Что с коллайдером: Коллайдер — последние и свежие новости сегодня и за 2021 год на iz.ru

Содержание

Запуск Большого адронного коллайдера отложили из-за коронавируса

CERN

Научные эксперименты на Большом адронном коллайдере не будут возобновлены в 2021 году, как планировалось ранее. Запуск коллайдера отложен из-за пандемии коронавирусной инфекции и связанных с этим задержек с подготовкой к работе главных детекторов CMS и ATLAS, говорится в материалах, опубликованных на сайте ЦЕРНа. Ученые рассчитывают, что в следующем году в кольце коллайдера будут некоторое время циркулировать тестовые пучки протонов на небольших энергиях, но экспериментов на высоких энергиях не будет до 2022 года.

Работа Большого адронного коллайдера была прекращена в декабре 2018 года. Предполагалось, что в следующие два года ученые и инженеры займутся модернизацией и ремонтом ускорителя, чтобы увеличить его светимость примерно в два раза и сделать шаг к превращению его в коллайдер высокой светимости (High Luminosity LHC, HL-LHC). В 2021 году должен был стартовать трех-четырехлетний сеанс работы коллайдера с постепенным повышением светимости вдвое. За этот сеанс планировалось накопить интегральную светимость 300 обратных фемтобарн (против 150 в предыдущем сеансе). После этого должна была последовать новая остановка для модернизации на два с половиной года, после чего коллайдер должен был достичь светимости в шесть-семь раз выше прежней.

Теперь стало известно, что коллайдер вернется к набору данных не раньше, чем в конце января 2022 года, что связано с задержками в работах на двух главных детекторах — CMS и ATLAS. В частности, необходимо дополнительное время для установки на CMS защиты от радиации и одного из элементов системы детекции мюонов — на ATLAS. В ноябре началось охлаждение магнитов коллайдера, к весне 2021 года они все должны быть охлаждены до рабочей температуры, а летом будут начаты эксперименты, не связанные с большим кольцом БАКа, в частности, эксперимент ISOLDE.

График работ по модернизации коллайдера. Зеленым выделены интервалы, когда работы на детекторах позволяют запускать пучки протонов в кольце БАКа

CERN

Ожидается, что тестовые пучки протонов на низких энергиях будут циркулировать в кольце коллайдера в начале осени 2021 года — когда это позволят работы на детекторах, но затем их придется прекратить до февраля 2022 года, когда будет начат полноценный сеанс работы коллайдера — Run 3.

Вместе с тем остановка коллайдера не мешает физикам извлекать новые сведения из набора данных, которые БАК набрал раньше. В частности, ученые увидели отклонения от Стандартной модели в распаде B-мезонов, а также следы топ-кварков в столкновениях ядер. О том, какие инженерные системы обслуживают БАК, насколько сложно их техническое обслуживание, можно прочитать в нашем материале «Большой ремонт большой машины».

Сергей Кузнецов

Поправка: во втором абзаце уточнены данные о планах по повышению светимости коллайдера, 300 обратных фемтобарн — ожидаемая интегральная светимость, не мгновенная. Приносим извинения читателям.


Большой адронный коллайдер маловат — физики ЦЕРНа хотят побольше. Но что он даст?

  • Михаил Смотряев
  • Би-би-си

Автор фото, Cern

Подпись к фото,

Так может выглядеть новый ускоритель

Европейской организации по ядерным исследованиям (более известной как ЦЕРН) не хватает мощности Большого адронного коллайдера (БАК). Ученые хотят новый — в четыре раза больше.

Организация обнародовала свои планы по строительству нового ускорителя под рабочим названием «Будущий циклический коллайдер» (Future Circular Collider).

Предполагается, что он будет построен к 2050 году, будет почти вчетверо больше и в 10 раз мощнее БАК, но главное — его заявленная на этом этапе стоимость превышает 20 млрд евро.

Генеральный директор ЦЕРНа профессор Фабиола Джианотти назвала проект значительным достижением. По ее словам, у нового коллайдера есть огромный потенциал улучшить наше понимание фундаментальной физики и придать толчок многим технологиям. Все это должно благотворно сказаться на жизни общества в целом, полагает она.

Критики, в свою очередь, настаивают на том, что столь внушительную сумму можно потратить на другие проекты — например, на изучение различных аспектов изменений климата.

Планов громадье

Пока планы ЦЕРНа существуют в концептуальной форме.

Предполагается, что под уже существующим 20-километровым туннелем будет вырыт новый, в итоге достигающий длины в 100 км, в котором и разместится новый ускоритель.

Проект строительства нового коллайдера, наряду с другими планами физиков-теоретиков, будет рассмотрен международной комиссией экспертов. Они должны выработать новую стратегию изучения физики частиц к 2020 году.

Один из этих экспертов, профессор Университетского колледжа Лондона Джон Баттерворт сказал Би-би-си, что амбициозная программа строительства нового коллайдера ему особенно нравится — хотя он готов рассматривать и другие предложения.

Если расчеты ученых верны, то будущий ускоритель позволит разгонять частицы до более высоких скоростей. Как следствие энергия, выделяющаяся при их столкновении, будет почти на порядок выше, чем достигается сегодня в Большом адронном коллайдере.

Физики надеются, что таким образом смогут докопаться до новых, по-настоящему элементарных частиц, которые и движут нашей Вселенной.

Трудности стандартизации

Так называемая Стандартная модель — нынешняя теория взаимодействия субатомных частиц, над созданием и усовершенствованием которой физики трудились большую часть прошлого столетия, — объединяет 17 частиц, последняя из которых, бозон Хиггса, была обнаружена в 2012 году на БАКе (хотя теоретически ее существование было предсказано задолго до этого).

Автор фото, Cern

Подпись к фото,

Инженеры ЦЕРНа уже конструируют и тестируют новые компоненты, способные работать на более высоких энергиях

Стандартная модель непротиворечиво описывает многие происходящие в мире процессы, однако оказалась не в состоянии объяснить природу гравитации.

Более того, достижения астрофизики последних лет поставили новые вопросы.

Оказалось, что галактики вращаются быстрее, чем предсказывает Стандартная модель, а Вселенная, по-видимому, расширяется со все большей скоростью — хотя в теории должно быть наоборот.

Для объяснения этих феноменов были привлечены новые понятия: «темная материя» и «темная энергия», однако что это такое, точно никто не знает.

Современная физика покоится на двух столпах: общая теория относительности и квантовая механика. Первая хорошо объясняет события в макромире, вторая — в мире элементарных частиц.

Объединить их и создать «общую теорию всего» физики пытаются не первый год. Предполагается, что новый, более мощный ускоритель может обнаружить необходимые для этого новые частицы, чего не удалось добиться на БАКе.

Однако никто в ЦЕРНе не знает, какого порядка энергии для этого нужны, и сможет ли новый коллайдер разгонять протоны до такой скорости, чтобы их столкновение производило на свет «истинно элементарные» частицы.

Авторы проекта полагают, что предложенная ими схема последовательных столкновений — сначала электрон-позитронных пар, а затем электронов и протонов, — даст возможность по косвенным признакам предсказать уровень энергии, необходимый для обнаружения новых «суперчастиц».

Проблема в том, что нечто похожее ожидали и от Большого адронного коллайдера — возможно, благодаря окружавшей его работу шумихе в СМИ. Однако за рамки Стандартной модели эксперименты на БАКе выйти не смогли.

Что нужнее человечеству?

У непосвященных может сложиться впечатление, что физики просят себе новую и очень дорогую игрушку для удовлетворения своего любопытства, бесконечного, как и Вселенная, которую они пытаются разложить на формулы.

Например, бывший главный научный советник правительства Великобритании профессор сэр Дэвид Кинг полагает, что настало время переосмыслить соотношение «цена-качество» в экспериментальной физике частиц, особенно, когда никто из ученых не может гарантировать, что новый ускоритель за 22 млрд евро сможет обнаружить новые частицы.

Автор фото, Cern

Подпись к фото,

В ЦЕРНе разрабатывают новые магниты, способные удержать пучки высокоэнергичных частиц на круговой траектории

«Надо где-то провести черту, иначе мы построим коллайдер по экватору. А если этого будет недостаточно, физики попросят другой, достающий до Луны», — сказал Кинг в интервью Би-би-си.

Профессор Кинг (и не он один) полагает, что у человечества сегодня есть более насущные заботы, в частности, климатические изменения, и 20 миллиардов фунтов не помешали бы в исследовании его последствий и механизмов борьбы с глобальным потеплением.

Далеко не лишними эти деньги оказались бы и в медицинских исследованиях.

Тогда и у скептиков было бы меньше оснований задавать вопрос: «Что ваши исследования сделали для блага человечества?»

Собственно, и среди физиков-теоретиков нет единого мнения по вопросу о необходимости нового ускорителя.

Например, Сабина Хоссенфельдер из Франкфуртского института перспективных исследований считает, что на эти деньги можно было бы построить крупный радиотелескоп на Луне или детектор гравитационных волн на Земле.

Бозоника на смену электронике?

Доктор Фредерик Бордри, директор ЦЕРНа по ускорителям и технологиям, полагает, что требуемая для проекта сумма, поделенная между несколькими странами, да еще на временном отрезке в 20-30 лет — вполне разумная цена для столь передового проекта.

«Когда меня спрашивают, что даст людям бозон Хиггса, я отвечаю: «бозонику», — говорит он. — Что это такое, я не знаю. Но вспомните, что когда в 1897 году Томсон открыл электрон, он тоже не знал, что такое электроника. Но представить современный мир без нее невозможно».

Вполне вероятно, что результаты экспериментов в новом ускорителе тоже окажутся столь же полезны человечеству. Мы просто еще не знаем, как и, главное, когда.

«Чем выше энергия, тем ближе мы к началу Вселенной» – Огонек № 35 (5630) от 07.09.2020

Новый коллайдер NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility) в Дубне в скором времени начнет воспроизводить первые мгновения нашей Вселенной. О том, какие шансы у России во всемирной гонке коллайдеров, дойдут ли физики до торговли антивеществом и каким образом связаны свобода ученых и свобода кварков, «Огоньку» рассказал директор Лаборатории физики высоких энергий им. В.И. Векслера и А.М. Балдина Объединенного института ядерных исследований в Дубне Владимир Кекелидзе.

Беседовала Елена Кудрявцева

— Владимир Димитриевич, строительство 500-метрового кольца коллайдера NICA — по сути, первый российский мегапроект с середины XX века — подходит к концу. Что собой представляет установка?

— Это коллайдер протонов и тяжелых ионов. Он сможет воссоздать в лабораторных условиях особое состояние вещества, которое, возможно, существует только в ядрах нейтронных звезд. Такие установки называют гигантскими микроскопами, так как они позволяют все глубже проникать в материю и понять структуру вещества. Называют их и телескопами во времени — ведь чем выше энергия в эксперименте, тем ближе мы подходим к началу возникновения Вселенной. Чтобы понять, что же там происходило, нам нужно в минимальной единице объема сосредоточить максимум энергии.

— Для Дубны это далеко не первая стройка мегаустановок мирового класса. Как выбирали место для строительства синхрофазотрона? Известно, что, когда искали площадку для ускорителя в Протвино в 1970-е, объехали 40 площадок в поисках особой скальной породы. Здесь тоже какой-то особенный грунт?

— С одной стороны, скальная порода придает установке стабильность, с другой — она передает все колебания от незначительных землетрясений и даже от вибраций. Поэтому есть другой подход: ускоритель должен находиться на жесткой платформе, но в мягкой породе. Синхрофазотрон, запущенный в Дубне в 1957 году, имел относительно небольшие размеры и был построен на жесткой плите. На тот момент это был самый мощный ускоритель в мире, сегодня таковым является Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРНе, Швейцария. В 1950-е он был спланирован на энергию в 10 гигаэлектронвольт (1 ГэВ — это 1 млрд электронвольт.— «О»). Это знаковый рубеж для человечества, потому что за ним возможно всерьез изучать строение вещества.

— Предстоящие эксперименты на коллайдере NICA не предполагают столь высоких энергий, как на БАКе, где энергию и вовсе измеряют в ТэВах (тераэлектронвольтах — триллионах электронвольт). В чем же тогда их уникальность?

— Дело в том, что в Большом адронном коллайдере изучаются процессы, происходящие при крайне высоких энергиях.

Задача же нашего коллайдера — создать максимальную плотность ядерной материи, если говорить точнее — барионной материи. Барионы — это, прежде всего, протоны и нейтроны, из которых состоит весь окружающий нас мир. Когда-то, в начале Большого взрыва, ее плотность везде была нулевой, а сегодня обычная материя вокруг нас обладает «единичной» (нормальной) плотностью барионов, а в недрах нейтронных звезд эта плотность может быть на порядок выше. За счет большой гравитации материя так сжимается, что в их ядрах нуклоны (протоны и нейтроны.— «О») проникают друг в друга и в какой-то момент переходят в состояние кварков. Вот этот фазовый переход и будет изучать NICA. По сути, на этом коллайдере будут создаваться максимально возможные для лабораторных условий Земли плотности барионной материи.

— Что значит — максимально возможные?

— Это значит, что в лабораторных условиях невозможно создать состояние, в котором в единице объема будет больше барионов. В таком состоянии материи мы имеем дело уже не с нуклонами (протонами и нейтронами), а с кварками и глюонами. Если говорить упрощенно, то каждый протон или нейтрон содержит по три кварка.

Чтобы вырвать кварки у протона или нейтрона, нужно применить гигантские усилия. Та энергия, которую мы используем в ядерных реакторах и взрывах,— это лишь остаточные силы, связывающие кварки внутри нуклона.

— Как же тогда можно извлечь кварки, чтобы увидеть этот фазовый переход?

— Можно их или столкнуть, или применить способ, основанный на так называемом принципе асимптотической свободы. Это важное явление было открыто в конце прошлого века, в 2004 году за него получили Нобелевскую премию Дэвид Гросс, Дэвид Политцер и Фрэнк Вильчек. Оказалось, что если попытаться вытянуть кварк из нуклона, то нужно, как я сказал, приложить максимально известные человечеству силы. А вот если кварки сблизить, то в какой-то момент они перестают между собой взаимодействовать, становятся свободными, превращаясь в кварковую кашу — кваркглюонную плазму. Частицы в ней начинают свободно перемещаться, а когда все остывает, формируются в совершенно новые нуклоны и другие элементарные частицы.

