Коллайдер что это такое для чего он нужен: Зачем нам нужен Большой адронный коллайдер?

Содержание

Адронный коллайдер, для чего он нужен. Что такое коллайдер и зачем он нужен

В 100 метрах под землей, на границе Франции и Швейцарии, расположено устройство, которое способно приоткрыть тайны мироздания. Или, по мнению некоторых, уничтожить всю жизнь на Земле.

Так или иначе, это самая большая машина в мире, и она используется для исследования мельчайших частиц во Вселенной. Это Большой адронный (не андроидный) коллайдер (LHC).

Краткое описание

LHC является частью проекта, который возглавляет Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН). Коллайдер включен в комплекс ускорителей ЦЕРН за пределами Женевы в Швейцарии и используется для разгона пучков протонов и ионов до скорости, приближающейся к скорости света, столкновения частиц друг с другом и записи результирующих событий. Ученые надеются, что это поможет больше узнать о возникновении Вселенной и о ее составе.

Что такое коллайдер (LHC)? Это самый амбициозный и мощный ускоритель частиц, построенный на сегодняшний день. Тысячи ученых из сотен стран сотрудничают и конкурируют друг с другом в поиске новых открытий. Для сбора данных экспериментов предусмотрены 6 участков, расположенные вдоль окружности коллайдера.

Сделанные с его помощью открытия могут стать полезными в будущем, но это не причина его постройки. Цель Большого адронного коллайдера — расширить наши знания о Вселенной. Учитывая, что LHC стоит миллиарды долларов и требует сотрудничества многих стран, отсутствие практического применения может быть неожиданным.

Для чего нужен Адронный коллайдер?

В попытке понять нашу Вселенную, ее функционирование и фактическую структуру, ученые предложили теорию, называемую стандартной моделью. В ней предпринята попытка определить и объяснить фундаментальные частицы, которые делают мир таким, каким он есть. Модель объединяет элементы теории относительности Эйнштейна с квантовой теорией. В ней также учтены 3 из 4 основных сил Вселенной: сильные и слабые ядерные взаимодействия и электромагнетизм. Теория не касается 4-й фундаментальной силы — силы тяжести.

Стандартная модель дала несколько предсказаний о Вселенной, которые согласуются с различными экспериментами. Но есть и другие ее аспекты, которые требовали подтверждения. Один из них — теоретическая частица, называемая бозоном Хиггса.

Его открытие дает ответ на вопросы о массе. Почему материя ею обладает? Ученые идентифицировали частицы, у которых нет массы, например, нейтрино. Почему у одних она есть, а у других — нет? Физики предложили много объяснений.

Самое простое из них — механизм Хиггса. Эта теория гласит, что существует частица и соответствующая ей сила, которая объясняет наличие массы. Ранее она никогда не наблюдалась, поэтому события, создаваемые LHC, должны были либо доказать существование бозона Хиггса, либо дать новую информацию.

Еще один вопрос, которым задаются ученые, связан с зарождением Вселенной. Тогда материя и энергия были одним целым. После их разделения частицы вещества и антиматерии уничтожили друг друга. Если бы количество их было равным, то ничего бы не осталось.

Но, к счастью для нас, во Вселенной материи было больше. Ученые надеются наблюдать антивещество во время работы LHC. Это могло бы помочь понять причину разницы в количестве материи и антиматерии, когда началась Вселенная.

Темная материя

Современное понимание Вселенной предполагает, что пока можно наблюдать лишь около 4% материи, которая должна существовать. Движение галактик и других небесных тел говорит о том, что существует гораздо больше видимого вещества.

Ученые назвали эту неопределенную материю темной. Наблюдаемая и темная материя составляют около 25%. Другие 3/4 исходят от гипотетической темной энергии, которая способствует расширению Вселенной.

Ученые надеются, что их эксперименты либо предоставят дополнительные доказательства существования темной материи и темной энергии, либо подтвердят альтернативную теорию.

Но это лишь верхушка айсберга физики элементарных частиц. Есть еще более экзотические и противоречивые вещи, которые необходимо выявить, для чего и нужен коллайдер.

Большой взрыв в микромасштабах

Сталкивая протоны с достаточно большой скоростью, LHC разбивает их на более мелкие атомные субчастицы. Они очень нестабильны, и до распада или рекомбинации существуют только долю секунды.

Согласно теории Большого взрыва, первоначально из них состояла все материя. По мере расширения и охлаждения Вселенной они объединились в более крупные частицы, такие как протоны и нейтроны.

Необычные теории

Если теоретические частицы, антиматерия и темная энергия, не являются достаточно экзотичными, некоторые ученые считают, что LHC может предоставить доказательства существования других измерений. Принято считать, что мир является четырехмерным (трехмерное пространство и время). Но физики предполагают, что могут существовать и другие измерения, которые люди не могут воспринимать. Например, одна версия теории струн требует наличия не менее 11 измерений.

Адепты этой теории надеются, что LHC предоставит доказательства предлагаемой ими модели Вселенной. По их мнению, фундаментальными строительными кирпичиками являются не частицы, а струны. Они могут быть открытыми или закрытыми, и вибрировать подобно гитарным. Различие в колебаниях делает струны разными. Одни проявляют себя в виде электронов, а другие реализуются как нейтрино.

Что такое коллайдер в цифрах?

LHC представляет собой массивную и мощную конструкцию. Он состоит из 8 секторов, каждый из которых является дугой, ограниченной на каждом конце секцией, называемой «вставкой». Длина окружности коллайдера равна 27 км.

Трубки ускорителя и камеры столкновений находятся на глубине 100 метров под землей. Доступ к ним обеспечивает сервисный туннель с лифтами и лестницами, расположенными в нескольких точках вдоль окружности LHC. ЦЕРН также построил наземные здания, в которых исследователи могут собирать и анализировать данные, генерируемые детекторами коллайдера.

Для управления пучками протонов, движущихся со скоростью равной 99,99% скорости света, используются магниты. Они огромны, весят несколько тонн. В LHC имеется около 9 600 магнитов. Они охлаждаются до 1,9К (-271,25 °C). Это ниже температуры космического пространства.

Протоны внутри коллайдера проходят по трубам со сверхвысоким вакуумом. Это необходимо, чтобы не было частиц, с которыми они могли бы столкнуться до достижения цели. Единственная молекула газа может привести к неудаче эксперимента.

На окружности большого коллайдера есть 6 участков, где инженеры смогут проводить свои эксперименты. Их можно сравнить с микроскопами с цифровой камерой. Некоторые из этих детекторов огромны — ATLAS представляет собой устройство длиной 45 м, высотой 25 м и весом 7 т.

В LHC задействовано около 150 млн датчиков, которые собирают данные и отправляют их в вычислительную сеть. Согласно ЦЕРН объем информации, получаемой во время экспериментов, составляет около 700 МБ/с.

Очевидно, что такому коллайдеру требуется много энергии. Его годовая потребляемая мощность составляет около 800 ГВт∙ч. Она могла быть намного больше, но объект не работает в зимние месяцы. По данным ЦЕРН стоимость энергии составляет порядка 19 млн евро.

Столкновение протонов

Принцип, лежащий в основе физики коллайдера, довольно прост. Сперва производится запуск двух пучков: одного — по часовой стрелке, а второго — против. Оба потока ускоряются до скорости света. Затем их направляют навстречу друг к другу и наблюдают результат.

Оборудование, необходимое для достижения этой цели, намного сложнее. LHC является частью комплекса ЦЕРН. Прежде, чем какие-либо частицы войдут в LHC, они уже проходят ряд шагов.

Во-первых, для получения протонов ученые должны лишить атомы водорода электронов. Затем частицы направляются в установку LINAC 2, которая запускает их в ускоритель PS Booster. Эти машины для ускорения частиц используют переменное электрическое поле. Удерживать пучки помогают поля, создаваемые гигантскими магнитами.

Когда луч достигает нужного энергетического уровня, PS Booster направляет его в суперсинхротрон SPS. Поток ускоряется еще больше и делится на 2808 пучков по 1,1 x 1011 протонов. SPS вводит лучи в LHC по часовой и против часовой стрелки.

Внутри Большого адронного коллайдера протоны продолжают ускоряться в течение 20 минут. На максимальной скорости они совершают 11245 оборотов вокруг LHC каждую секунду. Лучи сходятся на одном из 6 детекторов. При этом происходит 600 млн столкновений в секунду.

Когда сталкиваются 2 протона, они расщепляются на более мелкие частицы, в том числе кварки и глюоны. Кварки очень неустойчивы и распадаются за долю секунды. Детекторы собирают информацию, отслеживая путь субатомных частиц, и направляют ее в вычислительную сеть.

