот, который имеет электрический заряд, что связано с самим принципом работы ускорителя (использование им электромагнитных полей).

Например, нейтрон — частица нейтральная, что видно даже из его названия, и электромагнитное поле на него не действует.

Поэтому главными объектами экспериментов, проводимых в БАК, станут протоны (ядра атомов водорода и тяжелые ядра свинца).

Установка магнитного супермодуля детектора ALICE
Одна из половинок детектора CMS

Магниты детектора LHCb

Большим коллайдер стал из-за своих размеров — это крупнейшая физическая экспериментальная установка из всех когда-либо существовавших в мире, только основное кольцо ускорителя тянется более, чем на 26 км.

Итак, большим БАК назван из-за своих размеров; адронным — из-за того, что он ускоряет адроны, то есть частицы, состоящие из кварков; коллайдером — из-за того, что в нем пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных местах.

Впервые о сооружении Большого адронного коллайдера заговорили в 1984 году, причем толчком к этому послужил доклад, сделанный на международном конгрессе физиков в США, в котором американцы представили сенсационный проект — 80-километрового коллайдера. По воспоминаниям д.ф.-м.н. А.

Довбни (директора института Физики высоких энергий и ядерной физики Национального научного центра Харьковский физико-технический институт), участвовавшего в этом конгрессе: «Шокированные европейские физики предложили встретиться с советской делегацией и выработать некое предложение, которое, как говорится, давало бы какую-то перспективу Европе. Мы две ночи вместе поработали тогда и на заключительном этапе представили рукописную часть на нескольких страницах». Эти несколько страниц и стали началом Большого адронного коллайдера. Однако официальный статус идея обрела лишь десять лет спустя, а само строительство Большого адронного коллайдера, (в котором приняли участие физики из 500 научно-исследовательских учреждений, 80 стран мира) началось только в 2001 году, после завершения работы предыдущего ускорителя — Большого электрон-позитронного коллайдера (Large Electron Positron Collider, LEPC). Дело в том, что для нового ускорителя использовали тот же туннель, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер. Этот туннель с длиной окружности 26,7 км проложен на глубине около ста метров под землей и располагается по обе стороны границы между Швейцарией и Францией, что еще раз подчеркивает международный статус проекта. Этому же соответствуют и финансовые затраты — на сегодняшний день стоимость постройки БАК оценивается в 16 млрд. долларов США.

Предполагается, что скорость разогнанных БАКом протонов составит 0,999999998 от скорости света, а количество столкновений частиц, происходящих в ускорителе каждую секунду, достигнет 800 млн.

Суммарная энергия сталкивающихся протонов составит 14 ТэВ (то есть 14 тераэлектрон-вольт, или 14•1012 электрон-вольт), а ядер свинца — 5,5 ГэВ (5,5•109 электрон-вольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов.

Таким образом, БАК будет самым высокоэнергетичным ускорителем элементарных частиц в мире, на порядок превосходя по энергии своих ближайших конкурентов — протон-антипротонный коллайдер «Тэватрон», который в настоящее время работает в Национальной ускорительной лаборатории им. Э. Ферми (США), и релятивистский коллайдер тяжелых ионов RHIC, работающий в Брукхейвенской лаборатории (США).

Кстати, самым высокоэнергетичным ускорителем БАК имеет шанс остаться еще очень надолго.

Дело в том, что специалисты считают, что техника создания ускорителей сегодня подошла к своему пределу и поэтому еще более мощный ускоритель вряд ли будет создан без кардинальных, революционных изменений в ускорительной технике.

Если, например, в электронике или компьютерной технике постоянно идет миниатюризация при одновременном росте работоспособности, то для ускорителей в этом смысле наступил предел. Построить еще больший ускоритель по аналогичной схеме нереально, и никто за это уже не возьмется.

Устройство Большого адронного коллайдера

Итак, как же работает большой адронный коллайдер? В основе работы БАК, как и всех ускорителей, заложено взаимодействие заряженных частиц с электрическим и магнитным полями.

Электрическое поле способно напрямую совершать работу над частицей, то есть увеличивать ее энергию.

Магнитное же поле, создавая силу Лоренца, лишь отклоняет частицу, не изменяя ее энергии, и задает орбиту, по которой движутся частицы.

Как уже упоминалось, скорость частиц в БАК близка к скорости света в вакууме. Разгон частиц до таких больших скоростей достигается в несколько этапов.

На первом этапе низкоэнергетичные линейные ускорители Linac 2 и Linac 3 производят инжекцию протонов и ионов свинца для дальнейшего ускорения. Затем частицы попадают в PS-бустер и далее в сам PS (протонный синхротрон), приобретая энергию в 28 ГэВ.