— Не случайно, видимо, Дэвид Гросс приезжал в Дубну, когда закладывался первый камень в фундамент коллайдера NICA. Хотел посмотреть на место, где кварки выпустят на свободу?

— Да, он приезжал в 2016-м и участвовал в церемонии закладки фундамента.

— Как же вы будете сжимать нуклоны с такой силой без нейтронных звезд?

— Это можно сделать, разгоняя и сталкивая два тяжелых ядра, например, золота и золота. Но если их разогнать очень сильно, как происходит в Большом адронном коллайдере, то хотя и образуется кварковый бульон, плотность барионов в нем будет минимальной. Чтобы достичь нужного нам эффекта, энергия должна быть около 10 ГэВ на каждый нуклон. Именно такие параметры мы заложили в NICA.

В начале начала


Владимир Димитриевич — доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент РАН

Фото: Евгений Гурко, Коммерсантъ

— Что мы знаем о начале Вселенной, когда возникла плотная барионная материя? Если бы тогда был некий сторонний наблюдатель, он бы действительно увидел большой во всех отношениях взрыв?

— В первое мгновение Большого взрыва большой плотности барионной материи не было. Там была большая плотность энергии. В равных пропорциях находились вещество и антивещество. Все это расширялось в пространстве с колоссальной скоростью, создавая сложные флуктуации, которые в итоге, согласно теориям ведущих российских ученых, стали основой будущих звезд и галактик (подробнее — см. «Огонек», № 11 за 2019 год). Отдельный вопрос: как же появилось вещество? Это одна из интереснейших задач современной физики. В какой-то момент равновесие между частицами и античастицами было нарушено. Это была совсем маленькая разница, из которой получилась вся наша Вселенная.

За возникновение разницы между веществом и антивеществом ответствен ряд процессов, происходящих во Вселенной, невозможных без нарушения некоторых симметрий, одно из которых в науке называют СР-нарушением. За его открытие в 1980 году дали Нобелевскую премию Джеймсу Кронину и Вэлу Фитчу. Само открытие они, кстати, сделали в 1964-м и впервые докладывали о нем у нас в Дубне в том же году.

— Почему именно у вас?

— В Дубне проходила крупнейшая в области физики высоких энергий так называемая Рочестерская конференция — это как Олимпийские игры для физиков, занимающихся высокими энергиями. На ней представляются все самые яркие достижения последних лет.

Но если возвращаться ко Вселенной, то с помощью NICA мы будем пытаться понять, как происходит переход вещества из состояния обычной материи, которую мы видим вокруг, в свободную — кварковую.

Чрезвычайно интересно понять, как кварки высвобождаются, а затем снова попадают в «тюрьму» при условиях, когда они максимально сжаты. NICA будет воспроизводить весь этот процесс: от создания бульона из кварков до формирования новых частиц.

— А можно ли будет каким-то похожим образом изучать антивещество? Часто пишут, что оно будет стоить баснословных денег…

— Антивещество как раз изучают в ЦЕРНе. Там делают очень интересные эксперименты, когда антипротон пытаются удержать в особой ловушке. Вообще же антивещество создается каждый день в экспериментах на ускорителях и даже в результате естественных процессов, таких как молния, но оно быстро исчезает при столкновениях с обычным веществом. По этой же причине вряд ли его когда-нибудь станет возможным создать в ощутимых количествах.

— Интересно, что у вашего коллайдера, рассчитанного под самые фундаментальные задачи, есть прикладной аспект. В чем он заключается?

— Мы предложили три инновационных проекта, которые могут принести ощутимую пользу в ближайшее время. Первый связан с облучением электронных схем, без чего невозможно создание революционной по характеристикам электроники, которая будет стойко работать в условиях высокой радиации и космического излучения. Это нужно для полетов в космос и для других целей. Ведь даже единичное попадание тяжелого иона в электронное устройство может вывести его из строя. С помощью NICA будет нарабатываться статистика отказов, отрабатываться система защиты.

Всю жизнь работает в области экспериментальной физики частиц и пытается проникнуть вглубь ядерной материи

Фото: Евгений Гурко, Коммерсантъ

Второй проект связан с исследованием воздействия тяжелого космического излучения на живые организмы. Сейчас у нас тоже проходят такие работы, но условия для их проведения ограниченны. Тем не менее здесь нашими коллегами из лаборатории радиобиологических исследований уже были получены очень интересные результаты в экспериментах с обезьянами. Оказалось, что после небольшой дозы облучения их когнитивные способности повышались, а вот затем резко падали. Это чрезвычайно важно для будущих полетов человека на Марс, видимо, когнитивные способности и, кстати, зрение в условиях длительных полетов будут страдать сильнее всего. При этом если от заряженных частиц можно спастись каким-то защитным полем, то от нейтральных практически нечем. Вы же не повезете туда огромные бетонные блоки! Поэтому здесь для ученых большое поле деятельности.

Третье направление связано с медицинскими технологиями на основе наших магнитов. Это очень перспективная область, связанная с лечением онкологических заболеваний.

— NICA — не единственный проект, который изучает кварковый бульон?

— Да, у нас есть конкуренты. Например, Брукхейвенская национальная лаборатория в США. Они запустили коллайдер еще в 2000-м и уже сделали много интересных открытий, изучая кваркглюонную плазму. Но барионная плотность вещества у них очень маленькая: изначально проект был рассчитан на энергии в 200 ГэВ на нуклон, а для достижения максимальной барионной плотности, как я говорил, нужно всего 10. Для расширения исследований в области большой барионной плотности они доработали конструкцию коллайдера, чтобы понизить энергию, но при этом он потерял такое важное качество, как светимость,— число взаимодействий на поперечный сантиметр в секунду. А этот параметр в конечном счете влияет на статистику взаимодействий, которая набирается в ходе эксперимента и определяет точность измерений.

Еще у нас есть непосредственный конкурент, который должен заработать в 2025 году,— коллайдер FAIR, строящийся недалеко от города Дармштадт в Германии. Поэтому нам так важно не сдвигать даты запуска.

Коллайдер размером с Землю

— Вы сказали, что самые крупные эксперименты в области физики высоких энергий сегодня проводятся в ЦЕРНе. Какую основную задачу собираются там решить физики и что будет, когда возможности коллайдера исчерпаются?

— Сейчас БАК будет детально изучать бозон Хиггса, а дальше, скорее всего, будет создан еще более крупный ускоритель, в разы превосходящий по энергии существующий. Перспективы такого проекта регулярно обсуждаются на собрании управляющего комитета ЦЕРНа, куда входят представители 23 стран. Каждые семь лет он подготавливает стратегическую программу развития. На этот раз было решено изучать возможности реализации проекта — географию, технологические возможности и стоимость.

— Какой же будет размер этого гиганта?

— Если диаметр работающего сегодня Большого адронного коллайдера примерно 27 километров, то здесь речь идет о 100 километрах.

— Значит, ученые снова столкнутся с протестами местных жителей? Они ведь и в прошлый раз не хотели соседства с такой мощной научной установкой, как БАК.

— Да, причем выявились неожиданные коллизии, в том числе юридические. Нынешний коллайдер проходит, как известно, по территории Франции и Швейцарии. Когда для него копали туннель, оказалось, что на разных землях законы отличаются: где-то владелец имеет право только на почвенный слой, а где-то его права распространяются вглубь, вплоть до центра Земли! Иными словами, вы не можете просто прокопать у него под ногами ветку метро или нечто подобное. Поэтому пришлось проводить сложные согласования.

— У ученых есть какая-то конкретная задача для такой огромной и дорогой установки?

— В том-то и дело, что пока ясной физической цели нет, а без этого двигаться очень сложно. Никто не знает, какая нужна энергия, чтобы обнаружить явления так называемой новой физики (явления за пределами принятой сегодня Стандартной модели.— «О»). БАК строился исходя из представлений о том, при каких энергиях можно открыть бозон Хиггса, поэтому все и получилось. Правда, при этом ожидалось, что, возможно, подтвердится так называемая теория суперсимметрии, а этого пока не произошло. А нам важно понять, существует ли она в природе или только в головах теоретиков. Также было бы интересно разобраться с природой кварка: выяснить, является ли он точечной частицей или у него есть структура.

— А в принципе, есть ли предел развития ускорительной техники? Или коллайдеры вечно будут расти в размерах?

— По большому счету, предел — это размеры Земли, а может, и больше.

Дороги, которые мы выбираем


Под его руководством разработан и создается крупнейший в России мегапроект — ускорительно-экспериментальный комплекс NICA

Фото: Евгений Гурко, Коммерсантъ

— Как сильно пандемия сдвинула сроки сдачи NICA?

— По нашей оценке, примерно на полгода, потому что многие работы за границей пришлось приостановить. Но пока мы не меняем планов запуститься в конце 2022-го.

— Что это за работы и где они проходили?

— В основном в Европе. Сейчас у нас очень напряженный момент, связанный с поставкой из Италии важнейшего компонента детектора MPD на коллайдере — сверхпроводящей катушки большого анализирующего магнита. Это огромная деталь размером, с упаковкой, 8 на 9 метров, которая сама весит более 70 тонн плюс еще половину весит каркас, в котором ее везут. Это очень деликатный груз, который нужно везти со всеми мерами предосторожности, с шоковыми датчиками и т.п. Доставить такую объемную установку можно только по воде. Наш груз должен был доплыть из Генуи, где его сделали, до Санкт-Петербурга, а далее уже на речной барже по Волге прямо сюда, в Дубну. Но так как из-за пандемии весной работать было невозможно, сроки поставки сдвинулись. И теперь нам нужно успеть доставить до того, как на Волге закроется навигация. А оставлять катушку в Италии до весны нельзя, это и задержка проекта, и дополнительные большие расходы. В мире, кстати, вообще не так много компаний, которые могут сделать что-то подобное.

— В чем основная сложность?

— Это большой магнит со сверхпроводящей катушкой, который должен создать высокооднородное магнитное поле в цилиндрическом объеме диаметром 6 метров и длиной 8 метров. Катушка должна работать в условиях, близких к абсолютному нулю (минус 273,15°C.— «О»). Для Большого адронного коллайдера такие установки делали японская «Тошиба» и «АСГ Суперкондакторс» в Италии.

Когда нам потребовался такой магнит, то решили обратиться именно к ним, потому что для строительства наукоемких установок лучше пользоваться услугами компании, которая такие приборы уже делала. В мировой практике есть много отрицательных примеров, когда известная компания без опыта в изготовлении такого сложного оборудования берется за работу и через несколько лет сообщает, что ничего не получилось, и ученые остаются у разбитого корыта. Поэтому мы выбрали итальянцев, работа которых оказалась в полтора раза дешевле, чем японцев. А так как речь идет о десятках миллионов евро, это важно.

— Что самое главное в такой детали?

— Качество магнита определяется качеством магнитного поля, которое он создает. Поле должно быть очень однородным, чтобы в нем можно было с высокой точностью восстанавливать траектории частиц в детекторе. А это определяется как катушкой, так и самим магнитным ярмом — железом, которое нам пришлось делать в другом месте, так как итальянцы не захотели брать это на себя.

— Где вы его взяли?

— Это отдельная и тоже очень интересная история. Для детектора нужно не литое, а кованое железо очень хорошего качества. Речь идет о балках длиной 9 метров и кольцах диаметром 8 метров, и, чтобы их ковать, нужен огромный молот. Считалось, делать такие могут лишь в США и Китае, ни России, ни Европе это не по плечу. Но мы совершенно неожиданно недалеко от Милана нашли маленькую компанию. У них есть огромная рука-манипулятор, которая может взять кусок железа в несколько сот тонн, положить на молот и затем отковать.

При этом заготовки самого железа мы брали в России, предварительно обрабатывали в Новокраматорске на Украине. Оттуда отвезли в Италию, а уже затем — в Чехию для высокоточной обработки и сборки на большом заводе, который специализируется на том, что делает огромные металлические конструкции, в том числе шестерни для переноса барж из одного канала в другой. Затем это все разобрали и на 42 грузовиках привезли сюда. Это лишь один из эпизодов большого проекта.

— Получается, что каждый раз приходится искать буквально штучных специалистов по миру.

— А здесь по-другому нельзя. Если при создании уникального проекта вы где-то понизите планку качества или ответственности, то никогда не сможете достичь требуемых результатов. Вот мы и ищем только тех, кто делает то, что нам требуется, лучше всех в мире.

— А что лучше всех в мире делает Россия?

— Многое, например в Новосибирске в Институте ядерной физики им. Будкера делают лучшие в мире системы электронного охлаждения. Все существующие сегодня ускорители используют их системы.

Нигде не делают лучше, чем у нас, в Дубне, быстроциклирующие сверхпроводящие магниты. За четыре года было создано уникальное в мировом масштабе производство, где собираются, испытываются и сертифицируются сверхпроводящие магниты для NICA и для наших партнеров-конкурентов — FAIR. Это основные элементы нашего коллайдера.

Наука для всех

— Можно сказать, кто придумал NICA? Чьи идеи тут стали ключевыми?

— Идея изучения столкновения ядер при этих энергиях принадлежит Александру Михайловичу Балдину, чье имя носит наша лаборатория. Он был инициатором создания «Нуклотрона», который функционирует с 1993-го и который сейчас — в основе NICA.

А вообще, к началу нашего века идея изучать плотную барионную материю витала в воздухе. В состав ученого совета Объединенного института ядерных исследований входит много ученых со всего мира — в обсуждениях с ними она обрела конкретные черты. И рождение проекта происходило благодаря дискуссиям на ученом совете института, директором которого тогда был Алексей Норайрович Сисакян. Он понимал, что нам нужен именно такой флагманский проект, и сделал все возможное, чтобы инициировать его реализацию.