Не все протоны сталкиваются. Остальные продолжают движение до секции сброса луча, где поглощаются графитом.

Детекторы

Вдоль окружности коллайдера расположены 6 секций, в которых производится сбор данных и проводятся эксперименты. Из них 4 детектора основные и 2 меньшего размера.

Самым крупным является ATLAS. Его размеры — 46 х 25 х 25 м. Трекер обнаруживает и анализирует импульс частиц, проходящих через ATLAS. Его окружает калориметр, измеряющий энергию частиц, поглощая их. Ученые могут наблюдать траекторию их движения и экстраполировать информацию о них.

Детектор ATLAS также имеет мюонный спектрометр. Мюоны — это отрицательно заряженные частицы в 200 раз тяжелее электронов. Они единственные способны проходить через калориметр без остановки. Спектрометр измеряет импульс каждого мюона датчиками заряженных частиц. Эти сенсоры могут обнаруживать флуктуации в магнитном поле ATLAS.

Компактный мюонный соленоид (CMS) является детектором общего назначения, который обнаруживает и измеряет субчастицы, высвобождаемые во время столкновений. Прибор находится внутри гигантского соленоидного магнита, который может создать магнитное поле, почти в 100 тысяч раз превышающее магнитное поле Земли.

Детектор ALICE разработан для изучения столкновений ионов железа. Таким образом исследователи надеются воссоздать условия, подобные тем, которые произошли сразу после Большого взрыва. Они ожидают увидеть, как ионы превращаются в смесь кварков и глюонов. Основным компонентом ALICE является камера TPC, служащая для изучения и воссоздания траектории частиц.

LHC служит для поиска доказательств существования антивещества. Он делает это путем поиска частицы, называемой прелестным кварком. Ряд субдетекторов, окружающих точку столкновения, имеет 20 метров в длину. Они могут улавливать очень неустойчивые и быстро распадающиеся частицы прелестных кварков.

Эксперимент ТОТЕМ проводится на участке с одним из малых детекторов. Он измеряет размер протонов и яркость LHC, указывающей на точность создания столкновений.

Эксперимент LHC имитирует космические лучи в контролируемой среде. Его целью является помощь в разработке широкомасштабных исследований реальных космических лучей.

На каждом участке детектирования работает команда исследователей, насчитывающая от нескольких десятков до более тысячи ученых.

Обработка данных

Неудивительно, что такой коллайдер генерирует огромный поток данных. 15 000 000 ГБ, ежегодно получаемых детекторами LHC, ставят перед исследователями огромную задачу. Ее решением является вычислительная сеть, состоящая из компьютеров, каждый из которых способен самостоятельно анализировать фрагмент данных. Как только компьютер завершит анализ, он отправляет результаты на центральный компьютер и получает новую порцию.

Ученые из ЦЕРН решили сосредоточиться на использовании относительно недорогого оборудования для выполнения своих расчетов. Вместо приобретения передовых серверов и процессоров используется имеющееся оборудование, которое может хорошо работать в сети. При помощи специального ПО сеть компьютеров сможет хранить и анализировать данные каждого эксперимента.

Опасность для планеты?

Некоторые опасаются, что такой мощный коллайдер может представлять угрозу для жизни на Земле, в том числе участвовать в формировании черных дыр, «странной материи», магнитных монополий, радиации и т.д.

Ученые последовательно опровергают такие утверждения. Образование черной дыры невозможно, поскольку между протонами и звездами есть большая разница. «Странная материя» уже давно бы могла образоваться под действием космических лучей, и опасность этих гипотетических образований сильно преувеличена.

Коллайдер чрезвычайно безопасен: он отделен от поверхности 100-метровым слоем грунта, а персоналу запрещено находиться под землей во время проведения экспериментов.

Словосочетание «Большой адронный коллайдер» настолько глубоко осело в массмедиа, что о данной установке знает подавляющее количество людей, в числе которых и те, чья деятельность никоим образом не связано с физикой элементарных частиц, и с наукой вообще.

Действительно, столь масштабный и дорогой проект не мог обойти стороной СМИ – кольцевая установка длиной почти в 27 километров, ценою в десяток миллиардов долларов, с которой работает несколько тысяч научных сотрудников со всего мира. Немалую лепту в популярность коллайдера внесла так называемая «частица Бога» или бозон Хиггса, который был успешно разрекламирован, и за который Питер Хиггс получил нобелевскую премию по физике в 2013-м году.

Прежде всего следует отметить, что Большой адронный коллаейдер не строился с нуля, а возник на месте своего предшественника — Большого электрон-позитронного коллайдера (Large Electron-Positron collider или LEP). Работа над 27-микилометровом тоннелем началась в 1983-м году, где в дальнейшем планировалось расположить ускоритель, который будет осуществлять столкновение электроном и позитронов. В 1988-м году кольцевой тоннель сомкнулся, при этом рабочие подошли к проведению тоннеля столь тщательно, что расхождение между двумя концами тоннеля составило всего 1 сантиметр.

Ускоритель проработал до конца 2000-го года, когда достиг своего пика – энергии в 209 ГэВ. После этого начался его демонтаж. За одиннадцать лет своей работы LEP принес физике ряд открытий, в числе которых – открытие W и Z бозонов и их дальнейшие исследования. На основе результатов этих исследований был сделан вывод о сходстве механизмов электромагнитного и слабого взаимодействий, вследствие чего начались теоретические работы по объединению этих взаимодействий в электрослабое.

В 2001-м году на месте электрон-позитронного ускорителя началась постройка Большого адронного коллайдера. Строительство нового ускорителя завершилось в конце 2007-го года. Он располагался на месте LEP – на границе между Францией и Швейцарией, в долине Женевского озера (в 15 км от Женевы), на глубине ста метров. В августе 2008-го года начались испытания коллайдера, а 10-го сентября произошел официальный запуск БАКа. Как и в случае с предыдущим ускорителем, строительство и работа с установкой возглавляется Европейской организацией по ядерным исследованиям – ЦЕРН.

ЦЕРН

Вкратце стоит сказать об организации CERN (Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire). Данная организация выступает в роли крупнейшей мировой лаборатории в области физики высоких энергий. Включает три тысячи постоянных сотрудников, и еще несколько тысяч исследователей и ученых из 80 стран принимают участие в проектах ЦЕРНа.

На данный момент участниками проекта является 22 страны: Бельгия, Дания, Франция, Германия, Греция, Италия, Нидерланды, Норвегия, Швеция, Швейцария, Великобритания – учредители, Австрия, Испания, Португалия, Финляндия, Польша, Венгрия, Чехия, Словакия, Болгария и Румыния – присоединившиеся. Однако, как уже было сказано выше – еще несколько десятков стран так или иначе принимают участие в работе организации, и в частности – на Большом адронном коллайдере.

Как работает Большой адронный коллайдер?

Что такое Большой адронный коллайдер и как он работает – основные вопросы, интересующие общественность. Рассмотрим эти вопросы далее.

Коллайдер (collider) – в переводе с английского означает «тот, кто сталкивает». Задача такой установки состоит в столкновении частиц. В случае с адроннмы коллайдером, в роли частиц выступают адроны – частицы, участвующие в сильном взаимодействии. Таковыми являются протоны.

Получение протонов

Долгий путь протонов берет свое начало в дуоплазматроне – первой ступени ускорителя, куда поступает водород в виде газа. Дуоплазматрон представляет собой разрядную камеру, где через газ проводится электрический разряд. Так водород, состоящий всего из одного электрона и одного протона, теряет свой электрон. Таким образом образуется плазма – вещество, состоящее из заряженных частиц – протонов.

Конечно, получить чистую протонную плазму сложно, поэтому далее образованная плазма, включающая также облако молекулярных ионов и электронов, проходит фильтрацию для выделения облака протонов. Под действием магнитов протонная плазма сбивается в пучок.

Предварительный разгон частиц

Новообразованный пучок протонов начинает свой путь в линейном ускорителе LINAC 2, который представляет собой 30-тиметровое кольцо, последовательно увешенное несколькими полыми цилиндрическими электродами (проводниками). Создаваемое внутри ускорителя электростатическое поле градуировано таким образом, что частицы между полыми цилиндрами всегда испытывают ускоряющую силу в направлении следующего электрода. Не углубляясь целиком в механизм разгона протонов на данном этапе, отметим лишь, что на выходе с LINAC 2 физики получают пучок протонов с энергией 50 МэВ, которые уже достигают 31% скорости света. Примечательно, что при этом масса частиц возрастает на 5%.

К 2019-2020-му году планируется замена LINAC 2 на LINAC 4, который будет разгонять протоны до 160 МэВ.

