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

Содержание

для чего нужен, где находится

Что такое адронный коллайдер
  • Что представляет собой большой адронный коллайдер

  • Где находится адронный коллайдер

  • Для чего нужен адронный коллайдер

  • Как работает адронный коллайдер

  • Опасность адронного коллайдера
  • Наверняка почти каждый человек на Земле, хоть раз, да слышал о большом адронном коллайдере. Вот только, несмотря на то, что многие слышали о нем, мало кто понимает, что такое адронный колладейр, каково его предназначение, в чем суть адронного коллайдера. В нашей сегодняшней статье мы ответим на эти вопросы.

    Что такое адронный коллайдер

    По сути адронный коллайдер представляет собой сложный ускоритель элементарных частиц. С его помощью физикам удается разогнать протоны и тяжелые ионы. Изначально адронный коллайдер создавался для подтверждения существования бозона Хиггса, неуловимой элементарной частицы, которую физики порой в шутку называют «частичкой Бога». И да, существование этой частички было подтверждено экспериментально с помощью коллайдера, а сам ее первооткрыватель Питер Хиггс получил за это нобелевскую премию по физике в 2013 году.

    Разумеется, одним лишь бозоном Хиггса дело не ограничилось, помимо него физиками были найдены и некоторые другие элементарные частицы. Теперь вы знаете ответ на вопрос, зачем нужен адронный коллайдер.

    Что представляет собой большой адронный коллайдер

    Прежде всего, необходимо заметить, что большой адронный колайдер не возник на пустом месте, а появился как эволюция своего предшественника – большого электрон-позитронного коллайдера, представляющего собой 27-ми километровый подземный туннель, строительство которого началось еще в 1983 году. В 1988 году кольцевой тоннель сомкнулся, притом интересно то, что строители подошли к делу очень тщательно, настолько, что расхождение между двумя концами туннеля составляет лишь 1 сантиметр.

    Так выглядит схема адронного коллайдера.

    Электрон-позитронный коллайдер проработал до 2000 года и за время его работы в физике был сделан с его помощью целый ряд открытий, среди которых открытие W и Z бозонов и их дальнейшее исследование.

    С 2001 года на месте электрон-позитронного коллайдера началось уже строительство коллайдера адронного, которое закончилось в 2007 году.

    Где находится адронный коллайдер

    Большой адронный коллайдер находится на границе Швейцарии и Франции, в долине женевского озера, всего лишь в 15 км от самой Женевы. И располагается он на глубине 100 метров.

    Место расположения адронного коллайдера.

    В 2008 году начались его первые испытания под патронатом ЦЕРН – Европейской организации по ядерным исследованиям, которая на данный момент является крупнейшей лабораторией в мире в области физики высоких энергий.

    Для чего нужен адронный коллайдер

    С помощью этого гигантского ускорителя элементарных частиц физики могут проникать так глубоко внутрь материи, как никогда раньше. Все это помогает, как подтверждать старые научные гипотезы, так и создавать новые интересные теории. Детальное изучение физики элементарных частиц помогает нам приблизиться в поисках ответов на вопросы об устройстве Вселенной, о том, как она зародилась.

    Глубокое погружение в микромир позволяет открыть революционно новые пространственно-временные теории, и как знать, может быть, даже удастся проникнуть в тайну времени, этого четвертого измерения нашего мира.

    Как работает адронный коллайдер

    Теперь давайте опишем, как собственно работает большой адронный коллайдер. О принципах его работы говорит название, так как само слово «коллайдер» с английского переводится как «тот, кто сталкивает». Главная его задача – устроить столкновение элементарных частиц. Причем частицы в коллайдере летают (и сталкиваются) на скоростях, близких к скоростям света. Результаты столкновений частиц фиксируют четыре основных больших детектора: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb и множество вспомогательных детекторов.

    Более детально принцип работы адронного коллайдера описан в этом интересно видео.

    Опасность адронного коллайдера

    В целом людям свойственно боятся вещей, которые они не понимают. Именно это иллюстрирует отношение к адроному коллайдеру и различные опасения, с ним связанные. Самые радикальные из них, высказывались, что в случае возможного взрыва адронного коллайдера может погибнуть, не много, не мало, а все человечество вместе с планетой Землей, которую поглотит образовавшаяся после взрыва черная дыра. Разумеется, первые же опыты показали, что подобные опасения не более чем детская страшилка.

    А вот некоторые серьезные опасения относительно работы коллайдера были высказаны недавно умершим английским ученым Стивеном Хокингом. Причем опасения Хокинга связаны не столько с самим коллайдером, сколько с полученным с его помощью бозоном Хиггса. По мнению ученого этот бозон является крайне не стабильным материалом и в результате определенного стечения обстоятельств может привести к распаду вакуума и полному исчезновению таких понятий как пространство и время. Но не все так страшно, так согласно Хокингу, для того, чтобы произошло нечто подобное необходим коллайдер величиной с целую планету.

    Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

    При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту [email protected] или в Фейсбук, с уважением автор.


    Почему миру не нужен новый коллайдер — Forbes Kazakhstan

    Фото: Depositphotos.com/exinocactus

    На сборке Большого адронного коллайдера. ЦЕРН, Женева, Швейцария

    Большой адронный коллайдер (БАК), которым управляет Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН), является крупнейшим из когда-либо построенных коллайдеров частиц. Когда его запустили в 2008, на него возлагались большие надежды. Одни предсказывали, что он позволит обнаружить частицы «тёмной материи», которая, по мнению астрофизиков, составляет

    85% всей материи во вселенной. Другие ожидали, что БАК предоставит свидетельства новых случаев естественной симметрии или новых измерений пространства или же поможет объяснить «тёмную энергию» (которая, как предполагается, является причиной наблюдаемого ускоренного расширения вселенной).

    Ничего подобного не произошло. БАК действительно позволил открыть одну новую элементарную частицу – бозон Хиггса. Это была последняя недостающая частица, которая была предсказана (в 1960-е) Стандартной моделью физики элементарных частиц. Однако это открытие случилось в 2012, и с тех пор не было обнаружено ни одной новой частицы. Позволит ли строительство нового, более крупного коллайдера что-либо изменить?

    Защитники идеи нового коллайдера утверждают, что более крупный коллайдер позволит точнее измерить свойства уже известных частиц. Кроме того, на нём можно будет достичь немного более высоких энергий столкновения, чем на БАК, поэтому он способен принести новые открытия. Между тем у физиков сейчас нет никаких оснований полагать, что более крупный коллайдер сможет засвидетельствовать что-либо такое, чего уже нет в Стандартной модели. Для открытия любых новых частиц может потребоваться энергия, превосходящая количество энергии, которую способен произвести очередной коллайдер, в миллиард раз.

    Кроме того, ускорители частиц очень дорого стоят. Коллайдеры (линейные и кольцевые), проекты которых предлагают физики в Китае, Японии и ЦЕРНе, будут стоить около $10-20 млрд каждый, а чтобы их построить, потребуется 20-30 лет. Хотя определённый прогресс в технологиях помог бы снизить затраты, этот прогресс ещё предстоит достигнуть.

    Конечно, высокие затраты могут быть оправданы, если существуют высокие шансы, что подобные инвестиции принесут большую пользу обществу. Ранее исследования в области фундаментальной физики, несомненно, приносили человечеству огромную пользу. За минувший век благодаря прорывным исследованиям удалось разработать все современные электронные устройства (транзисторы, микрочипы, лазеры, светодиоды, цифровые фотокамеры, а вскоре, возможно, и квантовые компьютеры), а также методы получения изображений в медицине (рентген, ультразвук, спектроскопия, магнитный резонанс, позитронно-эмиссионная томография, электронные туннельные микроскопы).

    Однако нет никаких причин думать, что более крупный коллайдер себя оправдает. Проблема не в том, что у физиков больше не осталось дел в области фундаментальных исследований. Их самые надёжные теории по-прежнему наталкиваются на нерешённые проблемы, а дальнейший прогресс может привести к новым открытиям, особенно в квантовой теории (а это основа современных компьютерных технологий). Проблема в другом – в их подходах.

    Физика изменилась, а методы физиков, которые исследуют элементарные частицы, нет: они по-прежнему надеются на случайные открытия. Такой подход работает, когда исследовательские эксперименты разнообразны и многочисленны. Однако когда новые эксперименты стоят миллиарды долларов и требуют десятилетий подготовки, как это происходит сейчас, нам следует строже распределять наши инвестиции. В противном случае бюджеты могут быстро истощиться из-за дорогостоящих экспериментов, которые приносят нулевые результаты, в частности, позволяют совершать наблюдения, подтверждающие существующие теории, а не поддерживающие новые гипотезы.

    Именно это происходит уже 40 лет. БАК подтвердил один надёжный прогноз – существование бозона Хиггса. И всё. Что же касается явлений, которые в Стандартной модели не предсказаны, БАК оказывается всего лишь новейшим примером из длинной серии экспериментов в области физики частиц (включая все предыдущие эксперименты, проводившиеся с момента завершения создания Стандартной модели в 1970-х), которые принесли нулевой результат. Эти попытки не просто не принесли доказательств единых сил или новых симметрий и частиц, они научили физиков изобретать частицы, которые намного труднее измерить.

    Да, нулевые результаты – это тоже результаты. Они позволяют исключать гипотезы. Но если вам надо разработать новую теорию, такие результаты не очень полезны. Нулевой результат указывает на тупик, и таких тупиков может быть огромное количество. Для достижения прогресса в понимании оснований физики нам нужны результаты, которые укажут путь вперёд. Более крупный коллайдер таких результатов не даст.

    Есть такие области исследований, которые сегодня могут с большей вероятностью дать реальные результаты, причём с меньшими затратами, например, астрофизические исследования тёмной материи и эксперименты с квантованием гравитации. Это те области, на которых физики должны сосредоточиться прямо сейчас.

    Если технологический прогресс сделает коллайдеры более доступными по цене или же какие-либо другие эксперименты дадут основания полагать, что более крупный коллайдер покажет физикам новые частицы, тогда, может быть, появится смысл в его строительстве. Однако это может произойти через 20, 50 или 100 лет. А до тех пор мы должны инвестировать в более многообещающие исследования.

    Сабина Хоссенфельдер, научный сотрудник Франкфуртского института передовых исследований, автор книги «Затерянные в математике: Как красота вводит физику в заблуждение»

    © Project Syndicate 1995-2019 

    Что делает большой адронный коллайдер. Зачем нужен большой адронный коллайдер и где он находится

    Многие простые жители планеты задают себе вопрос о том, для чего нужен большой адронный коллайдер. Непонятные большинству научные исследования, на которые потрачено много миллиардов евро, вызывают настороженность и опаску.

    Может, это и не исследования вовсе, а прототип машины времени или портал для телепортации инопланетных существ, способной изменить судьбу человечества? Слухи ходят самые фантастичные и страшные. В статье мы попытаемся разобраться, что такое адронный коллайдер и для чего он создавался.

    Амбициозный проект человечества

    Большой адронный коллайдер на сегодня является мощнейшим на планете ускорителем частиц. Он находится на границе Швейцарии и Франции. Точнее под нею: на глубине 100 метров залегает кольцевой тоннель ускорителя длиной почти 27 километров. Хозяином экспериментального полигона стоимостью, превышающей 10 миллиардов долларов, является Европейский центр ядерных исследований.

    Огромное количество ресурсов и тысячи физиков-ядерщиков занимаются тем, что ускоряют протоны и тяжёлые ионы свинца до скорости, близкой к световой, в разных направлениях, после чего сталкивают их друг с другом. Результаты прямых взаимодействий тщательно изучаются.

    Предложение создать новый ускоритель частиц поступило ещё в 1984 году. Десять лет велись различные дискуссии насчет того, что будет собой представлять адронный коллайдер, зачем нужен именно такой масштабный исследовательский проект. Только после обсуждения вопросов особенностей технического решения и требуемых параметров установки проект был утверждён. Строительство начали только в 2001 году, выделив для его размещения прежнего ускорителя элементарных частиц — большого электрон-позитронного коллайдера.

    Зачем нужен большой адронный коллайдер

    Взаимодействие элементарных частиц описывается по-разному. Теория относительности вступает в противоречия с квантовой теорией поля. Недостающим звеном в обретении единого подхода к строению элементарных частиц является невозможность создания теории квантовой гравитации. Вот зачем нужен адронный коллайдер повышенной мощности.

    Общая энергия при столкновении частиц составляет 14 тераэлектронвольт, что делает устройство значительно более мощным ускорителем, чем все существующие сегодня в мире. Проведя эксперименты, ранее невозможные по техническим причинам, учёные с большой долей вероятности смогут документально подтвердить или опровергнуть существующие теории микромира.

    Изучение кварк-глюонной плазмы, образующейся при столкновении ядер свинца, позволит построить более совершенную теорию сильных взаимодействий, которая сможет кардинально изменить ядерную физику и звёздного пространства.

    Бозон Хиггса

    В далёком 1960 году физик из Шотландии Питер Хиггс разработал теорию поля Хиггса, согласно которой частицы, попадающие в это поле, подвергаются квантовому воздействию, что в физическом мире можно наблюдать как массу объекта.

    Если в ходе экспериментов удастся подтвердить теорию шотландского ядерного физика и найти бозон (квант) Хиггса, то это событие может стать новой отправной точкой для развития жителей Земли.

    А открывшиеся управляющего гравитацией, многократно превысят все видимые перспективы развития технического прогресса. Тем более что передовых учёных больше интересует не само наличие бозона Хиггса, а процесс нарушения электрослабой симметрии.

    Как он работает

    Чтобы экспериментальные частицы достигли немыслимой для поверхности скорости, почти равной в вакууме, их разгоняют постепенно, каждый раз увеличивая энергию.

    Сначала линейные ускорители делают инжекцию ионов и протонов свинца, которые после подвергают ступенчатому ускорению. Частицы через бустер попадают в протонный синхротрон, где получают заряд в 28 ГэВ.

    На следующем этапе частицы попадают в супер-синхротрон, где энергия их заряда доводится до 450 ГэВ. Достигнув таких показателей, частицы попадают в главное многокилометровое кольцо, где в специально расположенных местах столкновения детекторы подробно фиксируют момент соударения.

    Кроме детекторов, способных зафиксировать все процессы при столкновении, для удержания протонных сгустков в ускорителе используют 1625 магнитов, обладающих сверхпроводимостью. Общая их длина превышает 22 километра. Специальная для достижения поддерживает температуру −271 °C. Стоимость каждого такого магнита оценивается в один миллион евро.

    Цель оправдывает средства

    Для проведения таких амбициозных экспериментов и был построен самый мощный адронный коллайдер. Зачем нужен многомиллиардный научный проект, человечеству рассказывают с нескрываемым восторгом многие учёные. Правда, в случае новых научных открытий, скорее всего, они будут надёжно засекречены.

    Даже можно сказать, наверняка. Подтверждением сему является вся история цивилизации. Когда придумали колесо, появились Освоило человечество металлургию — здравствуйте, пушки и ружья!

    Все самые современные разработки сегодня становятся достоянием военно-промышленных комплексов развитых стран, но никак не всего человечества. Когда учёные научились расщеплять атом, что появилось первым? Атомные реакторы, дающие электроэнергию, правда, после сотен тысяч смертей в Японии. Жители Хиросимы однозначно были против научного прогресса, который забрал у них и их детей завтрашний день.

    Техническое развитие выглядит насмешкой над людьми, потому что человек в нём скоро превратится в самое слабое звено. По теории эволюции, система развивается и крепнет, избавляясь от слабых мест. Может получиться в скором времени так, что нам не останется места в мире совершенствующейся техники. Поэтому вопрос «зачем нужен большой адронный коллайдер именно сейчас» на самом деле — не праздное любопытство, ибо вызван опасением за судьбу всего человечества.

    Вопросы, на которые не отвечают

    Зачем нам большой адронный коллайдер, если на планете миллионы умирают от голода и неизлечимых, а порой и поддающихся лечению болезней? Разве он поможет побороть это зло? Зачем нужен адронный коллайдер человечеству, которое при всём развитии техники вот уже как сто лет не может научиться успешно бороться с раковыми заболеваниями? А может, просто выгоднее оказывать дорогие медуслуги, чем найти способ исцелить? При существующем миропорядке и этическом развитии лишь горстке представителей человеческой расы весьма необходим большой адронный коллайдер. Зачем он нужен всему населению планеты, ведущему безостановочный бой за право жить в мире, свободном от посягательств на чью-либо жизнь и здоровье? История об этом умалчивает…

    Опасения научных коллег

    Есть другие представители научной среды, высказывающие серьёзные опасения по поводу безопасности проекта. Велика вероятность того, что научный мир в своих экспериментах, в силу своей ограниченности в знаниях, может утратить контроль над процессами, которые даже толком не изучены.