— Интересно, почему именно физика высоких энергий с самого начала была площадкой для активного международного общения? Даже в 1950-е, в разгар Холодной войны, наши физики ездили в национальные исследовательские лаборатории США…

— Потому что иначе она бы не развивалась. Если вы замкнетесь в рамках одной страны, проект не получится. У вас не хватит ни образования во всех требуемых направлениях, ни технологий, ни знаний, ни ресурсов. Чтобы сделать что-то стоящее, у вас должен быть большой набор различных методов и технологий, широкий спектр образованных специалистов и даже разнообразие менталитета участников проекта. Сегодня нет страны, которая могла бы сказать, что обладает, предположим, 90 процентами технологий в данной сфере. Не случайно, что ОИЯИ, созданный в 1956 году, с самого начала был задуман как международная организация. Изначально в состав института вошли 12 стран-участниц.

— Непонятно, почему в составе нет Китая.

— Изначально он был, но в 1965 году из-за политических разногласий китайское правительство в течение нескольких дней отозвало всех своих сотрудников на родину. С тех пор КНР не входит в состав ОИЯИ. Сегодня в его составе 18 стран и 6 ассоциированных членов. Кстати, еще в 1950-е устав нашего института был зарегистрирован в ООН и хранится в ее Секретариате. В том числе это и помогло нам отстоять статус института в сложные 90-е годы.

— Тогда физика высоких энергий как наука недешевая пострадала особенно сильно. Строительство в Протвино коллайдера УНК пришлось остановить…

—Да, и я считаю это ошибкой. По масштабам он был близок к современному Большому адронному коллайдеру. Туда было вложено очень много ресурсов, метростроевцы полностью построили 20-километровый туннель, были разработаны уникальные криогенные технологии и множество другого.

— Немало российских специалистов из Протвино затем поехали работать в ЦЕРН.

—Да, так и было. Но здесь мы опять же возвращаемся к вопросу международного сотрудничества в науке. Национальные проекты такого масштаба закрывались не только у нас. Примерно в то же время остановили строительство еще более масштабного коллайдера SSC в Техасе. В 1992 году как раз в Техасе проходила Рочестерская конференция. Я помню, как техасский таксист с гордостью рассказывал мне, что у них строится огромный сверхпроводящий суперколлайдер, который перевернет всю мировую науку. Но когда в проект уже вложили несколько миллиардов долларов, его вдруг закрыли из-за разногласий между организациями разного уровня. Это, конечно, оказало большое негативное влияние на всю физику высоких энергий. В этом отношении ЦЕРН более устойчив, так как в его составе более двух десятков стран, и даже если одна из них решит проект покинуть, он все равно будет реализован.

Криптон, и не только


С 2007-го директор Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ

Фото: Евгений Гурко, Коммерсантъ

— Вы пришли в науку в то тяжелое время. Не было желания уехать из страны в 1990-е?

— Нет, так получилось, что в те годы мы вели очень интересный проект в Протвино: на нескольких установках изучали рождение очарованных частиц (кварков с более тяжелой массой.— «О») и искали новые кварковые резонансы.

Кроме того, именно в 90-е годы у нас началось сотрудничество с ЦЕРНом в эксперименте NA-48, где как раз уже с нашим участием было открыто прямое СР-нарушение, о котором я говорил, объясняя разницу между веществом и антивеществом. Разумеется, участие в таком престижном эксперименте — предмет гордости для любого коллектива. Однако попасть туда было непросто. Когда я познакомился с лидерами этого проекта, то нам предложили войти в состав участников эксперимента при условии, что мы поможем создать жидкокриптоновый калориметр. Это уникальный прибор, без которого не было бы открытия. Его основа — гигантский криостат (цистерна), наполненный жидким криптоном. Этот прибор был необходим для регистрации гамма-квантов от распадов нейтральных пионов.

— Боюсь, что многие сегодня знают Криптон только как родную планету Супермена из комиксов DC…

— Это химический элемент с атомным номером 36. Сложность в том, что для эксперимента нужно было найти 23 тонны чистого криптона, а этот объем сравним с объемом мирового производства. Криптон был побочным продуктом сталелитейного производства и применялся в основном для выпуска лампочек. Для наших же целей требовался криптон тщательной очистки. Мы обратились в Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники Минатома, где владели технологиями очистки газов, с просьбой помочь организовать такое производство. Финансировала завод (а речь шла о миллионах долларов) голландская компания. В итоге в закрытом городе недалеко от Екатеринбурга был запущен завод по очистке сжиженного криптона, качество которого превысило требования эксперимента. Полученный газ мы заправляли в баллоны и на грузовиках везли прямо в Женеву.

Затем на грант Международного научно-технического центра, который финансировал конверсионные программы в СНГ, мы сделали на лучшем космическом предприятии России — НПЦ им. Хруничева — очень хороший криостат из алюминия. И так получили входной билет в проект NA-48, который сегодня в пятерке самых успешных экспериментов ЦЕРНа. Молодых ученых из Дубны, которые в нем участвовали, тут же стали приглашать работать по всему миру. Это стало для них отличным стартом. Кстати, сегодня под наш проект в Дубну тоже приезжает много молодежи: каждый год мы берем на практику примерно 40–50 студентов и конкурс весьма напряженный. В прошлом году было много ребят из Польши, недавно подписали контракт с пятью мексиканскими университетами.

— Можно ли говорить, что в физике высоких энергий сохранилась российская школа?

— Мне трудно ответить на этот вопрос. Развитие российской физики высоких энергий, по большому счету, закончилось, когда закрылся проект УНК в Протвино. С тех пор интересные работы были, но масштаб их не дотягивал до мирового. Поэтому мы с такой надеждой ждем реализации не только проекта NICA, но и других российских мегапроектов. Например, создания синхротрона «СКИФ» в Новосибирске. Дело в том, что большие научные проекты формируют высокопрофессиональную научную среду — большие коллективы ученых, инженеров, специалистов, а если у страны нет своих базовых проектов и мы работаем только на выездных экспериментах, говорить о возрождении науки преждевременно…

«Огонек» в рамках совместного медиапроекта со Сколковским институтом науки и технологий продолжает публикацию цикла интервью с ведущими отечественными физиками. В № 37 за 2018 год была опубликована беседа с Владимиром Захаровым; в № 39 за 2018 год — с Ильдаром Габитовым; в № 45 за 2018 год — с Валерием Рубаковым; в № 2 за 2019 год — с Альбертом Насибулиным, в № 11 за 2019 год — с Алексеем Старобинским, в № 20 — со Львом Зелёным, в № 23 — с Михаилом Фейгельманом, в № 30 — с Александром Белавиным, в № 38 — с Валерием Рязановым в № 47—Юрием Оганесяном, в № 2 за 2020 год — с Алексеи Китаевым, в №11 за 2020 год с — Владимиром Драчевым, с Александром Замолодчиковвым в № 18, со Львом Иоффе в № 24, с Фазоилом Атауллахановым в № 27, с Геннадием Борисовым в №30.

На окончательную проверку существования «новой физики» отвели 1–1,5 года — Наука

МОСКВА, 23 марта. /ТАСС/. Опыты на Большом адронном коллайдере (БАК) в ближайшие полтора года окончательно подтвердят или опровергнут существование «новой физики» за пределами Стандартной модели. На ее существование, в частности, указывают недавно открытые аномалии в процессе формирования мюонов — тяжелой “разновидности” электронов. Об этом ТАСС рассказал один из участников эксперимента LHCb, главный научный сотрудник НИТУ «МИСиС» Андрей Голутвин.

«Нам нужно чуть больше данных, чтобы понять, что мы столкнулись с неким случайным совпадением, или же этот результат будет подтвержден в ходе наблюдений за другими распадами на LHCb или на других установках. Это станет первым прямым указанием на существование «новой физики» и позволит нам начать обсуждать, какие следующие эксперименты нужно проводить», – отметил ученый.

По его словам, речь идет о нарушениях так называемой универсальности лептонных взаимодействий. Это один из ключевых принципов Стандартной модели, он гласит, что все виды лептонов – электроны, мюоны и таоны – должны взаимодействовать с окружающим миром одинаково, с поправкой на различия в массе.

На рубеже веков физики CERN, работавшие с коллайдером LEP, обнаружили намеки на то, что это правило может нарушаться во время распада самых тяжелых субатомных частиц – топ-кварков. Результаты их измерений показали, что в ходе подобных реакций таоны возникали заметно чаще мюонов, что не соответствует предсказаниям Стандартной модели.

Несколько лет назад намеки на подобные аномалии обнаружили исследователи, работающие с одной из установок Большого адронного коллайдера – LHCb. Они наблюдали за распадами B-мезонов – экзотических частиц, которые состоят из двух кварков. Недавно представители LHCb заявили, что подтвердили результаты более ранних измерений и увеличили их статистическую значимость до уровня 3,3 сигма (1 случайная ошибка на тысячу попыток).

К подобным выводам специалисты пришли, изучая итоги крайне редких распадов B-мезонов. При этом подобные частицы превращаются в каон и мюонные или электрон-позитронные пары. Сравнив, как часто происходят подобные распады, участники LHCb обнаружили, что пары мюонов возникали значительно чаще, чем электроны и позитроны. Причем уровень этих расхождений полностью совпал с тем, который был зафиксирован в ходе предыдущих наблюдений за распадами B-мезонов.

На пороге «новой физики»

Выход на уровень в три сигма, по словам Голутвина, считается очень важным в физике частиц. Он показывает, что подобные аномалии в поведении частиц действительно могут претендовать на статус полноценного открытия. Для этого необходимо, чтобы статистическая значимость этих замеров достигла отметки в пять сигма. Ученый считает, что произойдет уже в ближайшие полтора года.

«Пока рано говорить об открытии – мы получили лишь первые указания на него. Нужно ждать подтверждения на других установках, в первую очередь, на японской фабрике B-мезонов Belle, а также в последующих опытах на LHCb и других экспериментах БАК. При этом, на мой взгляд, уже сейчас можно сказать, что это еще более важный и интересный результат, чем открытие бозона Хиггса», – пояснил Голутвин.

По его словам, достаточное количество данных, необходимых для окончательного подтверждения или опровержения этих указаний на нарушение лептонной универсальности, будут накоплены уже в ближайший год или полтора года. Если выводы физиков CERN подтвердятся, то это приведет, как считает Голутвин, к открытию первых свидетельств существования новых частиц, чье поведение нельзя описать положениями Стандартной модели.

«Если это открытие подтвердится, теоретикам придется поработать над объяснением подобного поведения лептонов. В частности, это может указывать на существование лептокварков, нового класса частиц за пределами Стандартной модели, чья масса будет настолько большой, что напрямую эти частицы нельзя обнаружить не только на БАК, но и на любом ускорителе частиц, который можно построить в ближайшие десятилетия», – отметил физик.

Изучение этих частиц и сил, управляющих их поведением, как подытожил ученый, потребует настоящей революции в теории и приведет к большим изменениям в стратегии развития физики элементарных частиц, в том числе и в том, как будут проводиться новые эксперименты и строиться последующие ускорители высоких энергий.

Большой адронный коллайдер — новости, фото

Любовь Соковикова

12.04.2021,

Пока мы с вами заняты повседневными делами, ученые в ЦЕРН охлаждают почти до абсолютного нуля антиматерию и вообще-то стоят на пороге открытия Новой физики. И так как нет на свете ничего интереснее чем тайны мироздания, предлагаю ненадолго отложить дела и погрузиться в изумительный мир физики. Начнем с того, что теорию антиматерии впервые предложил английский физик-теоретик, один из создателей квантовой теории Поль Дирак в 1928 году. Всего четыре года спустя его теория получила подтверждение. Сегодня мы знаем, что антиматерией ученые называют эфирную противоположность материи. Ее частицы идентичны своим материальным двойникам, за исключением их физических свойств – там, где электрон имеет отрицательный заряд, его антиматериальный двойник, позитрон, имеет положительный. Причина, по которой мы не сталкиваемся с антиматерией так часто, как с обычной материей, заключается в том, что они аннигилируют друг с другом при контакте, что чрезвычайно затрудняет хранение и изучение антиматерии в повседневной жизни.

Читать далее

Любовь Соковикова

В 2008 году в Европе состоялся запуск гигантского ускорителя заряженных частиц Большого адронного коллайдера (БАК). Тогда казалось, что мир словно сошел с ума. Но не от радости за достижения современной науки, а от ужаса перед неизведанным – слухи о том, что запуск БАК приведет к созданию черной дыры и неизбежному концу света распространялись с молниеносной скоростью. И сколько бы физики не объясняли, что коллайдер разгоняет элементарные частицы до околосветовых скоростей и сталкивает их друг с другом и этот процесс не может привести к апокалипсису, истинно верующие до сих пор глаголят, что коллайдер – есть начало конца. Это может показаться удивительным, но в чем-то они, вероятно, оказались правы. Новая работа ученых из Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) предрекает конец нашим представлениям о физике: полученные результаты указывают на новую силу природы за пределами Стандартной модели, которую ученые не понимают.

Читать далее

Владимир Кузнецов

Большой Адронный Коллайдер (БАК) является очень важной установкой для проведения экспериментов в области изучения элементарных частиц. Но недавно исследователи придумали, как извлечь из БАК максимальную пользу. Причем с поиском темной материи или же с другими опытами она никак не связана. Область применения установки куда более приземленная. С ее помощью хотят отапливать близлежащие дома.

Читать далее

Илья Хель

27.04.2019,

Теперь, когда ученые нашли бозон Хиггса, Большой адронный коллайдер будет искать еще более неуловимую цель: темную материю. Нас окружают темная материя и темная энергия — невидимые субстанции, которые связывают галактики, но никак себя не выдают. В новой работе излагается инновационный метод поиска темной материи силами Большого адронного коллайдера за счет эксплуатации относительно медленной скорости потенциальной частицы.

Читать далее

Николай Хижняк

После того, как в 2021 году ускоритель заряженных частиц Большой адронный коллайдер (БАК) вновь будет запущен после обновления и сможет снова сталкивать частицы друг с другом, ученые надеются, с помощью него наконец открыть неуловимую темную материю. Физики не одно десятилетие тщетно пытаются обнаружить частицы темной материи, на которые приходится основная масса нашей Вселенной. Однако теперь у исследователей появилась новая цель в этих поисках: относительно тяжелая и долгоживущая частица, которую можно получить в результате высокоэнергетических столкновений на БАК.