Стоит отметить, что на коллайдере также разгоняют ионы свинца, которые позволят изучить кварк-глюонную плазму. Их разгоняют в кольце LINAC 3, аналогичном LINAC 2. В дальнейшем также планируются эксперименты с аргоном и ксеноном.

Далее пакеты протонов поступают в протон-синхронный бустер (PSB). Он состоит из четырех наложенных колец диаметром 50 метров, в которых располагаются электромагнитные резонаторы. Создаваемое ими электромагнитное поле имеет высокую напряженность, и проходящая через него частица получает ускорение в результате разности потенциалов поля. Так спустя всего 1,2 секунды частицы разгоняются в PSB до 91% скорости света и достигают энергии в 1,4 ГэВ, после чего поступают в протонный-синхротрон (PS). Диаметр PS составляет 628 метров и оснащен 27 магнитами, направляющими пучок частиц по круговой орбите. Здесь частиц протоны достигают 26 ГэВ.

Предпоследним кольцом для разгона протонов служит Суперпротонный-синхротрон (SPS), длина окружности которого достигает 7 километров. Будучи оснащенным 1317-ю магнитами SPS разгоняет частицы до энергии в 450 ГэВ. Спустя примерно 20 минут пучок протонов попадает в основное кольцо – Большой адронный коллайдер (LHC).

Разгон и столкновение частиц в LHC

Переходы между кольцами ускорителей происходят посредством электромагнитных полей, создаваемых мощными магнитами. Основное кольцо коллайдеро состоит из двух параллельных линий, в которых частицы движутся по кольцевой орбите в противоположном направлении. За сохранение круговой траектории частиц и направление их в точки столкновения отвечают около 10 000 магнитов, масса некоторых из них достигает 27 тонн. Во избежание перегрева магнитов используется контур гелия-4, по которому протекает примерно 96 тонн вещества при температуре -271,25 ° С (1,9 К). Протоны достигают энергии в 6,5 ТэВ (то есть энергия столкновения – 13 ТэВ), при этом их скорость на 11 км/ч меньше скорости света. Таким образом за секунду пучок протонов проходит большое кольцо коллайдера 11 000 раз.

Прежде, чем произойдет столкновение частиц, они будут циркулировать по кольцу от 5 до 24 часов.

Столкновение частиц происходит в четырех точках основного кольца LHC, в которых располагаются четыре детектора: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb.

Детекторы Большого адронного коллайдера

ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)

— является одним из двух детекторов общего назначения на Большом адронном коллайдере (LHC). Он исследует широкий спектр физики: от поиска бозона Хиггса до частиц, которые могут составлять темную материю. Хотя он имеет те же научные цели, что и эксперимент CMS, ATLAS использует иные технические решения и другую конструкцию магнитной системы.

Пучки частиц из LHC сталкиваются в центре детектора ATLAS, образуя встречные обломки в виде новых частиц, которые вылетают из точки столкновения во всех направлениях. Шесть различных детектирующих подсистем, расположенных в слоях вокруг точки столкновения, записывают пути, импульс и энергию частиц, позволяя их индивидуально идентифицировать.

Огромная система магнитов искривляет пути заряженных частиц, так что их импульсы можно измерить.

Взаимодействия в детекторе ATLAS создают огромный поток данных. Чтобы обработать эти данные, ATLAS использует расширенную «триггерную» систему, позволяющую сообщать детектору, какие события записывать, а какие игнорировать. Затем для анализа зарегистрированных событий столкновения используются сложные системы сбора данных и вычисления.

Детектор имеет высоту 46 метров и ширину – 25 метров, при этом его масса составляет 7 000 тонн. Эти параметры делает ATLAS самым большим детектором частиц, когда-либо созданным. Он находится в тоннеле на глубине в 100 м вблизи главного объекта ЦЕРН, недалеко от деревни Мейрин в Швейцарии. Установка состоит из 4 основных компонентов:

  • Внутренний детектор имеет цилиндрическую форму, внутреннее кольцо находится всего в нескольких сантиметрах от оси проходящего пучка частиц, а внешнее кольцо имеет диаметр в 2,1 метра и длину 6,2 метра. Он состоит из трех различных систем датчиков, погруженных в магнитное поле. Внутренний детектор измеряет направление, импульс и заряд электрически заряженных частиц, образующихся при каждом протон-протонном столкновении. Основные элементы внутреннего детектора: пиксельный детектор (Pixel Detector), полупроводниковая система слежения (Semi-Conductor Tracker, SCT) и трековый детектор переходного излучения (Transition radiation tracker, TRT).

  • Калориметры измеряют энергию, которую частица теряет, когда проходит через детектор. Он поглощает частицы, возникающие при столкновении, тем самым фиксирую их энергию. Калориметры состоят из слоев «поглощающего» материала с высокой плотностью — свинца, чередующегося со слоями «активной среды» — жидкого аргона. Электромагнитные калориметры измеряют энергию электронов и фотонов при взаимодействии с веществом. Адронные калориметры измеряют энергию адронов при взаимодействии с атомными ядрами. Калориметры могут останавливать большинство известных частиц, кроме мюонов и нейтрино.

LAr (Liquid Argon Calorimeter) — калориметр ATLAS

  • Мюонный спектрометр – состоит из 4000 индивидуальных мюонных камер, использующих четыре различные технологи, позволяющие, идентифицировать мюоны и измерить их импульсы. Мюоны обычно проходят через внутренний детектор и калориметр, а потому требуется наличие мюонного спектрометра.

  • Магнитная система ATLAS изгибает частицы вокруг различных слоев детекторных систем, что упрощает отслеживание треков частиц.

В эксперименте ATLAS (февраль 2012 г.) работают более 3 000 ученых из 174 институтов из 38 стран.

CMS (Compact Muon Solenoid)

— является детектором общего назначения на Большом адронном коллайдере (LHC). Как и ATLAS, имеет широкую физическую программу, начиная от изучения стандартной модели (включая бозон Хиггса) до поиска частиц, которые могут составлять темную материю. Хотя он имеет те же научные цели, что и эксперимент ATLAS, CMS использует иные технические решения и другую конструкцию магнитной системы.

Детектор CMS построен вокруг огромного магнита соленоида. Представляет собой цилиндрическую катушку сверхпроводящего кабеля, которая генерирует поле в 4 тесла, примерно в 100 000 раз превышающее магнитное поле Земли. Поле ограничено стальным «хамутом», который является массивнейшим компонентом детектора, масса которого — 14 000 тонн. Полный детектор имеет длину — 21 м, ширину — 15 м и высоту — 15 м. Установка состоит из 4 основных компонентов:

  • Магнит соленоида – крупнейший магнит в мире, который служит для изгиба траектории заряженных частиц, вылетающих из точки столкновения. Искажение траектории позволяет различить положительно и отрицательно заряженные частицы (т.к. они изгибаются в противоположных направлениях), а также измерить импульс, величина которого зависит от кривизны траектории. Огромные размеры соленоида позволяют расположить трекер и калориметры внутри катушки.
  • Кремниевый трекер — состоит из 75 миллионов отдельных электронных датчиков, расположенных в концентрических слоях. Когда заряженная частица пролетает через слои трекера, она передает часть энергии каждому слою, объединение этих точек столкновения частицы с различными слоями позволяет в дальнейшем определить ее траекторию.
  • Калориметры – электронный и адронный см. калориметры ATLAS.
  • Саб-детекторы – позволяют детектировать мюоны. Представлены 1 400 мюонными камерами, которые слоями располагаются вне катушки, чередуясь с металлическими пластинами «хамута».

Эксперимент CMS является одним из крупнейших международных научных исследований в истории, в котором принимают участие 4300 человек: физики в области элементарных частиц, инженеры и техники, студенты и вспомогательный персонал из 182 институтов, 42 стран (февраль 2014 года).

ALICE (A Large Ion Collider Experiment)

— представляет собой детектор тяжелых ионов на кольцах большого адронного коллайдера (LHC). Он предназначен для изучения физики сильно взаимодействующего вещества при экстремальных плотностях энергии, где образуется фаза вещества, называемая кварк-глюонной плазмой.

Вся обычная материя в сегодняшней вселенной состоит из атомов. Каждый атом содержит ядро, состоящее из протонов и нейтронов (кроме водорода, не имеющего нейтронов), окруженного облаком электронов. Протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из кварков, связанных вместе с другими частицами, называемыми глюонами. Никакой кварк никогда не наблюдался изолированно: кварки, а также глюоны, по-видимому, постоянно связаны вместе и ограничены внутри составных частиц, таких как протоны и нейтроны. Это называется конфайнментом.