    Такой подход напоминает лабораторные опыты юных химиков — всё смешать и посмотреть, что будет. Последний пример может закончиться взрывом в лаборатории. А если такой «успех» постигнет адронный коллайдер?

    Зачем нужен неоправданный риск землянам, тем более что экспериментаторы не могут с полной уверенностью сказать, что процессы столкновений частиц, приводящие к образованию температур, превышающих в 100 тысяч раз температуру нашего светила, не вызовут цепной реакции всего вещества планеты?! Или просто вызовут способную фатально испортить отдых в горах Швейцарии или во французской Ривьере…

    Информационная диктатура

    Для чего нужен большой адронный коллайдер, когда человечество не может решить менее сложные задачи? Попытка замалчивания альтернативного мнения только подтверждает возможность непредсказуемости хода событий.

    Наверное, там, где впервые появился человек, в него и была заложена эта двойственная особенность — делать благо и вредить себе одновременно. Быть может, нам ответ дадут открытия, которые подарит адронный коллайдер? Зачем нужен был этот рискованный эксперимент, будут решать уже наши потомки.

    Большой адронный коллайдер (БАК) — это ускоритель заряженных частиц, с помощью которого физики смогут узнать о свойсвтах материи значительно больше, чем было известно раньше. Ускорители используются для получения заряженных элементарных частиц высоких энергий. В основе работы практически любого ускорителя лежит взаимодействие заряженных частиц с электрическим и магнитным полями. Электрическое поле напрямую совершает работу над частицей, то есть увеличивает её энергию, а магнитное поле, создавая силу Лоренца, только отклоняет частицу, не изменяя её энергии, и задаёт орбиту, по которой движутся частицы.

    Коллайдер (англ. collide — «сталкиваться») — ускоритель на встречных пучках, предназначенный для изучения продуктов их соударений. Позволяет придать элементарным частицам вещества высокую кинетическую энергию, направить их навстречу друг другу, чтобы произвести их столкновение.

    Почему «большой адронный»

    Большим коллайдер назван, собственно, из-за своих размеров. Длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м; адронным — из-за того, что он ускоряет адроны, то есть тяжёлые частицы, состоящие из кварков.

    Построен БАК в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (ЦЕРН), на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы. На сегодняшний день БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. Руководителем этого масштабного проекта является британский физик Лин Эванс, а в строительстве и исследованиях принимали и принимают участие более 10 тыс. учёных и инженеров из более чем 100 стран.

    Небольшой экскурс в историю

    В конце 60-х годов прошлого века физиками была разработана так называемая Стандартная модель. Она объединяет три из четырёх фундаментальных взаимодействий — сильное, слабое и электромагнитное. Гравитационное взаимодействие по-прежнему описывают в терминах общей теориии относительности. То есть, на сегодняшний день фундаментальные взаимодействия описываются двумя общепринятыми теориями: общей теорией относительности и стандартной моделью.

    Считается, что стандартная модель должна быть частью некоторой более глубокой теории строения микромира, той частью, которая видна в экспериментах на коллайдерах при энергиях ниже примерно 1 ТэВ(тераэлектронвольт). Главная задача Большого адронного коллайдера — получить хотя бы первые намеки на то, что это за более глубокая теория.

    В число основных задач коллайдера входит также открытие и подтверждение Бозона Хиггса. Это открытие подтвердило бы Стандартную Модель возникновения элементарных атомных частиц и стандартной материи. Во время запуска коллайдера на полную мощность целостность Стандартной Модели будет разрушена. Элементарные частицы, свойства которых мы понимаем лишь частично, не будут в состоянии поддерживать свою структурную целостность. У Стандартной Модели есть верхняя граница энергии 1 ТэВ, при увеличении которой частица распадается. При энергии в 7 ТэВ могли бы быть созданы частицы с массами, в десять раз больше чем ныне известные.

    Технические характеристики

    Предполагается сталкивать в ускорителе протоны с суммарной энергией 14 ТэВ (то есть 14 тераэлектронвольт или 14·1012 электронвольт) в системе центра масс налетающих частиц, а также ядра свинца с энергией 5 ГэВ (5·109 электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов.

    Светимость БАК во время первых недель работы пробега была не более 1029 частиц/см²·с, тем не менее она продолжает постоянно повышаться. Целью является достижение номинальной светимости в 1,7·1034 частиц/см²·с, что по порядку величины соответствует светимостям BaBar (SLAC, США) и Belle(KEK, Япония).

    Ускоритель расположен в том же туннеле, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер, под землёй на территории Франции и Швейцарии. Глубина залегания туннеля — от 50 до 175 метров, причём кольцо туннеля наклонено примерно на 1,4 % относительно поверхности земли. Для удержания, коррекции и фокусировки протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км. Магниты работают при температуре 1,9 K (−271 °C), что немного ниже температуры перехода гелия в сверхтекучее состояние.

    Детекторы БАК

    На БАК работают 4 основных и 3 вспомогательных детектора:

    • ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
    • ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)
    • CMS (Compact Muon Solenoid)
    • LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment)
    • TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement)
    • LHCf (The Large Hadron Collider forward)
    • MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC).

    Первый из них настроен для исследования столкновений тяжёлых ионов. Температура и плотность энергии образованной при этом ядерной материи достаточной для рождения глюонной плазмы. Внутренняя система слежения (ITS) в ALICE состоит из шести цилиндрических слоев кремниевых датчиков, окружающих пункт столкновения и измеряющих свойства и точные положения появляющихся частиц. Таким образом могут быть легко обнаружены частицы, содержащие тяжелый кварк.

    Второй предназначен для исследования столкновений между протонами. Длина ATLAS – 44 метра, 25 метров в диаметре и вес приблизительно 7000 тонн. В центре тоннеля сталкиваются лучи протонов, это самый большой и самый сложный из когда либо построенных датчиков такого типа. Датчик фиксирует все, что происходит во время и после столкновения протонов. Целью проекта является обнаружение частиц, до этого не зарегистрированных и не обнаруженных в нашей вселенной.

    CMS — один из двух огромных универсальных детекторов элементарных частиц на БАК. Около 3600 ученых из 183 лабораторий и университетов 38 стран, поддерживают работу CMS (На рисунке — устройство CMS).


    Самый внутренний слой — основанный на кремнии трекер. Трекер — самый большой в мире кремниевый датчик. У этого есть 205 m2 кремниевых датчиков (приблизительно область теннисного корта), включающих 76 миллионов каналов. Трекер позволяет измерять следы заряженных частиц в электромагнитном поле.

    На втором уровне находиться Электромагнитный калориметр. Адронный Калориметр, находящийся на следующем уровне, измеряет энергию отдельных адронов, произведенных в каждом случае.

    Следующий слой CMS Большого Адронного Коллайдера – огромный магнит. Большой Соленоидный Магнит составляет 13 метров в длину и имеет 6-метровый диаметр. Состоит он из охлаждаемых катушек, сделанных из ниобия и титана. Этот огромный соленоидный магнит работает на полную силу, чтоб максимизировать время существования частиц соленоидный магнит.

    Пятый слой — мюонные детекторы и ярмо возврата. CMS предназначен для исследования различных типов физики, которые могли бы быть обнаружены в энергичных столкновениях LHC. Некоторые из этих исследований заключаются в подтверждении или улучшенных измерениях параметров Стандартной Модели, в то время как многие другие — в поисках новой физики.

    О Большом адронном коллайдере можно рассказывать много и долго. Надеемся, что наша статья помогла разобраться в том, что же такое БАК и для чего он необходим учёным.

    В этом вопросе (и ему подобных) любопытно появление слов «на самом деле» – как будто есть некая скрытая от непосвящённых суть, охраняемая «жрецами науки» от обывателей, тайна, которую нужно раскрыть. Однако при взгляде изнутри науки тайна исчезает и места этим словам нет – вопрос «зачем нужен адронный коллайдер» ничем принципиально не отличается от вопроса «зачем нужна линейка (или весы, или часы и т.д.)». То, что коллайдер – штука большая, дорогая и по любым меркам сложная – дела не меняет.

    Наиболее близкой аналогией, позволяющей понять, «зачем это нужно», является, на мой взгляд, линза. Человечество знакомо со свойствами линз с незапамятных времён, однако только в середине прошлого тысячелетия было понято, что определённые комбинации линз могут быть использованы как приборы, позволяющие рассматривать очень маленькие либо очень далёкие объекты – речь идёт, конечно, о микроскопе и телескопе. Нет никаких сомнений, что вопрос, зачем всё это нужно, неоднократно задавался при появлении этих новых для современников конструкций. Однако он снялся с повестки дня сам собой, по мере того, как ширились области научного и прикладного применения и того, и другого устройства. Заметим, что, вообще говоря, это разные приборы – рассматривать звёзды в перевёрнутый микроскоп не получится. Большой адронный коллайдер же, парадоксальным образом, объединяет их в себе, и может с полным основанием рассматриваться как высшая достигнутая человечеством точка эволюции как микроскопов, так и телескопов за прошедшие века. Это утверждение может показаться странным, и, разумеется, его не следует понимать буквально – в ускорителе нет линз (по крайней мере, оптических). Но по сути дела это именно так. В своей «микроскопной» ипостаси коллайдер позволяет изучать структуру и свойства объектов на уровне 10-19 метров (напомню, что размер атома водорода – примерно 10-10 метра). Ещё интереснее обстоит дело в «телескопной» части. Каждый телескоп – самая настоящая машина времени, так как наблюдаемая в нём картина соответствует тому, каким был объект наблюдения в прошлом, а именно то время назад, которое необходимо электромагнитному излучению, чтобы дойти от этого объекта до наблюдателя. Это время может составлять восемь с небольшим минут в случае наблюдения Солнца с Земли и до миллиардов лет при наблюдении далёких квазаров. Внутри Большого адронного коллайдера создаются условия, которые существовали во Вселенной через ничтожную долю секунды после Большого взрыва. Таким образом, мы получаем возможность заглянуть в прошлое почти на 14 миллиардов лет, к самому началу нашего мира. Обычные земные и орбитальные телескопы (по крайней мере, те, которые регистрируют электромагнитное излучение), обретают «зрение» лишь после эры рекомбинации, когда Вселенная стала оптически прозрачной – это произошло по современным представлениям через 380 тысяч лет после Большого взрыва.

    Дальше нам предстоит решать – что делать с этим знанием: как об устройстве материи на малых масштабах, так и об её свойствах при рождении Вселенной, и именно это в конечном итоге вернёт тайну, о которой шла речь в начале, и определит, зачем же коллайдер был нужен «на самом деле». Но это решение человека, коллайдер же, с помощью которого было получено это знание, останется всего лишь прибором – возможно, самой изощрённой системой «линз», которую когда-либо видел мир.


    В этом году ученые планируют воспроизвести в ядерной лаборатории те далекие первозданные условия, когда еще не было протонов и нейтронов, а существовала сплошная кварк-глюонная плазма. Иными словами, исследователи надеются увидеть мир элементарных частиц в том виде, каким он был всего через доли микросекунд после Большого взрыва, то есть после образования Вселенной. Программа называется «Как все началось». Кроме того, уже более 30 лет в научном мире выстраиваются теории, объясняющие наличие массы у элементарных частиц. Одна из них предполагает существование бозона Хиггса. Эту элементарную частицу называют еще божественной. Как сказал один из сотрудников ЦЕРН, «поймав следы Хиггс-бозона, я приду к собственной бабушке и скажу: посмотри-ка, пожалуйста, — из-за этой маленькой штучки у тебя столько лишних килограммов». Но экспериментально существование бозона пока не подтверждено: все надежды — на ускоритель LHC.

    Большой адронный коллайдер – ускоритель частиц, благодаря которому физики смогут проникнуть так глубоко внутрь материи, как никогда ранее. Суть работ на коллайдере заключается в изучении столкновения двух пучков протонов с суммарной энергией 14 ТэВ на один протон. Эта энергия в миллионы раз больше, чем энергия, выделяемая в единичном акте термоядерного синтеза. Кроме того, будут проводиться эксперименты с ядрами свинца, сталкивающимися при энергии 1150 ТэВ.

    Ускоритель БАК обеспечит новую ступень в ряду открытий частиц, которые начались столетие назад. Тогда ученые еще только обнаружили всевозможные виды таинственных лучей: рентгеновские, катодное излучение. Откуда они возникают, одинаковой ли природы их происхождение и, если да, то какова она?
    Сегодня мы имеем ответы на вопросы, позволяющие гораздо лучше понять происхождение Вселенной. Однако в самом начале XXI века перед нами стоят новые вопросы, ответы на которые ученые надеются получить с помощью ускорителя БАК. И кто знает, развитие каких новых областей человеческих знаний повлекут за собой предстоящие исследования. А пока же наши знания о Вселенной недостаточны.

    Комментирует член-корреспондент РАН из Института физики высоких энергий Сергей Денисов:
    — В этом коллайдере участвует много российских физиков, которые связывают определенные надежды с открытиями, которые могут там произойти. Основное событие, которое может случиться – это открытие так называемой гипотетической частицы Хиггса (Питер Хиггс — выдающийся шотландский физик.). Роль этой частицы чрезвычайно важна. Она ответственна за образование массы других элементарных частиц. Если такую частицу откроют, то это будет величайшим открытием. Оно подтвердило бы так называемую Стандартную модель, которая сейчас широко используется для описания всех процессов в микромире. Пока эта частица не будет открыта, эту модель нельзя считать полностью обоснованной и подтвержденной. Это, конечно, самое первое, чего ученые ожидают от этого коллайдера (LHC).
    Хотя, вообще говоря, никто не считает эту Стандартную модель истиной в последней инстанции. И, скорее всего, по мнению большинства теоретиков, она является приближением или, иногда говорят, «низкоэнергетическим приближением» к более Общей теории, которая описывает мир на расстояниях в миллион раз меньших, чем размер ядер. Это примерно как теория Ньютона является «низкоэнергетическим приближением» к теории Эйнштейна – теории относительности. Вторая важная задача, связанная с коллайдером – это попытаться перейти за пределы этой самой Стандартной модели, то есть совершить переход к новым пространственно-временным интервалам.

    Физики смогут понять, в каком направлении надо двигаться, чтобы построить более красивую и более Общую теорию физики, которая будет эквивалентна таким малым пространственно-временным интервалам. Те процессы, которые там изучаются, воспроизводят по сути процесс образования Вселенной, как говорят, «в момент Большого Взрыва». Конечно, это для тех, кто верит в эту теорию о том, что Вселенная создавалась таким образом: взрыв, затем процессы при супервысоких энергиях. Оговариваемое путешествие во времени может оказаться связанным с этим Большим Взрывом.
    Как бы там ни было, БАК – это достаточно серьезное продвижение в глубь микромира. Поэтому могут открыться совершенно неожиданные вещи. Скажу одно, что на БАКе могут быть открыты совершенно новые свойства пространства и времени. В каком направлении они будут открыты – сейчас сказать трудно. Главное – прорываться дальше и дальше.

    Справка

    Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН) — крупнейший в мире научно-исследовательский центр в области физики частиц. К настоящему времени число стран-участниц выросло до 20. Около 7000 ученых, представляющих 500 научных центров и университетов, пользуются экспериментальным оборудованием ЦЕРН. Кстати, в работе над Большим адронным коллайдером принимал непосредственное участие и российский Институт ядерной физики СО РАН. Наши специалисты сейчас заняты монтажом и тестированием оборудования, которое разработано и произведено в России для этого ускорителя. Ожидается, что Большой адронный коллайдер будет запущен в мае 2008 года. Как выразился Лин Эванс, глава проекта, ускорителю не хватает лишь одной детали – большой красной кнопки.

    Многие, уже, так или иначе, но слышали термин «Большой адронный коллайдер». Для простого обывателя из этих слов знакомо только слово «большой». Но что же это на самом деле? Да и можно ли простому смертному освоить этот физический термин.

    Большой адронный коллайдер (БАК) представляет собой установку для опытов ученых-физиков с элементарными частицами. По формулировке, БАК является ускорителем заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона тяжелых ионов и протонов и изучения продуктов соударений . Иными словами, ученые сталкивают атомы, а потом смотрят, что из этого получилось.