Читать далее

Илья Хель

Все, что вы видите вокруг, состоит из элементарных частиц — кварков и лептонов, которые могут объединяться с формированием более крупных частиц, таких как протоны или атомы. Но этим не ограничивается: эти субатомные частицы могут также соединяться экзотическим образом, какого мы никогда не видели. Коллаборация ЦЕРН LHCb объявила об открытии новых частиц, которые получили название «пентакварков». Результаты их работы могут помочь нам открыть множество загадок теории кварков, важнейшей части Стандартной модели.

Читать далее

Илья Хель

Европейская лаборатория физических исследований ЦЕРН заявила, что планирует новый эксперимент по поиску частиц, связанных с темной материей, которая, как предполагают, составляет около 27% Вселенной. Эксперимент будет проводиться там же, где расположен Большой адронный коллайдер — гигантская лаборатория в 27-километровом туннеле на французско-швейцарской границе. Его задачей станет поиск «легких и слабо взаимодействующих частиц».

Читать далее

Илья Хель

23.01.2019,

Если физики элементарных частиц добьются своего, новые ускорители смогут в один прекрасный день тщательно исследовать самую любопытную субатомную частицу в физике — бозон Хиггса. Спустя шесть лет после открытия этой частицы на Большом адронном коллайдере, физики планируют новые огромные машины, которые будут растягиваться на десятки километров в Европе, Японии или Китае.

Читать далее

Илья Хель

На самом деле, я намеренно допустил ошибку в заголовке. Коллайдеры — вполне себе природное явление, которое часто встречается в нашей Вселенной. Частицы сталкиваются и расщепляются в звездах и черных дырах при энергиях, которые даже вообразить сложно. Однако гордость просыпается, когда понимаешь, что человек пытается построить нечто подобное. Сегодня исследовательский центр, который принес нам новости о непостижимо крошечных частицах, удостоенных Нобелевской премии, заявил о планах стать намного больше.

Читать далее

Владимир Кузнецов

Большой Адронный Коллайдер — это одно из самых удивительных изобретений человечества, ответственное за открытие многочисленных субатомных частиц, включая неуловимый бозон Хиггса. И в последнее время новые данные намекают на новые открытия за пределами Стандартной модели. И это очень удивительно, ведь, как утверждают ученые, мы можем расшифровать менее 1% данных от ускорителя. Поэтому открытия БАК можно назвать «большим везением». Или же все-таки нет?

Читать далее

Коллайдер NICA: достать до нейтронных звезд

12 янв. 2021 г., 14:19

Портал «Научная Россия» опубликовал интервью директора Лаборатории физики высоких энергий им. В.И. Векслера и А.М. Балдина Владимира Кекелидзе В Дубне продолжается строительство коллайдера тяжелых ионов NICA, где будут изучать кваркглюонную материю — состояние вещества, которое находится в недрах нейтронных звезд. Ученые Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне уже получили из Италии ключевой элемент исследовательской установки MPD (Multi-Purpose Detector) строящегося ускорительного комплекса — катушку сверхпроводящего соленоидального магнита. Об уникальной логистической операции и о том, зачем мировой науке нужен проект NICA, рассказал член-корреспондент РАН Владимир Димитриевич Кекелидзе, и.о. вице-директора ОИЯИ по мегасайенс проекту NICA, директор Лаборатории физики высоких энергий им. В.И. Векслера и А.М. Балдина

— Владимир Димитриевич, в Дубне состоялось уникальное событие: из Италии привезен главный элемент детектора будущего коллайдера NICA — сверхпроводящая катушка магнита. Сложно ли было организовать логистику операции доставки?

— Сам по себе магнит такого размера — уже исключительное инженерное сооружение. Причем мы должны не просто получить катушку с большим объемом магнитного поля, внутри которого будут располагаться детектирующие элементы, но нам необходимо будет создать поле очень высокой однородности; это позволит восстанавливать с высокой точностью процессы, которые мы будем изучать входе столкновения ионов на пучках коллайдера.

Ярмо самого магнита уже в нашем институте, это железо весом около 700 т. Катушка, создающая поле, проектировалась в России («Нева-Магнит»), но собиралась в Италии на известном предприятии ASG Superconductors. Компания уже имела опыт изготовления похожих катушек, в частности для одного из детекторов Большого адронного коллайдера (БАК), поэтому мы выбрали именно эту фирму.

Процесс изготовления занял около пяти лет. Почему так долго? Потому что прежде чем создать магнит такого размера, обеспечивающий магнитное поле высокой однородности, причем из уникальных материалов, надо было спроектировать и сделать набор инструментов, с помощью которого изготавливаются основная и корректирующие катушки, криостат (вакуумный сосуд) и многие другие элементы магнита. Кстати, этот набор инструментов — намоточная машина, механическая оснастка, внушительных размеров печь для запекания обмотки — имеет гораздо большие размеры, чем сама катушка.

Несколько лет ушло на разработку и создание этого набора инструментов, с помощью которого надо было протестировать сверхпроводящий кабель для катушки, поскольку она работает при температуре, близкой к нулю по абсолютной шкале Кельвина, намотать основную и корректирующие катушки. Далее необходимо было изготовить криостат и поместить в него основную катушку — и это тоже очень непростая инженерная задача, — затем все собрать, обеспечить вакуум в криостате и испытать.

И, наконец, сегодня криостат со сверхпроводящей катушкой внутри прибыл к нам в Дубну! Крайне сложная логистическая операция завершилась успешно. Вся процедура доставки заняла чуть больше месяца, но волнений было очень много.

— Доставка была возможна только по воде?

— Да, из-за размера и веса криостата с катушкой. По пути из Генуи в Дубну груз побывал в красивейших местах России: в порту Санкт-Петербурга, на Ладожском, Онежском, Белом озерах и реке Волге.

Саркофаг с нашим инженерным сооружением внутри был погружен на корабль в Генуе 25 сентября. Ровно через месяц он прибыл в порт Северной столицы, где был разгружен и растаможен, а оттуда его перегрузили на баржу с буксиром и отправили к нам в Дубну.

5 ноября мы, собравшиеся у порта местные жители и журналисты стали свидетелями того, как долгожданная «посылка» перегружается с баржи на автомобильную платформу. Для этого был задействован самый мощный мобильный портовый кран в мире — Liebherr LHM 800. Затем автомобильная платформа должна была преодолеть последнюю дистанцию, перед тем как попасть к месту назначения. — дорогу от порта Дубны до нашего института, около 3 км. Машина прошла этот путь за несколько часов. Из-за больших габаритов груза (высота — 7.6 м) в городе на это время даже пришлось отключить электричество: в двух местах нужно было проехать под высоковольтными линиями. Потребовалось их обесточить, согласно технике безопасности, заземлить и слегка приподнять, чтобы груз смог пройти.

Задача по перевозке криостата с катушкой из Италии усложнялась тем, что навигация обычно заканчивается в середине или в конце ноября. Поэтому мы переживали, успеем или нет, ведь кроме того, что груз нужно доставить в Россию, еще необходимо успеть его растаможить в порту Санкт-Петербурга. К счастью, благодаря серьезной подготовительной работе наших служб и согласованным действиям с таможней груз удалось провести через таможню в установленный срок.

Коллайдер NICA (Nuclotron based Ion Collider fAcility)

Коллайдер NICA — новый ускорительный комплекс, который создается на базе ОИЯИ для изучения свойств плотной барионной материи.

Ожидается, что ученые смогут воссоздать в лабораторных условиях особое состояние вещества — кварк-глюонную плазму, которое существует в недрах нейтронных звезд. С помощью коллайдера NICA физики надеются получить новые знания о строении ядерной материи (одна из целей — поиск критической точки на фазовой диаграмме ядерной материи) и решить ряд фундаментальных и прикладных задач. В реализации международного проекта участвуют более 20 стран мира. Ввод всего комплекса в эксплуатацию намечен на 2023 г.

В лабораторных условиях ученые смогут наблюдать, как бесконечно малые частицы — кварки — начнут группироваться и образовывать обычное ядерное вещество. Подобный процесс происходил при несколько других условиях во время рождения Вселенной.

— Правда ли, что NIСА будет работать с такими энергиями и состояниями вещества, которые недостижимы на других установках, например, на том же БАК?

— Вы правы. Каждая установка, коллайдер или просто ускоритель, детектор, нацелена на определенный круг задач. Задача БАК — приблизиться к максимально достижимым энергиям, которые вообще возможны на данном этапе технологического развития. Достигнутые энергии позволили открыть бозон Хиггса, ведь проект изначально и был на это ориентирован.

В нашем же случае задача — достичь максимальной возможной в лабораторных условиях и вообще во Вселенной плотности ядерной материи. Такое ядерное состояние вещества ожидается в недрах нейтронных звезд, там, где очень большая гравитация и где обычные ядра переходят не просто в свои составляющие — протоны и нейтроны, а где последние, сжимаясь, превращаются в «кашу» из кварков и глюонов.

Вот такую «кашу» из кварков и глюонов мы и будем создавать, но только не путем гравитационного сжатия, как в нейтронных звездах, а путем столкновения тяжелых ядер, например, двух ионов золота, при вполне определенной энергии. Причем если энергия будет ниже оптимальной — около 10 ГэВ на каждый нуклон иона, — то не удастся разрушить ядро и нуклоны, а если, напротив, выше, то не удастся создать большую ядерную плотность. Поскольку мы нацелены на исследование ядерной материи максимальной плотности, нам нужны вполне определенные энергии и определенные ядра, которые мы будем сталкивать.

Хочу, кстати, отметить огромный вклад ученых и инженеров Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, без поддержки которых мы вряд ли решились бы на реализацию столь амбициозного проекта, как NICA.

— Что представляет собой ядерная материя, о которой вы упомянули?

— Ядерная материя — достаточно широкое определение. В нашем случае это барионная материя. Абарионы, барионная материя — это все, что нас окружает, из чего состоите вы, я и весь окружающий нас мир, потому что барион — это протон или нейтрон, а все ядра состоят из протонов и нейтронов. Так что материя — это в основном барионы, а антиматерия — антибарионы. Накопить максимальное количество барионов в единице объема и есть наша задача, то есть загнать в микроскопический объем максимальное количество ядер.

— Таким образом, вы получите состояния, схожие с теми, что существуют в недрах нейтронных звезд? А ведь предполагают, что внутри нейтронных звезд как раз н находятся кварки, а сверху — оболочка из нейтронов.

— Все верно. Ожидается, что внутри нейтронных звезд будет «каша», или «суп», из кварков и глюонов. И вот на какое-то мгновение в микроскопическом объеме мы надеемся получить с помощью коллайдера NICA то же самое состояние материи, а потом постараться понять, как она переходит из одной фазы в другую (из привычной нам фазы исходных ядер, сталкивающихся в коллайдере в кварк-глюонную материю) и, остывая, возвращается в начальную фазу, формируя уже новые частицы и ядра.

— Тогда я не могу не задать, наверное, самый популярный вопрос: а не создадим ли мы тем самым нейтронную звезду «в пробирке»? Помню, когда строился БАК, многие неспециалисты всерьез опасались, что там случайно родится черная дыра и всех нас погубит. Насколько правдоподобны такие сценарии?

— Никаких глобальных угроз в ускорительных экспериментах нет. Здесь, как и в любых технически сложных установках, есть риски механических повреждений плюс опасность облучения: например, если кто-то попадет под пучок заряженных частиц. Кстати, такие случаи в мировой практике бывали.

В отличие от реакторов, где сложно управлять ядерным процессом, в ускорителях заряженных частиц все устроено проще: вы выключили рубильник, отключили электричество — и у вас больше нет ни радиации, ни пучков элементарных частиц. Поэтому коллайдер — весьма безопасный прибор, но обращаться с ним нужно очень осторожно, как и с любым сложным инструментом.

Что же касается опасных природных явлений, которые якобы могут быть воспроизведены путем таких экспериментов, то это, конечно, полная глупость. Никакой угрозы эти опыты не несут, потому что все, что там происходит, это настолько микроскопические масштабы, что вы их даже не сможете увидеть ни под каким оптическим микроскопом.

Кстати, сам по себе детектор нашего коллайдера, MPD, и есть весьма сложный микроскоп, создаваемый для того, чтобы увидеть, распознать то, что происходит в масштабах порядка Ферми или нескольких Ферми, а Ферми — это 10-13 см.

— Есть такое необычное явление при фазовом переходе из одного состояния вещества в другое, скажем, из жидкости в пар, когда поведение физических величин становится универсальным. То есть кривая фазового перехода заканчивается некоей критической точкой, вблизи которой даже самые разные вещества (например, железо, вода) ведут себя совершенно одинаково, и это поистине удивительно! Планируется ли изучать это явление на уровне ядерной материи с помощью коллайдера NICA?

— Да, такое интересное явление действительно может существовать. Фазовая диаграмма ядерной материи наглядно показывает эти переходы. Скажем, если отложить по горизонтальной оси плотность барионов, а по вертикальной шкале — энергию или температуру (что фактически одно и то же), то при повышении температуры ожидается плавный фазовый переход в кварк-глюонное состояние в области минимальной плотности барионов; это уже было показано в экспериментах на БАК и на коллайдере RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории.

Ожидается, что в эксперименте на коллайдере NICA, в условиях большой барионной плотности, должен существовать фазовый переход первого рода, при котором характерные параметры состояния материи изменяются скачком. Так вот сам по себе фазовый переход первого рода, если он будет обнаружен, станет важным открытием. А если есть фазовый переход первого рода и есть в какой-то части диаграммы плавный переход, то между ними должна быть критическая точка. Это уже фазовый переход второго рода.

Такое открытие может стать сенсацией и позволит глубже понять свойства кварковой материи.

— Ожидается, что с помощью нового коллайдера удастся зафиксировать свободные кварки?

— Многие знают из научно-популярной литературы, что каждый протон и нейтрон состоит из трех кварков. Чтобы вырвать кварки оттуда, необходима огромная сила, поскольку кварки в нуклонах (нейтронах и протонах) связаны так называемым сильным взаимодействием, максимальной из известных сил природы. И кварки не могут существовать в природе самостоятельно. Если вырвать кварк из протона или нейтрона, то он мгновенно находит себе пару — антикварк — и образует частицу — мезон; или находит еще два кварка и образует опять же протон или нейтрон. Но если кварки сильно сблизить, то взаимодействие между ними ослабевает и кварки становятся квазисвободными.

— Но ранее их свободными ни разу не видели?

