Большой адронный коллайдер что такое: РИА Новости — события в Москве, России и мире сегодня: темы дня, фото, видео, инфографика, радио

Содержание

Большой Адронный коллайдер будет светить ярче

Сотрудник CERN настраивает коллиматор (от collimo, искажение правильного, лат. collineo — направляю по прямой линии), устройство для получения параллельных пучков лучей света или частиц. © 2018 CERN

В текущем 2018 году началась реализация проекта по модернизации БАК/LHC и вывода его на более высокую светимость. Цель дорогостоящего предприятия, завершение которого планируется на 2026 год, состоит в качественном повышении степени производительности этого, наверное, самого большого в истории науки, прибора в надежде вырвать у природы её самые сокровенные, а потому хорошо припрятанные, тайны.

Этот контент был опубликован 19 июля 2018 года — 11:00
Саймон Бредли

Уроженец Лондона, Саймон – мультимедийный журналист, работающий в SWI swissinfo.ch с 2006 года.

Он говорит на французском, немецком и испанском языках, освещает работу ООН и других международных организаций со штаб-квартирами в Женеве, а кроме того, и целый ряд других тем, главным образом во франкоязычной части Швейцарии.

Больше материалов этого / этой автора | Англоязычная редакция

Саймон Бредли (Саймон Бредли), swissinfo.ch

Доступно на 4 других языках

Что такое БАК?

Ускоритель заряженных частиц БАК (Большой Адронный коллайдерВнешняя ссылка) — это двойной подземный закольцованный туннель диаметром в 27 км и протяжённостью около 100 км. Под землёй в качестве составных элементов коллайдера смонтированы четыре огромных, высотой со средневековый собор, детектора элементарных частиц. Именно поэтому коллайдер и назван «Большим».

«Адронным» же он называется потому, что он ускоряет адроны, то есть протоны и тяжёлые ядра атомов. Ну, а само понятие «коллайдер» является производным от англ. слова collider — сталкиватель, поскольку внутри БАК происходит направленное и запланированное столкновение пучков ускоренных частиц.  Сталкиваются они во встречных направлениях, результаты столкновений фиксируются и анализируются в уже упомянутых детекторах. Зачем нужно все это фиксировать и анализировать? 

Дело в том, что только таким образом учёные могут смоделировать и изучить то, что происходило в первые наносекунды после так называемого Большого взрыва, в результате которого, как считается, более 13 млрд лет назад возникла наша Вселенная. Кроме того, БАК позволяет получать ранее немыслимые результаты в рамках изучения особенностей физики элементарных частиц, приближаясь к разгадке таких феноменов, как «тёмная материя», «тёмная энергия» и «антиматерия».

Именно в рамках всех их прорывных исследований учёным в CERNВнешняя ссылка в 2012 году впервые удалось доказать наличие так называемого «бозона Хиггса», который, в свою очередь, помогает понять, откуда берут свою массу элементарные частицы, лежащие в основании материи как таковой.

Панорама региона на швейцарско-французской границе, под поверхностью которой смонтирован БАК (LHC), на фоне Альпийских гор и Женевского озера. © 2008-2018 CERN (License: CC-BY-SA-4.0)

Как работает БАК?

В коллайдере происходит направленное и запланированное столкновение пучков ускоренных частиц, причём сталкиваются они во встречных направлениях. Скорость частиц в БАК близка к скорости света в вакууме. Разгон частиц до таких больших энергий достигается в несколько этапов. 

На первом этапе низкоэнергетические линейные ускорители Linac 2 и Linac 3 производят инжекцию (вброс) протонов и ионов свинца для их дальнейшего ускорения. Затем частицы попадают в протонный синхротрон, двигаясь уже со скоростью, близкой к световой. После этого ускорение частиц продолжается в протонном супер-синхротроне. Затем сгусток протонов направляют в основное кольцо БАК. События, происходящие в точках столкновения, регистрируются детекторами. 

В БАК смонтированы четыре больших детектора (ATLAS, CMS, ALICE, LHCb), которые расположены вокруг точек столкновения пучков. Вспомогательные детекторы TOTEM и LHCf находятся на удалении в несколько десятков метров от этих точек.

 Детекторы ATLAS и CMS были специально предназначены для поиска бозона Хиггса и тёмной материи. Детектор ALICE используется для изучения кварк-глюонной плазмы в столкновениях тяжёлых ионов свинца. 

Детектор LHCb нужен для исследования физики b-кварков, что позволит лучше понять различия между материей и антиматерией. Детектор TOTEM предназначен для изучения рассеяния частиц на малые углы при близких пролётах без столкновений, что позволяет точнее измерить размер протонов, а также контролировать светимость коллайдера. Наконец, детектор LHCf построен для исследования космических лучей, моделируемых с помощью тех же несталкивающихся частиц.

Зачем потребовалось повышать производительность БАК?

Физики надеются, что увеличение производительности Большого Адронного коллайдера позволит повысить число столкновений заряженных частиц, что, в свою очередь, повысит вероятность совершения новых открытий. Производительность складывается из двух параметров. 

Первый — энерговооружённость. Она является для БАК одним из самых важных параметров. Ускоритель рассчитывался на столкновения протонов с суммарной энергией 14 тераэлектронвольт. По состоянию на конец 2016 года БАК, еще не выйдя на проектную мощность, тем не менее, уже заметно превосходил предыдущего рекордсмена, а именно, протон-антипротонный коллайдер Тэватрон Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми в США, который достигал показателя в 13 тераэлектронвольт.

На сайте CERN можно прочитатьВнешняя ссылка, что энергияВнешняя ссылка в 1,0 тераэлектронвольт равна энергии полета комара, однако особенность БАК состоит в том, что он способен поместить эту энергию в пространство, которое в миллиард раз этого самого комара меньше. Учёные рассчитывают, что энергия в 14 тераэлектронвольт будет на базе БАК достижима уже в 2020 году, но это был бы уже предел, обусловленный техническими параметрами ускорителя.

Не менее важной для БАК является и второй параметр, так называемая «светимость».

В экспериментальной физике элементарных частиц «светимостью» называют параметр ускорителя, характеризующий интенсивность столкновения частиц пучка с частицами фиксированной мишени. Светимость Большого Адронного коллайдера во время первых недель работы пробега была не более 1 029 частиц/см²·с, но она продолжает постоянно повышаться. Целью является достижение номинальной светимости в 1,7·1034 частиц/см²·с. 

Это позволит увеличить объем информации, получаемой в результате столкновения частиц, почти на порядок. Тем самым в будущем БАК сможет куда более сильно и яснее «освещать» материю и, соответственно, получать более точные и более многочисленные результаты исследований. «Большая светимость — то есть большее число столкновений заряженных частиц — поможет нам более точно определить, что же там, в глубинах материи, все-таки находится», — говорит Луцио России (Lucio Rossi), руководитель проекта повышения светимости БАК (HL-LHC).

Апрель 2018 года: начало строительных работ в рамках проекта модернизации БАК/LHC на более высокую светимость. Завершение проекта намечено на 2026 год. © 2018 CERN

Какие в итоге результаты надеются получить учёные CERN?

Повышение производительности БАК позволит лучше, то есть точнее, изучить особенности бозона ХиггсаВнешняя ссылка, понять, как возникает эта частица, как и почему она распадается и как взаимодействует с другими частицами. Учёные CERN утверждают, что повышение «светимости» БАК позволит получать в год 15 млн Бозонов Хиггса — на фоне 3 млн, полученных в 2017 году, это будет и в самом деле огромным шагом вперёд. Кроме того, «прокачанный» БАК позволит учёным более предметно и подробно приняться за изучение самых сложных проблем физики.

Среди них т.н. суперсимметрия (гипотетическое преобразование, которое способно переводить вещество во взаимодействие, или в излучение, и наоборот), теория струн (основана на гипотезе о том, что все элементарные частицы и их фундаментальные взаимодействия возникают в результате колебаний и взаимодействий ультрамикроскопических квантовых «струн») или вопрос так называемых «

квантовых суперпозиций», в центре которого стоит проблема одновременного существования взаимоисключающих состояний. Решение этого вопроса может приблизить человечество к созданию т.н. квантовых компьютеровВнешняя ссылка.

В конечном счёте все это поможет решить главную задачу Большого Адронного коллайдера, а именно, достоверно обнаружить хоть какие-нибудь отклонения от Стандартной модели, то есть существующей и признанной учёными теоретической конструкции, описывающей электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Стандартная модель не является «теорией всего», так как она не описывает и не учитывает тёмную материю, тёмную энергию и не включает в себя гравитацию. Новый БАК поможет сделать шаг в сторону расширения и совершенствования Стандартной модели. 

Специалист CERN настраивает «крабовые резонаторы». © 2017-2018 CERN

Как учёные намерены повысить «светимость» БАК?

Как мы уже говорили, в экспериментальной физике «светимостью» называют параметр, характеризующий интенсивность столкновения разогнанных частиц с частицами фиксированной мишени. Отсюда ясно, что увеличение светимости коллайдера потребует увеличения интенсивности пучков и повышения степени и точности их фокусировки. В противном случае частицы будут просто пролетать мимо друг друга, не взаимодействуя. 