    В данное время – это самая крупная экспериментальная установка в мире. Размер этой установки можно сравнить с городом диаметром, почти в 27 километров, который находится на стометровой глубине. Эта установка находится недалеко от Женевы, а на ее строительство ушло 10 миллиардов долларов.

    Одной из главных задач установки БАК (по утверждению ученых) является поиск бозона Хиггса. Опять же, простыми словами – это попытка найти частицу, которая отвечает за наличие массы.

    Параллельно с этим, на коллайдере проводятся эксперименты по поиску:

    — частиц вне «Стандартной модели»,

    — магнитных монополей (частиц, обладающих магнитным полем),

    — так же, проходит исследование квантовой гравитации и исследование микроскопических дыр.

    Вот эти «микроскопические черные дыры» и не дают многим покоя. Причем волнуются не только те, для кого знакомство с физикой закончилось на школьной скамье, но и те, кто продолжает ее изучать на профессиональном уровне.

    Что такое черная дыра известно всем и со школьной скамьи и по фантастическим рассказам и фильмам. Многие (в том числе и ученые) переживают, что подобные эксперименты, часть из которых построена для попытки воссоздания «большого взрыва» (после которого, по теории возникла вселенная) приведут к неизбежному краху всей планеты.

    Ученые успокаивают, что никакой опасности от этих опытов и экспериментов нет. Но есть еще один факт, которые никогда не учитывают светила науки. Речь идет об оружии.

    Каждый нормальный ученый, делая открытие или что-либо, изобретая – делает это с двумя целями. Первая цель помочь миру жить лучше, а вторая менее гуманная, но человеческая – это прославиться.

    Но, почему-то все изобретения (без преувеличений), занимают свое место в создании орудий для убийства того же самого человечества и прославленных ученных. Даже такие открытия, которые для нас стали обывательскими (радио, механические двигатели, спутниковое телевидение и т.д.), не говоря уже об атомной энергии, прочно заняли свое место в «оборонке».

    В 2016 году, в Подмосковье планируют запустить установку, подобную европейскому БАКу . Но только, российская установка, в отличие от «старшего брата», должна в реальности воссоздать «большой взрыв» в малых масштабах.

    И кто даст гарантию, что соседствующая Москва (а с ней и Земля), не станет прародительницей новой «черной дыры» в огромной вселенной?

    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

    мифы, факты и научные открытия

    Рассказываем простыми словами, кто и зачем построил Большой адронный коллайдер и какие открытия он помог совершить.

    Большой и адронный

    Слово «коллайдер» образовано от английского collider, что значит «сталкиватель». 

    Большим он называется из-за своего размера: длина подземного кольцевого тоннеля немногим меньше 26,7 км. Он проходит по территории Швейцарии и Франции. Раньше в этом же сооружении располагался предыдущий проект Европейского центра ядерных исследований  (ЦЕРН) — Большой электрон-позитронный коллайдер.

    Адронным он называется, так как работает с адронами: разгоняет, ускоряет и сталкивает. Это составные частицы, подверженные сильному ядерному взаимодействию. Адроны состоят из кварков и делятся на барионы и мезоны.

    Барионы — это протоны и нейтроны, из которых состоит ядро атома. Почти все известное нам вещество состоит из барионов.

    Из-за длинного названия коллайдера часто можно встретить аббревиатуру БАК (англ. LHC).

    Сейчас БАК — самый большой и мощный ускоритель частиц на планете. Он рассчитывался на столкновения протонов с суммарной энергией 14 ТэВ. Для сравнения: следующий по мощности коллайдер — Тэватрон — может разгонять частицы до энергии только в 1 ТэВ.

    История создания

    Идея строительства такого мощного ускорителя возникла в 1984 году, но сам проект был принят только в 1995-м. Его разработчик — все тот же ЦЕРН. Планы строительства и запуска коллайдера привлекли большое внимание общественности — ученых и простых людей. Вокруг проекта ходило много слухов, основанных на мифах и страхах.

    Самой популярной «страшилкой» того времени была черная дыра, которая должна была образоваться во время запуска, а затем разрастись и поглотить БАК, Швейцарию и всю остальную планету. К счастью, этого не случилось.

    В заявлении группы ученых, пытавшихся остановить строительство, говорилось, что запуск коллайдера приведет к появлению сгустков антиматерии, которые будут аннигилировать с материей. Затем должна была начаться цепная реакция, которая привела бы к уничтожению Вселенной. Опасения аннигиляционной катастрофы тоже не подтвердились.

    Несмотря на препятствия и страхи обывателей, БАК был официально запущен 10 сентября 2008 года.

    Источник: gordonua.com

    Зачем ученым нужен БАК

    Стандартная модель (СМ) описывает только 3 из 4 фундаментальных взаимодействий — сильное, слабое и электромагнитное. Гравитационное взаимодействие в СМ не входит, а описывается терминами общей теории относительности, разработанной Эйнштейном. Объединить все 4 взаимодействия в рамках одной теории ученые пытаются, используя разные подходы: теорию струн, теорию супергравитации, петлевую квантовую гравитацию и др. 

    Эксперименты на базе БАК должны приблизить ученых к «новой физике», которая сможет объяснить действительное устройство Вселенной и объединить все 4 фундаментальных взаимодействия. 

    Ускоритель разгоняет протоны до скоростей, близких к скорости света. Удерживают пучки летящих протонов сверхпроводящие магниты, а фиксируют результаты столкновений частиц — детекторы. 

    Научные открытия

    Самое знаменитое и важное было сделано в 2012 году — открытие неуловимого бозона Хиггса, последнего элемента СМ. В 2013 году Питер Хиггс, который предсказал существование этой частицы за 40 лет до ее фактического открытия, получил Нобелевскую премию по физике.

    Источник: osimira.com

    Кроме того, были обнаружены 5 новых элементарных частиц, пентакварков. Ранее СМ не только не могла описать их параметры, но и предположить сам факт существования. 

    Другие результаты работы — подтверждение существования топ-кварка и частицы X(4140), которые наблюдались на Тэватроне, еще нескольких ранее предсказанных частиц. Было показано отсутствие асимметрии протонов и антипротонов, исследованы события рождения адронных струй и т.п.

    Исследования такого уровня и даже понимание их результатов требуют большой подготовки. За помощью и поддержкой в изучении физики можно и нужно обращаться к нашим авторам — в ФениксХелп.

    «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

    — 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.

    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

    — 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

    — 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.

    Техника: Наука и техника: Lenta.ru

    Организация экономического сотрудничества и развития (ОЭСР) представила предварительную версию доклада, в котором положительно оценила экономические и социальные последствия воздействия исследовательских инфраструктур Большого адронного коллайдера (БАК) в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРНе). «Лента.ру» решила выяснить, за что ОЭСР похвалила ученых ЦЕРНа, а вместе с этим рассказать об открытиях европейских физиков в области элементарных частиц и интернета.

    Прообраз ОЭСР основан в 1948 году для независимого анализа проектов экономической и социальной реабилитации послевоенной Европы в рамках плана Маршалла. В настоящее время в организацию входят 34 государства, на которых приходится около 60 процентов мирового ВВП. Среди основных участников — США, Япония, страны Западной Европы, Австралия, Чили, Мексика и другие. Из стран БРИКС Бразилия, Индия, Китай и Южно-Африканская Республика активно сотрудничают с организацией, а с Россией ОЭСР 13 марта 2014 года приостановила сотрудничество.

    Кроме фундаментальных и сопутствующих им прикладных исследований в ЦЕРНе Тим Бернерс-Ли с коллегами изобрели вместе с созданием идентификаторов URI (в том числе протокола http) и языка гипертекста HTML технологию всемирной паутины World Wide Web. В 1991 году Бернерс-Ли впервые ввел в работу веб-сервер, сайт и браузер WorldWideWeb.

    Работа ученых из ЦЕРНа является иллюстрацией общей ситуации, как фундаментальная наука способствует прогрессу прикладных технологий и всего общества в целом, а ее результаты дают ответ на вопрос о целесообразности подобных исследований.

    Соглашение о создании ЦЕРНа было подписано в Париже в 1953 году представителями 12 европейских стран. Сегодня число стран — участников проекта равняется 20, общее количество сотрудников равно примерно 2,5 тысячам человек, дополнительно в ЦЕРНе трудятся около восьми тысяч физиков из 85 стран мира. Россия в ЦЕРНе имеет статус наблюдателя.

    Магниты и адронная терапия

    Эксперты из ОЭСР особое внимание уделили двум проектам ЦЕРНа: созданию сверхпроводящих магнитов и адронной терапии для лечения раковых опухолей. По мнению экспертов, наработанные в ЦЕРНе технологии по созданию, монтажу и эксплуатации сверхпроводящих магнитов в скором времени найдут широкое применение в массовой промышленности.

    Установка для ускорения ионов низких энергий

    Фото: CERN

    Медицинскими исследованиями ЦЕРН занимается с 1986 года. По словам специалистов ОЭСР, основной причиной успеха ученых в адронной терапии являются особенности иерархии в отношениях между учеными, студентами и младшими сотрудниками, позволяющие быстро и легко обмениваться идеями с руководителями лабораторий и административным персоналом.

    Здание в Протвино, где размещена сборка установок для протонной терапии

    Фото: ЗАО «ПРОТОМ»

    Адронная терапия в ЦЕРНе основана на работе PIMMS (Proton Ion Medical Machine Study), который был спроектирован за три года — с 1996 по 1999-й. Ученые проекта сотрудничают с онкологическими центрами многих стран мира, например, Национальным центром онкологической адронной терапии в Павии (Италия) и центром MEDAUSTRON в Австрии. Технологии ЦЕРНа используются для создания центров протонной терапии в целом ряде стран. В России — в Институте теоретической и экспериментальной физики имени Алиханова в Москве, где с 1969 года прошли лечение более четырех тысяч человек, а также в Санкт-Петербурге и Дубне, а в Протвино тестируется терапия ионами углерода.

    ЦЕРН: физика частиц

    В ЦЕРНе был совершен ряд важных открытий в физике элементарных частиц, например, обнаружение нейтральных токов при помощи пузырьковой камеры в первой половине 1970-х годов и промежуточных векторных бозонов электрослабой теории в 1983-м.

    Материалы по теме:

    Нейтральные токи представляют собой проявление слабого взаимодействия, заключающееся в обмене виртуальными Z0-бозонами между кварками и лептонами без изменения заряда, в отличие от заряженного тока, в котором участвуют W±-бозоны. Существование токов следует из теории электрослабых взаимодействий Салама-Глешоу-Вайнберга, они были теоретически предсказаны авторами в 1973 году. Первоначально наличие таких процессов считалось недостатком электрослабой теории, однако эксперименты в ЦЕРНе изменили такую точку зрения.

    Материалы по теме:

    Сами частицы, W±— и Z0-бозоны, были открыты в первой половине 1980-х годов в ходе экспериментов на протонном суперсинхротоне (SPS, Super Proton Synchrotron). Коллайдер был рассчитан на энергии порядка 400 гигаэлектронвольт, длина его кольца достигала 6,9 километра. В настоящее время он используется как предускоритель протонов для Большого адронного коллайдера. Открытие бозонов позволило подтвердить правильность электрослабой теории и присудить ее авторам Нобелевскую премию

    В 1989 году в ЦЕРНе было определено количество сортов нейтрино (три сорта — электронное, мюонное и таонное). В 1995-м учеными организации впервые получен атом антиводорода, а 2001 году совершено открытие прямого CP-нарушения в двухпионных распадах нейтральных каонов.

    Диаграмма Фейнмана, дающая основной вклад в CP-нарушение

    В результате обмена виртуальными промежуточными W±-бозонами каон осциллирует (меняет свою странность).. Изображение: Skaller & Maksim/ wikipedia.org

    CP-сохранение — это инвариантность (неизменность) уравнений теории относительно одновременной замены ее частиц на античастицы (так называемое зарядовое сопряжение) и зеркального отображения положения (в трехмерном пространстве) частиц.

    Туннель Большого электрон-позитронного коллайдера во время подготовки для переоборудования под нужды БАК

    Фото: Juhanson/ wikipedia.org

    В 2012 году В ЦЕРНе открыли частицу со свойствами бозона Хиггса. Ее масса оценивается в 125-126 гигаэлектронвольт, свойства частицы совпадают со свойствами бозона Хиггса Стандартной модели. Это открытие послужило заключительным этапом подтверждения правильности идей, положенных в основу Стандартной модели.

    ЦЕРН: технология World Wide Web

    Для нужд ЦЕРНа британский ученый Тим Бернерс-Ли и нидерландец Роберт Кайо изобрели технологию Всемирной паутины World Wide Web (WWW). Работая в 1980 году в ЦЕРНе, Бернерс-Ли написал программу Enquire, представляющую собой систему обмена документами, которая включала в себя гиперссылки, базу данных и возможность редактирования документов.

    Тимоти Джон Бернерс-Ли

    Фото: Paul Clarke/ wikipedia.org

    В 1989-м, используя наработки от Enquire, ученые решили создать глобальную систему связанных гипертекстовых документов — современную WWW. Для этого программисты вместе с коллегами впервые создали идентификаторы URI, в том числе протокол HTTP и язык HTML.

    В 1970 и 1980 году уже существовали компьютерные сети, в основном в крупных западных университетах и военных ведомствах некоторых стран. Однако работы Тима Бернерс-Ли и его коллег способствовали широкой унификации и популяризации таких технологий. Ученым удалось в первую очередь существенно улучшить гипертекстовое представление данных и реализовать набор прикладных протоколов, обеспечивающих взаимодействие удаленных серверов, содержащих необходимые данные.

    Так, сеть ARPANET (Advanced Research Projects Agency Network), первоначально созданная по инициативе военных (для целей связи в случае войны) в США в 1969 году и считающаяся прототипом Интернета, прекратила свое существование в 1990-м. На момент своего создания она объединяла четыре университета: Калифорнийские университеты в Лос-Анджелесе и Санта-Барбаре, Стэнфордский университет и Университет Юты. В 1973 году к сети были подключены Норвегия и Великобритания. На смену ARPANET пришла NSFNet с увеличенной пропускной способностью, являвшаяся до середины 1990-х годов публичной сетью. В настоящее время на основе NSFNet развивается проект Internet2, предназначенный для высокоскоростной связи мощных серверов.

    URI (Uniform Resource Identifier) — универсальный идентификатор ресурса, представляющий собой строку из символов, определяющую название и адрес какого-либо источника данных или документа. URI включает в себя два типа идентификаторов: URL и URN.

    URL (Uniform Resource Locator) — единый указатель ресурсов, показывает адрес и название источника. Современные схемы URL включают в себя такие известные протоколы, как, например, ftp, http, https и протоколы skype для одноименной программы для видеосвязи и bitcoin для криптовалюты.

    URN (Uniform Resource Name) — унифицированное название ресурса; протокол позволяет идентифицировать документ не по его местоположению, а по другим параметрам, например, по IP-адресу и имени, которое остается в случае использования такого протокола неизменным. Считается, что технология URN придет на смену URL.

    HTML (HyperText Markup Language) — типизированный язык разметки гипертекста, используемый в Интернете. Язык создавался Бернерсом-Ли во второй половине 1980-х годов до начала 1990-х в ЦЕРНе и предназначался для облегчения доступа ученых к базам данных, содержащих информацию по физике частиц и технические материалы по устройствам ускорителей. Гипертекст позволяет извлекать информацию из документа нелинейным образом, не читая документ от начала до конца, а переходя по гиперссылкам с одного документа на другой.

    В 1991 году Бернерс-Ли в рамках проекта WWW впервые ввел в работу веб-сервер, сайт и браузер WorldWideWeb (позже переименованный в Nexus).

    Первый веб-браузер WorldWideWeb

    Изображение: Tim Berners-Lee for CERN

    Таким образом, к концу 1980-х годов ЦЕРН стал форпостом использования интернета в Европе. Будучи первоначально закрытой сетью, предназначенной к использованию внутри ЦЕРНа, 30 апреля 1993-го система стала открытой для всего мира.