Столкновения в LHC создают температуры более чем в 100 000 раз более горячее, чем в центре Солнца. Колллайдер обеспечивает столкновения между свинцовыми ионами, воссоздавая условия, аналогичные тем, которые имели место сразу после Большого Взрыва. В этих экстремальных условиях протоны и нейтроны «расплавляются», освобождая кварки от их связей с глюонами. Это и есть кварк-глюонная плазма.

В эксперименте ALICE используется детектор ALICE массой 10 000 тонн, 26 м в длину, 16 м в высоту и 16 м в ширину. Устройство состоит из трех основных комплектов компонентов: трэкинговых устройств, калориметров и детекторов-идентификаторов частиц. Также его разделяют на 18 модулей. Детектор находится в тоннеле на глубине 56 м под, недалеко от деревни Сент-Денис-Пуйи во Франции.

Эксперимент насчитывает более 1 000 ученых из более чем 100 институтов физики в 30 странах.

LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment)

– в рамках эксперимента проводится исследование небольших различий между веществом и антиматерией, изучая тип частицы, называемый «бьюти-кварк» или «b-кварк».

Вместо того, чтобы окружать всю точку столкновения с помощью закрытого детектора, как ATLAS и CMS, эксперимент LHCb использует серию сабдетекторов для обнаружения преимущественно передних частиц — тех, которые были направлены вперед в результате столкновения в одном направлении. Первый сабдетектор установлен близко к точке столкновения, а остальные — один за другим на расстоянии 20 метров.

На LHC создается большое изобилие различных типов кварков, прежде чем они быстро распадаются на другие формы. Чтобы поймать b-кварки, для LHCb были разработаны сложные движущиеся следящие детекторы, расположенные вблизи движения пучка частиц по коллайдеру.

5600-тонный детектор LHCb состоит из прямого спектрометра и плоских детекторов. Это 21 метр в длину, 10 метров в высоту и 13 метров в ширину, он находится на глубине 100 метров под землей. Около 700 ученых из 66 различных институтов и университетов вовлечены в эксперимент LHCb (октябрь 2013 г.).

Другие эксперименты на коллайдере

Помимо вышеперечисленных экспериментов на Большом адронном коллайдере есть другие два эксперимента с установками:

  • LHCf (Large Hadron Collider forward) — изучает частицы, выброшенные вперед после столкновения пучков частиц. Они имитируют космические лучи, исследованием которых и занимаются ученые в рамках эксперимента. Космические лучи — это естественные заряженные частицы из космического пространства, которые постоянно бомбардируют земную атмосферу. Они сталкиваются с ядрами в верхней атмосфере, вызывая каскад частиц, которые достигают уровня земли. Изучение того, как столкновения внутри LHC вызывают подобные каскады частиц, поможет физикам интерпретировать и откалибровать крупномасштабные эксперименты с космическими лучами, которые могут охватывать тысячи километров.

LHCf состоит из двух детекторов, которые расположены вдоль LHC, на расстоянии 140 метров с обеих сторон он точки столкновения ATLAS. Каждый из двух детекторов весит всего 40 килограммов и имеет размеры 30 см в длину, 80 см в высоту и 10 см в ширину. В эксперименте LHCf участвуют 30 ученых из 9 институтов в 5 странах (ноябрь 2012 г.).

  • TOTEM (Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation) – эксперимент с самой длинной установкой на коллайдере. Его задачей является исследование самих протонов, путем точного измерения протонов, возникающих при столкновениях под малыми углами. Эта область известна как «прямое» направление и недоступна другим экспериментам LHC. Детекторы TOTEM распространяются почти на полкилометра вокруг точки взаимодействия CMS. TOTEM имеет почти 3 000 кг оборудования, в том числе четыре ядерных телескопа, а также 26 детекторов типа «римский горшок». Последний тип позволяет расположить детекторы максимально близко к пучку частиц. Эксперимент TOTEM включает около 100 ученых из 16 институтов в 8 странах (август 2014 года).

Зачем нужен Большой адронный коллайдер?

Крупнейшая международная научная установка исследует широкий спектр физических задач:

  • Изучение топ-кварков. Данная частица является не только самым тяжелым кварком, но и самой тяжелой элементарной частицей. Исследование свойств топ-кварка также имеет смысл, потому что он является инструментом для исследования .
  • Поиск и изучение бозона Хиггса. Хотя ЦЕРН утверждает, что бозон Хиггса был уже обнаружен (в 2012-м году), пока о его природе известно совсем немного и дальнейшие исследования могли бы внести большую ясность в механизм его работы.

  • Изучение кварк-глюонной плазмы. При столкновениях ядер свинца на больших скоростях – в коллайдере образуется . Ее исследование может принести результаты, полезные как для ядерной физики (улучшение теории сильных взаимодействий), так и для астрофизики (изучение Вселенной в ее первые моменты существования).
  • Поиск суперсимметрии. Это исследование направлено на опровержение или доказательство «суперсимметрии» — теории, согласно которой любая элементарная частица имеет более тяжелого партнера, называемого «суперчастицей».
  • Исследование фотон-фотонных и фотон-адронных столкновений. Позволит улучшить понимание механизмов процессов подобных столкновений.
  • Проверка экзотических теорий. К этой категории задач относятся самые нетрадиционные – «экзотические», например, поиск параллельных вселенных посредством создания мини-черных дыр.

Кроме этих задач, существует еще множество других, решение которых также позволит человечеству понимать природу и окружающий нас мир на более качественном уровне, что в свою очередь откроет возможности для создания новых технологий.

Практическая польза Большого адронного коллайдера и фундаментальной науки

Прежде всего, следует отметить, что фундаментальные исследования привносят вклад в фундаментальную науку. Применением же этих знаний занимается прикладная наука. Сегмент общества, не осведомленный в пользе фундаментальной науки зачастую не воспринимает открытие бозона Хиггса или создание кварк-глюонной плазмы, как нечто значимое. Связь подобных исследований с жизнью рядового человека – неочевидно. Рассмотрим краткий пример с атомной энергетикой:

В 1896-м году французский физик Антуан Анри Беккерель открыл явление радиоактивности. Долгое время считалось, что к ее промышленному использованию человечество перейдет нескоро. Всего за пять лет до запуска первого в истории ядерного реактора великий физик Эрнест Резерфорд, собственно открывший атомное ядро в 1911-м году, говорил, что атомная энергия никогда не найдет своего применения. Переосмыслить свое отношение к энергии, заключенной в ядре атома, специалистам удалось в 1939 году, когда немецкие ученые Лиза Мейтнер и Отто Ган обнаружили, что ядра урана при облучении их нейтронами делятся на две части с выделением огромного количества энергии — ядерной энергии.

И лишь после этого последнего звенья ряда фундаментальных исследований в игру вступила прикладная наука, которая на основе этих открытий изобрела устройство для получения ядерной энергии – атомный реактор. Масштаб открытия можно оценить, ознакомившись с долей выработки электроэнергии атомными реакторами. Так в Украине, например, на АЭС выпадает 56% выработки электроэнергии, а во Франции и вовсе – 76%.

Все новые технологии основываются на тех или иных фундаментальных знаниях. Приведем еще пару кратких примеров:

  • В 1895-м году Вильгельм Конрад Рентген заметил, что под действием рентгеновского излучения фотопластинка затемняется. Сегодня рентгенография – одно из наиболее применяемых исследований в медицине, позволяющая изучить состояние внутренних органов и обнаружить инфекции и опухали.
  • В 1915-м году Альберт Эйнштейн предложил свою . Сегодня эта теория учитывается при работе GPS спутников, которые определяют местоположение объекта с точностью до пары метров. GPS применяется в сотовой связи, картографии, мониторинге транспорта, но в первую очередь – в навигации. Погрешность спутника, не учитывающего ОТО, с момента запуска росла бы на 10 километров в день! И если пешеход может воспользоваться разумом и бумажной картой, то пилоты авиалайнера попадут в затруднительную ситуацию, так как ориентироваться по облакам – невозможно.

Если сегодня практическое применение открытиям, произошедшим на LHC еще не найдено – это не значит, что ученые «возятся на коллайдере зря». Как известно, человек разумный всегда намеревается получить максимум практического применения из имеющихся знаний, а потому знания о природе, накопленные в процессе исследования на БАК, определенно найдут свое применение, рано или поздно. Как уже было продемонстрировано выше – связь фундаментальных открытий и использующих их технологий иногда может быть совсем не очевидна.

Напоследок, отметим так называемые косвенные открытия, которые не ставятся как изначальные цели исследования. Они встречаются довольно часто, так как для совершения фундаментального открытия, обычно, требуется внедрение и использование новых технологий. Так развитие оптики получило толчок от фундаментальных исследований космоса, строящихся на наблюдениях астрономов через телескоп. В случае с ЦЕРН – так возникла повсеместно применяемая технология – Интернет, проект, предложенный Тимом Бернерсом-Ли в 1989-м году для облегчения поиска данных организации ЦЕРН.