Специально разработанные «крабовые резонаторыВнешняя ссылка» будут «наклонять» пучки протонов так, чтобы увеличить периметр зоны, в границах которой возможны их столкновения. Большое значение при этом уделяется магнитному полю. В настоящий момент БАК оснащён большим количеством магнитов, но лишь небольшая их часть действительно занимается ускорением частиц, остальные просто удерживают частицы внутри коллайдера. Поэтому, чтобы увеличить светимость коллайдера, следует качественно усилить магнитное поле, иначе частицы будут просто вылетать из ускорителя. 

Внутри коллайдера планируется дополнительно установить 130 магнитов с повышенной мощностью (индукцией). Они будут смонтированы на основе сверхпроводящего материала станнид триниобия (Nb3Sn), а этот материал гораздо сложнее в обращении и дороже, чем традиционный титанат ниобия (NbTi). Работу этих магнитов будут поддерживать 15 «крабовых резонаторов», установленных в специальных «норах».

Внешний контент

О проекте модернизации БАК/LHC на более высокую светимость: на английском языке.

Насколько велик предстоящий объём работ и какая от всего этого польза обществу?

В общей сложности техническое перевооружение и модернизация затронут примерно 1,2 км от общей протяженности БАК. Строительные работы будут проводиться на двух площадках в Швейцарии и двух во Франции, предстоит возвести новые здания, проложить дополнительные шахтные ходы, обустроить подземные производственные помещения. 

Цена вопроса достигнет примерно 1,2 млрд шв. франков или 1,0 млрд евро. Участие в проекте принимают 29 партнёров из 13 стран. БАК будет продолжать все это время работать в обычном режиме, с двумя перерывами в 2019-2020 гг.  и 2024-2026 гг. Что же касается утилитарной, прикладной пользы, то в средне- и долгосрочной перспективе она очевидна.

Наряду с расширением горизонта познания и обучением нового поколения инженеров и экспериментальных физиков работа модернизированного БАК позволит заложить основы качественно новых технологий в сферах сверхпроводимости и вакуума. Материалы со сверхпроводимостью могут найти, и уже сейчас находят, применение в медицинской диагностике и лечении онкологических заболеваний. 

Кроме того, сверхпроводящие провода на основе диборида магния, применяемые сейчас в рамках проекта модернизации БАК, могут в будущем еще более широко использоваться для создания, например, магниторезонансных томографов в качестве замены проводов из традиционного низкотемпературного ниобий-титана.

​​​​​​​

Статья в этом материале

Ключевые слова:

Эта статья была автоматически перенесена со старого сайта на новый. Если вы увидели ошибки или искажения, не сочтите за труд, сообщите по адресу [email protected] ch Приносим извинения за доставленные неудобства.

В соответствии со стандартами JTI

Показать больше: Сертификат по нормам JTI для портала SWI swissinfo.ch

Большой адронный коллайдер | Николай Полисский

Теоретики-физики, колдующие в Швейцарии над гигантским коллайдером—ускорителем заряженных частиц, наверное, и не подозревают, что в соседнем Люксембурге у них появился конкурент. Российский художник Николай Полисский установил там свой «Большой адронный коллайдер». Его научно-художественная лаборатория базируется до середины сентября в музее современного искусства Люксембурга MUDAM, носящем имя великого герцога Жана. Накануне «пуска» установки, то бишь вернисажа, великий герцог лично посетил музей…

…That said, my personal vote goes to Nikolai Polissky’s wood-rendered take on the Large Hadron Collider. Polissky lives and works in the tiny village of Nikolo-Lenivets on the banks of the Ugra River, four hours outside of Moscow. Over the last ten years or so, Polissky turned it from a run-down outpost known only for its vicious local samogon (home-brewed…

Дерево и лоза: если это соединить, получится Большой адронный коллайдер. Сталкивать элементарные частицы он не может, зато сделан из натуральных материалов и имеет художественную ценность. О том, как наука превращается в искусство, корреспондент НТВ Сергей Холошевский. Русские все-таки смогли построить свой Большой адронный коллайдер без чьей-либо помощи, без единого гвоздя и на коленке. В отличие от того швейцарского адронного коллайдера,…

В люксембургском «MUDAM» открылась сделанная специально для этого музея современного искусства выставка Николая Полисского «Большой адронный коллайдер», кураторами которой выступили сотрудники «MUDAM» Клемен Минегетти и Мари-Ноэль Фарси, а также Ольга Махрова из парижского Центра Помпиду. Француженка русского происхождения, она одно время работала культурным атташе Посольства Франции в РФ, и именно ей принадлежит идея познакомить люксембургский музей и русского художника. Арт-эпопея…

Перед открытием НИКОЛАЙ ПОЛИССКИЙ ответил на вопросы МИЛЕНЫ Ъ-ОРЛОВОЙ. — Вы-то сами знаете, как выглядит адронный коллайдер? — Я изучал вопрос, но для меня это не важно. Важен пафос, что вот ученые, они дерзнули на такое дело, и никто не знает, что получится, то ли прорыв в миросозерцании — как произошла Вселенная, а может, пойдет цепная реакция и все гикнется,…

В Люксембурге появился «Большой адронный коллайдер». Свое видение научного эксперимента предложил российский художник Николай Полисский вместе с артелью мужиков из калужской деревни Никола-Ленивец. На вернисаже в музее современного искусства Люксембурга (MUDAM) побывала МИЛЕНА Ъ-ОРЛОВА. «Большой адронный коллайдер» Николая Полисского и его команды и вправду немаленький — это десяток сложносочиненных конструкций во главе с восьмиметровой башней, вздымающей к космосу «руки»-антенны. Башня…

В Люксембурге Николай Полисский запустил Большой деревянный коллайдер. Европа узнала много нового об устройстве мира Люксембург, в сущности, та же Швейцария, только меньше. Неудивительно, что и коллайдер у них меньших размеров. Правда, ко всему прочему он еще и деревянный. Его построил Николай Полисский вместе с одиннадцатью соавторами по просьбе музея Mudam. Музей спроектировал Йо Минг Пей, тот самый, который угнездил…

СКИФ — это наш Большой адронный коллайдер?

 


Что у этих ускорителей общего и чем они отличаются друг от друга?

Ускорители заряженных частиц служат для получения энергичных протонов, антипротонов, легких или тяжелых ионов, электронов или позитронов. В современных реалиях «энергичные» частицы — это такие, скорость которых приближается или даже практически равна скорости света в вакууме, то есть около 300 000 километров в секунду. И во всяком случае, их энергии (и скорости) существенно больше, чем те, которые можно получить на Земле из естественных источников, например из радиоактивных ядер.  

 

Используются эти частицы для широкого спектра применений: тут можно упомянуть и легирование полупроводников, и терапию онкозаболеваний на ускорителях протонов или легких ионов низких энергий, и обеззараживание медицинских изделий, и упрочнение полимеров на электронных промышленных ускорителях. Но всё же основной мотив использования ускорителей — получение фундаментальных и прикладных знаний. 

 

Началась история ускорителей с искусственных ядерных реакций, продолжилась открытием внутренней структуры протонов и нейтронов на ускорителях с неподвижной мишенью.

 

Сейчас основным инструментом в изучении свойств элементарных частиц являются коллайдеры. Это ускорители, где группы частиц, называемые пучками (в пучке миллиарды частиц!), движутся друг навстречу другу с практически световой скоростью и сталкиваются. При столкновениях получаются новые нестабильные частицы, которых изначально не было в исходных.

 

Такие частицы очень быстро распадаются, но продукты распада регистрируются детекторами, и физики по этим следам распутывают картину произошедшего, совсем как криминалисты. Таким образом ученые исследуют, как устроена и как себя ведет материя на масштабах порядка 10-19 метра.

 

Большой адронный коллайдер, или LHC, является самым знаменитым коллайдером. Он сталкивает протоны с протонами на скоростях, которые отличаются от скорости света всего на несколько десятков метров в секунду. LHC — это кольцевой коллайдер периметром 27 километров, расположенный под землей на глубине около 100 метров на территории Франции и Швейцарии. Все 27 километров — это вакуумная труба и сверхпроводящие магниты, которые удерживают протоны на нужной траектории. 

 

Кроме LHC в мире есть еще шесть коллайдеров: один ионный (RHIC, США), а остальные сталкивают электроны и позитроны (DAFNE в Италии, BEPC-II в Китае и SuperKEKB в Японии), в том числе два новосибирских коллайдера (ВЭПП-4М и ВЭПП-2000).

 

Каждый коллайдер занимает свою нишу по энергии и экспериментальным возможностям, так что результаты их работы дополняют друг друга. Если сравнить коллайдеры с инструментами, то протон-протонный — это топор: получается очень много частиц разных типов. А электрон-позитронный — это скальпель: можно получать частицы небольшого числа типов, зато очень точно измерять их параметры.

 

Современные коллайдеры являются жесткофокусирующими синхротронами — это тип кольцевого ускорителя, где применяются электромагниты с магнитным полем, изменяющимся синхронно с энергией. Однородное магнитное поле используется для поворота частиц, а неоднородное — для их фокусировки.

 

Но у слова «синхротрон» есть еще одно, более узкое значение — специализированный источник синхротронного излучения, то есть электронный синхротрон, спроектированный специально для генерации синхротронного излучения большой интенсивности.