    Документ ЦЕРНа, опубликованный 30 апреля 1993 года, разрешающий свободное использование технологий WWW

    Фото: CERN

    Начиная с конца 1990-х годов в ЦЕРНе интенсивно развивается технология грид-вычислений (от английского grid — решетка, сеть). Эта система представляет собой объединение компьютеров, мощности которых используются совместным образом для проведения ресурсоемких вычислений. В ЦЕРНе для обеспечения обработки данных, поступающих с Большого адронного коллайдера, функционирует грид LCG (LHC Computing Grid), доступ к которому имеет 11 академических организаций мира, одновременно выступающих резервными хранилищами данных, к которым подключены остальные — примерно 150 — заведений второго уровня.

    Считается, что объем данных, генерируемых коллайдером, увеличивается на порядка 10 петабайт (1015 байт) каждый год. Для сравнения, Google в сутки со всего мира обрабатывает данные в объеме немногим менее 30 петабайт.

    Коллайдер Переменная: Определение — Статистика Как

    Описательная статистика >

    Что такое переменная коллайдера?

    Графически узел на причинном графе (тип направленного ациклического графа) является переменной коллайдера, если путь, входящий в узел и выходящий из него, имеет стрелки, указывающие на него. По сути, пути «сталкиваются».

    Часы работы общественного центра — коллайдер на этом графике причин; стрелки, входящие и выходящие, указывают обратно на A, создавая петлю.

    Узлы, которые не соответствуют этому определению, называются неколлайдерами . Узел может быть коллайдером на одном пути и неколлайдером на другом пути на одном и том же графе. Если у пути есть коллайдер, то он заблокирован ; Наличие коллайдера на графике приводит к нечеткой связи между узлом и окружающими переменными, которые на него влияют.

    Что такое кондиционирование?

    Кондиционирование означает, что вы вводите в модель информацию об интересующей переменной.В социологии обусловливание обычно означает контроль. Это также может означать:

    • Стратификация, ограничение или корректировка переменной каким-либо образом.
    • Выполнение анализа для одной или нескольких групп.
    • Выборочный сбор данных (например, исключение определенных групп из обследования).

    Управление коллайдером приведет к явлению, называемому «предвзятостью эндогенного отбора», что приведет к возможности ложных корреляций. Это также верно, если вы обусловливаете любые дочерние элементы коллайдеров (т.е. любые узлы дальше по пути). Решение проблемы предвзятости эндогенного отбора состоит в том, чтобы не кондиционировать в этих условиях в первую очередь — это считается рудиментарной аналитической ошибкой. Теоретическое исключение из этого правила — когда эффекты двух стрелок, ведущих в узел, компенсируют друг друга. Однако вероятность точной отмены в реальных сценариях равна нулю.

    Ссылки :
    Эльверт, Ф. и Виншип, К. (2014). «Смещение эндогенного отбора: проблема кондиционирования.В ежегодном обзоре социологии. Том. 40: 31-53.
    Гренландия, Сандер; Перл, Иудея; Робинс, Джеймс М. (январь 1999 г.), «Причинно-следственные диаграммы для эпидемиологических исследований» (PDF), Epidemiology, 10 (1): 37–48.
    Джуэлл, Н. (2003) Статистика эпидемиологии. Чепмен и Холл/CRC.
    Уоткинс, Т. (2018). Понимание неопределенности и предвзятости для улучшения причинно-следственных диаграмм.

    ————————————————— ————————-

    Нужна помощь с домашним заданием или контрольным вопросом? С Chegg Study вы можете получить пошаговые ответы на свои вопросы от эксперта в данной области.Ваши первые 30 минут с репетитором Chegg бесплатны!

    Комментарии? Нужно опубликовать исправление? Пожалуйста, оставьте комментарий на нашей странице в Facebook .



    Смещение коллайдера подрывает наше понимание риска и тяжести заболевания COVID-19

    Почему обсервационные исследования COVID-19 особенно подвержены смещению коллайдера они могут быть обусловлены многими различными механизмами.Рассмотрим сценарий, в котором мы хотим оценить причинно-следственный эффект фактора риска, который можно обобщить на более широкую группу населения, такую ​​как Великобритания («целевая группа населения»). Поскольку мы редко наблюдаем полную целевую популяцию, мы должны оценить этот эффект в рамках выборки лиц, отобранных из этой популяции. Если выборка представляет собой действительно случайную выборку из генеральной совокупности, то мы говорим, что она репрезентативна. Однако часто выборки выбираются из соображений удобства или потому, что фактор риска или результат оцениваются только в определенных группах (например,грамм. Статус заболевания COVID-19 наблюдается только у лиц, прошедших тест). Кроме того, лица, приглашенные для участия в выборке, могут отказаться или впоследствии выйти из нее. Если характеристики, связанные с включением в выборку, также относятся к фактору риска и интересующему исходу, то это вводит возможность смещения коллайдера в нашем анализе.

    Смещение коллайдера возникает не только в точке отбора проб. Его также можно ввести с помощью выбора статистического моделирования. Например, уместно ли корректировать ковариаты в ассоциациях наблюдений, зависит от того, где ковариаты расположены на причинно-следственной связи, и от их роли в процессе генерирования данных 18,19,20,21 .Если мы предполагаем, что данная ковариата влияет как на предполагаемый фактор риска, так и на результат (вмешивающийся фактор), уместно обусловить эту коварианту, чтобы устранить систематическую ошибку, вызванную искажающей структурой. Однако, если ковариата является следствием одного или обоих воздействий и результата (коллайдер), а не общей причиной (вмешивающийся фактор), то обусловливание ковариаты может вызывать, а не уменьшать предвзятость 22,23, 24 . То есть смещение коллайдера также может быть введено при статистической корректировке переменных, лежащих на причинно-следственной связи между фактором риска и исходом.Трудно сделать вывод об априорном знании лежащей в основе причинно-следственной структуры переменных и о том, функционируют ли они как общая причина или общее следствие фактора риска и результата в процессе генерирования данных. Следовательно, уместно относиться к смещению коллайдера с таким же уровнем осторожности, как к смещению смешения. Мы рассмотрим способы сделать это позже в этой статье («Методы обнаружения и минимизации эффектов смещения коллайдера»).

    Существует несколько способов сбора данных о COVID-19, которые могут привести к непреднамеренному кондиционированию в выбранном образце.Характеристики набранных участников связаны с рядом факторов, включая политические решения, ограничения затрат, технологический доступ и методы тестирования. Также широко признано, что истинная распространенность заболевания среди населения остается неизвестной 25 . Здесь мы описываем формы сбора данных для COVID-19, прежде чем подробно описать обстоятельства, связанные с COVID-19, которые делают его анализ восприимчивым к систематической ошибке коллайдера.

    Стратегии отбора проб на COVID-19 и определения «случай/контроль»

    Отбор проб при условии добровольного участия (определение случая: вероятный COVID-19, определение контроля: добровольный участник, не сообщающий о симптомах COVID-19 , рис.2а): Вероятный статус COVID-19 можно определить с помощью исследований, требующих добровольного участия. Они могут включать, например, опросы, проводимые существующими когортными и лонгитюдными исследованиями 26,27 , привязку данных к административным записям, доступным в некоторых когортных исследованиях, таких как UK Biobank 28 , или программы приложений для мобильных телефонов 29 , 30 . Было показано, что участие в научных исследованиях носит строго неслучайный характер (например, участники с непропорционально высокой вероятностью будут высокообразованными, заботящимися о своем здоровье и некурящими), поэтому добровольцы в этих выборках, вероятно, существенно отличаются от целевой группы 31 ,32,33 .См. вставку 2 и рис. 3, где показано, как в одном исследовании 30 изучалось смещение коллайдера в этом контексте.

    Рис. 3: Квантильный график значений −log10 p для факторов, влияющих на тестирование на COVID-19 в британском биобанке.

    Ось x представляет ожидаемое значение p для 2556 проверок гипотез, а ось y представляет наблюдаемые значения p. Красная линия представляет ожидаемую взаимосвязь при нулевой гипотезе об отсутствии взаимосвязей.

    Вставка 2 Потенциальная связь между ингибиторами АПФ и COVID-19: почему имеет значение систематическая ошибка выборки (БРА), которые действуют на систему ренин-ангиотензин-альдостероновой системы (РААС), делают пациентов более восприимчивыми к инфекции COVID-19

    83,84,85,86,87 .

    Взаимосвязь между ингибиторами АПФ/БРА и COVID-19 должна быть изучена в клинических исследованиях 88,89 , но в то же время была быстро изучена в обсервационных исследованиях 90,91,92 .В одном из таких недавних анализов использовались данные британского приложения для отслеживания симптомов COVID-19 93 , которое было выпущено в марте, как раз перед тем, как в Великобритании была введена политика блокировки для усиления социального дистанцирования. Приложение позволяет представителям общественности вносить свой вклад в исследования посредством самоотчетных данных, включая демографические данные, состояния, лекарства, симптомы и результаты тестов на COVID-19. Исследователи заметили, что люди, сообщающие об употреблении ACE-i, в два раза чаще сообщали о заражении COVID-19 на основании симптомов, даже после поправки на различия в возрасте, ИМТ, поле, диабете и сердечных заболеваниях 30 .Эта связь была ослаблена из-за отношения шансов, превышающего четыре, из-за более раннего замораживания данных, которые включали меньшую (и, вероятно, более отобранную) выборку. При оценке связи только среди людей, протестированных на инфекцию COVID-19, направление эффекта изменилось на противоположное, и использование ACE-i оказалось умеренно защитным. Самое простое объяснение такой изменчивости в оценках состоит в том, что выборка различалась по подмножествам выборки.

    Исследователи тщательно изучили роль смещения коллайдера, выполнив анализ чувствительности поиска по параметрам (см. ниже), и обнаружили, что неслучайной выборки было достаточно для объяснения связи.Если прием ACE-i и наличие симптомов COVID-19 приведет к меньшей или большей вероятности регистрации в приложении или предоставления данных, это может вызвать связь между этими факторами (рис. 2a). Поскольку иАПФ назначают людям с диабетом, сердечными заболеваниями или гипертонией, пользователи иАПФ, вероятно, относятся к группе высокого риска заражения COVID-19 94 . Поэтому они потенциально более восприимчивы к своему текущему состоянию здоровья и могут с большей вероятностью использовать приложение 95,96 . Люди с симптомами COVID-19 также могут с большей вероятностью помнить о предоставлении данных, чем люди без симптомов.В совокупности это может привести к ложной или преувеличенной связи между приемом ACE-i и COVID-19. Однако на самом деле сложно решить, в каком направлении симптомы ACE-i и COVID-19 будут влиять на участие. Например, госпитализированные люди с тяжелыми симптомами COVID-19 могут быть слишком больны, чтобы предоставлять данные.

    Тщательное рассмотрение требуется для каждого набора изучаемых воздействий и исходов. Среди тех участников, которые действительно были протестированы в исследовании приложения для отслеживания симптомов COVID-19, не было доказательств связи между использованием ACE-i и положительным статусом COVID-19 30 .В этом анализе есть совместное давление отбора факторов, лежащих в основе а) тестирования и б) участия приложения.

    Если использование ACE-i действительно увеличивает риск заражения COVID-19, это может означать, что на результаты наблюдений за прогрессированием заболевания влияет систематическая ошибка коллайдера. Например, сообщалось, что использование ACE-i/ARB может защищать от тяжелых симптомов при условии, что вы уже инфицированы 97,98 , что согласуется со смещением событий индекса, как показано на рис.2в.

    Важно учитывать правдоподобие различных путей отбора как статистически (например, с помощью таких методов, как границы и поиск по параметрам), так и биологически. Такие соображения гарантируют, что интерпретация данных будет, по крайней мере, устойчивой к известным погрешностям неизвестной величины, и что политические решения будут основаны на наилучшей интерпретации научных данных. Действительно, принимая во внимание преимущества, которые иАПФ/БРА оказывают на сердечно-дыхательную систему, текущие рекомендации продолжают рекомендовать использование этих препаратов до тех пор, пока не будут получены достаточно надежные научные доказательства против этого 99,100 .

    Отбор проб при условии прохождения теста на активную инфекцию COVID-19 (определение случая: положительный тест на COVID-19, определение контроля: отрицательный тест на COVID-19 , рис. 2b): ПЦР-тесты на антигены используются для подтверждения подозреваемого (в настоящее время активная) инфекция COVID-19. Поэтому исследования, направленные на определение факторов риска для подтвержденной текущей инфекции COVID-19, полагаются на участников, прошедших тест на антиген COVID-19 (далее для простоты: тест на COVID-19 или тест). Если не будет протестирована случайная выборка или все население, эти исследования могут дать необъективную оценку распространенности активной инфекции COVID-19 среди населения в целом.Ресурсы для тестирования ограничены, поэтому разные страны используют разные (прагматические) стратегии определения приоритетности тестирования, в том числе на основе таких характеристик, как род занятий, проявление симптомов и предполагаемый риск. См. вставку 3, чтобы узнать, является ли тестирование неслучайным в отношении ряда измеримых потенциальных факторов риска, с использованием недавно опубликованных данных тестирования на COVID-19 в UK-Biobank.

    Вставка 3 Факторы, влияющие на прохождение тестирования в британском биобанке

    В апреле 2020 года Управление общей практики Великобритании опубликовало данные первичной медико-санитарной помощи по тестированию на COVID-19 для связи с участниками проекта британского биобанка 101 102 , и результаты анализов уже получены. появляется 103 .Из 486 967 участников 1410 в настоящее время имеют данные о тестировании на COVID-19. Хотя может показаться заманчивым искать факторы, влияющие на то, будет ли у человека положительный результат теста, крайне важно оценить вероятность того, что тестируемые не являются случайной выборкой участников UK-Biobank (которые сами не являются случайной выборкой населения Великобритании). ).

    Мы изучили 2556 различных характеристик на предмет связи с тем, был ли участник Британского биобанка протестирован на COVID-19. Было очень большое обогащение ассоциаций (рис.3), при этом 811 фенотипов (32%) приводят к частоте ложных открытий < 0,05. Эти ассоциации включали широкий спектр признаков, включая показатели слабости, используемые лекарства, основные генетические компоненты, загрязнение воздуха, социально-экономический статус, гипертонию и другие сердечно-сосудистые признаки, антропометрические показатели, психологические показатели, поведенческие черты и показатели питания. Полный список всех оцениваемых признаков и их связи с наличием у участника данных теста на COVID-19 доступен в файле исходных данных.Первый основной генетический компонент, который относится к глобальным группам предков, был одной из самых сильных ассоциаций с прохождением тестирования, что может иметь значение для интерпретации этнических различий в результатах тестов на COVID-19 103 .

    Мы не можем знать фактическую распространенность COVID-19 среди всех участников, но если она отличается от распространенности среди протестированных, то каждый из перечисленных выше признаков может быть связан с COVID-19 в наборе данных исключительно из-за смещения коллайдера , или, по крайней мере, величина этих ассоциаций может быть необъективной в результате.Тот факт, что данные Британского биобанка уже представляют собой неслучайную выборку населения Великобритании, еще больше усложняет дело 16 .

    В идеале, чтобы свести к минимуму любое такое смещение, должны быть выполнены взвешенные регрессии обратной вероятности, как показано в дополнительном примечании. Однако, поскольку мы не можем знать, были ли у участников, не входящих в тестируемую группу, COVID-19 (то есть «фракции выборки»), такие веса не могут быть рассчитаны без сильных предположений, которые в настоящее время не поддаются проверке 59 .Обратное взвешивание вероятностей также зависит от правильности определения модели выбора, в том числе от того, включены ли все характеристики, предсказывающие выбор (связанные с переменными в модели анализа), и в правильной функциональной форме. Как и в случае неизмеренного смешения, всегда существует возможность наличия неизмеренных факторов отбора.

    Отбор проб при условии наличия положительного теста на активную инфекцию COVID-19 (Определение случая: тяжелые симптомы COVID-19, определение контроля: положительный тест на COVID-19 с легкими симптомами , рис.2b): Таким образом, исследования, направленные на определение факторов риска тяжести подтвержденной текущей инфекции COVID-19, полагаются на то, что участники прошли тест на COVID-19 и что результат теста был положительным. Как указано выше, тестирование вряд ли будет случайным, а условие положительного результата также будет означать, что предвзятость может быть вызвана всеми факторами, вызывающими инфекцию, а также факторами, вызывающими повышенную вероятность тестирования.

    Выборка при условии госпитализации (Определение случая: госпитализированные пациенты с инфекцией COVID-19, определение контроля: госпитализированные пациенты без инфекции COVID-19) : Важным источником сбора данных являются существующие пациенты или больничные записи.Появилось несколько исследований, в которых делается вывод о причинно-следственной связи на основе таких отобранных образцов 8,9,45 . Инфекция COVID-19 влияет на госпитализацию, как и большое количество других заболеваний. При анализе только госпитализированных образцов все, что влияет на госпитализацию, будет отрицательно связано с инфекцией COVID-19 (в крайнем случае отсутствия взаимодействий).