Верно. Свободными они могут быть лишь ничтожное мгновение и при определенных условиях. Чтобы получить свободные кварки, нужно невероятно плотно сжать материю, и вот в таком состоянии кварки становятся свободными и забывают своих «родителей»: кому они принадлежали, какому протону или нейтрону. Они перемешиваются, взаимодействуют и, объединяясь, воспроизводят новые частицы: новые протоны, нейтроны, более легкие частицы — мезоны, — словом, весь спектр элементарных частиц, который известен сегодня.

— Мы знаем, что кварки удерживаются между собой глюонами, справедливо получившими свое название от английского слова glue («клей»). Существует интересная гипотетическая частица глюбол, состоящая исключительно из этого клея. Как вы относитесь к подобной идее?

— Идея вполне здравая. Есть ряд экспериментов, в которых ищут так называемые глюболы, но сегодня, насколько мне известно, нет явных доказательств их существования. Глюбол теоретически может существовать и имеет право на жизнь. Глюоны — это переносчики сильного взаимодействия, так же как фотоны — переносчики электромагнитного взаимодействия. Электроны, позитроны или любые заряженные частицы могут излучать фотоны. Тепло и свет, которые нас согревают и освещают, — это тоже фотоны. В сильных взаимодействиях роль фотонов играют глюоны, только они переносят не электромагнитные, а сильные взаимодействия. Они как раз и связывают кварки между собой.

— Считается, что кварк — это фундаментальная частица, мельче которой ничего нет. Но можно ли предположить, что у кварка все же есть структура, то есть более мелкие элементы? Поможет ли NICA ответить на этот вопрос?

— Какой-то коллайдер, возможно, и поможет, но уж точно не наш. Даже Большой адронный коллайдер не проникнет в структуру кварков. Если там и есть структура, то для ее обнаружения нужны гораздо большие энергии, чем у того же БАК. Дело в том, что чем глубже и тоньше внутренняя структура, чем она мельче, тем более высокие требуются энергии для ее распознавания. На сегодня, конечно, кварки считаются точечной, то есть бесструктурной частицей, хотя они имеют массу и даже определенный размер. Не исключено, что на самом деле кварки могут иметь структуру, но это — и новые теоретические идеи, и эксперименты далекого будущего, а не нашего поколения.

— То есть там нужны принципиально новые ускорители?

Следующий ускоритель, который, возможно, построят в CERN, будет иметь периметр не 27 км, как сейчас, а уже 100 км. Но и этого, скорее всего, будет недостаточно для разрушения кварка и обнаружения его внутренней структуры, если таковая имеется.

Кстати, попытки сделать ускорители, коллайдеры масштаба БАК предпринимались неоднократно. Первая попытка была у нас — это Ускорительно-накопительный комплекс (УНК) в Протвине, вторая — SSC в Техасе, третья, оказавшаяся самой удачной, — БАК в CERN. Но, видимо, в будущем останется лишь одна международная организация, обладающая установкой столь глобального масштаба, потому что слишком уж расточительно делать несколько мощнейших коллайдеров. И именно международное сотрудничество и глобализация позволяют оптимизировать ресурсы и усилия, чтобы создавать такие мощные ускорители.

— Чем больше диаметр ускорителя, тем сильнее можно разогнать частицы?

Да. В целом, чем длиннее ускорительная установка, тем до больших энергий можно разогнать — частицы. В этом плане кольцевой ускоритель — наиболее выгодная конструкция, потому что частицы многократно пробегают ускоряющий блок и каждый раз ускоряются все сильнее.

В этом кольце будущего ускорителя, бустера, которое вы сейчас видите перед собой, для того чтобы разогнать частицы до заданной энергии, нужно сделать около 1 млн оборотов. Кольцевой ускоритель в этом отношении выгоден, так как вы можете гонять частицы по кругу сколько угодно и каждый раз, подталкивая, разгонять их. Но для того чтобы обеспечить движение заряженных частиц по кругу, необходимы магниты, ведь известно, что в магнитном поле заряженная частица летит по траектории окружности. Чем выше энергия частицы, тем больше радиус траектории в одном и том же магнитном поле. Поэтому радиус любого кольцевого ускорителя определяется энергией ускоряемых частиц и величиной магнитного поля.

Сегодня максимальное магнитное поле, которое применяется в ускорителях, — 8 Тесла. Именно на восьмитесловых сверхпроводящих магнитах и был построен БАК. Такие магниты позволили достичь энергии 14 ТэВ в существующем туннеле. Если же мы хотим увеличить в два раза энергию, то при том же магнитном поле нам необходимо в два раза увеличить радиус кольца или в два раза усилить магнитное поле в том же кольце. Новый коллайдер, скорее всего, будет создаваться на магнитах 16 Тл, но надежное производство таких магнитов пока не налажено и понадобится лет десять для того, чтобы научиться создавать подобные магниты.

— А это в принципе возможно?

Да. Прототипы таких магнитов уже изготавливают в CERN. CERN поставил задачу в течение десяти лет доработать технологию подобных магнитов и обеспечить их серийное производство.

Поэтому если вы просто увеличите магнитное поле в два раза в том же кольце, вы в два раза можете увеличить и энергию разгоняемых частиц. А если хотите получить еще большую энергию, то вам нужно пропорционально увеличивать и радиус кольца. Посчитайте сами: 100 км — в четыре раза больше, чем периметр Большого адронного коллайдера, и магниты с еще более обширным полем (в два раза), поэтому и энергия будет почти на порядок выше.

— До какой скорости будут разгоняться частицы в коллайдере NICA?

— Это уже так называемые релятивистские скорости. При энергиях коллайдера NICA частицы летят практически со скоростью света.

— Ожидается, что с помощью нового коллайдера удастся заглянуть в прошлое Вселенной. О каком отрезке времени идет речь?

Чем выше энергия, тем ближе к началу Большого взрыва вы можете заглянуть. В этом отношении, конечно, БАК наиболее близок к тому, чтобы разглядеть или понять то, что происходило в первые мгновения Вселенной. То, что мы будем воссоздавать на коллайдере NICA, — это более поздний период, когда возникла ядерная материя большой барионной плотности, которая существует в природе только в нейтронных звездах. Других объектов, в которых она могла бы быть, мы на сегодня не знаем.

По времени это тот период, когда уже были звезды и при их столкновениях образовывались в частности нейтронные звезды. Это происходило спустя сотни миллионов лет после Большого взрыва.

— Мы много говорили о привычной для нас барионной материи, а занимается ли кто-либо всерьез поисками антивещества, антиматерии?

— Антивещество — вопрос очень интересный. Все мы знаем из научно-популярных книг, что в момент возникновения Вселенной был полный баланс вещества и антивещества. Но потом в силу разных причин, из-за нарушения СР-симметрии, несохранения барионного числа и нарушения теплового равновесия, стало доминировать вещество. Возникла небольшая разница превалирования вещества над антивеществом. Эта разница и есть Вселенная, которую мы сегодня знаем.

Поиск антивещества во Вселенной ведется, но оно до сих пор не найдено. Куда оно делось? Это одна из больших загадок. Проводится много экспериментов по поиску антиматерии. Кстати, искусственно синтезировать антивещество можно, и первые такие успехи уже были достигнуты в CERN, где на мгновение были синтезированы несколько атомов антиводорода. Они были удержаны в специальной ловушке. Но это всего лишь несколько атомов, притом на очень короткое время.

— Исследования на коллайдере NICA будут иметь сугубо фундаментальный характер или прикладная составляющая тоже присутствует?

В основном наши исследования нацелены на фундаментальные результаты, на получение новых знаний в той области, в которой их еще нет или они очень скудны. Пока никто не знает, какие открытия нас ждут. Но нашим приборам присущи большие масштабы и технологическая сложность, для их создания часто требуется решение новых инженерных задач, вот вам и первый практический аспект. В процессе таких решений возникают интересные инженерные и технологические результаты, которые можно будет применить в практических целях.

Кстати, хороший пример — интернет. Он не создавался в CERN целенаправленно, а понадобился для того, чтобы обмениваться большими объемами данных по специальному протоколу; он был создан для ученых, а впоследствии оказался неотъемлемой частью всей современной жизни. Таких примеров, когда инженерные сооружения, созданные для науки, нашли свое применение в народном хозяйстве, немало.

Кроме того, в рамках проекта NICA мы предусматриваем создание зоны для прикладных работ, где ученые и инженеры будут заниматься практическими исследованиями. Ускоритель — это уникальный инструмент, который позволяет не только проводить фундаментальные исследования, но и получать прикладные результаты.

Одно из наших традиционных направлений — изучение работы электроники в сложных радиационных условиях. Такие исследования необходимы не только для того, чтобы создавать электронику, работающую близко к реакторам, но и для космических полетов; ведь в космосе происходит интенсивное облучение всевозможными частицами, в том числе теми, которые будут доступны на нашем ускорителе. Поэтому для разработки радиационно стойкой электроники будет создана зона прикладных исследований.

С вводом комплекса NICA планируется продолжить испытание биологических объектов на их устойчивость к радиационному воздействию, потому что, если мы хотим летать к далеким звездам, да что там к звездам — даже к Марсу, необходимо рассчитать, какая доза радиации будет получена космонавтами. Подобные исследования ведутся давно. В ОИЯИ есть лаборатория радиационной биологии, где ученые используют пучки уже существующих ускорителей для таких работ. На комплексе NICA мы хотим создать специальную зону, где биологические объекты будут облучаться, благодаря чему можно будет понять, как они меняют свои свойства под воздействием радиации.

В далеком космосе существует опасность облучения ионами, вплоть до железа. Все эти ионы мы сможем воспроизводить на нашем комплексе, чтобы облучать биологические объекты тем спектром частиц, который будет присутствовать при космических полетах.

Если говорить об ожиданиях в целом, прежде всего в области фундаментальных исследований, то мы нацелены на изучение фазовых переходов в ядерной материи — поиск фазового перехода первого рода, поиск критической точки, о чем вы сегодня уже спрашивали; а на пути к этим целям мы, надеюсь, узнаем много нового и интересного. Однако и прикладные исследования принесут ряд практически применимых результатов.

— В ваших исследованиях будут использоваться технологии искусственного интеллекта?

— Искусственный интеллект — настолько широкое понятие, что даже сложно ответить. Конечно, многие процессы нужно автоматизировать. Ведь автоматизация — тоже в каком-то смысле искусственный интеллект, вопрос только в том. насколько он интегрирован и требует вмешательства обычного, естественного интеллекта.

Для управления многими блоками детекторов и коллайдера NICA будут разработаны программы и системы управления, которые не представляют собой ИИ в узком смысле этого термина, но имеют важные элементы автоматизации, такие как система обратной связи, чтобы корректировать свои действия в зависимости от характера внешних условий. Подобные системы уже существуют на всех крупных современных высокотехнологичных установках. Понятно, что проводить экспериментальные исследования будут ученые, а не искусственный интеллект, ведь мы имеем дело с поиском и изучением неизведанных явлений и свойств природы.

— Какая судьба ждет коллайдер после того, как он отслужил свое? Их обычно как-то утилизируют или разбирают на запчасти?

— В мировой истории коллайдеров было не так много, и первые из них. кстати, были отнюдь не плохи. Есть классический пример — коллайдер ISR в CERN. По ряду параметров он был совершенен. хоть и запущен в 1970-е гг. Прослужил совсем немного, до средины 1980-х гг., и был разобран. Только недавно, в 2004 г., на коллайдере Тэватрон (США) были достигнуты параметры, характерные для того пионера из 70-х гг. прошлого столетия.

Конечно, каждый коллайдер нацелен на решение определенных задач. Когда задачи решены и нет других, подходящих для его профиля, коллайдер или разбирают, или утилизируют, или он частично входит в состав другого, более сложного комплекса ускорителей.

Беседовала Янина Хужина, портал «Научная Россия»

Источник: http://indubnacity.ru/intervyu/kollayder-nica-dostat-do-neytronnyh-zvezd1

Разработан новый алгоритм для Большого адронного коллайдера на основе ИИ

Как самая большая физическая машина из когда-либо созданных, БАК стреляет двумя пучками протонов в противоположных направлениях вокруг 17-мильного кольца, пока они не приближаются к скорости света, разбивает их вместе и анализирует продукты столкновения с помощью гигантских детекторов, таких как ATLAS. Прибор ATLAS имеет высоту шестиэтажного здания и весит около 7000 тонн. Сегодня LHC продолжает изучать бозон Хиггса, а также решает фундаментальные вопросы о том, как и почему материя во вселенной такая, какая она есть.

В рамках модернизации БАК предпринимаются усилия по увеличению яркости коллайдера — количества протон-протонных взаимодействий за столкновение двух протонных пучков — в пять раз. Это даст примерно в 10 раз больше данных в год, чем в настоящее время получают эксперименты на БАК. Насколько хорошо детекторы реагируют на эту повышенную частоту событий, еще предстоит понять. Это требует запуска высокопроизводительного компьютерного моделирования детекторов для точной оценки процессов, возникающих в результате столкновений БАК. Это крупномасштабное моделирование является дорогостоящим и требует больших затрат вычислительного времени на лучших и самых мощных суперкомпьютерах в мире.

Команда лаборатории Argonne создала алгоритм машинного обучения, который будет запускаться как предварительное моделирование перед любым полномасштабным моделированием. Этот алгоритм очень быстрым и менее затратным образом поможет показать, как настоящий детектор будет реагировать на большее количество данных, ожидаемое при обновлении. Он включает в себя моделирование откликов детектора на эксперимент со столкновением частиц и восстановление объектов по физическим процессам.

Открытие новой физики на БАК и в других местах требует все более сложных методов для анализа больших данных, тут и пригодится использование машинного обучения и других методов искусственного интеллекта.

Алгоритм команды может оказаться неоценимым не только для ATLAS, но и для нескольких экспериментальных детекторов на БАК, а также для других экспериментов по физике элементарных частиц, которые сейчас проводятся по всему миру.

Читать также

Выяснилось, что заставило цивилизацию майя покинуть свои города

Ученые раскрыли план герпеса по заражению человека: он похож на игру cо ставками

На 3 день болезни большинство больных COVID-19 теряют обоняние и часто страдают насморком

Большой адронный коллайдер | ЦЕРН

Большой адронный коллайдер (БАК) — крупнейший и самый мощный ускоритель элементарных частиц в мире. Он был впервые запущен 10 сентября 2008 года и остается последним дополнением к ускорительному комплексу ЦЕРНа. LHC состоит из 27-километрового кольца сверхпроводящих магнитов с рядом ускоряющих структур для увеличения энергии частиц по пути.