 

Синхротронное излучение (СИ) образуется, когда сильно релятивистские (то есть с почти световой скоростью) электроны движутся в магнитном поле. СИ обладает несколькими ценными свойствами —  высокой направленностью, широким спектром излучения от радиоволн до жесткого рентгеновского и высокой мощностью. Всё это позволяет применять СИ для широчайшего круга задач прикладной науки: изучение химического состава и структуры вещества, томография, исследование быстрых процессов, обработка материалов и многое другое. В отличие от коллайдеров, в мире несколько десятков специализированных источников СИ.

 

Синхротрон СКИФ — это специализированный источник СИ поколения 4+ с энергией пучка электронов 3 ГэВ (электрон в 6 тысяч раз тяжелее, чем в состоянии покоя), периметром около 500 метров. Это значит, что на нем можно получать как мягкое, так и жесткое рентгеновское излучение с рекордной плотностью излучения.

 

Уникальные характеристики этого ускорителя позволят ученым проводить все необходимые эксперименты с СИ, не выезжая за рубеж. Неудивительно, что синхротрон СКИФ будет находиться в Новосибирске, ведь именно здесь сосредоточены основные потребители СИ — институты СО РАН разных профилей, а также Институт ядерной физики СО РАН — организация, которая уже больше 50 лет строит ускорители разных типов по всему миру.

 

Таким образом, Большой адронный коллайдер — инструмент для физики элементарных частиц, то есть для чисто фундаментальных исследований, работающий с циркулирующими в двух направлениях пучками протонов. А СКИФ — инструмент для широкого спектра прикладных исследований, работающий с пучками электронов, циркулирующих в одном направлении.

 

Между СКИФом и LHC общего лишь то, что они оба являются синхротронами, и аналогия здесь только в принципе действия, но различаются и тип частиц, и их энергия, и размеры установки, и технические решения, и назначение. Более близкими российскими аналогами LHC являются новосибирские электрон-позитронные коллайдеры: ВЭПП-4М и ВЭПП-2000. И действительно, между учеными, работающими на этих установках, существует обмен знаниями и технологиями.

 

Фото из открытых источников (анонс)

 

Большой адронный коллайдер: модернизация близка к завершению

Идут ремонтные работы в туннеле Большого адронного коллайдера. Фото: Anna Pantelia. CERN.

В середине июля 2014 года на ускорительном комплексе Большого адронного коллайдера (Large Hadron Collider, LHC) в Центре европейских ядерных исследований (ЦЕРН) после почти полуторагодового перерыва снова начались эксперименты.

Столь длительный перерыв связан с тем, что с 14 февраля 2013 года на комплексе идут работы по его модернизации и ремонту, которые должны завершиться в 2015 году. В ходе этих работ заменят почти 1000 км повреждённых радиацией кабелей, поменяют и модернизируют значительную часть узлов ускорителей (некоторые работают с 1959 года), детекторов и электроники, капитально отремонтируют систему вентиляции.

Главная задача работ — устранение конструктивных недостатков LHC, которые привели к аварии при его запуске в 2008 году и задержали на год ввод коллайдера в строй. Причинами аварии стали дефект электрического соединения, из-за которого возник дуговой разряд, и неудачно спроектированная система безопасности электропитания. После ремонта исследования пришлось вести с частицами, ускоренными до энергий, не превышающих 8 ТэВ (1 ТэВ = 1012 эВ), при проектной мощности коллайдера 14 ТэВ. Это существенно изменило планы работ на LHC, хотя и на таких энергиях удалось получить немало выдающихся результатов. Например, обнаружить неуловимый бозон Хиггса (см. «Наука и жизнь» № 10, 2012 г., статья «Долгожданное открытие: бозон Хиггса»).

Модернизация должна довести энергию столкновений частиц практически до проектной. Работа на мощности 13 ТэВ позволит повысить точность измерений и, возможно, получить новые результаты. В два раза должна возрасти и так называемая светимость коллайдера — число столкновений частиц в единицу времени. Чем их больше, тем чаще происходят те редкие события, которые интересуют исследователей.

За полтора года, прошедшие со дня остановки LHC, вскрыли все сверхпроводящие магниты в 27-километровом туннеле коллайдера, проверили все 10 170 соединений и более половины их перепаяли, чтобы они надёжно проводили ток до 13 000 А. Установлено 27 000 шунтов, которые отведут часть тока, если какое-либо соединение потеряет сверхпроводящие свойства. Это позволит избежать повторения ситуации 2008 года.

В настоящее время первый из восьми секторов LHC уже охлаждают до рабочей температуры 1,9 К (–271оС). Запустить коллайдер планируют в январе 2015 года, в феврале — марте его протестируют на максимальной энергии пучков. Однако светимость будет наращиваться постепенно, так что полноценные эксперименты начнутся лишь во втором полугодии.

Помимо LHC в систему коллайдера входит так называемый инжекционный комплекс — несколько ускорителей меньшего размера, предназначенных для предварительного ускорения частиц перед их впрыскиванием («инжекцией») в кольцо LHC и для проведения самостоятельных экспериментов. Ускорители комплекса протестируют и запустят в 2014 году. На ускорителях Linac2 (линейном) и PS Booster (PSB, бустер протонного синхротрона) работы уже завершены, что позволило в июле ввести в строй протонный синхротрон (PS), который использует протоны, предварительно ускоренные Linac2 и PSB.

В конце июля возобновила работу установка ISOLDE на пучке протонов от PSB. В этом эксперименте получают и исследуют радиоактивные ядра в интересах широкого круга наук — от атомной и молекулярной физики до биофизики и астрофизики.

Протоны из PS направляются на мишень, где они производят вторичные частицы, например нейтроны, используемые в первую очередь в эксперименте nToF по изучению их взаимодействия с ядрами и в ряде других. Эти исследования важны для изучения свойств ядер, звёздного термоядерного синтеза, использования ускорителей для управления ядерными реакторами и применения вызванных нейтронами реакций в ядерных технологиях, включая трансмутацию ядерных отходов, реализацию вечной мечты алхимиков о превращении одного элемента в другой.

PS будет использован и для работ по проекту AIDA, в котором разрабатывают новые детекторы для ускорителей. Их будут проверять в условиях, аналогичных существующим внутри ускорителей. Для этого строят новые установки IRRAD и CHARM, которые войдут в строй в середине сентября.

Протоны от PS получает и второй по величине ускоритель комплекса — суперпротонный синхротрон (SPS), пуск которого ожидается в середине октября.

В конце августа начал работу замедлитель антипротонов (AD), на котором проводят эксперименты по изучению антиматерии. На сентябрь запланирован эксперимент CLOUD, исследующий связь космических лучей с образованием облачности. В нём физику ускорителей высоких энергий впервые используют для изучения атмосферы и климата.

До конца года должны закончиться и работы на всех четырёх основных детекторах LHC (ATLAS, CMS, ALICE и LHCb). Но уже сейчас проходит тестирование детекторов с помощью частиц космических лучей.

Пауза в работе LHC дала физикам возможность сосредоточиться на анализе накопленных данных. В день остановки коллайдера ЦЕРН объявил, что его центр обработки данных за последние двадцать лет зарегистрировал более 100 ПБ (1 петабайт = 1015 байт) физических данных. Это эквивалентно 700 годам видео высокого разрешения. Более половины их принадлежит LHC, который производит до 25 ПБ информации в год.

Новые результаты исследований все коллаборации LHC обнародовали на 37-й Международной конференции по физике высоких энергий (ICHEP), проходившей 2—9 июля в Валенсии (Испания). Были представлены наиболее полные, точные и всесторонние измерения массы топ-кварка, бозона Хиггса и короткоживущих адронов, их время жизни и схемы распада, результаты поисков суперсимметрии и тёмной материи, новые измерения сильных взаимодействий с участием W- и Z-бозонов (которые важны для поиска новых явлений), ряд новых результатов по исследованию кварк-глюонной плазмы, асимметрии материи — антиматерии.

Исследователи с энтузиазмом ожидают начала очередного трёхлетнего периода работы LHC, после которого планируется ещё одна его модернизация, чтобы к 2020 году увеличить светимость коллайдера в 10 раз. Они продолжат поиски частиц тёмной материи, дополнительных измерений пространства Минковского, явлений, выходящих за рамки Стандартной модели, экспериментально проверят различные теории, в первую очередь теорию суперсимметрии, попытаются узнать причину отсутствия антиматерии во Вселенной. Всё это позволит не только лучше понять, как устроен наш мир, но и, возможно, прояснить вопросы происхождения Вселенной.

На Большом адронном коллайдере открыли новую форму материи / Хабр

Одна из возможных внутренних структур новой частицы: очарованые кварки (с) образуют тяжелый компактный дикварк, вокруг которого обращается пара лёгкик антикварков ( u-bar и d-bar). Источник: ЦЕРН

Коллаборация LHCb, одного из экспериментов Большого адронного коллайдера, куда входят представители нескольких университетов, объявила об открытии новой частицы — экзотического тетракварка Tcс+. Частица сильно выделяется среди собратьев и представляет собой новую форму материи. 

Тетракварк — это экзотическая элементарная частица, адрон, состоящий из двух кварков и двух антикварков. Экзотическими тетракварки называют, потому что изначально считалось, что адроны могут состоять или из пары кварк-антикварк (такой адрон называется мезоном), или из трех кварков (в этом случае адрон называется барионом; барионами являются, например, протон или нейтрон). Барионов и мезонов известно много, и они хорошо изучены. Однако более 50 лет назад было сделано предположение, что существуют адроны, состоящие из четырех и даже пяти кварков – тетракварки и пентакварки. На данный момент экспериментально уже обнаружено 4 пентакварка и около 20 тетракварков.