    Отбор проб при условии госпитализации и положительного теста на активную инфекцию COVID-19 (Определение случая: смерть от COVID-19, определение контроля: госпитализация, связанная с COVID-19, без летального исхода , рис.2c): Многие исследования начали анализировать влияние на прогрессирование заболевания после инфицирования или инфицирования, а затем госпитализации (то есть факторов, влияющих на выживаемость). Такие наборы данных обязательно зависят от положительного теста. На рисунке 2c показано, как это так называемое «смещение события индекса» является частным случаем смещения коллайдера 16 104 105 . Если принять, что COVID-19 увеличивает смертность, и существуют факторы риска заражения COVID-19, то в репрезентативной выборке целевой популяции любая причина заражения будет также оказывать причинно-следственное влияние на смертность, опосредованную инфекцией.Однако, как только мы становимся инфицированными, все факторы инфекции коррелируют друг с другом. Если некоторые из этих факторов влияют как на инфекцию, так и на ее прогрессирование, то связь между фактором инфекции и смертью в выбранной выборке будет необъективной. Это может привести к тому, что факторы, повышающие риск инфекции, будут ложно восприниматься как защищающие от тяжелого прогрессирования 1,106 . Пример этого, относящегося к COVID-19, обсуждается во вставке 2.

    Давление при отборе выборки для исследований COVID-19

    Мы можем разделить описанные выше стратегии выборки на три основные основы выборки.Первая из этих рамок представляет собой выборку, основанную на добровольном участии, которое по своей сути неслучайно из-за факторов, влияющих на участие. Второй из них — выборочные кадры по результатам тестирования на COVID-19. За несколькими заметными исключениями (например, ссылки 3,34 ), тестирование населения на COVID-19 обычно не проводится в случайных выборках. Третий из этих фреймов представляет собой выборку на основе госпитализированных пациентов с COVID-19 или без него. Это опять-таки обязательно неслучайно, поскольку зависит от госпитализации.

    Вставка 3 и рис. 3 иллюстрируют множество факторов, которые могут оказывать давление при отборе проб. Хотя некоторые из факторов, влияющих на процессы выборки, могут быть общими для всех способов выборки, перечисленных выше, некоторые из них зависят от режима. Эти факторы, вероятно, будут различаться в зависимости от того, как они действуют в контексте страны и системы здравоохранения. Здесь мы перечисляем ряд возможных факторов давления отбора и то, как они влияют на различные основы выборки COVID-19. Мы также описываем идентификацию/определение случая и подробно описываем, как они могут повлиять на вывод, если их не исследовать.

    Серьезность симптома : Это предположительно приведет к смещению всех трех основных рамок выборки, хотя это проще всего понять в контексте тестирования. В некоторых странах принята стратегия предлагать тесты преимущественно пациентам с достаточно серьезными симптомами, требующими медицинской помощи, т.е. госпитализации, как это было в Великобритании до конца апреля 2020 года. Таким образом, многие истинно положительные случаи в популяции останутся невыявленными и с меньшей вероятностью составят часть выборки, если зачисление будет зависеть от статуса теста.Высокая частота бессимптомных носителей вируса или случаев с атипичными проявлениями еще больше усугубит эту проблему.

    Распознавание симптомов : Это также приведет к смещению всех трех рамок выборки, поскольку вход во все выборки зависит от распознавания симптомов. Тестирование на COVID-19 связано с тяжестью симптомов, но отличается от них, в зависимости от распознавания симптомов 35 . Если человек не может распознать правильные симптомы или считает свои симптомы несерьезными, ему могут просто дать указание самоизолироваться и не проходить тест на COVID-19.Люди будут по-разному оценивать тяжесть своих симптомов; люди с тревогой, связанной со здоровьем, могут с большей вероятностью завышать симптомы, в то время как те, у кого меньше информации о пандемии или доступе к медицинским консультациям, могут быть недостаточно представлены. Функционально это будет действовать как дифференциальная частота ложноотрицательных результатов среди людей на основе распознавания симптомов, что может иметь значение для получения высоких оценок бессимптомных случаев и передачи 36 . Изменение руководств по симптомам, вероятно, усугубит эту проблему, что может вызвать систематическую взаимосвязь между проявлением симптомов и тестированием 35,37 .Здесь группы с более низкой осведомленностью (например, из-за неадекватного обмена сообщениями или языкового барьера) могут иметь более высокие пороги для прохождения тестирования, и поэтому те, у кого положительный результат теста, будут иметь больший риск тяжелых последствий COVID-19.

    Род занятий : Воздействие COVID-19 зависит от рода занятий. Во многих странах передовые медицинские работники гораздо чаще проходят тестирование на COVID-19, чем население в целом 5,38 из-за их близости к вирусу и потенциальных последствий передачи инфекции 39 .Таким образом, они будут чрезмерно представлены в выборках, зависящих от статуса тестирования. Другие ключевые работники могут подвергаться высокому риску заражения из-за большого количества контактов по сравнению с неключевыми работниками и, следовательно, могут быть чрезмерно представлены в выборках, зависящих от положительного статуса теста или смерти, связанной с COVID. Таким образом, любые факторы, связанные с этими занятиями (например, этническая принадлежность, социально-экономическое положение, возраст и исходное состояние здоровья), также будут связаны с отбором выборки. На рисунке 2b показан пример, в котором предполагаемый фактор риска (курение) не обязательно должен причинно влиять на выборку выборки (госпитализированные пациенты), он может быть просто связан из-за смешения фактора риска и выборки выборки (будучи медицинским работником).

    Этническая принадлежность : Этнические меньшинства также чаще заражаются COVID-19 40 . Неблагоприятные исходы COVID-19 значительно хуже у представителей некоторых этнических меньшинств 41 . Это может привести к смещению оценочных ассоциаций в рамках выборки, основанной на госпитализированных пациентах, поскольку во многих странах группы этнических меньшинств чрезмерно представлены, поскольку этническое неравенство в отношении здоровья широко распространено и хорошо задокументировано. Кроме того, группы этнических меньшинств, скорее всего, будут ключевыми работниками, которые с большей вероятностью будут подвержены риску заражения COVID-19 42 .Культурная среда (включая системный расизм) и языковые барьеры могут негативно повлиять на поступление на учебу, как на основе тестирования, так и добровольного участия 43 . Группы этнических меньшинств может быть труднее вовлечь в исследования, даже в пределах данной территории 44 , и это может повлиять на репрезентативность выборки. Этнические меньшинства с меньшей вероятностью сообщали о тестировании в нашем анализе данных Британского биобанка, где одним из самых сильных факторов, связанных с тестированием, был первый основной генетический компонент, который является маркером происхождения (вставка 3).Таким образом, это может выглядеть так, как указано выше, при этом обращение этнических меньшинств за медицинской помощью будет зависеть от более тяжелых симптомов.

    Слабость : Определяемая здесь как повышенная восприимчивость к неблагоприятным последствиям COVID-19, слабость с большей вероятностью присутствует у определенных групп населения, таких как пожилые люди, находящиеся в учреждениях длительного ухода или престарелых, лица с пред- существующие медицинские условия, группы, страдающие ожирением, и курильщики. Эти факторы, вероятно, сильно предсказывают госпитализацию.В то же время инфекция COVID-19 и ее тяжесть, вероятно, влияют на госпитализацию 8,9,10,45 , а это означает, что исследование этих факторов у госпитализированных пациентов может вызвать систематическую ошибку коллайдера. Кроме того, к группам могут относиться по-разному с точки зрения отчетности о COVID-19 в разных странах 46 . Например, в Великобритании ранние сообщения о смертях «из-за COVID-19» могли быть объединены со смертями «при заражении COVID-19» 47 . Лица с высоким риском чаще проходят тестирование в целом, но определенные демографические группы с высоким риском, такие как лица, находящиеся в учреждениях длительного ухода или престарелых, с меньшей вероятностью попадали в выборку во многих исследованиях 46 .Слабость также предсказывает госпитализацию по-разному в разных группах, например, пожилой человек с очень тяжелыми симптомами COVID-19 в доме престарелых не может быть доставлен в больницу, где более молодой человек мог бы 48 .

    Место жительства и социальные связи : Вероятно, существует ряд более отдаленных или косвенных факторов, влияющих на выборку. Люди с лучшим доступом к медицинским услугам могут с большей вероятностью пройти тестирование, чем люди с меньшим доступом.Тем, кто живет в районах с большим количеством медицинских услуг или с лучшим общественным транспортом, может быть легче получить доступ к услугам для тестирования, в то время как те, кто находится в районах с меньшим доступом к медицинским услугам, могут с большей вероятностью пройти тестирование 49 . Люди, живущие в районах с более сильными пространственными или социальными связями с существующими вспышками, также могут с большей вероятностью пройти тестирование из-за повышенной медицинской бдительности в этих районах. Сети поддержки семьи и сообщества также могут влиять на доступ к медицинскому обслуживанию, например, те, у кого есть обязанности по уходу и слабые сети поддержки, могут иметь меньше возможностей обратиться за медицинской помощью 50 .Связанность, вероятно, с наибольшей вероятностью приведет к систематической ошибке при тестировании основ выборки, поскольку тестирование зависит от осведомленности и доступа. Однако он также может смещать все три основные рамки выборки с помощью механизма, аналогичного распознаванию симптомов.

    Доступ в Интернет и технологическое взаимодействие : Это в первую очередь приведет к предвзятости при добровольном наборе через приложения, хотя также может быть связано с повышением осведомленности и тестированием предвзятости через путь распознавания симптомов. Известно, что выборочный набор через интернет-приложения недостаточно репрезентативен для определенных групп 32,51 .Кроме того, это зависит от структуры выборки, когда было показано, что добровольные или «втягивающие» методы сбора данных дают более активные, но менее репрезентативные выборки, чем основанные на рекламе или «выталкивающие» методы 33 . Эти более заинтересованные группы, вероятно, имеют более широкий доступ к электронным методам сбора данных и более широкое участие в кампаниях в социальных сетях, предназначенных для набора участников. Таким образом, более молодые люди с большей вероятностью будут чрезмерно представлены в исследованиях добровольного участия на основе приложений 29 .

    Медицинский и научный интерес : Исследования с привлечением добровольных образцов могут быть предвзятыми, поскольку они, вероятно, включают непропорционально большое количество людей, которые имеют сильный медицинский или научный интерес. Вполне вероятно, что эти люди сами будут лучше осведомлены о своем здоровье, вести себя более здорово, будут более образованными и будут иметь более высокие доходы 31,52 .

    Многие из факторов, подлежащих тестированию или включению в наборы данных, описанные здесь, подтверждаются анализом данных испытаний Биобанка Великобритании (вставка 3).Ключевой вывод заключается в том, что когда набор выборки не случаен, существует невероятно широкий спектр способов, которыми эта неслучайность может подорвать результаты исследования.

    Методы обнаружения и минимизации эффектов смещения коллайдера

    В этом разделе мы описываем методы либо устранения смещения коллайдера, либо оценки чувствительности результатов к смещению коллайдера. Как и в случае со смешанным смещением, обычно невозможно доказать, что какой-либо из методов преодолел смещение коллайдера. Таким образом, анализ чувствительности имеет решающее значение для проверки устойчивости выводов к правдоподобным механизмам отбора 18,19 .

    Простой описательный метод оценки вероятности и степени смещения коллайдера, вызванного выборкой, заключается в сравнении средних значений, дисперсий и распределений переменных в выборке с теми, что в целевой совокупности (или репрезентативной выборке целевой совокупности) 16 . Это дает информацию о профиле лиц, отобранных в выборку из интересующей целевой группы населения, например, о том, имеют ли они тенденцию быть старше или с большей вероятностью иметь сопутствующие заболевания.Особенно важно сообщать об этих сравнениях ключевых переменных анализа, таких как предполагаемый фактор риска и результат, а также других переменных, связанных с ними. Что касается анализа риска заболевания COVID-19, то одним из основных препятствий для этого является то, что в большинстве случаев фактическая распространенность инфекции среди населения в целом неизвестна. Хотя обнадеживает, что оценки выборки совпадают с их эквивалентами на уровне населения, важно признать, что это не доказывает окончательно отсутствие систематической ошибки коллайдера 53 .Это связано с тем, что факторы, влияющие на выбор, могут быть не измерены в исследовании или факторы взаимодействуют, влияя на выбор, и остаются незамеченными при сравнении предельных распределений.

    Применимость каждого метода в решающей степени зависит от имеющихся данных о неучастниках. Эти методы в целом можно разделить на две категории на основе имеющихся данных: вложенные и невложенные выборки. Вложенная выборка относится к ситуации, когда ключевые переменные измеряются только в пределах подмножества репрезентативной «супервыборки», что вынуждает ограничивать анализ этой подвыборкой.Примером, близким к этому определению, является подвыборка лиц, прошедших тест на COVID-19, вложенная в когорту Британского Биобанка (хотя ясно, что сама когорта Британского Биобанка представляет собой неслучайную выборку 16 ). Для вложенных выборок исследователи могут воспользоваться данными, доступными в репрезентативной супервыборке. Невложенная выборка относится к ситуации, когда данные доступны только в нерепрезентативной выборке. Примером этого являются выборки госпитализированных лиц, в которых отсутствуют данные о негоспитализированных лицах.Как правило, более сложно устранить смещение коллайдера в невложенных выборках. Управляемый анализ, иллюстрирующий оба типа анализа чувствительности с использованием данных британского Биобанка по тестированию на COVID-19, представлен в дополнительном примечании 1. 54,55 . Причинное влияние фактора риска на результат оценивается с использованием взвешенной регрессии, так что участники, которые чрезмерно представлены в подвыборке, получают заниженный вес, а недопредставленные участники получают положительный вес.На практике мы строим эти веса, оценивая вероятность того, что разные люди будут отобраны в выборку из репрезентативной супервыборки на основе их измеренных ковариат 56 . Например, мы могли бы использовать данные из полной выборки Биобанка Великобритании, чтобы оценить вероятность того, что люди пройдут тест на COVID-19, и использовать эти веса в анализах, которые должны быть ограничены подвыборкой протестированных лиц (например, для выявления факторов риска). для положительного результата теста).Симэн и Уайт предоставляют подробный обзор практических соображений и допущений для обратного взвешивания вероятностей, таких как правильная спецификация «модели отбора выборки» (статистическая модель взаимосвязи между измеренными ковариатами и отбором в выборку, используемая для построения этих весов). ), выбор переменных и подходы к работе с нестабильными весами (то есть весами, которые равны нулю или близки к нулю).

    Дополнительным допущением для обратного взвешивания вероятности является то, что каждый индивидуум в целевой совокупности должен иметь ненулевую вероятность быть включенным в выборку.Ни это допущение, ни допущение о том, что модель отбора была задана правильно, невозможно проверить, используя только данные наблюдений. Концептуально связанный подход, использующий сопоставление показателей склонности, иногда используется, чтобы избежать смещения событий индекса 57,58 . Также существуют анализы чувствительности к неправильному указанию весов вероятностей. Например, Чжао и др. разработать анализ чувствительности для степени, в которой оценочные веса вероятности отличаются от истинных ненаблюдаемых весов 59 .Этот подход особенно полезен, когда мы можем оценить веса вероятности, включая некоторые, но не обязательно все, соответствующие предикторы включения выборки. Например, мы могли бы оценить веса для вероятности прохождения теста на COVID-19 среди участников британского биобанка, однако нам не хватает ключевых предикторов, таких как проявление симптомов и показатели поведения при обращении за медицинской помощью.

    Невложенные выборки : Когда у нас есть данные только об исследуемой выборке (например, только данные об участниках, прошедших тестирование на COVID-19), невозможно напрямую оценить модель отбора, поскольку не отобранные (непроверенные) лица остаются незамеченными.Вместо этого важно применить анализ чувствительности, чтобы оценить правдоподобие того, что выборка выборки вызывает систематическую ошибку коллайдера.