(Изображение: Анна Пантелия / ЦЕРН)

Внутри ускорителя два пучка частиц высокой энергии движутся со скоростью, близкой к скорости света, прежде чем они столкнутся.Лучи движутся в противоположных направлениях в отдельных лучевых трубках — двух трубках, в которых поддерживается сверхвысокий вакуум. Они направляются вокруг кольца ускорителя сильным магнитным полем, поддерживаемым сверхпроводящими электромагнитами. Электромагниты состоят из катушек специального электрического кабеля, который работает в сверхпроводящем состоянии, эффективно проводя электричество без сопротивления или потери энергии. Для этого необходимо охладить магниты до -271,3 ° C — температуры ниже, чем в космосе. По этой причине большая часть ускорителя подключена к системе распределения жидкого гелия, который охлаждает магниты, а также к другим службам снабжения.

Замена одного из дипольных магнитов LHC (Изображение: Максимилиан Брайс / ЦЕРН)

Тысячи магнитов различных типов и размеров используются для направления лучей вокруг ускорителя. Сюда входят 1232 дипольных магнита длиной 15 метров, изгибающих лучи, и 392 квадрупольных магнита, каждый длиной 5-7 метров, которые фокусируют лучи. Непосредственно перед столкновением используется другой тип магнита, чтобы «сжать» частицы ближе друг к другу, чтобы увеличить вероятность столкновения. Частицы настолько малы, что их столкновение сравнимо с запуском двух игл на расстоянии 10 километров друг от друга с такой точностью, что они встречаются на полпути.

Все элементы управления ускорителем, его услугами и технической инфраструктурой размещены под одной крышей в Центре управления ЦЕРН. Отсюда лучи внутри LHC сталкиваются в четырех точках вокруг кольца ускорителя, соответствующих положениям четырех детекторов частиц — ATLAS, CMS, ALICE и LHCb.

Изучите Центр управления ЦЕРН с помощью Google Street View (Изображение: Google Street View)

Факты и цифры о LHC

Видны два магнита LHC до того, как они будут соединены вместе.Синие цилиндры содержат магнитное ярмо и катушку дипольных магнитов вместе с системой жидкого гелия, необходимой для охлаждения магнита, чтобы он стал сверхпроводящим. В конечном итоге это соединение будет сварено вместе, так что балки останутся внутри балочных труб. (Изображение: CERN)

Большой адронный коллайдер (БАК) — самый мощный из когда-либо построенных ускорителей элементарных частиц. Ускоритель находится в туннеле на глубине 100 метров под землей в ЦЕРНе, Европейской организации ядерных исследований, на франко-швейцарской границе недалеко от Женевы, Швейцария.

Что такое LHC?

LHC — это ускоритель частиц, который приближает протоны или ионы к скорости света. Он состоит из 27-километрового кольца сверхпроводящих магнитов с рядом ускоряющих структур, которые увеличивают энергию частиц по пути.

Почему он называется «Большой адронный коллайдер»?
  • «Большой» относится к его размеру, примерно 27 км в окружности.
  • «Адрон», потому что он ускоряет протоны или ионы, которые принадлежат к группе частиц, называемых адронами.
  • «Коллайдер», потому что частицы образуют два луча, движущихся в противоположных направлениях, которые сталкиваются в четырех точках вокруг машины.

Как работает LHC?
  • Ускорительный комплекс ЦЕРН представляет собой последовательность машин со все более высокой энергией.Каждая машина ускоряет пучок частиц до заданной энергии, прежде чем направить пучок в следующую машину в цепочке. Эта следующая машина доводит луч до еще более высокой энергии и так далее. LHC — последний элемент этой цепочки, в которой лучи достигают максимальной энергии.
Ускорительный комплекс CERN (Изображение: CERN)
  • Внутри LHC два пучка частиц движутся со скоростью, близкой к скорости света, прежде чем они столкнутся. Лучи движутся в противоположных направлениях в отдельных лучевых трубках — двух трубках, в которых поддерживается сверхвысокий вакуум.Они направляются вокруг кольца ускорителя сильным магнитным полем, поддерживаемым сверхпроводящими электромагнитами. Ниже определенной характеристической температуры некоторые материалы переходят в сверхпроводящее состояние и не оказывают сопротивления прохождению электрического тока. Поэтому электромагниты в LHC охлаждаются до –271,3 ° C (1,9K) — температуры ниже, чем в космосе, — чтобы воспользоваться этим эффектом. Ускоритель подключен к обширной системе распределения жидкого гелия, который охлаждает магниты, а также к другим службам снабжения.

Каковы основные цели LHC?

Стандартная модель физики элементарных частиц — теория, разработанная в начале 1970-х годов, которая описывает фундаментальные частицы и их взаимодействия — точно предсказала широкий спектр явлений и до сих пор успешно объясняла почти все экспериментальные результаты в физике элементарных частиц. Но Стандартная модель неполный. Это оставляет много вопросов, на которые LHC поможет ответить.

  • Каково происхождение массы? Стандартная модель не объясняет ни происхождение массы, ни то, почему одни частицы очень тяжелые, а другие вообще не имеют массы.Однако теоретики Роберт Браут, Франсуа Энглер и Питер Хиггс выдвинули предложение, которое должно было решить эту проблему. Механизм Браута-Энглерта-Хиггса придает массу частицам, когда они взаимодействуют с невидимым полем, которое теперь называется «полем Хиггса», которое пронизывает вселенную. Частицы, которые интенсивно взаимодействуют с полем Хиггса, тяжелые, тогда как частицы, которые взаимодействуют слабо, — легкие. В конце 1980-х физики начали поиск бозона Хиггса, частицы, связанной с полем Хиггса.В июле 2012 года ЦЕРН объявил об открытии бозона Хиггса, что подтвердило механизм Браута-Энглерта-Хиггса. Однако обнаружение этого не является концом истории, и исследователи должны подробно изучить бозон Хиггса, чтобы измерить его свойства и определить его более редкие распады.
  • Найдем ли мы доказательства суперсимметрии ? Стандартная модель не предлагает единого описания всех фундаментальных сил, так как по-прежнему сложно построить теорию гравитации, аналогичную теориям для других сил.Суперсимметрия — теория, которая выдвигает гипотезу о существовании более массивных партнеров известных нам стандартных частиц — может способствовать объединению фундаментальных сил.
  • Что такое темная материя и темная энергия ? Известная нам материя, из которой состоят все звезды и галактики, составляет всего 4% от содержания Вселенной. Тогда все еще открыт поиск частиц или явлений, ответственных за темную материю (23%) и темную энергию (73%).
  • Почему во Вселенной гораздо больше материи, чем антивещества ? Материя и антивещество должны были образоваться в одинаковых количествах во время Большого взрыва, но, судя по тому, что мы наблюдали до сих пор, наша Вселенная состоит только из материи.
  • Как кварк-глюонная плазма дает начало частицам, составляющим материю нашей Вселенной? Часть каждого года LHC обеспечивает столкновения между ионами свинца, воссоздавая условия, подобные тем, которые возникли сразу после Большого взрыва.Когда тяжелые ионы сталкиваются при высоких энергиях, они на мгновение образуют кварк-глюонную плазму, «огненный шар» из горячей и плотной материи, который можно изучать с помощью экспериментов.

Как был разработан БАК?

Ученые начали думать о LHC в начале 1980-х, когда предыдущий ускоритель, LEP, еще не работал. В декабре 1994 года Совет ЦЕРН проголосовал за одобрение строительства LHC, а в октябре 1995 года был опубликован отчет о техническом проекте LHC.

Вклад Японии, США, Индии и других государств, не являющихся членами ЕС, ускорил этот процесс, и в период с 1996 по 1998 год четыре эксперимента (ALICE, ATLAS, CMS и LHCb) получили официальное одобрение, и на четырех площадках начались строительные работы.

Важные цифры: энергия LHC для Run 2

Кол. Акций

Номер

Окружность

Рабочая температура диполя

Количество магнитов

Количество основных диполей

Количество основных квадруполей

Количество ВЧ резонаторов

Номинальная энергия, протоны

Номинальная энергия, ионы

Номинальная энергия, столкновения протонов

№сгустков на пучок протонов

Количество протонов в сгустке (в начале)

Число оборотов в секунду

Количество столкновений в секунду

26 659 кв.м

1,9 К (-271,3 ° С)

9593

1232

392

8 на балку

6,5 ТэВ

2,56 ТэВ / нуклон (энергия на нуклон)

13 ТэВ

2808

1.2 х 10 11

11245

1 миллиард

Какие детекторы на LHC?

На LHC установлено семь экспериментов: ALICE, ATLAS, CMS, LHCb, LHCf, TOTEM и MoEDAL. Они используют детекторы для анализа множества частиц, образующихся в результате столкновений в ускорителе. Эти эксперименты проводятся учеными из институтов со всего мира. Каждый эксперимент индивидуален и характеризуется своими детекторами.

Каков поток данных экспериментов на LHC?

Центр обработки данных ЦЕРН хранит более 30 петабайт данных в год, полученных в результате экспериментов на LHC, чего достаточно для заполнения около 1,2 миллиона дисков Blu-ray, т.е. 250 лет видео высокой четкости. На ленте постоянно хранится более 100 петабайт данных.

Сколько стоит LHC?
  • Строительные расходы (млн. Швейцарских франков)

Материалы

БАК и площадки *

3756

Доля ЦЕРН в области детекторов и детекторов **

493

Вычисления на LHC (доля ЦЕРН)

83

Итого

4332

* Сюда входят: НИОКР машины и форсунки, испытания и предпусковая подготовка.
** Содержит затраты на инфраструктуру (например, пещеры и сооружения). Общая стоимость всех детекторов LHC составляет около 1500 MCHF

.

Экспериментальные коллаборации — это отдельные организации, финансируемые независимо от ЦЕРН. ЦЕРН является участником каждого эксперимента и вносит свой вклад в поддержание и эксплуатационный бюджет экспериментов на LHC.

  • Затраты на запуск 1
    Затраты на эксплуатацию LHC во время работы (прямые и косвенные затраты) составляют около 80% годового бюджета ЦЕРН на эксплуатацию, техническое обслуживание, технические остановки, ремонт и работы по консолидации персонала и материалов (для станка). , форсунки, вычисления, эксперименты).
    Непосредственно выделенные ресурсы на 2009-2012 годы составили около 1,1 миллиарда швейцарских франков.
  • Затраты на LS1
    Стоимость длительного останова 1 (22 месяца) оценивается в 150 миллионов швейцарских франков. Стоимость работ по техническому обслуживанию и модернизации составляет около 100 миллионов швейцарских франков для LHC и 50 миллионов швейцарских франков для ускорительного комплекса без LHC.

Какая потребляемая мощность LHC?

Общая потребляемая мощность LHC (и экспериментов) эквивалентна 600 ГВтч в год с максимумом 650 ГВтч в 2012 году, когда LHC работал при 4 ТэВ.Для прогона 2 расчетная потребляемая мощность составляет 750 ГВтч в год.
Общее потребление энергии ЦЕРН составляет 1,3 ТВтч в год, в то время как общее производство электроэнергии в мире составляет около 20000 ТВтч, в Европейском Союзе — 3400 ТВтч, во Франции — около 500 ТВтч, а в кантоне Женева — 3 ТВтч.

Каковы основные достижения LHC на данный момент?

См. Вехи LHC.

Каковы основные цели второго запуска LHC?

Открытие бозона Хиггса было только первой главой истории LHC.Действительно, перезапуск машины в этом году знаменует собой начало нового приключения, поскольку она будет работать с почти вдвое большей энергией, чем при первом запуске. Благодаря работе, проделанной во время Long Shutdown 1, LHC теперь сможет производить столкновения 13 ТэВ (6,5 ТэВ на пучок), что позволит физикам продолжить изучение природы нашей Вселенной.

Как долго будет работать LHC?

Планируется, что LHC будет работать в течение следующих 20 лет с несколькими остановками для модернизации и технического обслуживания.

ЦЕРН предпринимает смелые шаги по созданию суперколлайдера

стоимостью 21 миллиард евро

Предлагаемый 100-километровый коллайдер частиц в ЦЕРНе будет сталкивать электроны и позитроны, а позже и протоны (впечатление художника) Фото: Polar Media

ЦЕРН сделал важный шаг к созданию 100-километрового кругового суперколлайдера, который расширит границы физики высоких энергий.

Решение было единогласно одобрено Советом ЦЕРН, руководящим органом организации, 19 июня после утверждения плана независимой комиссией в марте.Ведущей европейской организации в области физики элементарных частиц потребуется глобальная помощь для финансирования проекта, который, как ожидается, будет стоить не менее 21 миллиарда евро (24 миллиарда долларов США) и станет продолжением знаменитого Большого адронного коллайдера (БАК) лаборатории. К середине века новая машина будет сталкивать электроны со своими партнерами из антивещества, позитронами. Этот проект, который будет построен в подземном туннеле недалеко от ЦЕРНа недалеко от Женевы, Швейцария, позволит физикам изучить свойства бозона Хиггса, а затем разместить еще более мощную машину, которая будет сталкиваться с протонами и прослужит долго. вторая половина века.

Утверждение еще не окончательное. Но это означает, что ЦЕРН теперь может приложить значительные усилия для разработки коллайдера и исследования его осуществимости, а также предложить альтернативные конструкции для последующих коллайдеров после LHC, таких как линейный электрон-позитронный коллайдер или коллайдер, который ускорял бы мюоны. . «Я думаю, что это исторический день для ЦЕРНа и физики элементарных частиц в Европе и за ее пределами», — заявила совету генеральный директор ЦЕРН Фабиола Джанотти после голосования.

По словам бывшего генерального директора CERN Криса Ллевеллина Смита, это «явная точка разветвления» для лаборатории.До сегодняшнего дня рассматривалось несколько других вариантов коллайдера следующего поколения, но теперь Совет ЦЕРН сделал недвусмысленное и единодушное заявление. «Это важный шаг, чтобы заставить страны Европы сказать:« Да, это то, что мы хотели бы сделать », — говорит Ллевеллин Смит, физик из Оксфордского университета, Великобритания.