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.

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?

Сокращённо БАК (англ. Large Hadron Collider, сокращённо LHC) — ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в ЦЕРНе (Европейский совет ядерных исследований), находящемся около Женевы, на границе Швейцарии и Франции. БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 тыс. учёных и инженеров из более чем 100 стран.

Большим назван 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; коллайдером (англ. collider — сталкиватель) — из-за того, что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках столкновения.

Технические характеристики BAK

В ускорителе предполагается сталкивать 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. На начало 2010 года БАК уже несколько превзошел по энергии протонов предыдущего рекордсмена — протон-антипротонный коллайдер Тэватрон, который до конца 2011 года работал в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (США). Несмотря на то, что наладка оборудования растягивается на годы и ещё не завершена, БАК уже стал самым высокоэнергичным ускорителем элементарных частиц в мире, на порядок превосходя по энергии остальные коллайдеры, в том числе и релятивистский коллайдер тяжёлых ионов RHIC, работающий в Брукхейвенской лаборатории (США).

Светимость БАК во время первых недель работы пробега была не более 1029 частиц/см 2 ·с, тем не менее она продолжает постоянно повышаться. Целью является достижение номинальной светимости в 1,7·1034 частиц/см 2 ·с, что по порядку величины соответствует светимостям BaBar (SLAC, США) и Belle (англ.) (KEK, Япония).

Ускоритель расположен в том же туннеле, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер . Туннель с длиной окружности 26,7 км проложен 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).

ATLAS, CMS, ALICE, LHCb — большие детекторы, расположенные вокруг точек столкновения пучков. Детекторы TOTEM и LHCf — вспомогательные, находятся на удалении в несколько десятков метров от точек пересечения пучков, занимаемых детекторами CMS и ATLAS соответственно, и будут использоваться попутно с основными.

Детекторы ATLAS и CMS — детекторы общего назначения, предназначены для поиска бозона Хиггса и «нестандартной физики», в частности тёмной материи, ALICE — для изучения кварк-глюонной плазмы в столкновениях тяжёлых ионов свинца, LHCb — для исследования физики b-кварков, что позволит лучше понять различия между материей и антиматерией, TOTEM — предназначен для изучения рассеяния частиц на малые углы, таких что происходит при близких пролётах без столкновений (так называемые несталкивающиеся частицы, forward particles), что позволяет точнее измерить размер протонов, а также контролировать светимость коллайдера, и, наконец, LHCf — для исследования космических лучей, моделируемых с помощью тех же несталкивающихся частиц.

С работой БАК связан также седьмой, совсем незначительный в плане бюджета и сложности, детектор (эксперимент) MoEDAL, предназначенный для поиска медленно движущихся тяжёлых частиц.

Во время работы коллайдера столкновения проводятся одновременно во всех четырёх точках пересечения пучков, независимо от типа ускоряемых частиц (протоны или ядра). При этом все детекторы одновременно набирают статистику.

Ускорение частиц в коллайдере

Скорость частиц в БАК на встречных пучках близка к скорости света в вакууме. Разгон частиц до таких больших энергий достигается в несколько этапов. На первом этапе низкоэнергетичные линейные ускорители Linac 2 и Linac 3 производят инжекцию протонов и ионов свинца для дальнейшего ускорения. Затем частицы попадают в PS-бустер и далее в сам PS (протонный синхротрон), приобретая энергию в 28 ГэВ. При этой энергии они уже движутся со скоростью близкой к световой. После этого ускорение частиц продолжается в SPS (протонный суперсинхротрон), где энергия частиц достигает 450 ГэВ. Затем сгусток протонов направляют в главное 26,7-километровое кольцо, доводя энергию протонов до максимальных 7 ТэВ, и в точках столкновения детекторы фиксируют происходящие события. Два встречных пучка протонов при полном заполнении могут содержать 2808 сгустков каждый. На начальных этапах отладки процесса ускорения циркулируют лишь по одному сгустку в пучке длиной несколько сантиметров и небольшого поперечного размера. Затем начинают увеличивать количество сгустков. Сгустки располагаются в фиксированных позициях относительно друг друга, которые синхронно движутся вдоль кольца. Сгустки в определённой последовательности могут сталкиваться в четырёх точках кольца, где расположены детекторы частиц.

Кинетическая энергия всех сгустков адронов в БАКе при полном его заполнении сравнима с кинетической энергией реактивного самолета, хотя масса всех частиц не превышает нанограмма и их даже нельзя увидеть невооружённым глазом. Такая энергия достигается за счёт скорости частиц, близкой к скорости света.

Сгустки проходят полный круг ускорителя быстрее, чем за 0,0001 сек, совершая, таким образом, свыше 10 тыс. оборотов в секунду

Цели и задачи БАК

Главная задача Большого адронного коллайдера — выяснить устройство нашего мира на расстояниях меньше 10 –19 м, «прощупав» его частицами с энергией несколько ТэВ. К настоящему времени уже накопилось много косвенных свидетельств того, что на этом масштабе физикам должен открыться некий «новый пласт реальности», изучение которого даст ответы на многие вопросы фундаментальной физики. Каким именно окажется этот пласт реальности — заранее не известно. Теоретики, конечно, предложили уже сотни разнообразных явлений, которые могли бы наблюдаться на энергиях столкновений в несколько ТэВ, но именно эксперимент покажет, что на самом деле реализуется в природе.

Поиск Новой физики Стандартную модель не может считаться окончательной теорией элементарных частиц. Она должна быть частью некоторой более глубокой теории строения микромира, той частью, которая видна в экспериментах на коллайдерах при энергиях ниже примерно 1 ТэВ. Такие теории коллективно называют «Новая физика» или «За пределами Стандартной модели». Главная задача Большого адронного коллайдера — получить хотя бы первые намеки на то, что это за более глубокая теория. Для дальнейшего объединения фундаментальных взаимодействий в одной теории используются различные подходы: теория струн, получившая своё развитие в М-теории (теории бран), теория супергравитации, петлевая квантовая гравитация и др. Некоторые из них имеют внутренние проблемы, и ни у одной из них нет экспериментального подтверждения. Проблема в том, что для проведения соответствующих экспериментов нужны энергии, недостижимые на современных ускорителях заряженных частиц. БАК позволит провести эксперименты, которые ранее были невозможны и, вероятно, подтвердит или опровергнет часть этих теорий. Так, существует целый спектр физических теорий с размерностями больше четырёх, которые предполагают существование «суперсимметрии» — например, теория струн, которую иногда называют теорией суперструн именно из-за того, что без суперсимметрии она утрачивает физический смысл. Подтверждение существования суперсимметрии, таким образом, будет косвенным подтверждением истинности этих теорий. Изучение топ-кварков Топ-кварк — самый тяжёлый кварк и, более того, это самая тяжёлая из открытых пока элементарных частиц. Согласно последним результатам Тэватрона, его масса составляет 173,1 ± 1,3 ГэВ/c 2 . Из-за своей большой массы топ-кварк до сих пор наблюдался пока лишь на одном ускорителе — Тэватроне, на других ускорителях просто не хватало энергии для его рождения. Кроме того, топ-кварки интересуют физиков не только сами по себе, но и как «рабочий инструмент» для изучения бозона Хиггса. Один из наиболее важных каналов рождения бозона Хиггса в БАК — ассоциативное рождение вместе с топ-кварк-антикварковой парой. Для того, чтобы надёжно отделять такие события от фона, предварительно необходимо изучение свойств самих топ-кварков. Изучение механизма электрослабой симметрии Одной из основных целей проекта является экспериментальное доказательство существования бозона Хиггса — частицы, предсказанной шотландским физиком Питером Хиггсом в 1964 году в рамках Стандартной модели. Бозон Хиггса является квантом так называемого поля Хиггса, при прохождении через которое частицы испытывают сопротивление, представляемое нами как поправки к массе. Сам бозон нестабилен и имеет большую массу (более 120 ГэВ/c 2). На самом деле, физиков интересует не столько сам бозон Хиггса, сколько хиггсовский механизм нарушения симметрии электрослабого взаимодействия. Изучение кварк-глюонной плазмы Ожидается, что примерно один месяц в год будет проходить в ускорителе в режиме ядерных столкновений. В течение этого месяца коллайдер будет разгонять и сталкивать в детекторах не протоны, а ядра свинца. При неупругом столкновении двух ядер на ультрарелятивистских скоростях на короткое время образуется и затем распадается плотный и очень горячий комок ядерного вещества. Понимание происходящих при этом явлений (переход вещества в состояние кварк-глюонной плазмы и её остывание) нужно для построения более совершенной теории сильных взаимодействий, которая окажется полезной как для ядерной физики, так и для астрофизики. Поиск суперсимметрии Первым значительным научным достижением экспериментов на БАК может стать доказательство или опровержение «суперсимметрии» — теории, гласящей, что любая элементарная частица имеет гораздо более тяжёлого партнера, или «суперчастицу». Изучение фотон-адронных и фотон-фотонных столкновений Электромагнитное взаимодействие частиц описывается как обмен (в ряде случаев виртуальными) фотонами. Другими словами, фотоны являются переносчиками электромагнитного поля. Протоны электрически заряжены и окружены электростатическим полем, соответственно это поле можно рассматривать как облако виртуальных фотонов. Всякий протон, особенно релятивистский протон, включает в себя облако виртуальных частиц как составную часть. При столкновении протонов между собой взаимодействуют и виртуальные частицы, окружающие каждый из протонов. Математически процесс взаимодействия частиц описывается длинным рядом поправок, каждая из которых описывает взаимодействие посредством виртуальных частиц определённого типа (см. : диаграммы Фейнмана). Таким образом, при исследовании столкновения протонов косвенно изучается и взаимодействие вещества с фотонами высоких энергий, представляющее большой интерес для теоретической физики. Также рассматривается особый класс реакций — непосредственное взаимодействие двух фотонов, которые могут столкнуться как со встречным протоном, порождая типичные фотон-адронные столкновения, так и друг с другом. В режиме ядерных столкновений, из-за большого электрического заряда ядра, влияние электромагнитных процессов имеет ещё большее значение. Проверка экзотических теорий Теоретики в конце XX века выдвинули огромное число необычных идей относительно устройства мира, которые все вместе называются «экзотическими моделями». Сюда относятся теории с сильной гравитацией на масштабе энергий порядка 1 ТэВ, модели с большим количеством пространственных измерений, преонные модели, в которых кварки и лептоны сами состоят из частиц, модели с новыми типами взаимодействия. Дело в том, что накопленных экспериментальных данных оказывается всё ещё недостаточно для создания одной-единственной теории. А сами все эти теории совместимы с имеющимися экспериментальными данными. Поскольку в этих теориях можно сделать конкретные предсказания для БАК, экспериментаторы планируют проверять предсказания и искать следы тех или иных теорий в своих данных. Ожидается, что результаты, полученные на ускорителе, смогут ограничить фантазию теоретиков, закрыв некоторые из предложенных построений. Другое Также ожидается обнаружение физических явлений вне рамок Стандартной Модели. Планируется исследование свойств W и Z-бозонов, ядерных взаимодействий при сверхвысоких энергиях, процессов рождения и распадов тяжёлых кварков (b и t).