После этого ускорение частиц продолжается в SPS (протонный суперсинхротрон), где энергия частиц достигает 450 ГэВ. Затем пучок направляют в главное 26,7-километровое кольцо.

Монтаж камеры детектора TOTEM
Стенд испытания магнитов
Модуль БАК

Здесь частицы ускоряются и летят внутри двух круговых замкнутых труб, проложенных под землей в туннеле: в одной трубе частицы летят по часовой, а в другой — против часовой стрелки. Так как туннель проходит как раз под границей Швейцарии и Франции, то протоны пересекают границу этих стран около 20000 раз в секунду. Чтобы воздух не мешал полету частиц, в трубах создается высокий вакуум.

Все кольцо коллайдера разделено на восемь равных секторов, на каждом из которых стоят в ряд магниты, управляющие движением пучка протонов.

Под воздействием магнитного поля элементарные частицы не улетают прочь по касательной, а остаются внутри кольца.

Кроме того, специальные фокусирующие магниты не дают протонам во время движения колебаться в продольном направлении и задевать стенки вакуумной трубы, в которой осуществляется движение.

Всего вдоль тоннеля установлено 1624 магнита. Их протяженность в общей сложности превышает 22 км, длина каждого магнита около 15 метров. Магниты используются двух видов — квадропульные (392 шт.) и дипольные (1232 шт.).

Именно дипольные магниты удерживают частицы, тогда как квадропульные магниты нужны для того, что бы максимально повысить шансы на взаимодействие частиц, которое может произойти в местах пересечения труб.

Читайте также:  Двигатель emdrive - все о космосе

Общий вес одного магнита составляет более 27 тонн.

Для достижения требуемых величин напряженности магнитного поля магниты пришлось делать со сверхпроводящими обмотками. Поэтому для приведения в рабочее состояние их необходимо охлаждать до температуры 1,9 К (или –271,3 градуса по Цельсию).

Это ниже, чем температура в открытом космическом пространстве (2,7 К или –270,5 градуса по Цельсию).

Чтобы охладить 36800 тонн конструкции и получить космический холод в земных условиях, для БАК пришлось создать мощнейшую криогенную систему, содержащую более 40000 герметичных сварных швов, и использующую 10000 тонн жидкого азота и 130 тонн жидкого гелия.

В четырех местах пучки из двух труб ускорителя пересекаются, и в этих местах происходит столкновение протонов с энергией, в 7 раз выше предыдущего рекорда, достигнутого на ускорителе Тэватрон в США.

В точке столкновения протонов ожидается температура более чем в 100 тыс. раз выше, чем в центре Солнца, при том, что сверхпроводящие магниты в БАКе будут охлаждены до –271,3 градуса по Цельсию.

Так что, можно сказать, БАК — это одновременно и самая горячая, и самая холодная машина в мире.

Столкновение двух частиц «лоб в лоб» — событие довольно редкое. Когда пересекаются два пучка по 100 миллиардов частиц в каждом, сталкиваются всего 20 частиц. Но поскольку пучки пересекаются примерно 30 миллионов раз в секунду, ежесекундно может происходить 600 миллионов столкновений.

При столкновении протонов во все стороны летят «брызги» — элементарные частицы, в среднем их рождается порядка 100 на каждое столкновение. В проекте предусмотрено, что в будущем по тем же трубам будут ускорять не только протоны, но и ядра свинца: в этом случае при каждом столкновении ядер будет рождаться порядка 15000 новых частиц.

Однако столкнуть две частицы «лоб в лоб» — это только половина дела.

К сожалению, сегодня в распоряжении ученых нет прибора, который мог бы напрямую зарегистрировать, например, кварк-глюонную плазму, которая исчезнет без следа через ничтожно короткий промежуток времени — 10-23 секунды.

О результатах эксперимента приходится судить по следам, оставленным частицами, родившимися в ходе эксперимента. Как шутят физики, это не легче, чем воссоздать облик Чеширского кота из книги Л. Кэрролла «Алиса в стране чудес» по его исчезающей в воздухе улыбке.

Для регистрации частиц, которые образовались во время столкновения, были сконструированы специальные приборы — детекторы.

Их шесть — 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) и LHCf (The Large Hadron Collider forward).

Детектор под названием ALICE предназначен для изучения кварк-глюонной плазмы. Детекторы ATLAS и CMS, как надеются физики, смогут «поймать» бозон Хиггса и темную материю. Задача детектора LHCb — исследование физики b-кварков, что позволит лучше понять различия между материей и антиматерией.

TOTEM — для изучения «несталкивающихся частиц» (forward particles), что позволит точнее измерить размер протонов, и, наконец, LHCf — для исследования космических лучей, моделируемых с помощью тех же «несталкивающихся частиц».

Количество информации, получаемой этими детекторами беспрецедентно велико, к тому же ее требуется передавать во все страны, где работают участники экспериментов. Поэтому в ЦЕРНе создается новая система для быстрого распространения огромных массивов данных — GRID.

Эта система должна будет хранить и обсчитывать данные, получаемые с детекторов ускорителя. Поток данных будет достигать 15 млн. гигабайт в год, что соответствует стопке из 100 тыс. DVD. Возможно, система GRID станет и прообразом нового Суперинтернета.

Учитывая, что сам Интернет и Всемирная паутина родились именно в ЦЕРНе. Здесь уже в 80-е годы стала насущной задача быстрой передачи больших массивов данных среди многих пользователей — больших международных коллективов ученых, разбросанных по всем континентам.

В результате в ЦЕРНе был впервые создан прототип Всемирной паутины и разработано соответствующее программное обеспечение.

Во время работы коллайдера расчетное потребление энергии составит 180 МВт. Заявочные энергозатраты на работу БАКа в 2009 году планировались в объеме 700 ГВт•ч, а это около 10 % от суммарного годового энергопотребления всего кантона Женева. Кстати, сам ЦЕРН не производит энергию, имея в своем распоряжении лишь резервные дизельные генераторы.

»

Источник: http://www.science-techno.ru/nt/article/bolshoi-adronnyi-kollaider

Большой адронный коллайдер: зачем он вообще?

На этой неделе, спустя два года ожиданий, Большой адронный коллайдер — ускоритель заряженных частиц, благодаря которому в 2012 году открыли бозон Хиггса — могут снова запустить.

Гигантский коллайдер (частью которого является подземный туннель на границе Франции и Швейцарии длиною в 27 километров) был отключен в феврале 2013 года, чтобы учёные могли внести изменения в его конструкцию. Теперь же учёные вновь включают его, чтобы при помощи серии экспериментов совершить скачок в изучении физики.

1. Постойте-постойте, а что такое Большой адронный коллайдер?

Туннель Большого адронного коллайдера
БАК был построен в 2008 году организацией CERN (Европейский совет ядерных исследований). Создание самого большого в мире адронного коллайдера обошлось в девять миллиардов долларов. Невероятная длина его подземных туннелей позволяет физикам проводить невероятные эксперименты.

Грубо говоря, чаще всего эксперименты включают в себя разгон заряженных частиц до 99.9999% от скорости света (заставляя их перемещаться по кругу 11000 раз в секунду) и последующее их столкновение при помощи гигантских магнитов. Сложные сенсоры считывают всевозможную информацию, полученную после столкновения этих частиц.

2. Зачем учёным сталкивать частицы?

Информация, полученная одним из сенсоров, в БАК
Огромное количество энергии, которое выделяется после столкновения, заставляет частицы распадаться и в последствии собираться в довольно-таки необычные конструкции. Подобные эксперименты помогают найти недостатки в стандартной модели физики — на данный момент это лучший способ предсказать поведение частиц.

Физикам интересны такие эксперименты потому, что, хоть стандартная модель и считается довольно-таки точной, она всё же неполная. «Она эффективна для предположений, но физики не так уж их любят», — прокомментировал Патрик Коппенбург, ученый, работающий с БАК.

Сильнейший недостаток модели — это то, что она не учитывает силу гравитации (она описывает только три других фундаментальных взаимодействия) и такие понятия, как тёмная материя и тёмная энергия. Она также не очень-то хорошо работает с нынешними теориями о происхождении Вселенной.

Другими словами, стандартная модель физики — это лучшее описание того, как работают вещи вокруг нас. Однако, по словам Коппенбурга, эта теория «точно в каком-то месте ошибочна». Сталкивая частицы в БАК, он и другие учёные пытается найти отклонения от этой модели.

3. Что эти учёные уже обнаружили

Диаграмма 17-ти фундаментальных частиц стандартной модели, включая бозон Хиггса
Наиболее важным событием за всю историю Большого адронного коллайдера стало открытие бозона Хиггса.

Еще с 1960-х годов считалось, что бозон Хиггса — часть поля Хиггса, невидимого поля, проходящего сквозь пространство и влияющего на все частицы. Согласно предположениям физиков, именно благодаря этому полю у частиц есть масса (или же сопротивление при передвижении).
Физик Брайн Грин писал в своей статье:

«Представьте, что шарик для пинг-понга погрузили под воду. Когда вы пытаетесь погрузить его глубже, то он кажется в разы более тяжелым, чем он был вне воды. Его взаимодействие с водой приводит к увеличению его массы. То же случается с частицами, погруженными в поле Хиггса»

В принципе, никого не удивило открытие бозона и поля Хиггса, ведь все законы стандартной модели указывали на их существование. Загвоздка заключалась в том, что не было прямых доказательств. «Когда мы строили БАК, то надеялись либо обнаружить бозон Хиггса, либо доказать, что его не существует», — комментирует Коппенбург.

В 2012 году, спустя три года экспериментов, физики доказали существование бозона Хиггса. Было высчитано, что сразу после столкновения бозон Хиггса разлагался на другие частицы, следуя определенным закономерностям. Данные, собранные после столкновения протонов, помогли понять и предсказать эти закономерности.

Это открытие невероятно важно: поле Хиггса — краеугольный камень стандартной модели. Благодаря ему, все другие уравнения становятся в разы понятней. Мы смогли обнаружить его спустя 50 лет после того, как его существование было предсказано на бумаге, а это значит, что мы на верном пути в изучении устройства нашей вселенной.

4. Почему БАК снова включают?

Туннели Большого адронного коллайдера
Все эксперименты, что проводились в прошлом, были лишь началом. Спустя несколько лет работы над улучшением магнитов (они ускоряют и контролируют движение частиц) и сенсоров, начнется новая эра: теперь серия экспериментов включает в себя разгон и столкновение частиц, заряд которых будет в два раза больше предыдущего.

Новые столкновения частиц позволят учёным открыть новые (и, возможно, даже большие) частицы, а также изучить бозон Хиггса и его поведение в разных условиях.

«Мы надеемся открыть элементы, не предсказанные стандартной моделью. К примеру, частицы настолько тяжелые, что они не были еще открыты, или же другие типы отклонений», — делится надеждами Коппенбург.

Возможно, к примеру, что бозон Хиггса — это лишь одна из нескольких частиц из механизма Хиггса.

Достаточное количество новой информации, по словам Коппенбурга и других учёных, поможет нам открыть новые частицы и улучшить нынешнюю стандартную модель, позволив ей точно взаимодействовать с тёмной материей, рождением вселенной и другими плохо изученными темами.

5. Собираются ли в будущем создавать ускорители частиц еще больших размеров?

Схема международного линейного коллайдера
Да. Физики надеются со временем построить ускорители гораздо больших размеров, которые позволят разгонять частицы с большой энергией, чем БАК. Это, в свою очередь, позволит открыть новые частицы и даст более чёткое понимание тёмной материи.

Длина международного линейного коллайдера, к примеру, будет составлять 32 километра. В отличие от БАК, где частицы разгоняются по кругу, в этом проекте они будут сталкиваться друг с другом напрямую.

Проект всё еще рассматривается, но учёные надеются, что такой ускоритель получится построить в Японии, и он начнёт свою работу к 2026 году.

Когда-то всем казалось, что гигантский ускоритель частиц построят и в США. В 1989 году Конгресс даже согласился потратить шесть миллиардов долларов на постройку сверхпроводящего супер-коллайдера. Строить его собирались в Ваксахэчи, штат Техас, длина его туннелей должна была достигать 86 километров.

Сила, с которой в нём сталкивались бы частицы, была бы в четыре раза сильней, чем у Большого адронного коллайдера.

Но к сожалению, в 1993 году стоимость проекта выросла до одиннадцати миллиардов долларов, и Конгресс решил прикрыть его, несмотря на то, что два миллиарда уже были потрачены на строительство 25 километров туннеля.

Читайте также:  Звезда грумбридж 1830 - все о космосе

Оригинал: Vox
Перевел: Kirill Chernyakov для Newочём
Редактировал: Evgeny Uryvaev

Источник: http://newochem.ru/nauka/bolshoj-adronnyj-kollajder-zachem-on-voobshhe/

Зачем вообще нужен Большой адронный коллайдер?


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.

Источник: http://track-traiding.com/why

Зачем нужен большой адронный коллайдер и где он находится

Дата публикации: 05 июня 2015.

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 7×1012 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=mc².

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:

Адронный коллайдер запуск 2015:

Источник: https://kratko-obo-vsem.ru/science-and-technology/5-what-is-the-hadron-collider.html

Ссылка на основную публикацию