Два этапа

Решение содержится в утвержденном сегодня документе — Обновлении Европейской стратегии по физике элементарных частиц 2020 года. Он выделяет два этапа развития.Во-первых, ЦЕРН построит электрон-позитронный коллайдер с энергией столкновения, настроенной так, чтобы максимизировать образование бозонов Хиггса, и подробно изучить их свойства.

Позже в этом веке первая машина будет демонтирована и заменена протон-протонным разрушителем. Это достигнет энергии столкновения в 100 тераэлектронвольт (ТэВ) по сравнению с 14 ТэВ на LHC, который также сталкивает протоны и в настоящее время является самым мощным ускорителем в мире. Его цель — поиск новых частиц или сил природы и расширение или замена текущей стандартной модели физики элементарных частиц.Большая часть технологий, которые потребуются для окончательной машины, еще предстоит разработать, и в ближайшие десятилетия они будут предметом интенсивного изучения.

«Это очень амбициозная стратегия, которая намечает светлое будущее для Европы и ЦЕРН с осторожным, поэтапным подходом», — сказал Джанотти.

«Я думаю, что это правильное направление, — говорит Ифан Ван, возглавляющий Институт физики высоких энергий (IHEP) Китайской академии наук в Пекине. Предложенная ЦЕРН новая машина аналогична по концепции предложению Ванга по созданию китайского электрон-позитронного коллайдера после открытия БАК бозона Хиггса в 2012 году.Как и теперь официальная стратегия ЦЕРНа, предложение Ванга также включало возможность размещения протонного коллайдера на второй стадии, следуя модели LHC (27-километровое кольцо LHC занимает туннель, в котором в 1990-х годах размещался Большой электрон-позитронный коллайдер ЦЕРНа). Решение CERN «является подтверждением того, что наш выбор был правильным», — говорит Ван.

Полностью одобряя кольцевой коллайдер ЦЕРН, эта стратегия также призывает организацию изучить возможность участия в отдельном Международном линейном коллайдере (ILC), более старой идее, которую поддерживали физики в Японии.Хитоши Ямамото, физик из Университета Тохоку в Сендае, Япония, говорит, что это одобрение обнадеживает. «Я считаю, что условия для перехода ILC к следующему шагу в Японии, а также во всем мире, теперь прочно созданы».

Финансирование

Стратегия ЦЕРН предусматривает 2038 год как дату начала строительства нового 100-километрового туннеля и электрон-позитронного коллайдера. До тех пор лаборатория продолжит работу с модернизированной версией LHC, получившей название High Luminosity LHC, которая в настоящее время находится в стадии строительства.

Но прежде чем ЦЕРН сможет приступить к созданию своей новой машины, ему придется искать новое финансирование помимо обычного бюджета, который он получает от государств-членов. Ллевеллин Смит говорит, что странам за пределами Европы, включая США, Китай и Японию, возможно, потребуется присоединиться к ЦЕРН, чтобы сформировать новую глобальную организацию. «Почти наверняка потребуется новая структура», — говорит он.

У дорогостоящего плана есть противники — даже в физическом сообществе. Сабина Хоссенфельдер, физик-теоретик из Франкфуртского института перспективных исследований в Германии, выступила как критик стремления к все более высоким энергиям, когда научная окупаемость — помимо измерения свойств известных частиц — далека от гарантии.«Я все еще считаю, что это плохая идея», — говорит Хоссенфельдер. «Речь идет о десятках миллиардов. Я просто думаю, что в проведении такого рода исследований сейчас недостаточно научного потенциала ».

Новый коллайдер будет на неизведанной территории, говорит Тара Ширс, физик из Ливерпульского университета, Великобритания. У LHC была четкая цель, которую нужно было искать — бозон Хиггса, а также хорошо мотивированные причины теоретиков полагать, что могут появиться новые частицы в диапазоне масс, который он мог бы исследовать, но сейчас ситуация иная, говорит она.«Сейчас у нас нет равноценного и надежного прогноза, поэтому знание того, где и как искать ответы, становится более сложной задачей и повышает риск».

Тем не менее, она говорит: «Мы знаем, что единственный способ найти ответы — это эксперимент, и единственное место, где их можно найти, — это то, где мы еще не могли искать».

Закрывая встречу, на которой большинство членов присутствовало удаленно, президент Совета ЦЕРН Урсула Басслер сказала: «Сейчас перед нами стоит большая задача — претворить эту стратегию в жизнь.Затем она открыла бутылку шампанского перед тем, как закончить телеконференцию.

ЦЕРН планирует построить суперколлайдер

стоимостью 21 миллиард евро

Художественное впечатление от будущего кругового коллайдера. Фото: CERN

ЦЕРН осуществил свою смелую мечту о создании нового ускорителя, который почти в 4 раза длиннее своего 27-километрового Большого адронного коллайдера (LHC) — в настоящее время крупнейшего в мире коллайдера — и в 6 раз более мощного.

ЦЕРН, европейская лаборатория физики элементарных частиц недалеко от Женевы, Швейцария, изложила план в техническом отчете, опубликованном 15 января.

В документе предлагается несколько предварительных проектов для будущего кругового коллайдера (FCC), который станет самым мощным из когда-либо построенных измельчителей частиц, с коллайдерами различных типов стоимостью от 9 миллиардов евро (10,2 миллиарда долларов США) до 21 миллиарда евро. . Это первая заявка лаборатории в процессе установления приоритетов под названием «Обновленная Европейская стратегия физики элементарных частиц», который состоится в течение следующих двух лет и повлияет на будущее отрасли во второй половине столетия.

«Это огромный скачок, как и планирование поездки не на Марс, а на Уран», — говорит Джан Франческо Джудиче, возглавляющий теоретический отдел ЦЕРН и представляющий лабораторию в группе подготовки по физике процесса обновления стратегии.

С момента исторического открытия БАК бозона Хиггса в 2012 году коллайдер не обнаружил никаких новых частиц. По словам Джудиче, это указывает на необходимость поднять энергию коллайдера как можно выше. «Сегодня исследование самых высоких возможных энергий с помощью смелых проектов — наша лучшая надежда раскрыть некоторые загадки природы на самом фундаментальном уровне.

Потенциал такой машины, как FCC, «очень впечатляющий», — говорит Халина Абрамович, физик из Тель-Авивского университета в Израиле, которая возглавляет процесс обновления европейской стратегии. Она добавляет, что потенциал FCC будет подробно рассмотрен в рамках этого упражнения и сравнен с другими предлагаемыми проектами.

Совет ЦЕРН, в который входят ученые и правительственные делегаты из стран-членов ЦЕРН, затем примет окончательное решение о финансировании проекта.

Слишком дорого?

Не все уверены, что суперколлайдер — хорошее вложение. «Нет никаких оснований полагать, что должна быть новая физика в энергетическом режиме, которого может достичь такой коллайдер», — говорит Сабина Хоссенфельдер, физик-теоретик Франкфуртского института перспективных исследований в Германии. «Это кошмар, который у всех на уме, но о котором не хотят говорить».

Хоссенфельдер говорит, что вовлеченные большие суммы лучше потратить на другие типы огромных объектов.Например, она говорит, что размещение крупного радиотелескопа на обратной стороне Луны или детектора гравитационных волн на орбите было бы безопаснее, чем коллайдер, с точки зрения их отдачи от науки.

Майкл Бенедикт, физик из ЦЕРНа, возглавлявший исследование FCC, говорит, что установка суперколлайдера стоит строить независимо от ожидаемого научного результата. «Такие крупномасштабные усилия и проекты являются огромным стартом для создания сетей, соединяющих институты через границы и страны.Все это вместе составляет очень хороший аргумент в пользу реализации таких уникальных научных проектов ».

Но Хоссенфельдер говорит, что аналогичный аргумент можно было бы привести в пользу других крупных научных проектов.

Варианты

Исследование FCC началось в 2014 году, в нем приняли участие более 1300 участников, по данным CERN, при финансовой поддержке программы финансирования исследований Horizon 2020 Европейской комиссии. Большинство сценариев, описываемых в исследовании, предполагают вырытие 100-километрового туннеля рядом с существующим туннелем LHC.Стоимость этого и соответствующей инфраструктуры на поверхности составит около 5 миллиардов евро, сообщает CERN.

Новый коллайдер будет размещен в кольце длиной 100 км (красный) рядом с LHC в ЦЕРНе (синий) Фото: CERN

Машина стоимостью 4 миллиарда евро, построенная в таком туннеле, могла бы разбивать электроны и их аналоги из антивещества, позитроны, с энергией до 365 гигаэлектронвольт (ГэВ). Такие столкновения позволят исследователям изучать известные частицы, такие как бозон Хиггса, с большей точностью, чем это возможно на протон-протонном коллайдере, таком как LHC.Эта исследовательская программа начнется примерно к 2040 году, после того, как LHC — и его запланированная обновленная версия — исчерпают свой курс.

Физики давно планировали построить Международный линейный коллайдер (ILC) после того, как LHC исчерпает свои возможности, и этот коллайдер также будет разбивать электроны и позитроны. Японские ученые в 2012 году подали заявку на проведение МЛЦ. Но неспособность LHC обнаружить какие-либо непредсказуемые явления ослабила аргументы в пользу линейного коллайдера. Это связано с тем, что ILC достигнет энергий, достаточных только для изучения бозона Хиггса, но не для открытия каких-либо новых частиц, которые могут существовать при более высоких энергиях, как запланированный коллайдер ЦЕРН.К 7 марта японское правительство должно решить, хочет ли оно принять у себя ILC.

Другой вариант, описанный в отчете, — это 100-километровый протон-протонный коллайдер (также известный как адронный коллайдер) стоимостью 15 миллиардов евро (также известный как адронный коллайдер), построенный в том же туннеле, который может достигать энергий до 100000 ГэВ, что намного выше, чем максимальная мощность LHC составляет 16 000 ГэВ. Но более вероятно, что электрон-позитронная машина будет построена первой, а протон-протонный коллайдер — позже, в конце 2050-х годов.В любом случае, машина с более высокой энергией будет искать совершенно новые частицы, которые могут быть более массивными, чем известные частицы, и поэтому для их производства потребуется больше энергии.

Адронный коллайдер будет всего на 15% длиннее, чем сверхпроводящий суперколлайдер (SSC), проект в Техасе, от которого отказались из-за соображений стоимости в 1990-х годах, когда его туннели уже находились в стадии строительства. Но из-за технологических усовершенствований — в частности, в магнитах, которые искривляют путь протонов вокруг кольца — предлагаемый адронный коллайдер будет разбивать частицы с энергиями, более чем в два раза превышающими предсказанные для SSC.

Еще предстоит провести много исследований и разработок, что является одной из причин, по которой может иметь смысл сначала построить машину с более низким энергопотреблением. «Если бы завтра у нас был готов 100-километровый туннель, мы могли бы сразу начать строительство электрон-позитронного коллайдера, потому что технология, по сути, уже существует», — говорит Джудиче. «Но необходимы дополнительные исследования и разработки для магнитов, необходимых для 100-тераэлектронвольтного коллайдера».

Конкурент Китая

Ван Ифан, директор Института физики высоких энергий (IHEP) Китайской академии наук в Пекине, говорит, что не сомневается, что ЦЕРН сможет осуществить такой проект.«ЦЕРН имеет долгую историю успеха. У нее есть технологические возможности, управленческие навыки и хорошие отношения с правительствами », — говорит он.

Ван руководит аналогичным проектом в Китае, и он говорит, что обе попытки обнадеживают, по сути, к одним и тем же выводам с точки зрения научных целей и технической осуществимости. В частности, по его словам, это естественный выбор — сначала провести электрон-позитронные столкновения, а затем перейти к адронам.

Большая часть дополнительных затрат на адронный коллайдер будет связана с необходимостью в мощных сверхпроводящих магнитах и ​​огромных гелиевых криогенных системах, чтобы они оставались холодными.FCC со столкновением адронов будет направлена ​​на разработку, создание и развертывание магнитов мощностью 16 тесла на основе сверхпроводящего сплава Nb 3 Sn, который будет в два раза мощнее, чем LHC, хотя в принципе требует лишь немного более высоких температур. Китай настаивает на более продвинутых, но менее проверенных сверхпроводниках на основе железа, которые могут поднять температуру еще выше. «Если вы сможете сделать это при температуре 20 кельвинов, вы получите огромную экономию», — говорит Ван.

Даже если физики элементарных частиц согласны с тем, что миру нужен 100-километровый коллайдер, неясно, нужны ли ему два.Какая бы сторона ни запустила такой проект первой, вероятно, упредит усилия другой стороны. По словам Ванга, на любом из коллайдеров будут проводиться эксперименты, открытые для более широкого международного сообщества, поэтому с точки зрения науки, которая будет сделана, не будет иметь значения, какой из них будет построен.

Большой адронный коллайдер — Совет по науке и технологиям

Узнайте об участии в CERN

БАК
, вид с высоты птичьего полета (Источник: ЦЕРН)

Большой адронный коллайдер (БАК) — безусловно, самый мощный ускоритель элементарных частиц, построенный на сегодняшний день.После обновления LHC теперь работает с энергией, которая в 7 раз выше, чем у любой предыдущей машины! LHC базируется в европейской лаборатории физики элементарных частиц CERN, недалеко от Женевы в Швейцарии. ЦЕРН — крупнейшая в мире лаборатория, занимающаяся фундаментальной наукой.

LHC позволяет ученым воспроизвести условия, существовавшие в пределах миллиардной секунды после Большого взрыва, путем встречных пучков протонов или ионов высокой энергии с колоссальными скоростями, близкими к скорости света.Это был момент, около 13,7 миллиарда лет назад, когда Вселенная, как полагают, началась с взрыва энергии и вещества. В эти первые моменты возникли все частицы и силы, которые формируют нашу Вселенную, определяя то, что мы сейчас видим.