Большой адронный коллайдер. Справка | Наука | Общество

Ровно 10 лет назад ученые запустили самый мощный в мире ускоритель заряженных частиц: большой адронный коллайдер. БАК считается самой крупной экспериментальной установкой в мире. Его создавали всем миром. Часть разработок базировалась на трудах советских ученых. В целом в строительстве БАКа и последующих исследованиях на нем принимали и принимают участие более 10 тысяч ученых и инженеров почти из 100 стран мира.

Фото: Shutterstock.com

Что представляет собой коллайдер и сколько он стоит?

Это кольцевой туннель длиной 27 километров и глубиной 100 метров, из-за чего его и называют большим. Адронным он назван из-за того, что ускоряет адроны (протоны и тяжелые ядра атомов). Коллайдером установка называется из-за сталкивания двух пучков ускоренных частиц во встречных направлениях в специальных местах столкновения. Место его расположения — ЦЕРН (Европейский совет ядерных исследований). Он находится на границе двух стран, — Швейцарии и Франции — недалеко от Женевы. Стоимость строительства оценивается специалистами в 13,2 млрд долларов.

История запуска

Идея создания коллайдера появилась еще в 1984 году. Однако строительство началось только в 2001 году. Фактически коллайдер запустили только 10 сентября 2008 года. 19 сентября произошла авария, в результате чего БАК вышел из строя. Ученые сообщили о том, что один из электрических контактов между сверхпроводящими магнитами расплавился под действием электрической дуги, которая пробила изоляцию гелиевой системы охлаждения. Это привело к деформации конструкций, загрязнению внутренней поверхности вакуумной трубы, а также выбросу около 6 тонн жидкого гелия в туннель. Специалисты были вынуждены остановить работу коллайдера. Ремонт занял весь остаток 2008 и часть 2009 года. В последующие годы коллайдер работал на пониженной энергии. Сначала протонные столкновения проводились на уровне энергии 1180 ГэВ на каждый пучок. С течением времени объем энергии стали увеличивать и дошли до отметки 4 ТэВ. За это время самым значимым достижением стало открытие бозона Хиггса. Это элементарная частица, квант поля Хиггса, возникающая в Стандартной модели. По словам профессора Карла Якобса, открытый бозон сначала назвали «чертовой частицей», а потом журналисты прозвали ее «частицей Бога».

Зачем он нужен?

Физик Андрей Ростовцев поясняет, что БАК предназначен для того, чтобы изучать фундаментальные законы природы, которые нам еще неизвестны. По его словам, коллайдер помогает искать и открывать новые частицы, которые помогут восполнить пробелы в представлении о мире. «Мы знаем, что наша модель, которая используется для описания мира, неполная. Должны существовать какие-то новые частицы, какие-то новые явления, которые сделают картину полной и согласованной. Для этого нужны ускорители большой энергии. В этих целях и был построен Большой адронный коллайдер. Мы знаем, что с помощью него экспериментально был обнаружен бозон Хиггса, за которым охотились в течение 40-50 лет. И только коллайдер позволил подтвердить, что такая частица существует. И все равно наше представление о мире противоречиво. И, чтобы устранить это противоречие, должны быть обнаружены еще такие же частицы, как бозон Хиггса», — заявил Ростовцев.

Смотрите также:

Заглянуть на 14 млрд лет назад: зачем нужен кольцевой коллайдер будущего

https://ria.ru/20190226/1551341736.html

Заглянуть на 14 млрд лет назад: зачем нужен кольцевой коллайдер будущего

Заглянуть на 14 млрд лет назад: зачем нужен кольцевой коллайдер будущего — РИА Новости, 26.02.2019

Заглянуть на 14 млрд лет назад: зачем нужен кольцевой коллайдер будущего

Недавно Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН) представила концептуальный проект Будущего кольцевого коллайдера (Future Circular Collider, FCC),… РИА Новости, 26.02.2019

2019-02-26T09:14

2019-02-26T09:14

2019-02-26T10:54

наука

национальный исследовательский ядерный университет «мифи»

университетская наука

навигатор абитуриента

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/155133/94/1551339436_318:0:3959:2048_1920x0_80_0_0_2f24121665317cff955159e882258006.jpg