«Частица обладает уникальными свойствами и фактически представляет собой новую форму материи, – пояснил участник коллаборации LHCb, заведующий лабораторией ИЯФ СО РАН, академик РАН Александр Бондарь. — c-кварки, входящие в новый тетракварк, относительно тяжелые: каждый обладает массой в 1,5 массы протона. Частица имеет положительный заряд (+1) и массу приблизительно 3,875 ГэВ».

Известные науке тетракварки могут включать в себя различную комбинацию кварков, но их объединяет то, что в них всегда содержится очарованный кварк и очарованный антикварк. Tcс+ принадлежит совершенно новому семейству частиц, так как он содержит два очарованных кварка, но ни одного антикварка, объясняют в РАН. С-кварк, или очарованный кварк, — кварк с зарядом +(2/3)e, он занимает третье место по массе среди кварков (после тяжелых t- и b-кварков).  

«Мы уверены, что именно наличие двух тяжелых кварков в такой системе принципиально важно для того, чтобы эта система была достаточно устойчивой и долгоживущей. В частности, есть уверенность, что если c-кварки (очарованные кварки) заменить на b-кварки (прелестные кварки), то такая частица будет жить много дольше».

Ученые намерены заняться изучением внутренней структуры частицы. 

«При массе чуть больше массы ядра гелия мы оценили размер Tcс+ примерно равным ядру атома радия (который в 50 раз тяжелее ядра гелия), то есть наша новая частица очень «рыхлая». Далее мы должны понять внутреннюю структуру этой частицы. Например, она может быть похожа на «атом», у которого есть очень маленькое и тяжелое «ядро», состоящее из двух очарованных кварков, окруженных облаком очень большого размера из легких антикварков. Или же она может быть похожа на «молекулу», в которой две тяжелые частицы вращаются друг от друга на расстоянии примерно в 8-10 раз большего размера каждой из этих частиц. Это основные варианты, и мы надеемся в какой-то момент узнать, какой именно сценарий реализуется в природе», — комментируют в РАН.

на БАКе снова открыли экзотические частицы

Учёные, работающие с Большим адронным коллайдером, открыли четыре новые экзотические частицы. Теперь количество адронов, открытых на этом крупнейшем в мире ускорителе (за 11 лет его работы), достигло 59.

Мир как лего

Напомним, что адроны – это частицы, состоящие из кварков и/или антикварков. Существует всего шесть видов кварков и их античастиц антикварков: нижний (down), верхний (up), странный (strange), очарованный (сharm), прелестный (beauty) и истинный (true). Эти поэтичные названия часто заменяют их первыми буквами в англоязычном написании и говорят об d-, u-, s-, c-, b- и t-кварках.

Адроны различаются между собой тем, сколько и каких кварков входит в их состав. Например, протон содержит два u-кварка и один d-кварк, а нейтрон – наоборот. Известны частицы из четырёх (тетракварки) и пяти (пентакварки) кварков/антикварков того или иного вида. К слову, и тетра-, и пентакварки были впервые обнаружены именно на БАК.

Бывает также, что два адрона полностью совпадают по кварковому составу, но всё равно являются разными частицами. Так происходит, если кварки внутри них имеют разную энергию. Частица с более энергичными кварками имеет большую массу, чем её более «спокойный» близнец (напомним, что энергия переходит в массу по знаменитой формуле E = mc2).

Для физиков открытие каждого нового адрона – выдающееся событие. Ведь оно раскрывает новые подробности поведения кварков, этих фундаментальных кирпичиков, из которых состоят протоны и нейтроны (а значит, и ядра атомов любого вещества, будь это наша кровь или межзвёздный газ).

Фабрика открытий

Вместе с четырьмя «новобранцами» число новых для науки адронов, обнаруженных на Большом адронном коллайдере за 11 лет работы, достигло 59. Все эти частицы с датой открытия, энергией и кварковым составом показаны на иллюстрации ниже.

Таким образом, физики совершали открытие в среднем каждые два месяца. А ведь создание адронов – главная, но не единственная задача БАК. Например, знаменитый бозон Хиггса, за открытие которого в 2013 году присудили Нобелевскую премию по физике, – это не адрон. Тем не менее он был открыт и детально изучен исключительно благодаря БАК.

Адроны, открытые на Большом адронном коллайдере.

Новички

Все четыре новые обнаруженные частицы – тетракварки. Один из них, Zcs(4000)+ состоит из одного c-кварка, одного c- антикварка, одного u-кварка и одного s-антикварка. Эта «гремучая смесь» имеет положительный электрический заряд, равный заряду протона, о чём говорит значок «+» в его обозначении.

Ещё одна новая частица, Zcs(4220)+, полностью копирует предыдущую по кварковому составу, но имеет большую массу: не 4000 МэВ/с2, а 4220 МэВ/с2.

Третий представитель «пополнения» – тетракварк X(4630). Он состоит из c-кварка с его антикварком и s-кварка опять-таки с его антикварком. Заряды частицы и её античастицы всегда равны по величине и противоположны по знаку, поэтому тетракварк X(4630) имеет нулевой суммарный заряд.

Наконец, последняя открытая частица – X(4685). Она копирует предыдущую по кварковому составу, но имеет несколько большую массу 4685 МэВ/с2.

Все четыре новых тетракварка были обнаружены коллаборацией LHCb, в которую входят и российские учёные. Так, специалисты из Высшей школы экономики разработали систему искусственного интеллекта, обрабатывающую огромный поток данных с детекторов ускорителя.

Препринт научной статьи с описанием открытия опубликован на сайте arXiv.org.

Итоги и перспективы

Ускоритель с 27-километровым туннелем, разгоняющий частицы до 0,999999991 скорости света, более чем оправдал вложенные в него огромные средства. В 2018 году он был остановлен на модернизацию. Его следующий запуск с обновлённым более совершенным оборудованием ожидается в 2022 году. И тогда человечество наверняка ждут новые интересные открытия.

К слову, ранее Вести.Ru рассказывали о том, что в будущем БАК может стать частью гигантского стокилометрового суперколлайдера.

Большой адронный коллайдер не нашел подтверждений теории суперсимметрии

В данных, собранных детекторами Большого адронного коллайдера, не было обнаружено подтверждений гипотезы суперсимметрии, которая, в частности, предполагает, что у каждой элементарной частицы существует суперсимметричный «двойник». Новые результаты, детализированные в двух статьях, препринты которых есть на сайте arXiv.org  не исключают эту гипотезу полностью, но устанавливают новые пределы для ее обнаружения. Краткую суть исследований приводит портал Physics World.

Гипотеза суперсимметрии была впервые сформулирована в 1973 году австрийским физиком Юлиусом Вессом и итальянским физиком Бруно Зумино и постулирует существование определенного рода симметрии между двумя основными классами частиц — бозонами и фермионами. Фактически, гипотеза суперсимметрии позволяет при помощи преобразований связать воедино вещество и излучение.

На сегодня эта гипотеза не была подтверждена экспериментально. Для того чтобы фактически проверить ее, существует несколько возможностей. Одна из них заключается в поиске определенных цепочек превращения элементарных частиц в коллайдере (внутри БАК элементарные частицы сталкиваются друг с другом, и этот процесс приводит последовательному образованию других частиц). Ученые искали такие цепочки превращений в данных, собранных детектором CMS.

Второй вариант подразумевает не поиск новых частиц, а обнаружение «недостатка» энергии при определенных типах столкновений. Согласно положениям гипотезы суперсимметрии, за такой недостаток «ответственны» нейтралино — один из типов гипотетических суперсимметричных частиц.

По итогам анализа части данных, собранных на детекторах CMS и ATLAS в течение 2010 года, ученые не обнаружили событий, которые соответствовали бы проявлениям гипотезы суперсимметрии. Однако исследователи отмечают, что пока рано полностью исключать ее — с их точки зрения, новые результаты только устанавливают более высокие энергетические пределы для проявления суперсимметрии.

Источник: Lenta.ru

Большой адронный коллайдер наконец бросил вызов законам физики?

Ричард Уэбб

Эксперимент LHCb ищет новую физику

Брис, Максимилиан; Ордан, Жюльен Мариус/CERN

Был ажиотаж вокруг того, что было описано как «дразнящие намеки на новую физику», исходящего от эксперимента LHCb в лаборатории физики элементарных частиц CERN, но насколько мы должны быть взволнованы? Вкратце: немного, но всех, кто затаил дыхание, ждет неприятное время.

LHCb — один из четырех крупных экспериментов на Большом адронном коллайдере (LHC) ЦЕРН недалеко от Женевы, Швейцария. Как указывает буква «b» в названии, он предназначен для анализа распада частиц, содержащих один из шести известных ароматов кварка, «нижний» или, альтернативно, «красавый» кварк.

Нижние кварки намного тяжелее, чем верхние и нижние кварки, из которых состоят протоны и нейтроны обычной атомной материи, а это означает, что частицы, содержащие их, могут распадаться на более легкие частицы множеством способов.Частицы, содержащие b-кварки, также необычайно долгоживущие, и сочетание этих двух свойств делает их очень полезными для физиков, ищущих физику за пределами стандартной модели — наше лучшее понимание всех взаимодействий частиц.

Физики элементарных частиц отчаянно нуждаются в каких-либо намеках на расширение стандартной модели, которая в высшей степени хорошо проверена, но в то же время ее катастрофически не хватает, не говоря уже о гравитации, одной из четырех фундаментальных сил, или темной материи и темной энергии, которые, кажется, составляют более 95 процентов космоса.

Это довольно важные пробелы, но когда работает стандартная модель, она действительно работает, производя чрезвычайно точные прогнозы. LHCb, похоже, обнаружил отклонение от этих предсказаний в скорости, с которой определенный тип частиц, содержащих b-кварк, B+, распадается на электрон и его более тяжелого родственника, мюон.

Стандартная модель говорит, что электроны и мюоны должны рождаться примерно с одинаковой скоростью в этих распадах, но результат LHCb предполагает, что это не так — и это всего лишь своего рода намек на физику за пределами стандартной модели, которую исследователи отчаянно пытаются найти. видеть.

Пьянящая штука. Однако факт в том, что слухи об этой аномалии ходили уже некоторое время — этот на LHCb в течение большей части десятилетия. Новостные сообщения на этой неделе основаны на статье, опубликованной коллаборацией, о том, что аномалия преодолела уровень статистической значимости «3 сигма», который обычно рассматривается физиками элементарных частиц как порог «интереса».

Результат 3 сигма соответствует вероятности примерно 1 из 1000 того, что вы увидели бы такую ​​структуру данных, если бы стандартная модель была верна.Это может показаться довольно убедительным признаком того, что здесь есть что-то новое.

Проблема, однако, в том, что такого рода распады невероятно редки, и в поисках их физикам приходится просеивать целую кучу статистического шума, широко сканируя. Это приводит к, казалось бы, парадоксальному эффекту: чем шире вы смотрите, тем больше вероятность того, что вы увидите что-то, что кажется статистически значимым. Соберите больше данных, и эти аномалии снова исчезнут.

Физика элементарных частиц изобилует эффектами 3-сигма, которые появлялись и исчезали, поэтому исследователи остановились на гораздо более высоком тестовом пороге для открытия — «5-сигма», что соответствует вероятности примерно 1 к 3.5 миллионов, что такой набор данных является статистической случайностью.

Это планка, которую эксперименты ATLAS и CMS достигли в 2012 году с бозоном Хиггса — с дополнительной уверенностью, что два независимых сотрудничества видели одно и то же. LHCb предстоит еще многое сделать. Судя по скорости анализа данных и тому факту, что БАК был отключен для модернизации в течение последних двух лет, пройдет немало времени, прежде чем они получат что-то более определенное. Выдохнуть.

Вполне вероятно, что эта аномалия исчезнет, ​​как и многие другие до нее.С другой стороны, если есть физика за пределами стандартной модели, доступной для БАК, наше знание о ней начнется с такой аномалии.

Подпишитесь на бесплатный ежемесячный информационный бюллетень «Затерянные в пространстве-времени» о странностях реальности

Еще на эту тему:

Миру не нужен новый гигантский коллайдер частиц

Сейчас неподходящее время для более крупного ускорителя частиц. Но у ЦЕРН, европейского физического центра, базирующегося в Женеве, Швейцария, есть планы — большие планы.Крупнейший в мире центр физики элементарных частиц, в котором в настоящее время работает крупнейший в мире коллайдер частиц, объявил, что намерен построить еще более крупную машину, о чем было объявлено на пресс-конференции и опубликовано сегодня.

Таким образом, ЦЕРН решил, что хочет приступить к первому этапу плана будущего кругового коллайдера (FCC), размещенного в кольцеобразном туннеле длиной 100 километров или чуть более 60 миль по окружности. Эта машина может в конечном итоге достичь энергии столкновения 100 тераэлектронвольт, что примерно в шесть раз превышает энергию столкновения действующего в настоящее время Большого адронного коллайдера (БАК).Достигнув беспрецедентно высоких энергий, новый коллайдер позволит глубже заглянуть в структуру материи и даст возможность найти новые частицы.

Пока неясно, появится ли полное видение. Но ЦЕРН объявил, что для организации является «высоким приоритетом» сделать первый шаг на пути к FCC: найти подходящее место для туннеля и построить машину для столкновения электронов и позитронов с энергиями, подобными энергии БАК. (который, однако, использует протоны на протонах).Решение о том, будет ли ЦЕРН двигаться вперед к столкновениям протонов при высоких энергиях, будет принято только после нескольких лет исследований и размышлений.

Этот первый шаг также называют «фабрикой Хиггса», потому что он специально разработан для производства большого количества бозонов Хиггса. Бозон Хиггса, открытый в ЦЕРН в 2012 году, стал последней отсутствующей частицей в Стандартной модели физики элементарных частиц. С помощью новой машины физики элементарных частиц хотят более подробно измерить ее свойства и свойства некоторых ранее открытых частиц.(Япония рассматривает возможность строительства линейного коллайдера с той же целью, что и фабрика Хиггса в ЦЕРН, но комитет, работающий над этой идеей, не принял окончательного решения в своем прошлогоднем отчете. Китай рассматривает круговой коллайдер, аналогичный по масштабу и размеру полному плану FCC ЦЕРН. , но решение ожидается не раньше следующего года.)

Но план ЦЕРНа, если он будет полностью реализован, будет стоить десятки миллиардов долларов. Точные цифры недоступны, поскольку бюджетные сметы, предлагаемые ЦЕРН, обычно не включают эксплуатационные расходы.Судя по текущим расходам на Большой адронный коллайдер, эти расходы на новый коллайдер, вероятно, составят не менее 1 миллиарда долларов в год. Для объекта, который может работать 20 и более лет, это сопоставимо с затратами на строительство.

Без сомнения, это сногсшибательные цифры. Действительно, коллайдеры частиц в настоящее время являются самыми дорогими из существующих физических экспериментов. Их цена выше, чем у следующего самого дорогого типа экспериментов — телескопов на спутниках.

Основная причина такой высокой стоимости заключается в том, что с 1990-х годов в технологии коллайдеров вносились лишь постепенные улучшения. Как следствие, единственный способ достичь более высоких энергий сегодня — это построить более крупные машины. Именно физический размер — длинные туннели, множество магнитов, необходимых для его заполнения, и все люди, необходимые для этого — делают коллайдеры частиц такими дорогими.

Но хотя стоимость этих коллайдеров резко возросла, их актуальность снизилась.Когда в 1940-х годах физики начали строить коллайдеры, у них не было полного списка элементарных частиц, и они это знали. Новые измерения породили новые загадки, и они построили более крупные коллайдеры, пока в 2012 году картина не была полной. Стандартная модель все еще имеет некоторые недостатки, но для их экспериментальной проверки потребуется энергия, по крайней мере, в десять миллиардов раз превышающая ту, которую может проверить даже FCC. Таким образом, научные аргументы в пользу следующего более крупного коллайдера в настоящее время невелики.

Конечно, возможно, что следующий более крупный коллайдер сделает прорывное открытие. Некоторые физики надеются, например, что это может дать ключ к пониманию природы темной материи или темной энергии.

Да, можно надеяться. Но нет причин, по которым частицы, составляющие темную материю или темную энергию, должны обнаруживаться в диапазоне энергий нового устройства. И это при условии, что они являются частицами, для чего нет доказательств. Более того, даже если это частицы, высокоэнергетические столкновения могут быть не лучшим способом их поиска.Слабо взаимодействующие частицы с крошечными массами, например, не то, что можно искать на больших коллайдерах.

И есть совершенно другие типы экспериментов, которые могут привести к прорыву при гораздо меньших затратах, такие как высокоточные измерения при низких энергиях или увеличение массы объектов в квантовых состояниях. Переход к более высоким энергиям — не единственный способ добиться прогресса в основах физики; это просто самое дорогое.

В этой ситуации физики элементарных частиц должны сосредоточиться на разработке новых технологий, которые могли бы вернуть коллайдеры в разумный ценовой диапазон и задержать рытье новых туннелей.Наиболее многообещающая технология на горизонте — это новый тип ускорения «следящего поля», который может значительно сократить расстояние, необходимое для ускорения частиц, и, следовательно, уменьшить размер коллайдеров. Еще одной революционной технологией станут сверхпроводники при комнатной температуре, которые сделают сильные магниты, на которые опираются коллайдеры, более эффективными и доступными.

Изучение этих новых технологий также входит в число приоритетов ЦЕРН. Но, как показывает обновление стратегии, физики элементарных частиц еще не осознали свою новую реальность.Строительство более крупных коллайдеров частиц исчерпало себя. Сегодня он имеет небольшую научную отдачу от инвестиций и в то же время почти не имеет общественной значимости. Крупные научные проекты, как правило, приносят пользу образованию и инфраструктуре, но это не относится только к коллайдерам частиц. И если нас действительно интересуют эти побочные эффекты, то мы должны, по крайней мере, вкладывать деньги в научные исследования, имеющие общественное значение.

Почему, например, у нас до сих пор нет международного центра климатических прогнозов, который, по текущим оценкам, будет стоить «всего» 1 миллиард долларов, растянутых на 10 лет? Это пустяки по сравнению с тем, что высасывает из себя физика элементарных частиц, но гораздо важнее.Или почему, возможно, недавно вы задавались вопросом, у нас нет центра моделирования эпидемий?

Это потому, что слишком много средств на науку распределяется по инерции. За последнее столетие физика элементарных частиц превратилась в большое, очень влиятельное сообщество с хорошими связями. Они будут строить большие коллайдеры частиц столько, сколько смогут, просто потому, что этим занимаются физики элементарных частиц, независимо от того, имеет ли это смысл или нет.

Пришло время обществу занять более просвещенный подход к финансированию крупных научных проектов, а не продолжать давать деньги тем, кому они давали деньги ранее.У нас есть проблемы посерьезнее, чем измерение следующей цифры массы бозона Хиггса.

Большой адронный коллайдер, возможно, только что открыл новую физику

Большой адронный коллайдер (LHC) вызвал в марте всеобщее волнение, когда физики частиц сообщили о соблазнительных доказательствах новой физики — потенциально новой силы природы. Теперь наш новый результат, полученный на гигантском коллайдере частиц в ЦЕРН, еще не прошедший рецензирование, похоже, еще больше подтверждает эту идею.

На сегодняшний день наша лучшая теория частиц и взаимодействий известна как стандартная модель, которая с безошибочной точностью описывает все, что мы знаем о физическом веществе, из которого состоит окружающий нас мир. Стандартная модель, без сомнения, является самой успешной научной теорией из когда-либо записанных, и в то же время мы знаем, что она должна быть неполной.

Как известно, он описывает только три из четырех фундаментальных взаимодействий — электромагнитное взаимодействие, а также сильное и слабое взаимодействие, не считая гравитации.У него нет объяснения темной материи, которая, по словам астрономов, доминирует во Вселенной, и не может объяснить, как материя выжила во время Большого взрыва.

Поэтому большинство физиков уверены, что должно быть еще много космических ингредиентов, которые еще предстоит открыть, и изучение множества фундаментальных частиц, известных как кварки красоты, является особенно многообещающим способом получить намеки на то, что еще может быть там.

Кварки красоты, иногда называемые нижними кварками, представляют собой фундаментальные частицы, которые, в свою очередь, составляют более крупные частицы.Есть шесть разновидностей кварков, которые называются верхним, нижним, странным, обаятельным, красивым/нижним и правдой/верхним. Например, верхние и нижние кварки составляют протоны и нейтроны в атомном ядре.

Кварки красоты нестабильны, живут в среднем около 1,5 триллионной секунды, прежде чем распадаются на другие частицы. На то, как распадаются кварки красоты, может сильно влиять существование других фундаментальных частиц или взаимодействий.

При распаде красивого кварка он превращается в набор более легких частиц, таких как электроны, под действием слабого взаимодействия.Один из способов, которым новая сила природы может дать нам о себе знать, — это тонкое изменение того, как часто кварки красоты распадаются на различные типы частиц.

Мартовская статья была основана на данных эксперимента LHCb, одного из четырех детекторов гигантских частиц, регистрирующих результаты столкновений сверхвысоких энергий, производимых LHC. («b» в LHCb означает «красота».) Было обнаружено, что кварки красоты распадаются на электроны и их более тяжелые кузены, называемые мюонами, с разной скоростью.

Это было действительно удивительно, потому что, согласно стандартной модели, мюон в основном является точной копией электрона — идентичным во всех отношениях, за исключением того, что он примерно в 200 раз тяжелее. Это означает, что все силы должны притягивать электроны и мюоны с одинаковой силой — когда красивый кварк распадается на электроны или мюоны под действием слабого взаимодействия, он должен делать это одинаково часто.

Вместо этого мои коллеги обнаружили, что распад мюона происходит примерно на 85 процентов реже, чем распад электрона.Если предположить, что результат верен, единственный способ объяснить такой эффект — это если какая-то новая сила природы, которая по-разному притягивает электроны и мюоны, вмешивается в то, как распадаются кварки красоты.

Результат вызвал огромное волнение среди физиков элементарных частиц. Мы десятилетиями искали признаки чего-то, выходящего за рамки стандартной модели, и, несмотря на 10 лет работы на БАК, до сих пор не нашли ничего убедительного. Таким образом, открытие новой силы природы будет иметь огромное значение и может, наконец, открыть дверь к разгадке некоторых из самых глубоких загадок, стоящих перед современной наукой.

Результаты нового Большого адронного коллайдера

Хотя результат был заманчивым, он не был окончательным. Все измерения имеют определенную степень неопределенности или «ошибки». В этом случае был только один шанс из 1000, что результат сводился к случайному статистическому колебанию — или «трем сигмам», как мы говорим на языке физики элементарных частиц.

Может показаться, что один из 1000 не так уж и много, но мы проводим очень большое количество измерений в физике элементарных частиц, поэтому можно ожидать, что небольшая горстка выдаст выбросы просто случайно.

Чтобы быть действительно уверенными в том, что эффект реален, нам нужно добраться до пяти сигм, что соответствует менее чем одному шансу на миллион того, что эффект сводится к жестокой статистической случайности.

Чтобы туда попасть, нам нужно уменьшить размер ошибки, а для этого нам нужно больше данных. Один из способов добиться этого — просто провести эксперимент дольше и записать больше распадов. Эксперимент LHCb в настоящее время модернизируется, чтобы в будущем он мог записывать столкновения с гораздо большей частотой, что позволит нам проводить гораздо более точные измерения.Но мы также можем получить полезную информацию из уже записанных данных, ища похожие типы распадов, которые труднее обнаружить.

Эксперимент LHCb. CERN

Это то, что мы с коллегами сделали. Строго говоря, мы никогда не изучаем распад кварков красоты напрямую, поскольку все кварки всегда связаны вместе с другими кварками, образуя более крупные частицы. В мартовском исследовании рассматривались кварки красоты, которые были в паре с «верхними» кварками.

В результате мы изучили два распада: один, где красивые кварки были в паре с «нижними» кварками, а другой, где они также были в паре с верхними кварками.Однако то, что сочетание отличается, не должно иметь значения — распад, который происходит глубоко внутри, один и тот же, и поэтому мы ожидаем увидеть тот же эффект, если там действительно есть новая сила.

И это именно то, что мы видели. На этот раз мюонные распады происходили примерно на 70 процентов чаще, чем распады электронов, но с большей ошибкой, а это означает, что результат составляет около «двух сигм» от стандартной модели (около двух из ста шансов оказаться статистической аномалией). ).

Это означает, что, хотя результат сам по себе не является достаточно точным, чтобы претендовать на неопровержимые доказательства существования новой силы, он очень близко согласуется с предыдущим результатом и добавляет дополнительную поддержку идее о том, что мы, возможно, находимся на грани крупный прорыв.

Конечно, мы должны быть осторожны. Нам предстоит пройти еще некоторый путь, прежде чем мы сможем с определенной степенью уверенности заявить, что действительно наблюдаем влияние пятой силы природы. Мои коллеги в настоящее время усердно работают над тем, чтобы выжать как можно больше информации из существующих данных, одновременно усердно готовясь к первому запуску модернизированного эксперимента LHCb.

Тем временем другие эксперименты на LHC, а также эксперимент Belle 2 в Японии приближаются к тем же измерениям.Приятно думать, что в ближайшие несколько месяцев или лет может открыться новое окно для самых фундаментальных составляющих нашей вселенной.

Эта статья была первоначально опубликована на

2

1

2

1 Гарри Клифф на Университет Кембридж . Прочтите оригинальную статью здесь .

Эксперимент ЦЕРН намекает на новую силу природы | Большой адронный коллайдер

Ученые Большого адронного коллайдера недалеко от Женевы обнаружили в своих данных необычный сигнал, который может быть первым намеком на новый вид физики.

Коллаборация LHCb, одна из четырех основных групп на LHC, проанализировала данные за 10 лет о том, как нестабильные частицы, называемые B-мезонами, мгновенно созданные в огромной машине, распадались на более знакомую материю, такую ​​как электроны.

Математическая структура, которая лежит в основе понимания учеными субатомного мира, известная как стандартная модель физики элементарных частиц, твердо утверждает, что частицы должны распадаться на продукты, включающие электроны, точно с той же скоростью, что и на продукты, включающие электроны. более тяжелый родственник электрона, частица, называемая мюоном.

Но результаты, опубликованные ЦЕРН во вторник, предполагают, что происходит что-то необычное. B-мезоны не распадаются так, как говорит модель: вместо того, чтобы производить электроны и мюоны с одинаковой скоростью, природа, по-видимому, предпочитает путь, который заканчивается электронами.

«Мы ожидаем, что эта частица будет распадаться на конечное состояние, содержащее электроны, и конечное состояние, содержащее мюоны, с одинаковой скоростью», — сказал профессор Крис Паркс, физик-экспериментатор элементарных частиц из Манчестерского университета и представитель LHCb. сотрудничество. «У нас есть интригующий намек на то, что, возможно, эти два процесса происходят с разной скоростью, но это не является окончательным».

Говоря языком физики, результат имеет значимость 3,1 сигма, что означает, что вероятность того, что это случайность, составляет примерно один к 1000.Хотя это может показаться убедительным доказательством, физики элементарных частиц, как правило, не заявляют о новом открытии, пока результат не достигнет значимости в пять сигм, когда вероятность того, что это статистическая причуда, сводится к одному на несколько миллионов.

«Это интригующий намек, но мы видели, как сигмы приходят и уходят раньше. Это случается на удивление часто», — сказал Паркс.

Стандартная модель физики элементарных частиц описывает частицы и силы, управляющие субатомным миром. Созданная за последние полвека, она определяет, как элементарные частицы, называемые кварками, создают протоны и нейтроны внутри атомных ядер и как они, обычно в сочетании с электронами, составляют всю известную материю.Модель также объясняет три из четырех фундаментальных сил природы: электромагнетизм; сильное взаимодействие, удерживающее атомные ядра вместе; и слабое взаимодействие, вызывающее ядерные реакции на Солнце.

Но стандартная модель не описывает всего. Он не объясняет четвертую силу, гравитацию, и, что еще более поразительно, ничего не говорит о том, что 95% Вселенной, по мнению физиков, не состоят из обычной материи.

Большая часть космоса, по их мнению, состоит из темной энергии, силы, которая, по-видимому, является движущей силой расширения Вселенной, и темной материи, таинственной субстанции, которая, кажется, удерживает космическую паутину материи на месте, подобно невидимому скелету. .

«Если при дополнительном анализе дополнительных процессов выяснится, что мы смогли это подтвердить, это будет чрезвычайно интересно», — сказал Паркес. Это означало бы, что со стандартной моделью что-то не так, и что нам нужно что-то дополнительное в нашей фундаментальной теории физики элементарных частиц, чтобы объяснить, как это произойдет».

Несмотря на неопределенность в отношении этого конкретного результата, Паркс сказал, что в сочетании с другими результатами по B-мезонам, случай чего-то необычного становится более убедительным.

«Я бы сказал, осторожное волнение. Мы заинтригованы, потому что этот результат не только весьма значителен, но и соответствует шаблону некоторых предыдущих результатов LHCb и других экспериментов по всему миру», — сказал он.

Бен Алланах, профессор теоретической физики Кембриджского университета, согласен с тем, что последний результат LHCb, взятый вместе с другими открытиями, впечатляет. «Я действительно думаю, что это во что-то превратится», — сказал он.

Если результат окажется верным, его можно будет объяснить пока еще гипотетическими частицами, называемыми простыми числами Z или лептокварками, которые воздействуют на другие частицы новыми силами.

«Может существовать новая квантовая сила, которая заставляет B-мезоны распадаться на мюоны с неправильной скоростью. Это склеивает их вместе и не дает им распадаться на мюоны с ожидаемой скоростью», — сказал Алланах. «Эта сила могла бы помочь объяснить своеобразную структуру масс различных частиц материи».

B-мезоны содержат элементарные частицы, называемые красивыми кварками, также известные как базовые кварки.

Ученые соберут больше данных с БАК и других экспериментов по всему миру, таких как Belle II в Японии, в надежде подтвердить то, что происходит.

Большой адронный коллайдер ЦЕРН создает материю из света

Детектор ATLAS на Большом адронном коллайдере ЦЕРН. (Фото: ЦЕРН)

Примечание. Эта статья была первоначально опубликована в журнале Symmetry. Прочитать исходную статью.

Большой адронный коллайдер (БАК) использует знаменитое уравнение Альберта Эйнштейна E = mc² для преобразования материи в энергию, а затем обратно в различные формы материи. Но в редких случаях он может пропустить первый шаг и столкнуться с чистой энергией — в виде электромагнитных волн.

В прошлом году эксперимент ATLAS на БАК ЦЕРН наблюдал два фотона, частицы света, которые рикошетировали друг от друга и производили два новых фотона. В этом году ученые продвинулись в этом исследовании еще на шаг вперед и обнаружили, что фотоны сливаются и трансформируются в нечто еще более интересное: W-бозоны, частицы, несущие слабое взаимодействие, управляющее ядерным распадом.

Исследование не просто иллюстрирует центральную концепцию, управляющую процессами внутри БАК: энергия и материя — две стороны одной медали.Это также подтверждает, что при достаточно высоких энергиях объединяются силы, которые в нашей повседневной жизни кажутся отдельными — электромагнетизм и слабое взаимодействие.

От безмассового к массивному

Команда Беркли играет ключевую роль в анализе взаимодействий частиц, которые производят материю из света

Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли Министерства энергетики США (Berkeley Lab) сыграли ключевую роль в анализе данных с крупнейшего в мире коллайдера частиц, которые нашли доказательства редких взаимодействий высокоэнергетических частиц, в которых материя была произведена из света.

Симона Пэган Гризо, физик из лаборатории Беркли и научный сотрудник отдела, который координировал усилия команды лаборатории Беркли, сказал, что его команда обнаружила около 174 взаимодействий частиц, которые согласуются с созданием пар тяжелых частиц, переносящих взаимодействие, называемых W-бозонами, в результате столкновения. из двух фотонов.

Подробнее …

Если вы попытаетесь воспроизвести этот эксперимент со столкновением фотонов дома, скрестив лучи двух лазерных указок, вы не сможете создать новые массивные частицы.Вместо этого вы увидите, как два луча объединяются, образуя еще более яркий луч света.

«Если вы вернетесь назад и посмотрите на уравнения Максвелла для классического электромагнетизма, вы увидите, что две сталкивающиеся волны в сумме образуют большую волну», — говорит Симона Паган Гризо, исследователь Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли при Министерстве энергетики США (Беркли). лаборатории). «Мы видим только эти два явления, недавно наблюдаемые ATLAS, когда мы объединяем уравнения Максвелла со специальной теорией относительности и квантовой механикой в так называемой теории квантовой электродинамики.

В ускорительном комплексе ЦЕРН протоны разгоняются до скорости, близкой к скорости света. Их обычно округлые формы сжимаются вдоль направления движения, поскольку специальная теория относительности заменяет классические законы движения для процессов, происходящих на БАК. Два влетающих протона видят друг друга как сжатые блины, сопровождаемые одинаково сжатым электромагнитным полем (протоны заряжены, а все заряженные частицы имеют электромагнитное поле). Энергия LHC в сочетании с сокращением длины увеличивает силу электромагнитных полей протонов в 7500 раз.

Когда два протона соприкасаются, их электромагнитные поля пересекаются. Эти поля пропускают классический этикет «усиления», который применяется при низких энергиях, и вместо этого следуют правилам, изложенным в квантовой электродинамике. Благодаря этим новым законам два поля могут слиться и стать буквой «Е» в E=mc².

«Если вы прочитаете уравнение E=mc² справа налево, вы увидите, что небольшое количество массы производит огромное количество энергии из-за постоянной c², которая представляет собой скорость света в квадрате», — говорит Алессандро Триколи. научный сотрудник Брукхейвенской национальной лаборатории — штаб-квартиры США по эксперименту ATLAS, который получает финансирование от Управления науки Министерства энергетики США.«Но если вы посмотрите на формулу с другой стороны, вы увидите, что вам нужно начать с огромного количества энергии, чтобы произвести даже небольшое количество массы».

БАК — одно из немногих мест на Земле, где могут возникать и сталкиваться энергичные фотоны, и это единственное место, где ученые наблюдали слияние двух энергичных фотонов и превращение их в массивные W-бозоны.

Объединение сил

Генерация W-бозонов из фотонов высокой энергии иллюстрирует открытие, принесшее Шелдону Глэшоу, Абдусу Саламу и Стивену Вайнбергу Нобелевскую премию по физике 1979 года: при высоких энергиях электромагнетизм и слабое взаимодействие — одно и то же.

Электричество и магнетизм часто кажутся отдельными силами. Обычно никто не беспокоится о том, что вас может ударить током при обращении с магнитом на холодильник. А лампочки, даже горящие электричеством, не прилипают к дверце холодильника. Так почему же на электрических станциях есть знаки, предупреждающие об их сильном магнитном поле?

«Магнит — это одно из проявлений электромагнетизма, а электричество — другое», — говорит Триколи. «Но это все электромагнитные волны, и мы видим это объединение в наших повседневных технологиях, таких как сотовые телефоны, которые общаются с помощью электромагнитных волн.

При чрезвычайно высоких энергиях электромагнетизм сочетается с еще одним фундаментальным взаимодействием: слабым взаимодействием. Слабое взаимодействие управляет ядерными реакциями, в том числе синтезом водорода в гелий, питающим Солнце, и распадом радиоактивных атомов.

Так же, как фотоны несут электромагнитное взаимодействие, бозоны W и Z несут слабое взаимодействие. Причина, по которой фотоны могут сталкиваться и рождать W-бозоны в LHC, заключается в том, что при самых высоких энергиях эти силы объединяются, образуя электрослабое взаимодействие.

«И фотоны, и W-бозоны являются носителями взаимодействия, и оба они несут электрослабое взаимодействие, — говорит Гризо. «Это явление действительно происходит, потому что природа является квантово-механической».

  — Сара Чарли

Подробнее

###

Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли, основанная в 1931 году на основе убеждения, что самые большие научные проблемы лучше всего решаются командами, и ее ученые были отмечены 13 Нобелевскими премиями.Сегодня исследователи из лаборатории Беркли разрабатывают устойчивые энергетические и экологические решения, создают новые полезные материалы, расширяют границы вычислительной техники и исследуют тайны жизни, материи и Вселенной. Ученые со всего мира полагаются на оборудование лаборатории для своих собственных научных открытий. Лаборатория Беркли — многопрофильная национальная лаборатория, управляемая Калифорнийским университетом для Управления науки Министерства энергетики США.

Управление науки Министерства энергетики США является крупнейшим сторонником фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и ​​работает над решением некоторых из самых насущных проблем нашего времени.Для получения дополнительной информации посетите сайт energy.gov/science.

ЦЕРН хочет построить самый большой и самый крутой коллайдер частиц

Сегодня исследовательский центр, принесший нам Нобелевскую премию за новости о непостижимо крошечных частицах, объявил о своих планах стать намного больше.

Европейская организация ядерных исследований, ЦЕРН, уже имеет самый большой и самый мощный ускоритель частиц в мире, называемый Большим адронным коллайдером, но сегодня она опубликовала отчет, в котором рассматривается конструкция его более крупного и еще еще мощного потенциала. преемник, Круговой коллайдер будущего.

Большой адронный коллайдер был использован для открытия субатомной частицы, называемой бозоном Хиггса, еще в 2012 году, и стал местом многих других новых открытий. Но некоторые физики считают, что для изучения еще более неуловимых аспектов Вселенной необходим более новый и более крупный инструмент.

Иллюстрация, показывающая сравнение размеров LHC и FCC. ЦЕРН

Большому адронному коллайдеру — 16 лет.6 миль вокруг, но его замена может иметь окружность более 62 миль. Этого достаточно, чтобы окружить всю Женеву.

Ускорителям частиц нужен такой размер, чтобы разогнать крошечные частицы атомов до скоростей, приближающихся к скорости света, прежде чем они столкнутся друг с другом. Возникающие в результате столкновения дают исследователям лучшее понимание законов физики. Круговой коллайдер будущего с его более мощным оборудованием и более длинным туннелем сможет наблюдать за частицами, которые остаются невидимыми для современных технологий.

Ожидается, что Большой адронный коллайдер будет работать как минимум до 2035 года. Но масштабы строительства его преемника настолько велики, что планирование началось рано. Концепция Большого адронного коллайдера была представлена ​​в 1984 году, одобрена в 1994 году и не открывалась до 2009 года. Ожидается, что с начала его реализации до последнего эксперимента временная шкала будущего кругового коллайдера растянется на семь десятилетий.

Опубликованный сегодня отчет представляет собой концептуальный проект будущего кругового коллайдера, четырехтомный труд, на написание которого ушло 1300 ученых за пять лет.В нем изложены несколько потенциальных проектов будущего коллайдера, которые физики элементарных частиц будут рассматривать при постановке целей в своей области исследований на следующие несколько лет.

Этого достаточно, чтобы окружить всю Женеву

БАК уже дал исследователям много материала для работы, но также оставил перед ними загадки. В работах запланирована модернизация БАК, но исследователи все же хотели бы лучше понять антивещество, узнать больше о природе темной материи и о том, где ее можно найти, а также выяснить, почему бозон Хиггса был таким опасным. намного легче, чем они думали.Это только те вопросы, на которые можно ответить с помощью более крупной машины.

Проект коллайдера будущего включает в себя несколько различных потенциальных аспектов объекта. Там есть огромный туннель, который позволит тонким пучкам частиц двигаться без необходимости перемещаться по таким же узким (относительно) кривым, как у БАК. Затем есть коллайдер, называемый лептонным коллайдером, который будет сталкивать частицы, называемые лептонами, вместе. Потенциально это может дать исследователям более точные измерения бозона Хиггса и других частиц, которые ученые только начинают понимать.Есть также еще один адронный коллайдер на больше, чем , который сможет сталкивать частицы друг с другом при еще более высоких энергиях.

Согласно сообщению ЦЕРН, строительство туннеля обойдется примерно в 5 миллиардов евро, плюс еще 4 миллиарда на начальный лептонный коллайдер, который может быть запущен в 2040 году, и еще 15 миллиардов на адронный коллайдер, который заменит первый коллайдер и будет введен в эксплуатацию примерно в 2050 году. Ученые использовали тот же подход с БАК, заменив Большой электрон-позитронный коллайдер ЦЕРН внутри того же туннеля.

Это большие суммы денег, и, как сообщает Паллаб Гош из BBC, есть и другие исследователи, которые предпочли бы, чтобы эти деньги были вложены в медицинские достижения или борьбу с изменением климата. Деньги на ЦЕРН и его проекты поступают от его 22 государств-членов и других стран и организаций, которые используют объекты.

Разработчикам проекта известны астрономические суммы. В заявлении, опубликованном сегодня, Международный консультативный комитет по будущему круговому коллайдеру рекомендовал, чтобы будущие разработки были сосредоточены на «сроках, производительности и стоимости».

Многие физики, чья работа опирается на эти большие инструменты, считают, что затраты времени и денег того стоят, и указывают на круговой коллайдер будущего как на способ расширить понимание человечеством нашей Вселенной.

Глава ЦЕРНа Фабиола Джанотти заявила, что предложенные проекты кругового коллайдера будущего могут «улучшить наши знания в области фундаментальной физики и продвинуть многие технологии, оказывающие широкое влияние на общество».

В видео, подготовленном CERN (см. выше), лауреат Нобелевской премии Питер Хиггс (да, , что Хиггс ) говорит: «Мы коснулись поверхности, но нам явно предстоит открыть гораздо больше.

Фермилаб | Наука | Физика элементарных частиц

Фермилаб и БАК

Более двух десятилетий Фермилаб и ее ученые играют важную роль в Большом адронном коллайдере, особенно в эксперименте CMS. Fermilab оказывает научную, техническую и организационную поддержку сотням ученых и аспирантов из 51 университета и лаборатории США, которые участвуют в международном сотрудничестве CMS, насчитывающем 2900 человек.

LHC — крупнейший ускоритель частиц с самой высокой энергией в мире.Он направляет лучи частиц на встречный курс вокруг 17-мильного кольца, расположенного на глубине 300 футов под землей и пересекающего границу Швейцарии и Франции. Лучи сталкиваются в четырех обозначенных точках столкновения, где эксперименты с многоцелевыми детекторами частиц регистрируют продукты столкновения. Эксперименты на БАК направлены на лучшее понимание природы путем поиска новых явлений и частиц и изучения свойств известных нам частиц и сил

Ученые, работающие над экспериментом CMS, совместно с учеными эксперимента ATLAS объявили об открытии бозона Хиггса в 2012 году.Это открытие привело к тому, что в 2013 году Нобелевская премия по физике была присуждена двум теоретикам, предсказавшим существование бозона Хиггса. Будущие открытия могут революционизировать наше понимание Вселенной.

Когда ускоренные частицы сталкиваются в LHC, их кинетическая энергия может быть преобразована в массу, то есть могут быть созданы тяжелые частицы, которых не существовало до столкновения. Ученые могут изучать эти частицы посредством их последующего распада на более легкие частицы, которые могут распасться на еще более легкие частицы.Все это происходит за долю секунды, но CMS записывает данные, которые позволяют ученым собрать воедино то, что произошло. БАК сталкивается с сотнями миллионов частиц в секунду. Исследователи создают программное обеспечение, которое выбирает только самые интересные столкновения, и они используют эти столкновения, чтобы выделить частицы и явления, которые трудно обнаружить. Ученые ожидают, что некоторые из этих столкновений могут производить частицы темной материи или частицы, предсказанные теориями, выходящим за рамки Стандартной модели, такими как суперсимметрия и дополнительные измерения.

Фермилаб участвовала в строительстве ускорителя LHC и детектора CMS, предоставив важные компоненты, такие как мощные магниты, которые фокусируют лучи для столкновения, и многие сегменты сложного детектора CMS весом 13 000 тонн. Ученые и инженеры Фермилаб в тесном сотрудничестве с другими исследовательскими группами США также активно создают компоненты и проводят исследования и разработки для будущих обновлений ускорителя и детектора LHC.

В

Fermilab находится один из 11 вычислительных центров уровня 1, которые обрабатывают данные для эксперимента CMS и поддерживают исследовательскую деятельность ученых по всей стране и по всему миру.В нем также находится Центр удаленных операций, где более 100 ученых ежегодно проводят тысячи часов удаленных смен для эксперимента CMS, и Физический центр LHC, центр физики CMS в Соединенных Штатах.

CMS

CMS — один из двух экспериментов общего назначения на Большом адронном коллайдере в Европейской физической лаборатории ЦЕРН. Его название расшифровывается как «Компактный мюонный соленоид». Детектор CMS исследует результаты столкновений частиц в поисках нового понимания строительных блоков Вселенной.


Физический центр LHC

Физический центр БАК является центральным местом, где физики могут участвовать в исследованиях БАК в Соединенных Штатах. Он служит центром ресурсов и анализа для почти 900 физиков и аспирантов из 51 университета и лаборатории США, которые участвуют в экспериментальном сотрудничестве CMS.


Центр удаленных операций LHC

Центр удаленных операций LHC поддерживает работу детектора CMS, расположенного на расстоянии 4000 миль в Сесси, Франция.ROC позволяет американским физикам и студентам работать по сменам для мониторинга детекторов в дневное время в США, уменьшая нагрузку на ученых из ЦЕРН, работающих в ночную смену, и помогая американскому персоналу выполнять свои оперативные обязанности в сотрудничестве с CMS, находясь на берегу.


Вычисления для коллайдеров

Fermilab предлагает современные вычислительные, сетевые решения и решения для хранения данных, поддерживающие невероятную передачу, обработку и архивирование данных, необходимые для CMS.

Post A Comment

Ваш адрес email не будет опубликован.