    Поиск границ и параметров : Можно сделать вывод о степени систематической ошибки коллайдера, зная вероятный размер и направление влияния фактора риска и исхода на выборку (независимо от того, являются ли они прямыми или через другие факторы) 19 ,60,61 . Однако этот подход зависит от правильности размера и направления и отсутствия других факторов, влияющих на выбор.Поэтому важно изучить различные возможные механизмы отбора образцов и изучить их влияние на выводы исследования. Мы создали простое веб-приложение, руководствуясь этими предположениями, чтобы позволить исследователям исследовать простые закономерности выбора, которые потребуются для создания ассоциации наблюдения: http://apps.mrcieu.ac.uk/ascrtain/. На рис. 4 мы используем недавний отчет о защитной связи курения с инфекцией COVID-19 45 , чтобы исследовать величину систематической ошибки коллайдера, которая может быть вызвана выборочной выборкой, при нулевой гипотезе об отсутствии причинно-следственной связи.

    Рис. 4: Пример больших ассоциаций, вызванных смещением коллайдера при нулевой гипотезе об отсутствии причинно-следственной связи, с использованием сценариев, аналогичных описанным для наблюдаемой защитной связи курения с инфекцией COVID-19.

    Предположим простой сценарий, в котором предполагаемое воздействие (A) и результат (Y) являются бинарными, и каждый из них влияет на вероятность быть выбранным в выборку (S), например. \(P(S = 1|A,Y) = \beta _0 + \beta _A + \beta _Y + \beta _{AY}\), где \(\beta _0\) — базовая вероятность быть выбранным, \ (\beta _A\) — эффект A, \(\beta _Y\) — эффект Y и \(\beta _{AY}\) — эффект взаимодействия между A и Y.Рассматриваемый механизм отбора представлен на рис. 1b (без нарисованного члена взаимодействия). На этом графике показано, какие комбинации этих параметров потребуются, чтобы вызвать очевидный эффект риска с величиной ОШ > 2 (синяя область) или очевидный защитный эффект с величиной ОШ < 0,5 (красная область) при нулевой гипотезе об отсутствии причинного эффекта 61 . Чтобы создать упрощенный сценарий, аналогичный описанному в Miyara et al. мы используем общую распространенность курения среди населения, равную 0.27 и выборочной распространенности 0,05, таким образом фиксируя \(\бета _A\) на уровне 0,22. Поскольку распространенность COVID-19 среди населения в целом неизвестна, мы допускаем, что выборка является чрезмерно или недостаточно репрезентативной (ось у ). Мы также допускаем скромные эффекты взаимодействия. При расчете этого пространства параметров 40% всех возможных комбинаций приводят к искусственной двукратной защитной или рисковой ассоциации, действующей только на основе этой простой модели систематической ошибки. Важно раскрывать этот уровень неопределенности при публикации оценок наблюдений.

    Несколько других подходов также были реализованы в виде удобных онлайновых веб-приложений («Приложение»). Например, Смит и Вандервиле предложили анализ чувствительности, который позволяет исследователям ограничить свои оценки, указав параметры чувствительности, отражающие силу выборки (с точки зрения относительных рисков). Они также обеспечивают «значение E », которое представляет собой наименьшую величину этих параметров, объясняющую наблюдаемую связь 62 .Аронов и Ли предложили анализ чувствительности для средних значений выборки, основанный на обратном взвешивании вероятностей в невложенных выборках, где веса не могут быть оценены, но предполагается, что они ограничены двумя заданными исследователем значениями 63 . Эта работа была обобщена на регрессионные модели, что также позволило включить соответствующую внешнюю информацию об целевом населении (например, сводные статистические данные переписи) 64 . Эти подходы к анализу чувствительности позволяют исследователям исследовать, существуют ли заслуживающие доверия структуры коллайдера, которые могли бы объяснить наблюдаемые связи.Однако они не представляют собой исчерпывающий набор моделей, которые могут привести к систематической ошибке, и не обязательно доказывают, влияет ли систематическая ошибка коллайдера на результаты. Если фактор риска для отбора сам по себе является результатом дальнейших предшествующих причин, то важно учитывать влияние этих предшествующих эффектов отбора (т. е. не только то, как фактор риска влияет на отбор, но также и то, как причины фактора риска и/или причины результата влияют на выбор, например, рис. 2b).В то время как эти восходящие причины могут по отдельности оказывать небольшое влияние на отбор, возможно, что множество факторов с индивидуальными небольшими эффектами могут вместе иметь большой эффект отбора и вносить коллайдерное смещение 65 .

    Отрицательный контрольный анализ : Если в выбранной выборке измеряются факторы, которые, как известно, не влияют на результат, то тестирование этих факторов на предмет их связи с результатом в рамках выбранной выборки может служить в качестве отрицательного контроля 66, 67 .По своей сути ассоциации отрицательного контроля должны быть нулевыми, и поэтому они полезны в качестве инструмента для предоставления доказательств в поддержку выбора. Если мы наблюдаем ассоциации с большей величиной, чем ожидалось, это указывает на то, что образец был выбран как для отрицательного контроля, так и для интересующего результата 68,69 .

    Корреляционный анализ : Концептуально аналогично подходу отрицательного контроля, описанному выше, при выборе образца все признаки, повлиявшие на выбор, коррелируют внутри образца (за исключением очень маловероятного случая, когда причины абсолютно мультипликативны).Проверка корреляций между предполагаемыми факторами риска, когда ожидается, что не должно быть никакой связи, может указать на наличие и величину выборочного отбора и, следовательно, на вероятность искажения первичного анализа смещением коллайдера 70 .

    Последствия

    Большинство научных данных, лежащих в основе политики и принятия клинических решений во время пандемии COVID-19, были получены в результате обсервационных исследований 71 . Мы показали, как эти наблюдательные исследования особенно восприимчивы к неслучайной выборке.Рандомизированные клинические испытания предоставят экспериментальные данные для лечения, но экспериментальные исследования инфекции будут невозможны по этическим причинам. Влияние смещения коллайдера на выводы из обсервационных исследований может быть значительным не только для моделирования передачи болезни 72,73 , но также и для причинно-следственного вывода 7 и моделирования прогнозирования 2 .

    Хотя существует множество подходов, пытающихся решить проблему смещения коллайдера, они опираются на недоказуемые предположения.Трудно определить степень выборки выборки, и даже если бы она была известна, нельзя было бы доказать, что она полностью учитывалась каким-либо методом. Репрезентативные опросы населения 34 или стратегии выборки, позволяющие избежать проблем коллайдерной систематической ошибки 74 , срочно необходимы для получения надежных доказательств. Ученые и политики должны с осторожностью относиться к результатам выборок, которые, вероятно, не являются репрезентативными для целевой группы населения.

    Будущее Круговой коллайдер частиц: некоторые физики видят авантюру в 22 миллиарда долларов

    Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН), организация, которая управляет Большим адронным коллайдером недалеко от Женевы, Швейцария, собирается построить новый ускоритель частиц — еще более мощный.

    Ранее в этом месяце группа опубликовала свой отчет об концептуальном проектировании; предлагаемый коллайдер, называемый Future Circular Collider, будет иметь длину окружности более 60 миль, стоит более 20 миллиардов евро (22 миллиарда долларов) и будет завершен примерно в 2050 году.

    Большой адронный коллайдер находится в тоннеле длиной 17 миль под границей Франции и Швейцарии. Там сталкиваются пучки протонов и тяжелых ионов при высоких энергиях, а измерительное оборудование собирает данные о нашей Вселенной.

    Но нужен ли нам еще один коллайдер частиц? Когда ЦЕРН построил Большой адронный коллайдер в 2008 году, у нас были очень веские основания ожидать, что мы откроем что-то новое в физике — наши существующие модели взаимодействия субатомных частиц не складывались, и они не складывались в способ, который предполагал, что есть новая частица, которая должна быть обнаружена в диапазоне энергий, которые способен производить Большой адронный коллайдер.

    Но мир физики элементарных частиц теперь выглядит совсем по-другому. Мы открыли бозон Хиггса, который дополнил картину стандартной модели физики, и с тех пор всесторонние испытания БАК не выявили никаких признаков новых открытий.

    ЦЕРН утверждает, что новый коллайдер может позволить нам заглянуть в оставшиеся загадки физики, от темной материи до преобладания материи над антиматерией. Но некоторые физики не так уверены. Сабина Хоссенфельдер, физик-теоретик из Франкфуртского института, написала ответ на заявление ЦЕРНа, в котором утверждала, что нам не следует беспокоиться: причина думать, что он откроет что-то новое.

    Ускорители частиц исторически были отличным способом построить более глубокую картину нашего мира, хотя вероятность того, что работа, которую они выполняют, нашла практическое применение, становилась все меньше. Некоторые ученые утверждают, что новый ускоритель может иметь ограниченное научное, а также ограниченное практическое применение — и что важно убедиться, что общественность знает об этом, поскольку дебаты об ускорителе идут полным ходом.

    Что такое ускорители частиц и что теперь хочет построить ЦЕРН?

    Ускоритель частиц — это машина, которая может разгонять заряженные частицы с очень высокими скоростями и энергиями, используя электромагнитные поля для ускорения частиц и удержания их на месте.В популярных репортажах, особенно в 20-м веке, их часто называли «крушителями атомов», хотя большинство ускорителей сегодня разбивают субатомные частицы, а не атомы.

    Эти высокоэнергетические столкновения позволили нам измерить особенности Вселенной, которые мы не можем измерить в более нормальных условиях, и они продвинули наше понимание фундаментальной физики. В 1969 году физик Роберт Уилсон свидетельствовал перед Объединенным комитетом Конгресса по атомной энергии о предложении построить первый ускоритель частиц Фермилаб.Его спросили о его значении для защиты страны, и он, как известно, ответил, что никакого, «кроме того, чтобы помочь сделать его достойным защиты».

    Технически не все ускорители частиц являются коллайдерами — коллайдер — это ускоритель, оборудованный для организации столкновений между высокоэнергетическими частицами. Однако наиболее полезные эксперименты сегодня связаны со столкновениями, либо для непосредственного изучения столкновений, либо потому, что столкновения испускают рентгеновские и гамма-лучи высокой энергии.

    ЦЕРН — это организация, которая управляет Большим адронным коллайдером, известным открытием бозона Хиггса — частицы, существование которой постулировалось, но которую нельзя было обнаружить, пока не был построен БАК.Бозон Хиггса дополнил так называемую стандартную модель физики элементарных частиц — модель, которая объясняет фундаментальные силы, кроме гравитации, и описывает все известные нам частицы. Это не означает, что там определенно нет новых частиц, но вполне возможно, что мы впервые нашли их все.

    Одна команда в ЦЕРН работает над планированием будущего физики элементарных частиц после ожидаемого срока службы БАК. Они начали свою работу в 2014 году, а в этом месяце выпустили проектную документацию для нового предлагаемого коллайдера.Европейские страны, которые сотрудничают в финансировании CERN, должны будут одобрить это предложение, и финансирование будет поступать в основном за счет их взносов. Новый коллайдер будет почти в четыре раза больше БАК и позволит сталкивать частицы примерно в 10 раз быстрее. Как минимум, это позволит более точно измерить некоторые параметры. Исследователи надеются, что он сделает больше.

    Благодаря ускорителям частиц мы узнали несколько важных вещей. Ранние ускорители частиц позволили нам открыть новые изотопы и новые элементы периодической таблицы.Ускорители используются для испытаний деталей и материалов для космических аппаратов. Почти вся стандартная модель физики, которая объединяет все известные нам силы (кроме гравитации), была построена на открытиях, сделанных на коллайдерах частиц.

    Но по мере того, как мы развивали более полное понимание физики, практическое применение новых ускорителей высоких энергий становилось все реже и реже. Меньшее количество научных вопросов остается без ответа. С открытиями БАК стандартная модель физики элементарных частиц завершена.Очевидно, это не значит, что мы понимаем все о Вселенной — в ней еще много загадок. Но впервые вполне вероятно, что более крупный коллайдер не вызовет новых частиц.

    ЦЕРН не считает это убедительным аргументом против строительства нового коллайдера. «Если мы оглянемся назад на историю физики элементарных частиц, — написал мне Арно Марсолье, глава отдела по связям со СМИ в ЦЕРНе, — мы также увидим, что огромные успехи в знаниях и технологиях делались каждый раз, когда мы достигали большей точности и энергии, внедряя инновации с новыми более крупными объектами.

    Совершенно верно. Но есть основания полагать, что на этот раз все может быть по-другому.

    «Научное обоснование слабее, чем для прошлых коллайдеров», — сказал мне Джаред Каплан, физик-теоретик из Университета Джона Хопкинса. Исторически также иногда утверждалось, что новые открытия в физике помогут нам разработать новые технологии. Этот «гуманитарный» аргумент в пользу ускорителей на самом деле неприменим к недавней физике высоких энергий. «Гуманитарное обоснование очень слабое, как и для LHC.

    Ускорители частиц не создают конкретных технических инноваций

    Свидетельские показания

    Уилсона в 1969 году были необычайно прямыми в том, что любой, кто лоббирует дополнительное финансирование , не всегда хочет признавать свою работу: человечество не собирается изобретать новые промышленные технологии, новые источники энергии или новое оружие с открытиями.

    Как утверждают Каплан и другие физики, мы особенно маловероятно встретим кого-либо из Кругового коллайдера будущего.Это связано с тем, что практически все области физики элементарных частиц с приложениями были изучены, а оставшиеся области было бы исключительно трудно использовать для реальных приложений, даже если бы мы обнаружили что-то неожиданное.

    «Причина пессимизма в отношении практического применения заключается в том, что мы очень хорошо понимаем природу в некоторых отношениях, — сказал мне Каплан. «Вы все дальше отдаляетесь от технологий в человеческом масштабе».

    Частицы, которые мы обнаруживаем в таких коллайдерах, существуют только в чрезвычайно редких условиях, требуют чрезвычайных усилий для производства и невероятно нестабильны, существуя всего доли секунды.Даже если бы один из них обладал невероятно полезными свойствами, говорили физики, с которыми я разговаривал, трудно представить, как мы доберемся до промышленных применений.

    Это подчеркивает интересный факт о физике: наши приближения к физическому миру работают поразительно хорошо, позволяя нам вычислять большинство промышленных применений физических принципов, даже когда мы очень плохо их понимаем. «Вам не нужно понимать, как работают кварки, чтобы заниматься ядерной физикой, — сказал мне Каплан. «Мы не знали о существовании кварков, когда работали над Манхэттенским проектом.

    Итак, что бы мы ни открыли с помощью Кругового коллайдера будущего, очень маловероятно, что это будет новый источник энергии или производство новых продуктов или технологий.

    «Можем ли мы оправдать эти расходы технологическими прорывами, которые мы делаем по пути? У меня смешанные чувства по этому поводу», — сказал мне Шон Кэрролл, профессор физики Калифорнийского технологического института. «Вещи, которые мы открываем, не имеют никаких шансов привести к технологическим прорывам», хотя, подчеркнул он, «есть абсолютно технологические прорывы в процессе, который мы используем для создания ускорителей.

    Тем не менее, круговой коллайдер будущего заключается в том, что он может научить нас новым вещам о Вселенной, а не в том, что он может привести к новым технологиям, потому что это чрезвычайно амбициозный строительный проект.

    Есть ли исследования, которые лучше финансировать?

    Физики-теоретики во многом согласны во всем этом. Тем не менее они расходятся во мнениях относительно того, стоит ли строить новый ускоритель ЦЕРН. Что их разделяет, так это, в значительной степени, разногласия по поводу того, куда вместо этого могут пойти деньги.

    «Есть много других экспериментов, которые предлагаются и проводятся гораздо дешевле, — сказал мне Каплан. «В других областях физики все еще остаются огромные загадки. Многие эксперименты по поиску темной материи стоят 10 миллионов долларов, а не 20 миллиардов долларов. Возможно, имеет больше смысла финансировать сотню таких экспериментов, чем строить один коллайдер за в 10 раз больше денег».

    Это также лежит в основе дела Хоссенфельдера против коллайдера. «В настоящее время другие крупномасштабные эксперименты могли бы более надежно предложить новое понимание основ физики», — утверждает она в своем блоге.«Все, что заглядывает в раннюю Вселенную, например, большие радиотелескопы, или все, что исследует свойства темной материи. Есть также эксперименты среднего и малого масштаба, которые, как правило, исчезают, если большая часть сотрудничества съедает большую часть денег и внимания».

    Кэрролл не согласен. Он указал мне на дебаты 1990-х годов о строительстве ускорителя частиц в Техасе, достаточно большого, чтобы обнаружить бозон Хиггса и, возможно, даже больше. Некоторые физики заметили в то время, что деньги могли бы пойти дальше, если бы они были направлены на другие физические эксперименты, и коллайдер был отклонен.

    А деньги тогда пошли на другие физические эксперименты? Нет. «Если вы не потратите 20 миллиардов на ускоритель частиц, они не отдадут его другим физикам», — сказал он мне. — Они никогда этого не делают.

    С этой точки зрения выбор не стоит между финансированием ускорителя и выделением 22 миллиардов долларов на стратегические гранты для многообещающих научных исследований, которые улучшат как наше понимание Вселенной, так и нашу повседневную жизнь. Если вы не ожидаете, что финансирование в каких-либо других важных областях увеличится, если мы воздержимся от акселератора, то анализ затрат и результатов акселератора немного упускает суть.

    Так что, строить?

    Хоссенфельдер входит в число тех, кто более решительно выступает против коллайдера, но самое поразительное в ее серии постов в блоге, выступающих против него, заключается в том, что она в первую очередь обеспокоена тем, что она считает нечестной попыткой представить аргументы в пользу коллайдера сильнее, чем они есть на самом деле. . Она утверждает, что в пресс-релизах ЦЕРН преувеличено, сколько новой науки мы узнаем от нового коллайдера, зная, что общественность недостаточно знает, чтобы оценить эти утверждения.

    В отчетах о конструкции ЦЕРН упоминается несколько оставшихся загадок физики — например, темная материя, массы нейтрино и почему материи больше, чем антиматерии.Но это загадки, которые ускоритель вряд ли решит. Хоссенфельдер пишет:

    В прилагаемом видео также туманно говорится о «больших вопросах», связанных с 95% Вселенной (имеется в виду темная материя и темная энергия), и создается впечатление, что более крупный коллайдер расскажет нам об этом что-то интересное.

    Верно, что стандартная модель требует расширения, но нет причин, по которым новые физические эффекты, такие как частицы, составляющие темную материю, должны быть доступны на следующем более крупном коллайдере.Действительно, самые надежные на данный момент прогнозы предполагают, что любая новая физика будет иметь энергию на 14 порядков выше, что будет далеко за пределами досягаемости любого коллайдера, который мы сможем построить в ближайшие столетия.

    Другими словами, самая большая жалоба Хоссенфельдера не только в том, что коллайдер, скорее всего, не откроет ничего нового. Она думает, что ЦЕРН не говорит об этом открыто. (Арно Марсолье, глава отдела по связям со СМИ в ЦЕРН, ответил на ее опасения в электронном письме мне, утверждая, что это разумные загадки, которые следует освещать при обосновании будущего кругового коллайдера: «Очевидно, что ни один фундаментальный проект — большой или маленький — может обещать крупное открытие, но прогресс также достигается за счет настойчивости, и если мы прекратим исследования, мы, возможно, никогда не узнаем, что такое темная материя или почему материя доминирует над антиматерией.»)

    Хоссенфельдер не единственный, кто обеспокоен тем, что разговор о коллайдере частиц не основан на четкой картине достоинств. «Если вы говорите с людьми о том, как это на самом деле решается, это не имеет ничего общего с серьезным анализом затрат и выгод», — сказал Джесс Ридель, исследователь из Института теоретической физики «Периметр».

    Я чувствую, что нам нужен кто-то вроде Уилсона, который открыто сказал Конгрессу, что ускоритель, о котором мечтали он и другие исследователи, не будет иметь никаких оборонных приложений, никаких приложений для безопасности, никаких преимуществ против русских.Тогда мы сможем решить, нужен ли нам ускоритель частиц просто потому, что ради него самого, вместо того, чтобы продавать его публике с преувеличением того, что он позволит нам понять.


    Подпишитесь на рассылку новостей Future Perfect. Дважды в неделю вы будете получать сводку идей и решений для решения наших самых больших проблем: улучшения общественного здравоохранения, уменьшения страданий людей и животных, уменьшения рисков катастроф и, проще говоря, улучшения в добрых делах.

    Определение

    в кембриджском словаре английского языка

    На этом изображении показано компьютерное моделирование данных с коллайдера . Какими бы невероятными ни были их научные работы, эти ускорители частиц, коллайдеры тяжелых ионов, детекторы гамма-излучения и эксперименты с нейтрино также прекрасны.Например, в нашем эксперименте мы также исследовали запутывание частиц, возникающее при создании пар, что невозможно в коллайдере частиц . Я пожелал спокойной ночи горстке актеров, репетировавших на воображаемом коллайдере частиц .Оба коллайдера являются электрон-позитронными коллайдерами, имеющими множество преимуществ, несмотря на их относительно низкие энергии. Только время покажет, проявятся ли признаки скрытого сектора при столкновениях внутри этих коллайдеров или в других экспериментальных установках.Погружаясь в тайны Вселенной, коллайдеры проникли в дух времени и прикоснулись к чудесам и страхам нашего века. Но каждый год на несколько недель коллайдер переключается на разрушение ионов свинца.Более ранние эксперименты на коллайдере предполагали, что присутствие мезона с двумя нижними кварками может быть связано с более тяжелой частицей с неизвестными свойствами. Это может привести к прогрессу в физике плазмы, а также к более традиционным коллайдерам частиц, открывая новые возможности для исследований.

    Эти примеры взяты из корпусов и из источников в Интернете. Любые мнения в примерах не отражают мнение редакторов Кембриджского словаря, издательства Кембриджского университета или его лицензиаров.

    Нужен ли миру более мощный суперколлайдер?

    Ускоритель атомов нового поколения будет стоить миллиарды долларов.Европа и Китай планируют его построить, но ученые спорят, стоит ли оно того.

    (Inside Science) — В 2012 году физики впервые обнаружили долгожданный бозон Хиггса. Эта частица была последней недостающей частью того, что физики называют Стандартной моделью — наиболее тщательно проверенного набора физических законов, управляющих нашей Вселенной. Открытие бозона Хиггса стало возможным благодаря гигантской машине в Европе, известной как Большой адронный коллайдер, который использует 27-километровое кольцо сверхпроводящих магнитов для ускорения, а затем столкновения частиц друг с другом на скорости, близкой к скорости света.

    Но Стандартная модель не является главой и конечным пунктом физики. Он не может объяснить такие загадки, как существование темной материи или темной энергии или почему гравитация так отличается от других фундаментальных сил.

    Подобно неизведанным территориям, которые средневековые картографы населяли фантастическими зверями, границы физики были заполнены множеством гипотез о том, что может скрываться во тьме. А в науке единственный способ подтвердить или опровергнуть эти гипотезы — собрать больше данных — данных с лучших телескопов и микроскопов и, возможно, с совершенно нового, еще более крупного суперколлайдера.

    В 2012 году Институт физики высоких энергий Китайской академии наук объявил о плане создания следующего великого суперколлайдера. Планируемый круговой электронно-позитронный коллайдер будет иметь диаметр 100 километров, что почти в четыре раза больше, чем Большой адронный коллайдер или БАК. Затем, в 2013 году, оператор LHC, известный как CERN, также объявил о своем плане создания нового коллайдера, названного просто Future Circular Collider.

    Тем не менее, исследование неизведанного часто обходится недешево.По крайней мере, с десятизначной ценой ученые и инженеры спорят о том, будут ли усилия стоить вложенных средств.

    Хороший

    Хотя обнаружение бозона Хиггса в некотором роде ознаменовало собой завершение работы над Стандартной моделью, предстоит еще много работы.

    Фундаментальные частицы Стандартной модели.

    Права на СМИ

    Copyright Американский институт физики

    «Мы до сих пор не понимаем массу бозона Хиггса.Мы не понимаем проблему семейства, например, почему существует три семейства частиц», — сказала генеральный директор ЦЕРН Фабиола Джанотти. «Поэтому изучение бозона Хиггса с максимально возможной точностью является обязательным, и будущий коллайдер сделает это».

    Когда частицы сталкиваются друг с другом на скорости, близкой к скорости света, внутри суперколлайдера, часть их объединенной кинетической энергии преобразуется в массу, создавая новые частицы, такие как бозон Хиггса. Однако БАК может производить только один бозон Хиггса примерно на каждый миллиард столкновений, поэтому, даже имея возможность производить сотни миллионов столкновений каждую секунду, БАК потребовалось несколько лет, чтобы собрать достаточно данных, чтобы сигнал Хиггса превзошел фоновый шум.Более мощный коллайдер может увеличить скорость производства и позволить ученым лучше изучить бозон Хиггса.

    Чтобы лучше понять, почему для создания большего количества частиц требуется так много энергии, представьте себе игру в боулинг с миллионами кеглей на дорожке, одни легкие, другие тяжелые. Легких булавок гораздо больше, чем тяжелых — например, на каждую булавку весом в 1 тонну приходится миллион булавок весом в 1 унцию. Теперь, чтобы «создать» тяжелую частицу, подобную бозону Хиггса, что похоже на сбивание тяжелой кегли, вам нужно бросить шар для боулинга достаточно сильно, чтобы не только сбить тяжелую кеглю, но и пробить миллионы более мелких кеглей. в пути.

    Энергия, необходимая для создания частиц, подобных бозону Хиггса, измеряется в так называемых гигаэлектронвольтах, или ГэВ. LHC может генерировать столкновения с энергией 13 000 ГэВ, что более чем в сто раз превышает эквивалентность массы и энергии бозона Хиггса в 125 ГэВ. Он может производить только один бозон Хиггса на каждые 10 миллиардов столкновений из-за того, что вся энергия расходуется на все более легкие частицы.

    Возможно, существуют еще более тяжелые частицы, производство которых выходит за рамки технических возможностей БАК, или БАК может генерировать их с такой низкой скоростью, что статистически невозможно их обнаружить.Другими словами, если мы хотим сбить больше «тяжелых кеглей», нам понадобится больше «мускулов».

    «Мы находимся в ситуации, когда Стандартная модель не может объяснить различные явления, — сказал Джанотти. «Есть много других теорий, но мы понятия не имеем, какая из них правильная. Итак, шаг вперед с точки зрения масштаба энергии… может помочь перенаправить наши мысли».

    Плохой

    Одна из ведущих теорий помимо Стандартной модели известна как суперсимметрия. На первый взгляд абстрактная, основная концепция суперсимметрии на самом деле довольно проста.Суперсимметрия предсказывает, что для каждой из 17 фундаментальных частиц в Стандартной модели существует гипотетическая частица-партнер — отсюда и «симметрия» — и каждая из этих гипотетических частиц будет тяжелее своего соответствующего, уже открытого партнера — таким образом, «супер.»

    Впервые представленная в конце 1960-х — начале 1970-х годов, суперсимметрия выглядела многообещающе благодаря своей математической элегантности и способности объяснить, почему гравитация оказывается намного слабее других фундаментальных взаимодействий, и разрешить другие загадки, такие как темная материя.

    Однако, несмотря на то, что суперсимметрия выглядит многообещающе как теория, которая могла бы помочь объединить все фундаментальные взаимодействия во Вселенной, ученые, занимающиеся частицами, до сих пор не получили никаких прямых доказательств, подтверждающих ее после десятилетий экспериментов. Поколения физиков элементарных частиц работали над этой теорией, и многие думали, что наконец-то увидят следы суперсимметричных частиц, когда БАК впервые заработает.

    Вид изнутри туннеля, в котором находится БАК, под границей Франции и Швейцарии недалеко от Женевы.Туннель имеет 27 километров в окружности и 574 фута под землей в самой глубокой точке».

    «Подавляющее большинство наших специалистов до включения БАК, может быть, 90% из нас были уверены, что эта новая физика появится», — сказал Найджел Локьер, руководитель Национальной ускорительной лаборатории Ферми недалеко от Чикаго. — У меня был друг, который сказал, что ты найдешь его через три недели.

    Однако первоначальные оптимистичные ожидания не оправдались.

    «Сейчас прекрасное время, знаете ли, потому что лучшее время для экспериментатора — это когда у теоретиков заканчиваются идеи.Потому что тогда все, что мы обнаруживаем, является новым», — сказал Дэвид Ньюболд, который руководит программой физики элементарных частиц в лаборатории Резерфорда Эпплтона в Великобритании и в настоящее время возглавляет усилия по модернизации одного из основных детекторов на БАК.

    Прямо сейчас никто не может точно сказать, сколько энергии нам понадобится, чтобы найти следующие новые частицы — если они вообще будут. Вполне возможно, что следующий коллайдер их вообще не увидит.

    Уродливый

    После их предложения европейские и китайские планы нового суперколлайдера вызвали критику со стороны тех, кто сомневается, что эти проекты докажут свою ценность.Между тем их сторонники утверждают, что неопределенность выигрыша присуща процессу исследования неизвестного. Усилия вознаграждаются независимо от того, приведут ли они к новым захватывающим частицам, поскольку мы все равно сможем уточнить наше понимание Вселенной, исключив теории, которые не соответствуют новым данным.

    История двух коллайдеров

    В своем отчете о концептуальном проектировании ЦЕРН перечислил три возможных направления будущего кругового коллайдера, каждое из которых имеет свой набор преимуществ и недостатков в науке, технике и стоимости.Во-первых, это строительство электрон-позитронного коллайдера (FCC-ee) радиусом 100 км, что позволит проводить высокоточные исследования бозона Хиггса и других известных частиц. Второй модернизирует FCC-ee в новый адронный коллайдер (FCC-hh) с энергией, в семь раз превышающей энергию LHC. Эта конструкция может включать точку взаимодействия адронов и лептонов (FCC-he). И, наконец, возможно, в конце списка желаний находится модернизация БАК (HE-LHC), которая удвоит его текущую мощность до 27 000 ГэВ.

    Проект CEPC в Китае немного отличается.Без существующей ускорительной инфраструктуры, такой как LHC, CEPC необходимо будет построить полностью с нуля. Их концептуальный отчет делит проект на две фазы. Первая фаза, электрон-позитронный коллайдер, который будет размещен в 100-километровом круглом подземном туннеле, начнется уже в 2022 году и будет завершена к концу десятилетия. Он будет служить «фабрикой Хиггса», которая сможет обеспечить более точное измерение бозона Хиггса. Второй этап, получивший название Super Proton Proton Collider или SPPC, будет разделять пространство в том же 100-километровом туннеле.Его строительство планируется начать примерно в 2040 году и завершить к середине 2040-х годов. Это будет протон-протонный коллайдер, подобный LHC, но с гораздо более высокой энергией, до 100 000 ГэВ, что позволит ему искать новую физику, такую ​​как суперсимметрия. Предлагаемое место для объекта — Циньхуандао, портовый город в 300 км к востоку от Пекина, до которого можно добраться на скоростном поезде за один час.

    Права на СМИ

    Copyright Американский институт физики

    «Уметь исключать теоретические сценарии и перенаправлять наши мысли так же важно, как делать новые открытия», — сказал Джанотти.«Например, посмотрите на спутники WMAP и Planck — они ничего не открыли, но сделали очень точные измерения нашей Вселенной, которые произвели революцию в нашем понимании космоса. Мы должны быть осторожны, чтобы не думать, что успехи в науке — это просто открытия».

    В то время как физики знают, что они не могут получить результаты, не создав инструменты и не проведя эксперимент, экономика таких исследований более открыта для обсуждения. Какую цену мы готовы заплатить за лучшее понимание нашей вселенной?

    Чен-Нинг Ян, лауреат Нобелевской премии по физике элементарных частиц, привлек внимание общественности Китая к этой дискуссии в 2016 году.В широко распространенном сообщении в блоге он раскритиковал поиск признаков суперсимметрии с помощью нового суперколлайдера, назвав его «предположением над предположением». Он также выразил обеспокоенность тем, что проект негативно скажется на финансировании других областей исследований, особенно тех, которые «требуют неотложных решений, таких как окружающая среда, образование и здравоохранение».

    Ян указал на отмененный сверхпроводящий суперколлайдер в США как на «болезненный опыт», который стал «бездонной ямой» потраченного впустую финансирования.Первоначально предложенная с ценой в 4,4 миллиарда долларов в 1987 году, предполагаемая стоимость этого коллайдера быстро выросла до 12 миллиардов долларов, а затем была отменена в 1993 году после того, как 2 миллиарда долларов уже были потрачены. Оглядываясь назад, этот инструмент мог бы помочь научному сообществу открыть бозон Хиггса несколькими годами ранее.

    Тянь Юй Цао, философ науки и политики из Бостонского университета, пессимистично смотрит на будущее китайского кругового электронно-позитронного коллайдера, или CEPC. Он указал на последний пятилетний план Китая, опубликованный в 2016 году, в котором CEPC не упоминается среди 10 флагманских проектов, объявленных в отчете.

    — Они определенно колеблются, — сказал Цао. «Они колеблются, потому что есть возражения со стороны людей из всех областей физики. Как они могут получить столько денег для этого проекта, когда есть так много других проектов, которые нуждаются в финансировании?»

    Европейский аналог CEPC, Федеральная комиссия по связи (FCC), также получила несколько возражений. Физик-теоретик Сабина Хоссенфельдер ранее в этом году опубликовала статью в New York Times, в которой она написала: «Я по-прежнему считаю, что столкновение частиц друг с другом — наиболее многообещающий путь к пониманию того, из чего состоит материя и как она держится вместе». .Но 10 миллиардов долларов — это огромная цена. И я не уверен, что оно того стоит.»

    Оба проекта в настоящее время все еще находятся на стадии исследований и разработок, но с учетом того, что сроки строительства должны начаться в следующем десятилетии, проекты, вероятно, привлекут более пристальное внимание, поскольку их сторонники попытаются получить финансирование.

    «Сейчас у нас есть пять лет на обоснование исследования, затем, возможно, еще пять лет или около того на детальный инженерный проект. Затем мы действовали в любом темпе, который был ограничен деньгами», — сказал Ньюболд.«Вероятно, это будет как минимум через 20 лет, а может быть, и дольше».

    Команды FCC и CEPC в прошлом году опубликовали свои отчеты об концептуальном проектировании, каждый из которых состоит из сотен страниц и написан более чем тысячей ученых и инженеров. На первый взгляд, оба проекта преследуют сходные научные цели, поэтому успех одного может опередить другой. На данный момент оба проекта находятся в начале долгой гонки в неизвестность.

    Кондиционирование на коллайдере – 100% ДИ

    Прокрутите до самого конца этого поста, чтобы найти дополнение.

    Навыки чтения у детей коррелируют с размером их обуви. Количество аистов в районе коррелирует с рождаемостью. Продажи мороженого коррелируют со смертностью от утопления. Возможно, они использовали разные примеры, чтобы научить вас, но я почти уверен, что все мы узнали о смешанных переменных во время учебы в бакалавриате. После этого мы, вероятно, все узнали, что третьи переменные разрушают вывод, бла-бла-бла, и, очевидно, единственный способ когда-либо узнать что-либо о причине и следствии — это правильные эксперименты с рандомизацией и прочим.Конец истории, больше нечего узнать о причинно-следственных связях. Добавьте некоторые «контрольные переменные» и молитесь Милу, чтобы какое-то общее утверждение сделало вашу статью доступной для публикации.

    Но в том-то и дело, что еще многое предстоит узнать о причинно-следственных связях. Если вы хотите уделить больше времени этой теме, я предлагаю вам взглянуть на книгу Моргана и Уиншипа «Контрфактуалы и причинно-следственные связи: методы и принципы социальных исследований». Если у вас нет времени переваривать целую книгу, прочтите главу Феликса Эльверта о графических причинно-следственных моделях и, возможно, его статью о коллайдерах.

    Причинный вывод из данных наблюдений сводится к предположениям, которые вы должны сделать, и третьим переменным, которые вы должны принять во внимание. Сегодня я собираюсь поговорить о третьей переменной задаче, связанной с коллайдером. Возможно, вы не слышали об этом раньше, но каждый раз, когда вы работаете с коллайдером, аистенок попадает в большой ботинок, наполненный мороженым, и качество исследований, подтверждающих ваши собственные политические взгляды, ухудшается.

    Предположим, вас интересовала связь между добросовестностью и интеллектом.Вы собираете большую выборку из N = 10 000 и обнаруживаете отрицательную корреляцию между интеллектом и добросовестностью r = – 0,372 (см. рис. 1).

    Рисунок 1: Взаимосвязь между IQ и добросовестностью в вашей гипотетической выборке из колледжа. Энн выразила сомнение в отношении студентов колледжа с IQ 75–85, и, возможно, она права в этом, но это то, что вы получаете за небрежное моделирование данных.

    Однако ваша выборка состояла только из студентов колледжей.Теперь вы, возможно, знаете, что существует определенное ограничение диапазона интеллекта студентов колледжей (по сравнению с населением в целом), поэтому вы можете даже пойти дальше и заявить, что обнаруженная вами связь, вероятно, занижена! Блестящий.

    Коллайдер — будучи студентом колледжа — поднимает свою уродливую голову. Быть студентом колледжа положительно коррелирует с интеллектом ( r = 0,426). Это также положительно коррелирует с добросовестностью ( r = 0,433). Давайте предположим, что добросовестность и интеллект оказывают причинно-следственное (неинтерактивное) влияние на посещаемость колледжа и что на самом деле они вообще не связаны между собой в общей популяции, см. рис. 2.

    Рисунок 2. О нет, куда делась ваша корреляция?

    Если вы выберете выборку колледжа (то есть розовые точки), вы обнаружите отрицательную корреляцию между добросовестностью и интеллектом, угадайте, что именно r = -0,372, потому что именно так я сгенерировал свои данные. Существует очень интуитивное объяснение случая дихотомических переменных: в популяции есть умные ленивые люди, глупые прилежные люди, умные прилежные люди и глупые ленивые люди. В вашей гипотетической выборке из колледжа у вас были бы умные ленивые люди, глупые прилежные люди, умные прилежные люди, но не было бы глупых ленивых людей, потому что они не поступают в колледж.Таким образом, в вашей выборке из колледжа вы обнаружите ложную корреляцию между добросовестностью и интеллектом.

    Между прочим, дополнительная выборка из выборки не из колледжа и обнаружение аналогичной отрицательной корреляции среди тех, кто не из колледжа, не усилит ваш аргумент: вы все еще используете коллайдер. Из рисунка 2 вы уже можете догадаться о небольшом отрицательном соотношении в синем облаке, а объединение всех точек данных и оценка взаимосвязи между IQ и добросовестностью с учетом коллайдера дает r = -.240. Может быть, более уместный пример: если вы обнаружите определенную корреляцию в клиническом образце и найдете такую ​​же корреляцию в неклиническом образце, это не доказывает, что она реальна в не столь уж маловероятном случае, когда в конечном итоге в клиническом образце — это коллайдер, вызванный интересующими вас переменными.

    Рисунок 3. Переменное созвездие с коллайдером: эффекты добросовестности и IQ «сталкиваются» в общем результате.

    На абстрактном уровне (рис. 3): Всякий раз, когда X1 (сознательность) и X2 (интеллект) каким-то образом вызывают Y (посещаемость колледжа), обусловленность Y искажает отношения между X1 и X2 и потенциально вводит ложную ассоциацию (или скрыть существующую связь между X1 и X2, или преувеличить существующую связь, или изменить направление ассоциации…).Обусловливание может означать целый ряд вещей, включая все виды «контроля»: Отбор респондентов на основе их значений Y? Это кондиционирование на коллайдере. Статистический контроль для Y? Это кондиционирование на коллайдере. Генерировать оценки склонности на основе Y, чтобы соответствовать вашей выборке для этой переменной? Это кондиционирование на коллайдере. Выполнение анализа отдельно для Y = 0 и Y = 1? Это кондиционирование на коллайдере. Моете волосы под долгим расслабляющим душем в ЦЕРНе? Вам лучше поверить, что это кондиционирование на коллайдере.Если выживание зависит от Y, у вас может не быть возможности не зависеть от Y, если вы не воскрешаете мертвых.

    Когда вы начнете узнавать о коллайдерах, вы можете столкнуться с ними в дикой природе, то есть в повседневной жизни. Например, я заметил, что среди моих друзей те, кто изучает психологию (X1), менее склонны разделять мои собственные политические взгляды (X2). Коллайдер дружит со мной (Y): Студенты-психологи с большей вероятностью подружатся со мной, потому что, черт возьми, именно так вы находите своих друзей в студенческие годы (X1->Y).Люди, разделяющие мои политические взгляды, с большей вероятностью подружатся со мной (X2->Y). Глядя на моих друзей, они либо психологи, либо социалисты-антифашисты, фриганские феминистки. Несмотря на то, что эти две вещи, возможно, имеют положительную корреляцию в общей популяции, корреляция в выборке моих друзей отрицательная (X1 и X2 имеют отрицательную корреляцию в зависимости от Y).

    Другие примеры: у меня сложилось впечатление, что смелые утверждения отрицательно коррелируют с методологической строгостью в опубликованной психологической литературе, но, может быть, это просто потому, что и кричащие заявления, и методологическая строгость увеличивают шансы на публикацию, и мы просто никогда не увидим материал, который сочетает в себе и то, и другое. скучно и хреново?
    В какой-то момент у меня сложилось впечатление, что женщины-профессора (X1) несколько умнее (X2), чем мужчины-профессора, и на основании этого можно сделать вывод, что женщины умнее мужчин.Но женщины-профессора могут быть просто умнее, потому что пребывание в должности (Y) менее достижимо для женщин (X1->Y) и более вероятно для умных людей (X2->Y), так что только очень умные женщины становятся профессорами, но некоторые посредственные мужчины также могут сделай это. Коллайдер снова бьет!

    Должность и научная известность — хорошие примеры в целом, потому что они коллайдеры для хреновой кучи переменных. Например, кто-то предположил, что женщины выделяются как примеры плохой науки из-за их пола.Если оставить в стороне вопрос о том, действительно ли женщины чрезмерно представлены среди людей, которых пристыдили за небрежное исследование, такое чрезмерное представительство не говорит нам ни о том, что женщины подвергаются несправедливому преследованию, ни о том, что женщины более склонны к плохой исследовательской практике. Предполагая, что у женщин (X1) меньше шансов попасть в центр внимания, чем у мужчин, но преувеличение значений ваших доказательств (X2) помогает попасть в центр внимания; мы могли обнаружить, что женщины, находящиеся в центре внимания (условие Y), с большей вероятностью преувеличивали свои доказательства, потому что более сдержанные женщины просто не выдерживали этого.Очевидно, это всего лишь дикие предположения, но в повседневной жизни люди очень охотно рассуждают о смешанных переменных, так почему бы для разнообразия не порассуждать о коллайдере?

    Что ведет к последнему потенциальному коллайдеру, который я хотел бы, чтобы вы рассмотрели. Предположим, что методологическая строгость статьи (X1) повышает вероятность того, что вы одобрите ее как рецензента. Кроме того, давайте предположим, что вы в какой-то степени предпочитаете статьи, которые соответствуют вашему предубеждению (X2). Даже если исследование, поддерживающее вашу точку зрения, в среднем так же хорошо, как и исследование, рассказывающее другую историю (X1 и X2 не коррелированы), ваше решение пропустить статью или нет (Y) приведет к отрицательной корреляции: статьи, которые соответствуют вашей точке зрения, в среднем будут хуже.

    Итак, ребята, если вас действительно волнует какое-то дело, не давайте посредственным исследованиям легкого времени только потому, что они вам нравятся: в какой-то момент вся область, поддерживающая ваше дело, может потерять доверие, потому что было опубликовано так много плохих материалов.

    Конец. (кредит: Мартин Брюммер)

    Приложение: Пятьдесят оттенков коллайдеров

    После публикации этого поста я понял, что более подходящим заголовком было бы «Эта странная проблема с третьей переменной, которая довольно часто упоминается в различных контекстах, но почему-то кажется, что людям не хватает общего словарного запаса, поэтому в любом случае вот мой пост в блоге». путешествие во времени испортит заголовки блогов к 2100 году.

    Один из моих любимых личностных психологов, Санджай Шривастава, написал в блоге об «эффекте искажения выбора» до того, как это стало модным , еще в 2014 году.

    Психолог, занимающийся развитием нервной системы, Дороти Бишоп рассказывает об опасностях, связанных с корреляционными данными в исследованиях нарушений развития, в этом замечательном посте в блоге и описывает проблемы внутригрупповых корреляций.

    Отбор, связанный с фенотипами, может искажать корреляции в генетических исследованиях, на что указывал (1) Джеймс Ли в книге Криса Чабриса и соавт. «Почему трудно найти гены, связанные с чертами социальных наук».и (2) в Collider Scope Маркуса Мунафо и др.

    И последнее, но не менее важное: Патрик Форшер только что начал серию постов в блоге о причинно-следственных связях (первый и второй посты уже опубликованы), начиная с самого начала. Я настоятельно рекомендую его блог для более систематического, но интересного введения в тему!

    Обновление

    : Тем временем я написал статью, основанную на этом сообщении в блоге, в которой дается несколько более формальное введение в вопросы причинно-следственного вывода.Ознакомьтесь с препринтом «Четкое мышление о корреляциях и причинно-следственных связях: графические причинно-следственные модели для данных наблюдений»

    коллайдеров. Это пятый пост в серии, которую мы… | Бруно Гонсалвеш

    Фото Абрахама Барреры на Unsplash

    Причинно-следственная связь

    Это шестой пост в серии, в которой мы прорабатываем «Причинно-следственную связь в статистике» — хороший учебник для начинающих, соавтором которого является сам Джуда Перл.

    Партнерская ссылка Amazon

    Вы можете найти предыдущий пост здесь и весь соответствующий код Python в сопутствующем репозитории GitHub:

    Хотя я сделаю все возможное, чтобы представить контент в ясной и доступной форме, я настоятельно рекомендую вам получить книгу самостоятельно и следуйте за ней.Итак, без лишних слов, приступим!

    В предыдущем посте V мы начали с главы II книги, где Перл начинает создавать механизм причинно-следственного вывода. В этом посте мы рассмотрим коллайдеры, одну из самых мощных идей в анализе графических моделей.

    Третий и, возможно, самый важный элемент графа, который мы рассмотрим, известен как коллайдер и показан на следующем рисунке:

    Рис. 2.3 — Простой коллайдер переменные.Применяя уже знакомые нам правила, можно сразу сделать вывод:

    1. X и Z зависимы — P(X|Z) ≠ P(X)
    2. Y и Z зависимы — P(Y| Z) ≠ P(Y)
    3. X и Y независимы — P(X|Y) =P(X)
    4. X и Y зависят условно от Z — P(X|Y, Z) ≠ P(X|Z)

    Пункты 1 и 2 следуют непосредственно из правила 0: любые две переменные с направленным ребром между ними зависимы. Пункт 3 очевиден из того факта, что между X и Y нет направленного пути (ни предок, ни потомок другого).

    Пункт 4 — самый интересный случай, но его можно понять на простом алгебраическом примере. Рассмотрим математическое выражение:

    Это соотношение определяет значение Z и справедливо для любых возможных значений X и Y, но как только я фиксирую значение Z, скажем, Z=10, что немедленно ограничивает возможные значения X и Y, которые теперь ограничены таким образом, что Y = 10-Z (или, графически, лежат на пересечении двух плоскостей Z=X+Y и Z=10):

    Эффект кондиционирования на узле коллайдера, Z

    Это является простой иллюстрацией наиболее фундаментального определения кондиционирования: фильтрация по значению переменной кондиционирования.

    Книга дополнительно иллюстрирует эту идею на примере известной задачи Монти-Холла. Для этой игры наша таблица вероятностей будет следующей:

    Где значения 0,0555 соответствуют тому факту, что мы даем Монти шанс 50/50 выбрать любого козла, если я случайно выберу дверь, где стоит машина.

    Из этой таблицы легко увидеть, что P(Выбор|Автомобиль)=P(Автомобиль), или, другими словами:

    По сути, я выбираю одну из трех дверей наугад. Теперь давайте посмотрим на P(Choice | Car, Monty):

    Где теперь ясно, что в зависимости от двери, которую выбрал Monty, значение P(Choice | Car) будет меняться.

    Это также яркий пример некаузальной зависимости между двумя переменными, иллюстрирующий тот факт, что корреляция не подразумевает причинно-следственной связи. Здесь связь между двумя переменными (Автомобиль и Выбор) возникает как раз из-за того, что мы ограничили наше пространство возможностей, добавив дополнительную информацию о выборе Монти. Событие, которое уже знакомо нам по обсуждению теоремы Байеса.

    Из этих примеров легко извлечь новое общее правило:

    Правило 3 (Условная независимость в коллайдерах): Если переменная Z является узлом столкновения между двумя переменными X и Y, и существует только один путь между X и Y, то X и Y безусловно независимы, но зависимы условно от Z и любых потомков Z .

    Post A Comment

    Ваш адрес email не будет опубликован.