Недавно Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН) представила концептуальный проект Будущего кольцевого коллайдера (Future Circular Collider, FCC), который должен прийти на смену Большому адронному коллайдеру. Концепция предполагает создание в окрестностях Женевы тоннеля длинной 100 км, в котором планируется последовательно размещать ускорительные кольца для работы с пучками различных типов: от электронов до тяжелых ядер. Зачем физикам понадобился новый коллайдер, какие задачи он будет решать, и какую роль в этом играют ученные из России корреспонденту РИА Новости рассказал участник проекта FCC, профессор Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» (НИЯУ МИФИ) Виталий Окороков.- Виталий Алексеевич, для чего физикам нужен Будущий кольцевой коллайдер?- Проект FCC – один из важнейших пунктов новой редакции Европейской стратегии по физике частиц, которая формируется сегодня. Ученые из России участвуют в международных проектах в этой области фундаментальной науки — как в исследованиях на коллайдерах, так и в неускорительных экспериментах.В современной физике мир элементарных частиц описывается так называемой Стандартной моделью – квантовой теорией поля, включающей электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия. Состав фундаментальных частиц в этой модели был полностью экспериментально подтвержден с открытием бозона Хиггса в 2012 году на Большом адронном коллайдере (БАК). Однако ответы на многие важнейшие вопросы, например, о природе темной материи, о возникновении асимметрии вещества и антивещества в наблюдаемой Вселенной и так далее, находятся за рамками Стандартной модели. Чтобы найти решения ключевых проблем фундаментальной физики, ученые проектируют новые, все более мощные ускорительные комплексы. — Какие задачи будет решать Будущий кольцевой коллайдер?- Это измерение параметров Стандартной модели с недостижимой прежде точностью, детальное исследование происходящих в очень ранней Вселенной фазовых переходов и свойств материи при экстремальных условиях, поиск сигналов новой физики за рамками Стандартной модели, в том числе, частиц темной материи. С точки зрения физики, очень интересно изучить свойства сильного взаимодействия при сверхвысоких энергиях и развить описывающую его теорию – квантовую хромодинамику. — В чем суть этой теории?- В соответствии с ней, частицы, называемые адронами, например, протоны и нейтроны, имеют сложную внутреннюю структуру, образуемую кварками и глюонами – фундаментальными частицами Стандартной модели, участвующими в сильном взаимодействии. По существующим представлениям кварки и глюоны удерживаются внутри адронов и, даже при экстремальных условиях, могут быть квазисвободными только на линейных масштабах порядка размера атомного ядра. Это ключевая особенность сильного взаимодействия, которая подтверждена большим количеством экспериментальных и теоретических исследований. Однако механизм этого важнейшего явления – удержания кварков и глюонов (конфайнмента) до сих пор не определен. На протяжении нескольких десятилетий проблема конфайнмента неизменно входит во всевозможные списки главных нерешенных вопросов фундаментальной физики.В рамках проекта FCC планируется получить новые экспериментальные данные и существенно продвинуться в понимании свойств сильного взаимодействия, в частности, конфайнмента.- Какими инструментами предполагается решать эти задачи?- Для выполнения обширной программы исследований используется комплексный подход, в соответствии с которым проект FCC включает две стадии. Первая стадия «FCC–ee» предполагает создание электрон-позитронного коллайдера c энергией пучка в диапазоне от 44 до 182.5 гигаэлектронвольт. На второй стадии «FCC–hh» эксперименты будут выполняться на встречных пучках протонов и ядер. В этом случае предполагается ускорять протоны до энергии 50 тераэлектронвольт и тяжелые ядра (свинец) – до 19.5 тераэлектронвольт. Это более чем в семь раз превосходит энергии, достигнутые на самом мощном действующем комплексе БАК. Его вместе со всей имеющейся инфраструктурой планируют использовать для получения пучков ускоренных частиц перед их вводом в основное стокилометровое кольцо нового коллайдера FCC–hh. Сооружение внешнего линейного ускорителя электронов на энергию 60 гигаэлектронвольт позволит реализовать программу детального исследования внутренней структуры протона с помощью глубоко неупругого электрон-протонного рассеяния (FCC–eh).- Разработка и строительство установок такого уровня занимает десятки лет. Когда начнется строительство? Когда предполагается получить первые научные результаты? — В случае принятия концепции, начало реализации интегральной программы FCC планируется около 2020 года. Сооружение лептонного коллайдера FCC–ee займет примерно 18 лет при продолжительности последующей работы около 15 лет. Получается, что длительность первой стадии составит около 35 лет. В ходе функционирования FCC–ee начнется подготовка второй стадии проекта. В соответствии с концепцией, в течение десяти лет после окончания работы FCC–ee будет выполнен его демонтаж, будет сооружено кольцо адронного коллайдера и будут установлены детекторы. Получение новых данных для протонных и ядерных пучков запланировано на середину 2060 гг. Длительность работы FCC с протонными и ядерными пучками планируется около 25 лет и общая продолжительность второй стадии – около 35 лет. Таким образом, предполагается, что эксперименты на FCC продлятся до конца XXI века. Этот проект будет носить действительно глобальный характер.- Какую роль в проекте FCC играют ученые из России, в частности, из НИЯУ МИФИ?- НИЯУ МИФИ совместно с другими российскими организациями активно участвует в проекте FCC и выполняет научные работы как для физической программы будущих исследований, так и для ускорительного комплекса. Ученые НИЯУ МИФИ сделали вклад в концепцию FCC, в частности, в первый том, содержащий описание общей физической программы для всех планируемых типов пучков, и в третий том, посвященный исследованиям с пучками протонов и ядер (FCC–hh). — Расскажите подробнее, пожалуйста.- Как упоминалось выше, при экстремально высоких температурах (в сотни тысяч раз больше, чем в центре Солнца) и плотностях энергии кварки и глюоны могут становиться квазисвободными на ядерных масштабах, образуя новое состояние материи, которое обычно принято называть кварк-глюонной плазмой. Столкновения пучков протонов и различных ядер при сверхвысоких энергиях коллайдера FCC–hh позволят исследовать, в частности, коллективные свойства кварк-глюонной материи, образуемой при взаимодействиях как больших систем (тяжелые ядра), так и малых (протон–протон, протон–ядро), предоставляя уникальные условия для изучения свойств многочастичных состояний. Планируемое для FCC–hh, существенное, по сравнению с БАК, увеличение энергии и интегральной светимости пучков открывает качественно новые возможности по изучению, например, поведения самых тяжелых фундаментальных частиц Стандартной модели – бозона Хиггса (тяжелее протона примерно в 125 раз) и t-кварка (тяжелее протона примерно в 175 раз) – в горячей и плотной кварк-глюонной материи, а также их возможного использования в качестве «зондов» для определения свойств этой материи. Летом 2014 года в ходе дискуссии в Институте физики высоких энергий им. А.А. Логунова Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» было выдвинуто предложение использовать бозоны Хиггса для изучения свойств кварк-глюонной материи. Это предложение вошло одним из пунктов в программу исследований с пучками тяжелых ядер на FCC. По моему мнению, это направление представляет значительный интерес для физики сильных взаимодействий.Мы затронули лишь отдельные аспекты будущих исследований. Научная программа FCC очень обширна и работы в рамках данного проекта продолжаются.

https://ria.ru/20170820/1500544444.html

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2019

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

https://cdnn21.img.ria.ru/images/155133/94/1551339436_773:0:3504:2048_1920x0_80_0_0_f7c488493b0007fd3c47c40c8145f3e5.jpg

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

национальный исследовательский ядерный университет «мифи», университетская наука, навигатор абитуриента

Недавно Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН) представила концептуальный проект Будущего кольцевого коллайдера (Future Circular Collider, FCC), который должен прийти на смену Большому адронному коллайдеру. Концепция предполагает создание в окрестностях Женевы тоннеля длинной 100 км, в котором планируется последовательно размещать ускорительные кольца для работы с пучками различных типов: от электронов до тяжелых ядер. Зачем физикам понадобился новый коллайдер, какие задачи он будет решать, и какую роль в этом играют ученные из России корреспонденту РИА Новости рассказал участник проекта FCC, профессор Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» (НИЯУ МИФИ) Виталий Окороков.

— Виталий Алексеевич, для чего физикам нужен Будущий кольцевой коллайдер?

— Проект FCC – один из важнейших пунктов новой редакции Европейской стратегии по физике частиц, которая формируется сегодня. Ученые из России участвуют в международных проектах в этой области фундаментальной науки — как в исследованиях на коллайдерах, так и в неускорительных экспериментах.

В современной физике мир элементарных частиц описывается так называемой Стандартной моделью – квантовой теорией поля, включающей электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия. Состав фундаментальных частиц в этой модели был полностью экспериментально подтвержден с открытием бозона Хиггса в 2012 году на Большом адронном коллайдере (БАК).

Однако ответы на многие важнейшие вопросы, например, о природе темной материи, о возникновении асимметрии вещества и антивещества в наблюдаемой Вселенной и так далее, находятся за рамками Стандартной модели. Чтобы найти решения ключевых проблем фундаментальной физики, ученые проектируют новые, все более мощные ускорительные комплексы.

20 августа 2017, 08:00НаукаФизики заглянули в первые мгновения после Большого взрыва

— Какие задачи будет решать Будущий кольцевой коллайдер?

— Это измерение параметров Стандартной модели с недостижимой прежде точностью, детальное исследование происходящих в очень ранней Вселенной фазовых переходов и свойств материи при экстремальных условиях, поиск сигналов новой физики за рамками Стандартной модели, в том числе, частиц темной материи.

С точки зрения физики, очень интересно изучить свойства сильного взаимодействия при сверхвысоких энергиях и развить описывающую его теорию – квантовую хромодинамику.

— В чем суть этой теории?

— В соответствии с ней, частицы, называемые адронами, например, протоны и нейтроны, имеют сложную внутреннюю структуру, образуемую кварками и глюонами – фундаментальными частицами Стандартной модели, участвующими в сильном взаимодействии.

По существующим представлениям кварки и глюоны удерживаются внутри адронов и, даже при экстремальных условиях, могут быть квазисвободными только на линейных масштабах порядка размера атомного ядра. Это ключевая особенность сильного взаимодействия, которая подтверждена большим количеством экспериментальных и теоретических исследований.