Эволюция Вселенной после большого взрыва
(Источник: ЦЕРН)

LHC — это именно то, что предполагает его название — большой коллайдер адронов (любой частицы, состоящей из кварков). Строго говоря, LHC относится к коллайдеру; машина, заслуживающая того, чтобы ее называли «большой», она не только весит более 38000 тонн, но и пробегает 27 км (16.5 миль) в круглом туннеле на глубине 100 метров под землей. Частицы движутся двумя лучами, вращающимися вокруг LHC, со скоростью 11 000 витков в секунду, направляемые массивными сверхпроводящими магнитами! Затем эти два луча пересекаются, и некоторые частицы сталкиваются друг с другом.

Однако коллайдер — лишь одна из трех основных частей проекта LHC. Два других:

Техническое обслуживание балки LHC
(Источник: ЦЕРН)

  • Детекторы
    Каждый из четырех основных детекторов расположен в огромных камерах вокруг кольца LHC и определяет результаты столкновения частиц.ATLAS, ALICE, CMS и LHCb.
  • Worldwide LHC Computing Grid (WLCG)
    Глобальная сеть компьютеров и программного обеспечения, которая необходима для обработки массивов данных, регистрируемых всеми детекторами LHC.

LHC действительно глобален по своим масштабам, потому что проект LHC поддерживается огромным международным сообществом ученых и инженеров. Работая в многонациональных командах по всему миру, они создают и тестируют оборудование и программное обеспечение, участвуют в экспериментах и ​​анализируют данные.Великобритания играет важную роль в этом проекте, и над всеми основными экспериментами работают ученые и инженеры.

В Великобритании инженеры и ученые из 20 исследовательских центров участвуют в проектировании и изготовлении оборудования, а также в анализе данных. Британские исследователи работают со всеми четырьмя основными детекторами и компьютерной сеткой. Британский персонал в ЦЕРНе играет ведущую роль в управлении коллайдером и детекторами.

Глобус вычислительной сети на LHC в компьютерный центр
(Источник: ЦЕРН)

Общая стоимость строительства LHC составила примерно 3 фунта стерлингов.74 миллиарда, состоящий из трех основных компонентов 1 :

  • Ускоритель (3 миллиарда фунтов стерлингов)
  • Эксперименты (728 миллионов фунтов стерлингов)
  • Компьютеры (17 миллионов фунтов стерлингов)

Общая стоимость была в основном разделена между 20 государствами-членами CERN, при значительном участии шести стран-наблюдателей.

В проекте LHC участвовали 111 стран в разработке, создании и тестировании оборудования и программного обеспечения, и теперь они продолжают участвовать в экспериментах и ​​анализе данных.Степень участия варьируется от страны к стране, при этом одни могут внести больше финансовых и человеческих ресурсов, чем другие.

1 ЦЕРН, спросите эксперта

Многие университеты Великобритании вносят свой вклад в ЦЕРН посредством исследований и поддержки науки тем или иным образом. Но есть особенно 20 университетов с британскими центрами LHC:

LHC был построен в туннеле, первоначально построенном для предыдущего коллайдера, LEP (Большой электронно-позитронный коллайдер).Это было наиболее экономичное решение для построения LEP и LHC. Было дешевле построить подземный туннель, чем приобретать аналогичный участок земли над землей. Размещение машины под землей также значительно снижает воздействие на окружающую среду LHC и связанной с ним деятельности.

Скала, окружающая LHC, представляет собой естественный щит, который уменьшает количество естественного излучения, которое достигает LHC, и это уменьшает помехи для детекторов. И наоборот, излучение, производимое при работе LHC, надежно защищено от окружающей среды 50-100-метровыми каменными породами.

Может ли БАК создать новую вселенную?

Люди иногда ссылаются на БАК, воссоздающий Большой взрыв, но это вводит в заблуждение. На самом деле они означают:

  • воссоздает условия и энергии, которые существовали вскоре после начала Большого взрыва, а не в момент начала Большого взрыва
  • воссоздает условия в крошечном масштабе, а не в том же масштабе, что и оригинальный Big Bang
  • воссоздает энергии, которые постоянно производятся естественным путем (космические лучи высокой энергии, попадающие в атмосферу Земли), но по желанию и внутри сложных детекторов, отслеживающих происходящее.

Нет Большого Взрыва — значит, нет возможности создания новой Вселенной.

ЦЕРН никогда не участвовал в исследованиях ядерной энергетики или ядерного оружия, но многое сделал для улучшения нашего понимания фундаментальной структуры атома.

Название ЦЕРН на самом деле является историческим пережитком от названия совета, который был основан с целью создания европейской организации для исследований в области физики мирового уровня. CERN расшифровывается как Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (или Европейский совет по ядерным исследованиям). В то время, когда был основан ЦЕРН (1952 — 1954), физические исследования изучали внутреннюю часть атома, объясняя слово «ядерный» в его названии.Совет был распущен после создания новой организации (Европейской организации ядерных исследований), но название ЦЕРН осталось.

Это маловероятно по двум основным причинам:

Во-первых, ЦЕРН и работающие там ученые и инженеры и их исследования не заинтересованы в исследованиях оружия. Они стараются понять, как устроен мир, и определенно не пытаются его разрушить.

Во-вторых, пучки частиц высокой энергии, производимые на LHC, требуют огромной машины, потребляющей 120 МВт мощности и содержащей 91 тонну переохлажденного жидкого гелия.Сами лучи обладают большой энергией (эквивалент целого поезда Eurostar, движущегося на максимальной скорости), но их можно поддерживать только в вакууме. При попадании в атмосферу луч немедленно взаимодействует с атомами в воздухе и рассеивает всю их энергию на очень коротком расстоянии.

LHC действительно производит очень высокие энергии, но эти уровни энергии ограничены крошечными объемами внутри детекторов. Многие частицы высоких энергий в результате столкновений производятся каждую секунду, но детекторы предназначены для отслеживания и остановки всех частиц (кроме нейтрино), поскольку улавливание всей энергии столкновений имеет важное значение для определения того, какие частицы были произведены.Подавляющее большинство энергии столкновений поглощается детекторами, а это означает, что очень небольшая часть энергии столкновений может уйти.

Столкновения с энергиями намного выше, чем в эксперименте, довольно часто встречаются во Вселенной! Даже солнечное излучение, бомбардирующее нашу атмосферу, может дать такие же результаты; эксперименты делают это более контролируемым образом для научных исследований. Основная опасность этих уровней энергии — для самой машины LHC. Пучок частиц обладает энергией поезда Eurostar, движущегося на полной скорости, и если что-то случится, что дестабилизирует пучок частиц, существует реальная опасность того, что вся эта энергия будет отклонена в стенку лучевой трубы и магниты LHC. , нанося большой ущерб.

На LHC есть несколько автоматических систем безопасности, которые контролируют все критические части LHC. Если случается что-нибудь непредвиденное (например, сбой питания или магнита), луч автоматически «сбрасывается», впрыскиваясь в слепой туннель, где его энергия безопасно рассеивается. Все это происходит за миллисекунды, а это означает, что частицы прошли бы менее 3-х витков до завершения дампа.

Контакты

Charlotte Jamieson
UK CERN Менеджер по связям и ускорителям программы
Тел .: +44 (0) 1793 442027

Энтони Давенпорт
Менеджер по поддержке программы
Тел .: +44 (0) 1793 442004

Посетите веб-сайт ЦЕРН.
По вопросам СМИ обращайтесь по телефону: +44 (0) 1235 445 627

Большой адронный коллайдер | Определение, открытия и факты

Большой адронный коллайдер (LHC) , самый мощный в мире ускоритель элементарных частиц.LHC был построен Европейской организацией ядерных исследований (CERN) в том же 27-километровом (17-мильном) туннеле, в котором находился Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP). Туннель имеет круглую форму и расположен на глубине 50–175 метров (165–575 футов) под землей, на границе между Францией и Швейцарией. 10 сентября 2008 г. LHC провел свою первую тестовую эксплуатацию. Из-за электрической проблемы в системе охлаждения 18 сентября температура в магнитах увеличилась примерно на 100 ° C (180 ° F), которые предназначены для работы при температурах, близких к абсолютный ноль (−273.15 ° C или -459,67 ° F). Ранние оценки того, что LHC будет быстро исправлен в ближайшее время, оказались слишком оптимистичными. Он был перезапущен 20 ноября 2009 года. Вскоре после этого, 30 ноября, он вытеснил Теватрон из Национальной ускорительной лаборатории Ферми как самый мощный ускоритель частиц, разогнав протоны до энергии 1,18 тераэлектронвольт (ТэВ; 1 × 10 12 электрон-вольт. ). В марте 2010 года ученые из ЦЕРН объявили, что проблема с конструкцией сверхпроводящего провода в LHC требует, чтобы коллайдер работал только на половинной энергии (7 ТэВ).LHC был остановлен в феврале 2013 года, чтобы устранить проблему, и был перезапущен в апреле 2015 года, чтобы работать на полной энергии 13 ТэВ. Вторая длительная остановка, во время которой будет модернизировано оборудование LHC, началась в декабре 2018 года и должна завершиться в конце 2021 или начале 2022 года.

Большой адронный коллайдер

Магнит компактного мюонного соленоида прибывает в Большой адронный коллайдер в ЦЕРН. 2007.

© 2007 CERN

Сердце LHC — это кольцо, проходящее по окружности туннеля LEP; Диаметр кольца составляет всего несколько сантиметров, он откачан в большей степени, чем из глубокого космоса, и охлаждается с точностью до двух градусов от абсолютного нуля.В этом кольце два встречно вращающихся луча тяжелых ионов или протонов ускоряются до скорости в пределах одной миллионной процента от скорости света. (Протоны относятся к категории тяжелых субатомных частиц, известных как адроны, что и объясняет название этого ускорителя частиц.) В четырех точках кольца лучи могут пересекаться, и небольшая часть частиц сталкивается друг с другом. На максимальной мощности столкновения между протонами будут происходить при суммарной энергии до 13 ТэВ, что примерно в семь раз больше, чем было достигнуто ранее.В каждой точке столкновения находятся огромные магниты весом в десятки тысяч тонн и блоки детекторов для сбора частиц, образовавшихся в результате столкновений.

На реализацию проекта ушло четверть века; планирование началось в 1984 году, а окончательное разрешение было получено в 1994 году. Тысячи ученых и инженеров из десятков стран были вовлечены в проектирование, планирование и строительство LHC, а затраты на материалы и рабочую силу составили почти 5 миллиардов долларов; это не включает стоимость проведения экспериментов и компьютеров.

Ознакомьтесь с трудностями при доказательстве доказательства существования недавно открытой частицы, такой как бозон Хиггса.

Узнайте о сложности определения и предоставления доказательств для недавно «открытой» субатомной частицы, такой как бозон Хиггса.

© MinutePhysics (издательский партнер Britannica) Посмотреть все видео к этой статье

Одна из целей проекта LHC — понять фундаментальную структуру материи путем воссоздания экстремальных условий, которые возникли в первые несколько мгновений существования Вселенной. к модели большого взрыва.На протяжении десятилетий физики использовали так называемую стандартную модель элементарных частиц, которая хорошо зарекомендовала себя, но имеет недостатки. Во-первых, и это наиболее важно, он не объясняет, почему некоторые частицы обладают массой. В 1960-х годах британский физик Питер Хиггс постулировал частицу, которая взаимодействовала с другими частицами в начале времен, чтобы обеспечить им их массу. Бозон Хиггса никогда не наблюдался — он должен образовываться только в результате столкновений в диапазоне энергий, недоступном для экспериментов до LHC.После года наблюдений за столкновениями на LHC ученые объявили в 2012 году, что они обнаружили интересный сигнал, который, вероятно, исходил от бозона Хиггса с массой около 126 гигаэлектрон-вольт (миллиард электрон-вольт). Дальнейшие данные окончательно подтверждают эти наблюдения как бозона Хиггса. Во-вторых, стандартная модель требует некоторых произвольных предположений, которые, по мнению некоторых физиков, могут быть разрешены путем постулирования еще одного класса суперсимметричных частиц; они могут быть вызваны экстремальными энергиями LHC.Наконец, изучение асимметрии между частицами и их античастицами может дать ключ к разгадке еще одной загадки: дисбаланса между материей и антивеществом во Вселенной.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Коллайдер, частица и теория о судьбе

Может быть.

Доктор Нильсен и доктор Ниномия начали излагать свои аргументы в пользу гибели весной 2008 года. Разумеется, позже той осенью, после включения коллайдера ЦЕРН, соединение между двумя магнитами испарилось, отключив коллайдер более года.

Доктор Нильсен назвал это «забавной вещью, которая может заставить нас поверить в нашу теорию».

Он согласился, что скептицизм будет в порядке. В конце концов, большинство крупных научных проектов, включая космический телескоп Хаббл, пережили период, когда казалось, что их сглазили. В ЦЕРН битва продолжается: на прошлых выходных французская полиция арестовала физика, работающего над одним из экспериментов на коллайдере, по подозрению в заговоре с североафриканским крылом Аль-Каиды.

Др.Нильсен и д-р Ниномия предложили своего рода тест: чтобы ЦЕРН участвовал в азартной игре, упражнении по «вытягиванию карт», используя, возможно, генератор случайных чисел, чтобы отличить неудачи от будущего. Если бы результат был достаточно маловероятным, скажем, вытягивая одну лопату в колоде со 100 миллионами червей, машина либо вообще не работала бы, либо только при низких энергиях вряд ли могла бы найти Хиггса.

Конечно, это безумие, и ЦЕРН не должен и не собирается закладывать свои инвестиции для подбрасывания монеты.В некоторых блогах эту теорию встретили сравнением с Гарри Поттером. Но безумие имеет прекрасную историю в физике, которая обычно говорит о том, что кошки мертвы и живы одновременно, и об антигравитации, наполняющей вселенную.

Как однажды сказал своему коллеге Нильс Бор, покойный соотечественник доктора Нильсена и один из основателей квантовой теории: «Мы все согласны с тем, что ваша теория сумасшедшая. Разделяющий нас вопрос заключается в том, достаточно ли это безумие, чтобы иметь шанс быть правым ».

Др.Nielsen хорошо разбирается в этой традиции. В физике он известен как один из основоположников теории струн и глубокий и оригинальный мыслитель, «один из тех чрезвычайно умных людей, которые готовы довольно далеко гоняться за сумасшедшими идеями», по словам Шона Кэрролла, физика и автора Калифорнийского технологического института.

Post A Comment

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *