Андронный коллайдер для чего: Кварки, бозоны и звёздный разрушитель. Для чего нужен Большой адронный коллайдер?

Содержание

Зачем Большой адронный коллайдер остановили на два года — Российская газета

Врученная за открытие бозона Хиггса Нобелевская премия вызывает у физиков двоякие чувства. С одной стороны, конечно, радость за столь высокое признание их работы, с другой — тревогу. А что дальше? Да, построенный почти за 10 миллиардов долларов специально под бозон Хиггса знаменитый Большой адронный коллайдер (БАК) поймал частицу Бога. Но открыв ее, одновременно закрыл последнюю страницу Стандартной модели, которая считается одним из самых главных достижений науки XX века. Из всех предсказанных ее элементарных частиц ученые постепенно открывали одну за другой, пока наконец не добрались до Хиггса.

Физики надеялись выжать из этого ускорительного монстра длиной 27 километров и другие открытия, однако он больше не «плодоносил». И вот сейчас БАК остановили на два года, чтобы еще выше поднять энергию столкновения протонов. Теперь уже до максимальных 14 ТэВ. Но если он и дальше будет только подтверждать Стандартную модель, это, по мнению лауреата Нобелевской премии Сэмюэла Тинга, окажется большой неудачей.

Чем же недовольны физики? Вроде бы Стандартная модель показала себя безупречно. Но ученые употребляют другой термин: модель себя исчерпала. Она работает на своем «поле», но не может объяснить множество фактов, которые «проросли» на чужом. А это и «темная материя», и «темная энергия», на которые приходится 95 процентов массы Вселенной, и только 5 процентов на видимую — звезды и планеты. Также неясно, почему в ней нет антивещества. Много лет наука пытается разгадать тайну этих феноменов, пока без успеха. Здесь нужна новая физика. Путь к ней лежит в поиске отклонений от Стандартной модели, поэтому роль локомотива науки у теоретиков теперь перехватывают экспериментаторы.

— После модернизации коллайдера в 10 раз увеличится число столкновений протонов, — говорит Виктор Саврин, замдиректора НИИ ядерной физики МГУ, координатор участия российских институтов в создании и работе БАК. — Ускоритель сможет за год получить столько же данных, сколько собрал за весь период с 2008 года. Также будет усовершенствована обработка информации. Задача сложнейшая, ведь при столкновениях миллионов протонов рождаются десятки миллионов самых разных частиц, и среди этого океана надо выбрать всего лишь один сигнал о новой частице, отсеяв все лишнее. Сложней, чем найти иголку в стоге сена. Отбор данных и их обработка не менее трудный процесс, чем создание самого БАК.

Впрочем, многие физики уже не слишком верят, что даже модернизированный БАК сумеет открыть дверь в новую физику. Сейчас считается, что носителями «темной материи» должны быть очень тяжелые частицы. Их можно получить, только сталкивая протоны с высочайшей энергией, которую даже модернизированный БАК не потянет. И вот уже ученые замахнулись на ускоритель с фантастической энергией 100 ТэВ, где протоны будут разгоняться по кольцу в 100 км. Пока такой проект существует только на бумаге, никто не оценивал его стоимость, но опыт показывает: если ученые находят для своих идей весомые аргументы, им удается убедить власть имущих раскошелиться. Ведь чем дальше в глубь природы, тем неохотней она выдает свои тайны, тем они стоят дороже. Но если прорыв к новой физике произойдет, то на энтузиастов прольется настоящий дождь новых Нобелей.

В России создали новый поглотитель частиц для Большого адронного коллайдера — Наука

ТАСС, 8 сентября. Российские физики разработали новую технологию производства поглощающих элементов для калориметра, который используется в эксперименте LHCb Большого адронного коллайдера. Использование таких элементов упростит обслуживание и продлит срок службы прибора, пишет пресс-служба НИТУ «МИСиС».

«Свойства и характеристики созданного прототипа были протестированы на лабораторных пучках в CERN. В настоящий момент требуется решить еще ряд конструкторских задач, но уже сейчас можно сказать, что новые и старые модули могут эффективно дополнять друг друга в экспериментах на LHCb», – прокомментировал один из разработчиков, главный научный сотрудник НИТУ «МИСиС» Андрей Голутвин.

Детектор LHCb, один из четырех «больших» экспериментов на БАК, создали для поиска частиц, которые не вписываются в Стандартную модель – теорию, которая описывает большую часть взаимодействий всех известных науке элементарных частиц.

У этих частиц слишком большая масса для того, чтобы их можно было искать напрямую. Команда LHCb изучает в основном то, как распадаются так называемые B-мезоны – частицы, которые состоят из «прелестного» кварка и некоторых других элементарных частиц.

Сейчас LHCb готовится к перезапуску ускорителя, а также проходит модернизацию в рамках превращения БАК в так называемый «ускоритель высокой светимости» (HL-LHC). Одной из важных частей этого процесса стало обновление калориметров. Эти приборы измеряют энергию частиц, которые возникают в результате столкновений в кольце БАК.

Обновление БАК

В рамках этого обновления ученые планируют заменить блоки калориметров, отвечающие за поглощение частиц. Это нужно для повышения качества работы LHCb при резком повышении частоты столкновений в ходе последующих циклов работы БАК. Российские ученые разработали замену для текущих поглотителей, которая одновременно обладает принципиально иным химическим составом и структурой.

Как объяснил Голутвин, текущий поглотитель LHCb состоит из чередующихся слоев свинца и особого полимера, вырабатывающего вспышки света при взаимодействии с частицами. Новый поглотитель, в свою очередь, состоит из сплава сурьмы и свинца, а также полимерных нитей, вытянутых вдоль предполагаемой траектории движения частиц, возникающих в результате столкновений в БАК.

Для его производства российские ученые разработали специальную технологию отливки заготовок из сплава свинца и сурьмы, которая повышает качество производства индивидуальных поглощающих элементов и позволяет легко заменять их при эксплуатации LHCb в рамках последующих циклов работы коллайдера.

Работу первых прототипов данных устройств, созданных при участии Института физики высоких энергий в Протвино, специалисты НИТУ «МИСиС» проверили при помощи ускорителя SPS в ЦЕРН. Эти испытания подтвердили высокую эффективность поглотителя и указали на возможность одновременного использования старых и новых модулей в рамках LHCb.

Большой адронный коллайдер

Большой Адронный Коллайдер (БАК)


Large Hadron Collider (LHC)

    Большой адронный коллайдер крупнейший ускорительный комплекс, на котором будут сталкиваться пучки ускоренных до энергии 7 ТэВ протонов, а также тяжёлые ионы. На рис. 1 показана схема ускорительного комплекса CERN. Из источников протонов и ионов протоны после предварительного ускорения до 0.8 ГэВ поступают в протонный синхротрон PS (26 ГэВ), который далее инжектирует их в протонный синхротрон SPS (450 ГэВ). Протоны из SPS поступают в кольцевой тоннель LНС, где до 2000 г. ускорялись встречные пучки электронов и позитронов на установке LEP. Длина кольцевого тоннеля LHC около 27 км. В туннеле LHC два пучка протонов двигаются в противоположных направлениях и ускоряются до 7 ТэВ. Затем они сталкиваются.


Рис. 1. Схема ускорительного комплекса ЦЕРН. Большой фдронный коллайдер

    В 1994 г. комитет LHC утвердил два проекта детекторов, предназначенных для работы на новом ускорителе: ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS

) и CMS (Compact Muon Solenoid). Общие принципы действия установок ATLAS и CMS совпадают. Они максимально перекрывают пространство вокруг места соударения ускоренных пучков протонов (так называемые 4π-детекторы). Решение строить два детектора для проведения физических исследований обусловлено необходимостью подтверждать каждое открытие независимыми экспериментами. Независимо создаваемые установки должны обеспечить надежность получаемых результатов. Каждый детектор имеет свою область пересечения пучков. Всего таких областей на LHC четыре. Две из них предназначены для детекторов ATLAS и CMS. Две оставшиеся предназначены для детекторов ALICE (исследование соударений тяжелых ионов, поиск кварк-глюонной плазмы) и LHCb (изучение физики адронов, содержащих b-кварк). Решение об их строительстве было принято несколькими годами позже решения о строительстве установок ATLAS и CMS.


Рис. 2. Общий вид детектора ATLAS в разрезе. Пучки протонов влетают в детектор с диаметрально противоположных направлений и двигаются вдоль его оси, сталкиваясь в центре.

    На рис. 2 показан детектор ATLAS, который создается в настоящее время для регистрации продуктов рр-столкновений коллайдера LHC. Область соударения пучков окружена внутренним детектором (Inner Detector). Его диаметр составляет 2 м, а длина 6,5 м. Внутренний детектор помещен в сверхпроводящий соленоид, который обеспечивает внутри детектора магнитное поле 2 Тл. В магнитном поле треки частиц искривляются в зависимости от знака заряда частицы и ее импульса. Задача внутреннего детектора — определение точки соударения протонов и траекторий вторичных частиц, которые образуются в результате соударения. Для этого применяются два типа детектирующих устройств: кремниевые микрострипы (они заполняют самую центральную часть внутреннего детектора и обеспечивают точность измерения координаты около 0.

01 мм), и детектор переходного излучения (более удаленная часть внутреннего детектора), состоящий из тонких газонаполненных дрейфовых трубок диаметром 4 мм, между которыми находится вещество радиатора. Детекторы выполнены так, чтобы частицы пересекали их преимущественно перпендикулярно к плоскости детектора или оси трубки.
    Чтобы выдержать радиационные нагрузки, кремниевые детекторы должны работать при температуре 0° С. Поэтому эта часть трековой системы помещена в криостат. Траектория каждой частицы большой энергии должна иметь 6 прецизионно измеренных точек. Для этого в установке ATLAS используется 12 тысяч кремниевых детекторов.
    Длина дрейфовых трубок детектора переходного излучения достигает 1.6 м. Точность определения координаты частицы в них составляет около 0.15 мм, но зато число точек измерения на один трек увеличено до 36. Кроме того, дрейфовые трубки регистрируют переходное рентгеновское излучение и, таким образом, обеспечивают идентификацию электронов. Всего в детекторе используется около 400 тысяч дрейфовых трубок. Такое количество трубок необходимо для того, чтобы обеспечить 4π-геометрию установки, и требованием эффективности восстановления траекторий частиц.
    Внутренний трековый детектор заключен в оболочку калориметров. Калориметрия играет важную роль в установке ATLAS. Она обеспечивает прецизионное измерение энергии электронов, фотонов, «струй» адронов, возникающих при адронизации кварков и «недостающей» энергии, уносимой нейтрино или другими нейтральными слабовзаимодействующими частицами, например, гипотетическими суперсимметричными партнерами уже известных частиц. Калориметры состоят из нескольких крупных модулей, предназначенных для регистрации адронов в периферийной части детектора и для регистрации электромагнитного излучения в более центральной его области. Модули электромагнитного калориметра и торцевых адронных калориметров в качестве вещества поглотителя используют жидкий аргон, что обеспечивает необходимое быстродействие, высокое разрешение и высокую радиационную стойкость детектора.
Адронный калориметр в более приближенной к центру части собран из железных пластин, прослоенных сцинтилляторами. Это более дешевая и достаточно надежная конструкция по сравнению с жидкоаргонными калориметрами.
    Мюонная система ATLAS расположена за калориметрами, в которых поглощаются все электроны, фотоны и адроны. Мюоны имеют высокую проникающую способность и в калориметрах поглощаются очень мало. Поэтому практически все зарегистрированные мюонной системой заряженные частицы являются мюонами. Основным типом детекторов в мюонной системе являются дрейфовые трубки диаметром 3 см. Результаты измерений, полученные с помощью мюонной системы (внешней трековой системы), «сшиваются» с данными внутреннего детектора для полной идентификации частиц.
    Установка ATLAS размещена под землей на глубине 100 м. Соударения протонных пучков (банчей) будут происходить каждые 25 наносекунд, т. е. с частотой 40 МГц. При планируемой на первом этапе светимости ускорителя 1033 см-2с-1 при каждом столкновении пучков будет происходить в среднем 2-3 протонных соударения. При светимости1034 см-2с-1 при каждом столкновении пучков будет происходить ~25 протонных соударений.
    По мере увеличения энергии сталкивающихся пучков детектирование продуктов столкновения становится все более сложной задачей.


Рис. 3. Поперечное сечение детектора ATLAS: 1 — вакуумная труба, в которой происходит ускорение частиц; 2 — трековый детектор; 3 — соленоидальный магнит; 4 — электромагнитный калориметр; 5 — адронный калориметр; 6 — мюонный детектор

    Детектор ATLAS будет выдавать огромный объём информации. LHC будет создавать в центре детектора почти 109 протон-протонных столкновений в секунду (как уже отмечалось, протонные банчи будут сталкиваться каждые 25 наносекунд). Такому числу рр-столкновений отвечает объем информации, превышающий 40 миллионов мегабайтов. Для того чтобы выбрать потенциально интересные события (по оценкам их должно быть меньше 100 в секунду), будет использована специальная многоуровневая компьютерная система. Выбранные события подвергнутся особо тщательному off-line анализу.
    Гигантский объём информации, поступающий с детектора ATLAS (примерно 106 гигабайтов в год), будет распределяться среди примерно 2000 физиков из 34 стран и анализироваться ими. Вычислительные ресурсы, необходимые для такого анализа, эквивалентны более чем 10 000 РС Pentium III с частотой 500 МГц. Для успешной обработки данных с детектора ATLAS будут использованы самые последние достижения компьютерных технологий и операционных систем.


См. также


БОЛЬШОЙ АДРОННЫЙ КОЛЛАЙДЕР — это… Что такое БОЛЬШОЙ АДРОННЫЙ КОЛЛАЙДЕР?

БОЛЬШО́Й АДРО́ННЫЙ КОЛЛА́ЙДЕР (БАК; Large Hadron Collider, LHC) — ускоритель для разгона протонов и тяжелых ионов; создан в исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (см. ЕВРОПЕЙСКИЙ ЦЕНТР ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ) (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, CERN). Периметр ускорителя составляет около 27 километров. Коллайдер предназначен для ускорения встречных пучков элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодействии — адронов.
Идея создания Большого адронного коллайдера появилась в 1984 году и была официально одобрена десятью годами позже. Строительство ускорителя началось в 2001 году, после окончания работ в CERN над Большим электрон-позитронным коллайдером (Large Electron-Positron Collider, LEP). В Большом адронном коллайдере предполагается сталкивать протоны (см. ПРОТОН (элементарная частица)) с суммарной энергией 14 ТэВ (14 тераэлектронвольт или 141012 электронвольт), а также ядра свинца с энергией 5,5 ГэВ на каждую пару сталкивающихся нуклонов.
Большой адронный коллайдер создан в туннеле, который прежде занимал LEP. Туннель с длиной окружности 26,7 км проложен на глубине около ста метров под землей на территории Франции и Швейцарии. Для удержания и коррекции протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита (см. МАГНИТ), общая длина которых превышает 22 км. Их монтаж был окончен в ноябре 2006 года. Рабочая температура магнитов — 1,9 K (?271 °C). При такой температуре магниты становятся сверхпроводящими и могут держать сверхсильное магнитное поле. Для охлаждения магнитов создана специальная криогенная линия на жидком гелии. Пуск коллайдера намечен на осень 2008 года. Большой адронный коллайдер должен стать самым высокоэнергичным ускорителем элементарных частиц в мире, почти на порядок превосходя по энергии своих ближайших конкурентов — протон-антипротонный коллайдер Tevatron Национальной ускорительной лаборатории (США) и релятивистский коллайдер тяжелых ионов RHIC Брукхейвенской лаборатории (США). В создании БАК принимали участие ученые из многих стран мира, в том числе и из России.
Для фиксации результатов исследований предназначены четыре детектора: ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), CMS (Compact Muon Solenoid), LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment) и ALICE (A Large Ion Collider Experiment). Установки ATLAS и CMS предназначены для поиска бозона (см. БОЗОН) Хиггса. Детектор LHCb оптимизирован под исследования физики b-кварков, а детектор ALICE для поиска кварк-глюонной плазмы или кварк-глюонной жидкости в столкновениях ионов свинца. Большой адронный коллайдер рассчитан на потребление около 700 Гвт/ч электроэнергии в год.
Большой адронный коллайдер предназначен для экспериментальной проверки ряда научных идей, связанных с Общей теорией относительности (см. ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ) и Стандартной моделью фундаментальных взаимодействий. БАК позволит изучить свойства топ-кварков, кварк-глюонной плазмы, провести эксперименты по фотон-фотонным и фотон-адронным столкновениям, доказать или опровергнуть существование бозона Хиггса и суперсимметрии, проверить так называемые экзотические теории, выдвинутые физиками в конце 20 века, а также исследовать свойства W- и Z-бозонов, ядерных взаимодействия при сверхвысоких энергиях, процессы рождения и распада тяжелых кварков.

Большой адронный коллайдер запустят после трехлетнего простоя | Технологии

После того, как успешный второй запуск БАК закончился в декабре 2018 года, его закрыли на модернизацию, призванную увеличить его мощности и возможности. Теперь команда БАК объявила о новом — уже третьем — запуске коллайдера, который начнется этой весной: возможно, это случится уже в конце марта. Во время остановки, продолжительность которой была вызвана, в том числе, пандемией COVID-19, члены команды CERN готовились к новым экспериментам с коллайдером.

Предвосхищая новые физические открытия, ученые стремятся использовать усовершенствования БАК для исследования бозона Хиггса, темной материи и потенциального расширения нашего понимания теории, описывающей все известные фундаментальные силы и элементарные частицы во Вселенной.

В ближайшее время БАК вернется к тому, что у него получается лучше всего — он будет разгонять протоны и ионы почти до скорости света и сталкивать их друг с другом. Эти высокоэнергетические столкновения позволят исследователям в своих экспериментах разобраться в вещах, которые стандартная модель не объясняет полностью.

С новыми модернизациями ЦЕРН увеличил мощность инжекторов LHC, которые направляют пучки ускоренных частиц в коллайдер. Согласно заявлению ученых, во время предыдущего запуска в 2018 году, коллайдер мог ускорять лучи до энергии 6,5 тераэлектронвольт — теперь же это значение увеличено до 6,8 тераэлектронвольт (один тераэлектронвольт эквивалентен 1 триллиону электрон-вольт).

Чтобы увеличить энергию протонных пучков до такого экстремального уровня, «тысячи сверхпроводящих магнитов, поля которых направляют лучи по их траектории, должны привыкнуть к гораздо более сильным токам после длительного периода бездействия», — рассказали в ЦЕРН.

С «тренированными» магнитами, и более мощными, чем когда-либо, протонными пучками, коллайдер сможет создавать столкновения при более высоких энергиях, чем когда-либо прежде. Это расширит возможности того, что могут обнаружить ученые, использующие модернизированное оборудование.

Учитывая обновления, исследователи рассматривают возможность внедрения графических процессоров (GPU), которые будут использоваться в качестве эффективных компьютерных процессоров для коллайдера, поскольку они анализируют и обрабатывают невероятное количество данных.

«Амбициозная программа модернизации БАК ставит перед собой ряд захватывающих вычислительных задач; графические процессоры могут сыграть важную роль в поддержке подходов машинного обучения для решения многих из них», — заявила Энрика Поркари, глава ИТ-отдела CERN.

Что такое адронный коллайдер и для чего он создавался? — Пермский информационный портал — 59i.ru

Несколько лет назад умы многих будоражила мысль об опасности большого адронного коллайдера. Но многие до сих пор не знают что это за устройство и для чего было создано. Довольно много шума надело сообщение журналистов о том, что в устройстве может произойти взрыв, который может создать черную дыру и привести к гибели всего человечества. По другим слухам, планировалось создание антиматерии, которая была бы очень нестабильной и также могла бы привести к взрыву.  Так зачем нужен адронный коллайдер и что он из себя представляет читайте ниже.

БАК или большой адронный коллайдер — это ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжелых ионов и изучения продуктов их соударения. Устройство представляет собой кольцеобразный тоннель на подобие трубы для разгона частиц, только намного большего размера. Построили его в ЦЕРНе, европейском совете ядерных исследований, на территории Франции и Швейцарии. БАК находится на глубине более 100 метров. В его разработке и создании участвуют ученые со всего мира. На данный момент БАК — не единственный ускоритель частиц в мире. Подобные механизмы уже построены во многих странах, правда не такого внушительного размера.

Большой адронный коллайдер позволяет сталкивать пучки частиц на огромных скоростях и наблюдать их дальнейшее поведение и взаимодействие, которые фиксируются с помощью специальных устройств. Для того, чтобы удержать частицы внутри, используются сильнейшие магниты.

Изначально устройство предназначалось для того, чтобы найти бозон Хиггса- частицы, которые наделяют другие частицы массой.  Второй целью было изучение кварков, частиц из которых состоят адроны.

Если ученым вполне хватало такого объяснения, то после того, как СМИ начали описывать этот проект огромное количество людей начали задумываться о дороговизне и опасности прибора. Все же ради нахождения кварка таких средств вкладывать бы не стали. Ученые заверяют, что открытие бозона Хиггса полностью окупит постройку коллайдера, так как это станет возможностью внести в технический прогресс уйму новшеств.

Но все таки зачем создавать адронный коллайдер? Бозон Хиггса, как одно из последующих открытий должен привести человечество к удивительному прогрессу. Всем известно, что масса- это энергия в состоянии покоя. А если при помощи новых открытий появится возможность преобразовывать массу в энергию, то энергетические проблемы канут в Лету, а следовательно начнется возможное освоение новых планет и таких уголков космоса, представления о которых мы ранее не имели.

Изучение же кварков позволило бы человечеству познать законы гравитации и подчинить их себе. Но это ожидается позднее, так как изучение гравитонов еще очень плохо развито. Ну а контролировать устройство изменяющее гравитацию пока еще невозможно.

Однако, есть еще и третья теория, согласно которой адронный коллайдер был создан для подробного изучения М-теории или “теории всего”. Она заключается в том, что мир состоит из 11 измерений. А поняв ее, возможно человечество сможет путешествовать между измерениями.

В целом, ученые сами не могут ответить на вопрос для чего еще нужен коллайдер. Хоть он и  был создан не только для изучения уже упомянутых аспектов, но и для подтверждения или опровержения прочих экзотических теорий. Хотя неизвестно еще, чем все это грозит цивилизации.

Согласно новостям от 4 июля 2012 года, ученым удалось обнаружить бозон Хиггса. Хотя, его свойства несколько отличаются от теорий ученых. Но по крайней мере, теперь это не миф. В настоящее время коллайдер выключен и находится на модернизации. Но к концу этого года планируется очередной запуск уже обновленного устройства.

ЦЕРН открывает доступ к данным Большого адронного коллайдера / Хабр

Европейская организация по ядерным исследованиям (CERN, ЦЕРН) приняла решение открыть доступ к некоторым данным, полученным в ходе экспериментов на Большом адронном коллайдере. Речь идет о данных уровня 3, или «откалиброванных восстановленных данных, полезных для технических и алгоритмических разработок и физических исследований».

Четыре основных коллаборации Большого адронного коллайдера (ALICE, ATLAS, CMS и LHCb) уже одобрили новую политику ЦЕРН. Данные начнут публиковаться примерно через пять лет после сбора. Цель состоит в том, чтобы полный набор данных был в открытом доступе к концу соответствующего эксперимента. Новая политика, подчеркивают в ЦЕРН, призвана сделать научные исследования более доступными.

Данные уровня 3 относятся к типу данных, которые используются в качестве входных для большинства исследований. Они будут публиковаться вместе с программным обеспечением, примерами рабочих процессов анализа и документацией, которая необходима для их использования. Исследователям будут доступны виртуальные вычислительные среды, совместимые с данными и программным обеспечением. Такой набор позволит различным группам ученых, не входящих в ЦЕРН, а также образовательным и просветительским учреждениям и широкой общественности проводить качественный анализ данных.

Новая политика также распространяется на выпуск наборов данных уровня 1 и уровня 2, образцы которых уже доступны. Уровень 1 соответствует вспомогательной информации о результатах экспериментов, опубликованных в научных статьях, а уровень 2 соответствует специальным наборам научных данных, предназначенным для образовательных и информационных целей.

Наборы данных будут публиковаться через портал открытых данных ЦЕРН. Опубликованные данные уровня 3 будут полезны в научных исследованиях в области физики элементарных частиц, а также для улучшения  методов анализа научных данных на основе машинного обучения. Необработанные результаты экспериментов ЦЕРН публиковать не планирует, так как они непригодны для анализа.

«Практически невозможно получить полный набор необработанных результатов экспериментов с БАК. Это связано со сложностью данных и программного обеспечения, необходимостью располагать обширными вычислительными ресурсами и доступом к огромному объему данных, хранящихся в архиве. Следует отметить, что по этим причинам общий прямой доступ к необработанным данным доступен не для всех ученых, входящих в ЦЕРН», — поясняется в описании новой политики.

Эта стратегия дополняет существующую политику ЦЕРН, которая требует, чтобы все результаты исследований публиковались в открытом доступе, отметил Джейми Бойд, руководитель рабочей группы, которая сформулировала новые правила.

«Документ также согласуется с недавним обновлением Европейской стратегии по физике элементарных частиц, который вышел в июне 2020 года. Новую политику можно использовать в качестве основы для других экспериментов в ЦЕРН и других научных организациях».

ЦЕРН ранее поддерживала политику открытого доступа к информации в сотрудничестве с SCOAP3, глобальным партнерством библиотек, исследовательских институтов из 46 стран и межправительственных организаций, которое в настоящее время является крупнейшей инициативой по открытому доступу к информации в мире.

Экзотическая четырехкварковая частица обнаружена на Большом адронном коллайдере

Установка части детектора LHCb, который с тех пор обнаружил многие из новых типов адронов LHC. Предоставлено: Жюльен Мариус Ордан / CERN

Большой адронный коллайдер (БАК) также является крупным первооткрывателем адронов. Ускоритель атома недалеко от Женевы, Швейцария, наиболее известен тем, что в 2012 году продемонстрировал существование бозона Хиггса. Это открытие заложило последний краеугольный камень современной классификации элементарных частиц.Но БАК также уловил десятки неэлементарных частиц, называемых адронами, которые, подобно протонам и нейтронам, состоят из кварков.

Последний адрон был представлен на виртуальной встрече Европейского физического общества 29 июля, когда физик элементарных частиц Иван Поляков из Сиракузского университета в Нью-Йорке представил ранее неизвестный экзотический адрон, состоящий из четырех кварков. Это увеличило количество адронов на БАК до 62 (см. «Открытие частиц»), согласно подсчетам Патрика Коппенбурга, физика частиц из Нихэфа, Голландского национального института субатомной физики в Амстердаме.«Все это впервые в мире», — говорит Коппенбург, работающий в ЦЕРН, европейской лаборатории физики элементарных частиц, в которой находится БАК.

Установленный пантеон частиц, называемый стандартной моделью, описывает основные строительные блоки материи и фундаментальные силы, действующие на них. Он включает в себя шесть видов кварков, шесть их аналогов из антивещества и несколько других элементарных частиц, включая электроны и фотоны. Стандартная модель также включает правила того, как кварки образуют составные частицы, называемые адронами. Кварки удерживаются вместе сильным ядерным взаимодействием, одним из четырех фундаментальных взаимодействий. Два наиболее распространенных в природе кварка называются «верхним» и «нижним»; их возможные комбинации включают нейтроны (один вверх и два вниз) и протоны (два вверх и один вниз).

Протоны — единственные известные адроны, стабильные по отдельности — нейтроны стабильны только тогда, когда они входят в состав атомных ядер. Все остальные адроны образуются лишь мимолетно, от столкновения других частиц, и распадаются за доли секунды.Таким образом, БАК создает новые виды адронов, вызывая лобовые столкновения протонов с высокой энергией.

Кварковый квартет

Большинство новых типов адронов БАК были обнаружены LHCb, одним из четырех гигантских детекторов в 27-километровом круглом туннеле, в котором находится БАК, и частица, объявленная Поляковым, не стала исключением. Просматривая данные об обломках протонных столкновений, Поляков и его сотрудник Ваня Беляев из Института теоретической и экспериментальной физики в Москве обнаружили ожидаемую сигнатуру «тетракварка» — четырехкваркового адрона, названного T cc + . .

Тетракварки чрезвычайно необычны: большинство известных адронов состоят из двух или трех кварков. Первый тетракварк был обнаружен в Исследовательской организации ускорителей высоких энергий (KEK) в Цукубе, Япония, в 2003 году, и LHCb видел еще несколько. Но новый — странный. Предыдущие тетракварки, вероятно, были парами обычных кварковых дублетов, соединенных друг с другом, как атомы в молекуле, но физик-теоретик Марек Карлинер считает, что последний может быть настоящим, тесно связанным четверным.«Это большое дело. Это новое животное, а не адронная молекула. Это первое в своем роде», — говорит Карлинер из Тель-Авивского университета в Израиле, который помог предсказать существование частицы с такими же свойствами, как T cc + в 2017 1 .

В природе тетракварки, вероятно, существовали только в первые мгновения существования Вселенной, когда вся материя была сжата в чрезвычайно тесном пространстве, говорит Беляев. Но создание их заново помогает физикам проверять свои теории о том, как частицы взаимодействуют через сильное ядерное взаимодействие.

Данные настолько точно раскрыли свойства новой частицы, что Беляев был ошеломлен. «Моей первой реакцией было: это моя ошибка, — говорит он. Например, масса частицы, которая примерно в 4 раза больше массы протона, была определена с погрешностью почти в 3000 раз лучше, чем при открытии бозона Хиггса. Беляев добавляет, что T cc + могла быть обнаружена в данных за первые годы работы LHC, но он и его коллеги из LHCb не нашли ее до сих пор, потому что у них был длинный список других частиц, которые нужно было искать.

Безграничные возможности

Поиски новых адронов будут продолжаться. Десятки комбинаций кварков могут породить адроны. Карлинер говорит, что существует 50 возможных 2-кварковых адронов, все, кроме одного, из которых наблюдались, и 75 возможных троек кварков (и столько же троек антикварков), из которых почти 50 были замечены. «Мы уверены, что все остальные существуют, но их трудно изготовить», — говорит Карлинер.

Более того, для каждой комбинации кварков существует почти бесконечное число возможных более тяжелых «возбужденных состояний» — отличающихся, например, скоростью их вращения — и каждое классифицируется как отдельная частица. Многие из них были обнаружены экспериментально, и фактически большинство частиц в каталоге Коппенбурга находятся в возбужденном состоянии. «Кто знает, сколько других состояний просто спрятано у всех на виду, сидя в данных на ноутбуке», — говорит Коппенбург, который, как и Поляков и Беляев, является членом коллаборации LHCb.

Но он также задается вопросом, следует ли рассматривать все эти открытия как дискретные частицы. «Я все больше убеждаюсь, что нам нужно лучшее определение того, что такое частица», — говорит он.

10 лет открытиям Большого адронного коллайдера

Активность во время высокоэнергетического столкновения в диспетчерской CMS Европейской организации ядерных исследований, ЦЕРН, в их штаб-квартире за пределами Женевы, Швейцария. Изображение через AP Photo.

Тодд Адамс, Университет штата Флорида

Десять лет! Десять лет с начала эксплуатации Большого адронного коллайдера (БАК), одной из самых сложных когда-либо созданных машин. LHC — крупнейший в мире ускоритель частиц, расположенный на глубине 328 футов (100 метров) под французской и швейцарской сельской местностью с окружностью 17 миль (27 км).

10 сентября 2008 года протоны, центр атома водорода, впервые совершили оборот вокруг ускорителя LHC. Однако волнение было недолгим, потому что 22 сентября произошел инцидент, в результате которого были повреждены более 50 из более чем 6000 магнитов БАК, которые имеют решающее значение для поддержания движения протонов по их круговой траектории. Ремонт занял больше года, но в марте 2010 года на БАК начались столкновения протонов. БАК является жемчужиной ЦЕРН, европейской лаборатории физики элементарных частиц, которая была основана после Второй мировой войны как способ воссоединения и восстановления науки в раздираемой войной Европе.Сейчас там проводят эксперименты ученые с шести континентов и 100 стран мира.

Вам может быть интересно, что делает БАК и почему это так важно. Отличные вопросы. БАК сталкивает два пучка протонов при самых высоких энергиях, когда-либо достигнутых в лаборатории. Шесть экспериментов, расположенных вокруг кольца длиной 17 миль (27 км), изучают результаты этих столкновений с массивными детекторами, встроенными в подземные пещеры. Вот что, но почему? Цель состоит в том, чтобы понять природу самых основных строительных блоков Вселенной и то, как они взаимодействуют друг с другом.Это фундаментальная наука в ее самом базовом виде.

Вид на LHC в его туннеле в ЦЕРНе (Европейская лаборатория физики элементарных частиц) недалеко от Женевы, Швейцария. БАК представляет собой подземное кольцо длиной 17 миль (27 км) из сверхпроводящих магнитов, размещенных в этой трубообразной структуре или криостате. Криостат охлаждается жидким гелием, что позволяет поддерживать его рабочую температуру чуть выше абсолютного нуля. Он ускорит два пучка протонов, вращающихся в противоположных направлениях, до энергии 7 тераэлектрон-вольт (ТэВ), а затем приведет их к лобовому столкновению.Вокруг БАК строится несколько детекторов для обнаружения различных частиц, образовавшихся в результате столкновения. Изображение предоставлено Martial Trezzini/KEYSTONE/AP Photo.

БАК не разочаровал. Одно из открытий, сделанных с помощью БАК, включает долгожданный бозон Хиггса, предсказанный в 1964 году учеными, работавшими над объединением теорий двух фундаментальных сил природы.

Я работаю над одним из шести экспериментов на БАК — экспериментом «Компактный мюонный соленоид», предназначенным для обнаружения бозона Хиггса и поиска признаков ранее неизвестных частиц или взаимодействий.Мое учебное заведение, Университет штата Флорида, присоединилось к сотрудничеству в области компактных мюонных соленоидов в 1994 году, когда я был молодым аспирантом другой школы и работал над другим экспериментом в другой лаборатории. Планирование БАК восходит к 1984 году. Строительство БАК было трудным и дорогим делом — 10 миллиардов евро — и на его реализацию ушло 24 года. Сейчас мы празднуем 10 лет с момента начала работы LHC.

Вид детектора Compact Muon Solenoid на ускорителе частиц LHC в ЦЕРН.Ядром компактного мюонного соленоида является крупнейший в мире сверхпроводящий соленоидный магнит. Изображение предоставлено Martial Trezzini/KEYSTONE/AP Photo.

Открытия на БАК

Самым значительным открытием, сделанным на БАК на данный момент, является открытие бозона Хиггса 4 июля 2012 года. Объявление было сделано в ЦЕРНе и покорило мировую аудиторию. На самом деле, мы с женой смотрели его через веб-трансляцию на нашем большом экране телевизора в нашей гостиной. Так как объявление было в 3 часа ночи.м. Во Флориде мы пошли на блины в IHOP, чтобы потом отпраздновать.

Бозон Хиггса был последней оставшейся частью того, что мы называем стандартной моделью физики элементарных частиц. Эта теория охватывает все известные фундаментальные частицы — 17 из них — и три из четырех сил, посредством которых они взаимодействуют, хотя гравитация еще не включена. Стандартная модель — невероятно хорошо проверенная теория. Двое из шести ученых, разработавших часть стандартной модели, которая предсказывает бозон Хиггса, получили Нобелевскую премию в 2013 году.

Бозон Хиггса, иногда называемый «божественной частицей», впервые был замечен в ходе экспериментов на Большом адронном коллайдере. Изображение с сайта Designua/Shutterstock.com.

Меня часто спрашивают, зачем мы продолжаем ставить эксперименты, сталкивая протоны, если мы уже открыли бозон Хиггса? Разве мы не закончили? Что ж, многое еще предстоит понять. Есть ряд вопросов, на которые стандартная модель не дает ответов. Например, исследования галактик и других крупномасштабных структур во Вселенной показывают, что материи намного больше, чем мы наблюдаем.Мы называем это темной материей, поскольку не можем ее видеть. На сегодняшний день наиболее распространенным объяснением является то, что темная материя состоит из неизвестной частицы. Физики надеются, что БАК сможет создать эту загадочную частицу и изучить ее. Это было бы удивительным открытием.

Буквально на прошлой неделе совместные работы ATLAS и Compact Muon Solenoid объявили о первом наблюдении распада или распада бозона Хиггса на базовые кварки. Бозон Хиггса распадается по-разному — некоторые редкие, некоторые обычные.Стандартная модель делает прогнозы о том, как часто происходит каждый тип распада. Чтобы полностью протестировать модель, нам нужно наблюдать все предсказанные распады. Наше недавнее наблюдение согласуется со стандартной моделью — еще один успех.

Больше вопросов, больше ответов

Во Вселенной есть много других загадок, и нам могут потребоваться новые физические теории для объяснения таких явлений — например, асимметрия материи/антиматерии, чтобы объяснить, почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии, или проблема иерархии, чтобы понять почему гравитация намного слабее других сил.

Схема стандартной модели физики элементарных частиц. В настоящее время открыто 13 фундаментальных частиц, составляющих материю, и четыре носителя фундаментальной силы. Изображение с сайта Designua/Shutterstock.com.

Но для меня поиск новых необъяснимых данных важен, потому что каждый раз, когда физики думают, что мы все выяснили, природа преподносит сюрприз, который ведет к более глубокому пониманию нашего мира.

БАК продолжает тестировать стандартную модель физики элементарных частиц.Ученые любят, когда теория соответствует данным. Но мы обычно узнаем больше, когда они этого не делают. Это означает, что мы не до конца понимаем, что происходит. И для многих из нас это является будущей целью БАК: обнаружить доказательства чего-то, чего мы не понимаем. Существуют тысячи теорий, которые предсказывают новую физику, которую мы не наблюдали. Какие правы? Нам нужно открытие, чтобы узнать, верны ли они.

ЦЕРН планирует продолжать работу LHC в течение длительного времени. Мы планируем модернизировать ускоритель и детекторы, чтобы он работал до 2035 года.Непонятно, кто уйдет на пенсию первым, я или БАК. Десять лет назад мы с нетерпением ждали первых пучков протонов. Сейчас мы заняты изучением большого количества данных и надеемся на сюрприз, который выведет нас на новый путь. Вот с нетерпением жду следующих 20 лет.

Тодд Адамс, профессор физики, Университет штата Флорида

Эта статья перепечатана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочитайте оригинальную статью.

Итог: Десять лет науки на Большом адронном коллайдере (БАК).

Голоса Земного Неба
Просмотр статей
Об авторе:

Члены сообщества EarthSky, включая ученых, а также писателей о науке и природе со всего мира, высказывают свое мнение о том, что для них важно.

европейских физиков смело делают маленький шаг к 100-километровому ускорителю атомов | Наука

Общепризнано, что физическая лаборатория с лучшим в мире научным оборудованием должна иметь план еще более совершенной машины, чтобы преуспеть.То же самое и с европейской лабораторией физики элементарных частиц, ЦЕРН, недалеко от Женевы, где находится самый большой в мире ускоритель атомов, Большой адронный коллайдер (БАК) длиной 27 километров. Сегодня управляющий совет ЦЕРН объявил, что начнет техническое и финансовое технико-экономическое обоснование строительства еще более крупного коллайдера длиной от 80 до 100 километров (фактически два из них подряд), который в конечном итоге может достичь энергии, в семь раз превышающей LHC. Первая машина не будет построена до 2040 года.

«Государства-члены ЦЕРН испытывают некоторую гордость за то, что это] ведущая лаборатория физики элементарных частиц, и я думаю, что есть интерес к тому, чтобы ЦЕРН оставался там», — говорит Урсула Басслер. , физик и президент совета CERN, группы представителей 23 стран, поддерживающих лабораторию.Однако генеральный директор ЦЕРН Фабиола Джанотти подчеркивает, что не было принято никаких обязательств по строительству нового гигантского коллайдера, стоимость которого может составить 20 миллиардов долларов. «Нет рекомендаций по реализации какого-либо проекта», — говорит она. «Это произойдет через несколько лет».

Физики обсуждали, какой коллайдер построить дальше, еще задолго до того, как БАК начал собирать данные в 2010 году. В начале 2000-х обсуждался 30-километровый прямолинейный линейный коллайдер, который будет разбивать электроны на позитроны. .Такая машина дополнила бы круговой БАК, разбивающий встречные пучки протонов. Два типа машин имеют разную мощность. Протонный коллайдер обычно может достигать более высоких энергий и открывать новые более тяжелые частицы. Но протоны состоят из других частиц, называемых кварками, поэтому они совершают беспорядочные столкновения. Напротив, электроны и позитроны являются неделимыми элементарными частицами, поэтому они совершают более чистые столкновения. Исторически физики часто находили новые частицы на протонных коллайдерах и детально изучали их на электрон-позитронных коллайдерах.

Это игра, в которую физики элементарных частиц во всем мире пытаются играть сегодня. В 2012 году БАК, сокрушающий протоны, взорвал бозон Хиггса, последнюю частицу, предсказанную стандартной моделью физиков, и ключ к их объяснению того, как все другие фундаментальные частицы получают свою массу. Сейчас многие хотели бы построить электрон-позитронный коллайдер и запустить его как фабрику бозона Хиггса, чтобы производить частицы в больших количествах и проверять, обладают ли они в точности предсказанными свойствами.Любое отклонение от предсказаний было бы признаком новой физики за пределами стандартной модели 40-летней давности, которую физики элементарных частиц отчаянно пытаются найти. Физики в Японии хотели бы разместить у себя такой линейный коллайдер.

Однако несколько лет назад некоторые физики предложили другой подход, построив круговой электрон-позитронный коллайдер длиной от 80 до 100 километров для изучения бозона Хиггса. У этой машины был бы большой недостаток: когда легкие электроны вращаются по кругу, они излучают большое количество рентгеновских лучей и теряют энергию, поэтому такая машина неэффективна и ограничена в своем энергетическом охвате.Но у него есть большое практическое преимущество: туннель, в котором он нуждается, может быть позже использован для размещения протонного коллайдера более высокой энергии. Это именно то, что ЦЕРН сделал с LHC, который был построен в существующем туннеле, вырытом для Большого электрон-позитронного коллайдера, который работал с 1989 по 2000 год. (Он подробно изучал частицы, называемые бозонами W и Z, которые были открыты ранее. с протон-антипротонным коллайдером в ЦЕРН.)

Теперь физики ЦЕРН представляют себе будущее, в котором примерно в 2040 году они построят огромный круговой электрон-позитронный коллайдер для изучения бозона Хиггса.Затем они создадут более мощный протонный коллайдер, чтобы достичь нового рубежа высоких энергий. Сегодня совет ЦЕРН сделал шаг в этом направлении, впервые с 2013 года объявив об обновлении своей долгосрочной стратегии.

Однако остается неясным, насколько изменились планы ЦЕРНа. Некоторые физики уже давно работают над собственной конструкцией ЦЕРН для линейного коллайдера. И похоже, что новая долгосрочная стратегия не полностью отменяет эту идею. «Мы также рекомендуем продолжить исследования и разработки ускорителей, чтобы не упустить возможности улучшить нашу технологию ускорителей», — сказала Халина Абрамович, физик из Тель-Авивского университета, руководившая планированием, во время онлайн-сессии вопросов и ответов.«Я думаю, что важно очень четко передать это сообщение».

Технико-экономическое обоснование новой большой машины должно быть выполнено к 2026 или 2027 году, когда ЦЕРН в следующий раз обновит свою долгосрочную стратегию. ЦЕРН также может конкурировать в предполагаемой гонке вооружений коллайдеров, поскольку у физиков в Китае есть аналогичные планы по созданию больших круговых коллайдеров. Конечно, все может зависеть от того, найдет ли БАК, который сейчас проходит модернизацию и должен работать до середины 2030-х годов, что-либо для изучения помимо бозона Хиггса. Если этого не произойдет, убедить правительства Европы потратить 20 миллиардов долларов на изучение бозона Хиггса может оказаться сложной политической задачей.

Впервые обнаружены «частицы-призраки» на Большом адронном коллайдере

Физики впервые обнаружили «частицы-призраки» на Большом адронном коллайдере. Эксперимент под названием FASER уловил контрольные сигналы нейтрино, возникающие при столкновениях частиц, что может помочь ученым лучше понять ключевые законы физики.

Нейтрино — элементарные частицы, электрически нейтральные, чрезвычайно легкие и редко взаимодействующие с частицами материи. Это затрудняет их обнаружение, хотя они очень распространены — на самом деле, прямо сейчас через ваше тело проходят миллиарды нейтрино. Из-за этого их часто называют частицами-призраками.

Нейтрино образуются в звездах, сверхновых, квазарах. радиоактивного распада и от космических лучей, взаимодействующих с атомами в атмосфере Земли.Долгое время считалось, что ускорители частиц, такие как БАК, тоже должны их производить, но без правильных инструментов они просто умчались бы незамеченными.

И вот, «правильный прибор» установлен и протестирован. Во время пилотного запуска эксперимента под названием FASER, установленного в 2018 году, ученые зарегистрировали шесть взаимодействий нейтрино.

«До этого проекта на коллайдере частиц никогда не наблюдалось никаких признаков нейтрино, — говорит Джонатан Фенг, соавтор исследования, описывающего результаты.«Этот значительный прорыв — шаг к более глубокому пониманию этих неуловимых частиц и той роли, которую они играют во Вселенной».

Расположенный в 480 м (1575 футов) вниз по линии от того места, где происходят столкновения частиц, прибор FASER работает немного как пленочная фотография, говорят ученые. Детектор состоит из пластин свинца и вольфрама, разделенных слоями эмульсии. Некоторые из нейтрино будут поражать ядра атомов в плотных металлах, что создает другие частицы, которые текут через эмульсию.Следы, которые они оставляют после себя, можно увидеть, когда слои эмульсии «проявляются» подобно пленке. И действительно, шесть из этих меток были обнаружены в данных.

«Проверив эффективность метода эмульсионного детектора для наблюдения за взаимодействием нейтрино, образующихся на коллайдере частиц, команда FASER теперь готовит новую серию экспериментов с полным инструментом, который намного больше и значительно более чувствителен», — говорит Фэн. .

Эта полная версия, названная FASERnu, будет весить более 1090 кг (2400 фунтов) по сравнению с 29 кг (64 фунта) пилотной версии.Его повышенная чувствительность позволит ему не только чаще обнаруживать нейтрино, но и различать три разных «вкуса», в которые они входят, а также антинейтрино.

«Учитывая мощность нашего нового детектора и его выгодное расположение в ЦЕРН, мы ожидаем, что сможем зарегистрировать более 10 000 взаимодействий нейтрино при следующем запуске LHC, начиная с 2022 года», — говорит Дэвид Каспер, соавтор исследования. исследование. «Мы обнаружим нейтрино с самой высокой энергией, которые когда-либо производились из искусственного источника.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review D .

Источник: Калифорнийский университет в Ирвине

Физики впервые обнаружили неуловимые «частицы-призраки» на БАК

На Большом адронном коллайдере (БАК) только что была достигнута важная веха в физике элементарных частиц.

Впервые нейтрино-кандидаты были обнаружены не только на БАК, но и на любом из коллайдеров частиц.

 

Шесть нейтринных взаимодействий, обнаруженных с помощью нейтринного поддетектора FASERnu, не только демонстрируют осуществимость технологии, но и открывают новые возможности для изучения этих загадочных частиц, особенно при высоких энергиях.

«До начала этого проекта на коллайдере частиц никогда не наблюдалось никаких признаков нейтрино», — сказал физик Джонатан Фенг из Калифорнийского университета в Ирвине, один из руководителей FASER Collaboration.

«Этот значительный прорыв — шаг к более глубокому пониманию этих неуловимых частиц и той роли, которую они играют во Вселенной».

Нейтрино на самом деле повсюду. Это одна из самых распространенных субатомных частиц во Вселенной; но они не несут заряда и имеют почти нулевую массу, поэтому, хотя они текут через Вселенную почти со скоростью света, они почти не взаимодействуют с ней.Миллиарды вещей текут через вас прямо сейчас. Для нейтрино остальная Вселенная в основном бестелесна; вот почему они также известны как частицы-призраки.

Хотя они взаимодействуют редко, это не то же самое, что никогда. Такие детекторы, как IceCube в Антарктиде, Super-Kamiokande в Японии и MiniBooNE в Fermilab в Иллинойсе, используют чувствительные массивы фотодетекторов, предназначенные для улавливания потоков света, возникающих, например, при взаимодействии нейтрино с другими частицами в абсолютно темной среде.

 

Но в течение долгого времени ученые хотели также изучать нейтрино, образующиеся на коллайдерах частиц. Это потому, что коллайдерные нейтрино, возникающие в основном в результате распада адронов, рождаются при очень высоких энергиях, которые не очень хорошо изучены. Обнаружение коллайдерных нейтрино обеспечивает доступ к энергиям и типам нейтрино, которые редко встречаются где-либо еще.

FASERnu известен как детектор эмульсии. Свинцовые и вольфрамовые пластины чередуются со слоями эмульсии: во время экспериментов с частицами на БАК нейтрино могут сталкиваться с ядрами в свинцовой и вольфрамовой пластинах, образуя частицы, которые оставляют следы в слоях эмульсии, что немного похоже на то, как ионизирующее излучение оставляет следы в облачная камера.

Пластины должны быть проявлены как фотопленка. Затем физики могут проанализировать следы частиц, чтобы выяснить, что их породило; было ли это нейтрино, и каков был «аромат» или тип нейтрино. Существует три разновидности нейтрино — электронная, мюонная и тау-, а также их аналоги антинейтрино.

В ходе пилотного запуска FASERnu, проведенного в 2018 г., в слоях эмульсии было зарегистрировано шесть взаимодействий нейтрино-кандидатов. Это может показаться не таким уж большим, учитывая, сколько частиц образуется за один цикл на БАК, но это дало сотрудничеству две важные части информации.

 

«Во-первых, было подтверждено, что положение перед точкой взаимодействия ATLAS на БАК является подходящим местом для обнаружения коллайдерных нейтрино», — сказал Фэн. «Во-вторых, наши усилия продемонстрировали эффективность использования эмульсионного детектора для наблюдения такого рода нейтринных взаимодействий».

Пилотный детектор был относительно небольшим устройством, весом около 29 кг (64 фунта). В настоящее время команда работает над полной версией, весом около 1100 кг (более 2400 фунтов).Этот инструмент будет значительно более чувствительным и позволит исследователям различать ароматы нейтрино и их аналоги антинейтрино.

Ожидается, что третий запуск Большого адронного коллайдера произведет 200 миллиардов электронных нейтрино, 6 триллионов мюонных нейтрино, 9 миллиардов тау-нейтрино и их антинейтрино. Поскольку на сегодняшний день мы обнаружили всего около 10 тау-нейтрино, это будет довольно большое дело.

Коллаборация также присматривается к еще более неуловимой добыче. Они возлагают надежды на обнаружение темных фотонов, которые на данный момент являются гипотетическими, но которые могут помочь раскрыть природу темной материи, таинственной, не поддающейся обнаружению массы, которая составляет большую часть материи Вселенной.

Но обнаружение нейтрино само по себе является чрезвычайно захватывающим шагом вперед в нашем понимании фундаментальных компонентов Вселенной.

«Учитывая мощность нашего нового детектора и его выгодное расположение в ЦЕРН, мы ожидаем, что сможем зарегистрировать более 10 000 взаимодействий нейтрино при следующем запуске БАК, начиная с 2022 года», — сказал физик и астроном Дэвид Каспер из Калифорнийский университет в Ирвине, соруководитель проекта FASER.

«Мы обнаружим нейтрино с самой высокой энергией, которые когда-либо производились из искусственного источника.»

Исследование группы опубликовано в Physical Review D .

 

Физики ускоряют планы по строительству нового Большого адронного коллайдера в три раза больше

Более 500 ученых собрались в Берлине, Германия, с 29 мая по 2 июня, чтобы обсудить будущее физики элементарных частиц. Мероприятие было организовано Future Circular Collider (FCC) Study, международным сотрудничеством физиков, и было сосредоточено на разработке следующего Большого адронного коллайдера (LHC), который будет в семь раз мощнее.

Расположенный в ЦЕРНе, Европейской организации ядерных исследований, БАК находится в авангарде исследований частиц и ускоряет пучки частиц высокой энергии вокруг 27-километрового петлевого туннеля. Он сталкивается с этими частицами, чтобы высвободить экстремальные уровни энергии, и при этом пытается раскрыть неуловимые строительные блоки Вселенной.

В 2012 году БАК подтвердил существование бозона Хиггса — последней невидимой элементарной частицы в Стандартной модели физики, придающей массу всей материи в нашей Вселенной.Но открытие бозона Хиггса оставило у физиков больше вопросов, чем ответов.

EuroCirCol, четырехлетнее исследование, финансируемое Европой, в настоящее время исследует будущие эксперименты и технологии, необходимые для их достижения. Проект закладывает основу для ускорителя частиц, в три раза большего, чем LHC, с магнитами двойной силы, позволяющими исследователям разбивать пучки частиц с мощностью до 100 тераэлектрон-вольт — ускорение частиц примерно эквивалентно 10 миллионам молний. забастовки.

«Когда вы смотрите на такие вещи, как движение галактик, мы видим, что можем понять и объяснить только около 5 % того, что наблюдаем»

Профессор Майкл Бенедикт, ЦЕРН, Швейцария

По словам профессора Майкла Бенедикта , лидер FCC, этот энергетический скачок может позволить нам обнаружить ранее ненаблюдаемые частицы даже тяжелее бозона Хиггса, что даст более глубокое понимание законов, управляющих Вселенной.

«Когда вы смотрите на такие вещи, как движение галактик, мы видим, что можем понять и объяснить только около 5 % того, что наблюдаем», — говорит проф.Бенедикт, который также является координатором проекта EuroCirCol.

‘Но с такими вопросами, как так называемая проблема темной материи, которая связана с тем фактом, что галактики и звезды движутся не так, как вы ожидаете, единственное объяснение, которое у нас есть, состоит в том, что должна существовать материя, которую мы не посмотрите, что соответственно искажает движение».

Для начала, БАК не сидит без дела. Он охотится за новыми частицами и сигнатурами физики до середины 2020-х годов, после чего его следует модернизировать на десять лет, увеличив скорость столкновений частиц.

И тот факт, что официально БАК создавался почти 30 лет, от первоначального планирования до щелчка переключателя, означает, что исследователи уже должны начать работу над его преемником.

Профессор Карстен П. Уэлш, заведующий кафедрой физики Ливерпульского университета, говорит, что желание человечества понять основные принципы природы — не единственная движущая сила такой науки.

«Прелесть физики в том, что у нас есть эти две нити», — сказал профессор Уэлш, который также является координатором по связям с общественностью EuroCirCol. «С одной стороны, он задает эти очень фундаментальные вопросы, но, с другой стороны, он не забывает о том, что почти всегда есть прямая связь с приложениями, которые приносят непосредственную пользу обществу». изобрел Всемирную паутину в 1989 году, но LHC также привел к другим прорывам, таким как адронная терапия для лечения рака и достижения в области медицинской визуализации.По словам профессора Уэлша, следующий БАК может привести к созданию более стойких к радиации материалов, способных нести большую мощность, что применимо к будущим ядерным реакторам и энергетическим сетям.

«Аналогичным образом магниты с сильным полем найдут прямое применение в больницах, где такие технологии, как МРТ, могут улучшить свое разрешение за счет увеличения напряженности магнитного поля». «приведет к производительности, которую мы хотим и в которой нуждаемся».Прототип усовершенствованной криогенно-лучевой вакуумной системы, необходимой для FCC, уже проходит испытания в Германии, но какой бы ни была окончательная концепция, по словам профессора Бенедикта, в 2018 году будут сформированы технические требования и данные для исследования FCC, чтобы начать подготовку.

Огромный подвиг по созданию следующего БАК потребует глобального сотрудничества, крупного финансирования и активных исследователей через 20 лет, и к этому моменту профессор Уэлш полагает, что он уйдет на пенсию.

Вот почему он говорит, что большая часть мероприятия FCC посвящена информационно-просветительской работе; заманивая школы и публику протонным футболом, интерактивным туннелем LHC и ускорителями дополненной реальности.

Подпишитесь на нашу рассылку

Профессор Уэлш говорит, что последний позволяет любому сделать свой собственный виртуальный ускоритель частиц с помощью приложения для смартфона, которое превращает бумажные кубики с QR-кодами в высокотехнологичные компоненты.

‘Я кладу бумажную коробку на стол, камера и приложение видят ее как источник ионных частиц, стоящий на моем офисном столе — как в Pokémon Go — и здесь я вижу, как частицы летают по всему моему столу. Добавляя вторую коробку, я вижу, как магнит изгибает мои частицы и так далее.

Он говорит, что такой охват жизненно важен не только для привлечения следующих поколений в науку, но и для обеспечения того, чтобы каждый мог подключиться к более специализированным исследованиям и увлечься ими.

«У нас были семилетние дети, которые, когда их спрашивали, что они делают, говорили своим матерям, что они отклоняют заряженные частицы с помощью дипольных магнитов»

Если вам понравилась эта статья, поделитесь ею в социальных сетях.

Нейтринный детектор размером с чемодан попал в самую точку на большом адронном коллайдере

Рабочий едет на велосипеде по туннелю Большого адронного коллайдера (БАК) ЦЕРНа во время технического обслуживания… [+] работает 19 июля 2013 года в Мейрине, недалеко от Женевы. По словам ЦЕРН, испытания на крупнейшем в мире коллайдере предоставили наиболее исчерпывающее подтверждение Стандартной модели, концептуальной основы четырех десятилетий назад для фундаментальных частиц. ФОТО AFP / FABRICE COFFRINI (Фото должно быть написано FABRICE COFFRINI/AFP через Getty Images)

AFP через Getty Images

Первые кандидаты в нейтрино, произведенные Большим адронным коллайдером (БАК) ЦЕРН в Швейцарии, были обнаружены международной группой под руководством физиков из Калифорнийского университета в Ирвине (UCI).Нейтрино — самые легкие и наиболее слабо взаимодействующие известные частицы — были обнаружены с помощью небольшого пробного прибора, расположенного вдоль линии, касательной к основному пучку протонного коллайдера БАК.

В статье, только что опубликованной в журнале Physical Review D , команда подробно описывает, как они наблюдали шесть взаимодействий нейтрино во время пилотного запуска Forward Search Experiment (FASER), компактного эмульсионного детектора, установленного на БАК в 2018 году.

Физика элементарных частиц вряд ли является предметом болтовни на коктейльной вечеринке.И если вы не посещаете международный коллоквиум по физике; обсуждение нейтрино, их массы, их типов и их происхождения остается для широкой публики столь же запутанным, как и космология до Большого взрыва. Но нейтрино, вероятно, имеют решающее значение для отслеживания неуловимой скрытой реальности экзотической темной материи. И это новое обнаружение — шаг в этом направлении.

«[Это] открывает новое окно», — сказал мне Джонатан Фенг, физик-теоретик UCI и один из соавторов статьи. «БАК известен обнаружением бозона Хиггса, но никогда не считалось, что это место, где можно обнаружить нейтрино.С этим результатом мы открыли совершенно новую область, а именно физику нейтрино на коллайдерах».

Обнаружив нейтрино, произведенные в лаборатории, мы имеем полный контроль над тем, что происходит — как производятся частицы и как они обнаруживаются, — объясняет Фэн. Это означает, что мы можем быть чувствительны к небольшим отклонениям, возникающим из-за новых эффектов, которые могут сигнализировать о новых законах природы, говорит он.

Напротив, когда нейтрино естественным образом образуются где-то еще в космосе, если кто-то видит что-то странное, трудно сказать, связано ли это с новым законом природы или просто с непониманием конечного источника нейтрино, – говорит Фэн.

Neutrinos, концептуальная компьютерная работа.

гетти По словам Фенга, коллайдеры частиц

работают уже более 70 лет, но ни один из них не смог обнаружить нейтрино. Но Фэн говорит, что в течение одного месяца он и его коллеги смогли обнаружить шесть взаимодействий нейтрино; все с использованием детектора размером с чемодан, сделанного из переработанных деталей.

Прибор группы FASERnu улавливает частицы, образующиеся вдоль слепых зон в протонном пучке коллайдера.И оказывается, что именно сюда уходит большинство нейтрино высоких энергий, и их легче всего обнаружить, говорит Фэн. По его словам, это одна из причин, по которой ему и его коллегам удалось обнаружить нейтрино с помощью такого маленького прибора.

нейтрино впервые были предсказаны в 1930-х годах, чтобы объяснить очевидное нарушение законов сохранения в ядерном радиоактивном бета-распаде, сказал мне Дэйв Каспер, физик-экспериментатор UCI и один из соавторов статьи.

Но они не были обнаружены до 1950-х годов.

Причина, по которой это заняло так много времени, заключается в том, что нейтрино очень слабо взаимодействуют, говорит Каспер. По его словам, потребовался ядерный реактор, в котором нейтрино производятся как продукты ядерного деления, чтобы иметь достаточно нейтрино, чтобы обнаружить несколько из них.

В конце концов было установлено, что существует три различных типа или «аромата» нейтрино. Первоначально считалось, что все они лишены массы. Тем не менее в 1980-х годах было установлено, что нейтрино имеют некоторую массу, но недостаточную, чтобы объяснить отсутствие экзотической темной материи.

Масса

нейтрино в миллион раз меньше, чем у следующей по тяжести частицы (электрона), говорит Каспер. По его словам, огромная разница в массе между нейтрино и другими элементарными частицами является ключом к новой физике.

Какая связь между нейтрино и темной материей?

Нейтрино не могут быть большей частью темной материи — у них нет нужных свойств, говорит Фэн. Но нейтрино и частицы темной материи связаны в том смысле, что они оба являются чрезвычайно слабо взаимодействующими частицами, говорит он.По этой причине эксперименты, которые хороши для обнаружения нейтрино, также хороши для поиска некоторых видов темной материи, отмечает Фэн.

Несмотря на прогресс в понимании нейтрино, загадки остаются.

Мы до сих пор не знаем основных свойств нейтрино, как объяснить маленькую, но не нулевую массу нейтрино, или даже сколько видов нейтрино существует, говорит Фэн.

Но есть надежда, что этот новый прибор FASER совершит кардинальные изменения в нашем понимании физики нейтрино.

Мы начинаем использовать огромное количество нейтрино высоких энергий, образовавшихся в результате столкновений на БАК, которые до сих пор были «растрачены впустую», — говорит Каспер. Он отмечает, что в эксперименте FASER будут использоваться трехмерные изображения невероятно высокого разрешения (в микронном масштабе) нейтринных взаимодействий, которые производит LHC.

Что дальше?

Начиная с 2022 года, мы будем эксплуатировать гораздо более крупный однотонный детектор, который будет работать в течение трех лет, — говорит Фэн. «Мы рассчитываем обнаружить 10 000 нейтрино с самой высокой энергией, когда-либо созданных в ходе экспериментов на людях, и это позволит нам точно изучить их свойства», — говорит он.

Post A Comment

Ваш адрес email не будет опубликован.