Однако механизм этого важнейшего явления – удержания кварков и глюонов (конфайнмента) до сих пор не определен. На протяжении нескольких десятилетий проблема конфайнмента неизменно входит во всевозможные списки главных нерешенных вопросов фундаментальной физики.

В рамках проекта FCC планируется получить новые экспериментальные данные и существенно продвинуться в понимании свойств сильного взаимодействия, в частности, конфайнмента.

— Какими инструментами предполагается решать эти задачи?

— Для выполнения обширной программы исследований используется комплексный подход, в соответствии с которым проект FCC включает две стадии. Первая стадия «FCC–ee» предполагает создание электрон-позитронного коллайдера c энергией пучка в диапазоне от 44 до 182.5 гигаэлектронвольт.

На второй стадии «FCC–hh» эксперименты будут выполняться на встречных пучках протонов и ядер. В этом случае предполагается ускорять протоны до энергии 50 тераэлектронвольт и тяжелые ядра (свинец) – до 19.5 тераэлектронвольт. Это более чем в семь раз превосходит энергии, достигнутые на самом мощном действующем комплексе БАК. Его вместе со всей имеющейся инфраструктурой планируют использовать для получения пучков ускоренных частиц перед их вводом в основное стокилометровое кольцо нового коллайдера FCC–hh.

Сооружение внешнего линейного ускорителя электронов на энергию 60 гигаэлектронвольт позволит реализовать программу детального исследования внутренней структуры протона с помощью глубоко неупругого электрон-протонного рассеяния (FCC–eh).

— Разработка и строительство установок такого уровня занимает десятки лет. Когда начнется строительство? Когда предполагается получить первые научные результаты?

— В случае принятия концепции, начало реализации интегральной программы FCC планируется около 2020 года. Сооружение лептонного коллайдера FCC–ee займет примерно 18 лет при продолжительности последующей работы около 15 лет. Получается, что длительность первой стадии составит около 35 лет.

В ходе функционирования FCC–ee начнется подготовка второй стадии проекта. В соответствии с концепцией, в течение десяти лет после окончания работы FCC–ee будет выполнен его демонтаж, будет сооружено кольцо адронного коллайдера и будут установлены детекторы.

Получение новых данных для протонных и ядерных пучков запланировано на середину 2060 гг. Длительность работы FCC с протонными и ядерными пучками планируется около 25 лет и общая продолжительность второй стадии – около 35 лет.

Таким образом, предполагается, что эксперименты на FCC продлятся до конца XXI века. Этот проект будет носить действительно глобальный характер.

20 июня 2018, 09:00НаукаРоссийский коллайдер: как ученые готовят «большой взрыв» в Дубне

— Какую роль в проекте FCC играют ученые из России, в частности, из НИЯУ МИФИ?

— НИЯУ МИФИ совместно с другими российскими организациями активно участвует в проекте FCC и выполняет научные работы как для физической программы будущих исследований, так и для ускорительного комплекса.

Ученые НИЯУ МИФИ сделали вклад в концепцию FCC, в частности, в первый том, содержащий описание общей физической программы для всех планируемых типов пучков, и в третий том, посвященный исследованиям с пучками протонов и ядер (FCC–hh).

— Расскажите подробнее, пожалуйста.

— Как упоминалось выше, при экстремально высоких температурах (в сотни тысяч раз больше, чем в центре Солнца) и плотностях энергии кварки и глюоны могут становиться квазисвободными на ядерных масштабах, образуя новое состояние материи, которое обычно принято называть кварк-глюонной плазмой.

Столкновения пучков протонов и различных ядер при сверхвысоких энергиях коллайдера FCC–hh позволят исследовать, в частности, коллективные свойства кварк-глюонной материи, образуемой при взаимодействиях как больших систем (тяжелые ядра), так и малых (протон–протон, протон–ядро), предоставляя уникальные условия для изучения свойств многочастичных состояний.

Планируемое для FCC–hh, существенное, по сравнению с БАК, увеличение энергии и интегральной светимости пучков открывает качественно новые возможности по изучению, например, поведения самых тяжелых фундаментальных частиц Стандартной модели – бозона Хиггса (тяжелее протона примерно в 125 раз) и t-кварка (тяжелее протона примерно в 175 раз) – в горячей и плотной кварк-глюонной материи, а также их возможного использования в качестве «зондов» для определения свойств этой материи.

Летом 2014 года в ходе дискуссии в Институте физики высоких энергий им. А.А. Логунова Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» было выдвинуто предложение использовать бозоны Хиггса для изучения свойств кварк-глюонной материи. Это предложение вошло одним из пунктов в программу исследований с пучками тяжелых ядер на FCC. По моему мнению, это направление представляет значительный интерес для физики сильных взаимодействий.

Мы затронули лишь отдельные аспекты будущих исследований. Научная программа FCC очень обширна и работы в рамках данного проекта продолжаются.

Зачем нам нужен Большой коллайдер. Ирина Шрайбер. Лекторий. Прямая речь.

А вы знаете, сколько экспериментов идет в эту минуту на Большом адронном коллайдере? Неужели прямо сейчас там по огромной трубе несутся загадочные маленькие частицы? Можно ли их поймать?

Ирина Шрайбер работает в ЦЕРНе — крупнейшей в мире лаборатории, где изучают ядерную физику. И рассказывает о своей работе так понятно и увлекательно, что многие юные слушатели загораются желанием стать физиками. И уж совершенно точно — интерес к науке гарантирован!

На лекции вам представится уникальный шанс из первых рук узнать подробности о работе БАК:

— для чего построили 27 км коллайдера, если там изучают такие крошечные частицы;

— можно ли засунуть в ускоритель частиц руку или голову;

— зачем нам знать про бозон Хиггса и как он связан с весом человека;

— есть ли в России проекты, подобные БАК;

— как попасть в ЦЕРН и что еще осталось нераскрытым в ядерной физике.

«В Европейском центре ядерных исследований, где я работаю, ученые исследуют тайны Вселенной и пытаются понять, откуда она взялась и что ее ждет. А еще физики изобрели самую большую машину времени, которая могла когда-либо существовать! Не верите? Приходите на лекцию и сами убедитесь! Вы увидите, что наука — это нестрашно и очень круто!» — обещает доктор Шрайбер.

Ирина Шрайбер — доктор физико-математических наук, ученый, исследователь, лектор. Научный сотрудник Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН, Женева). В разные годы участник международных научных объединений CDF (Фермилаб, США), CMS и ATLAS (ЦЕРН, Швейцария). Ментор Школы научного лидерства Западно-Сибирского научно-образовательного центра.

Информация о мероприятии:

Рекомендуемый возраст: 7+

Примерная продолжительность: 1 час 15 минут

На каждого взрослого и каждого ребенка приобретается отдельный билет.

Туляки помогали строить коллайдер — Архив Тульских новостей

Корреспондентам «Слободы» удалось попасть на территорию режимного предприятия — Богородицкого завода технохимических изделий и посмотреть, как изготавливаются кристаллы для большого адронного коллайдера.

ЗАЧЕМ НУЖЕН КОЛЛАЙДЕР?
Сейчас весь мир только и говорит о каком-то Большом адронном коллайдере. Что это за зверь такой? Говоря простым языком, группа ученых из более чем 40 стран мира решила узнать ответ на самый главный вопрос физики — как появилась Вселенная, а параллельно решить еще несколько жутко глобальных вопросов. Для этого много лет и строился Большой адронный коллайдер (БАК).
Внешне БАК — это подземный туннель диаметром 3 м и длиной 27 км. Находится он под землей на глубине 100 м на границе Швейцарии и Франции. 10 сентября коллайдер запустили в тестовом режиме. Основные эксперименты здесь будут проводиться в ближайшие год-полтора.
Коллайдером он был назван от английского слова collide (сталкиваться, соударяться), поскольку в гигантской трубе, по задумке ученых, будут разгонять и сталкивать протоны и тяжелые ионы. Результаты разгона и столкновения частиц будут фиксировать детекторы.
Что будет в результате этого столкновения — пока толком неизвестно. Хотя ученые уверены, что ничего страшного. Наоборот, польза одна.
Так это или нет, покажет время, но то, что коллайдер глобален и вызывает интерес всего мира, — это точно.
А между тем важнейшую часть детекторов для коллайдера изготавливали наши земляки — работники Богородицкого завода технохимических изделий.


Большой адронный коллайдер спрятан от человеческих глаз под землей, на глубине около
100 метров. В сравнении с человеком (на снимке слева) коллайдер выглядит просто супергигантом!

КРИСТАЛЛЫ ДЛЯ ЭКПЕРИМЕНТА РАСТИЛИ ПОД ТУЛОЙ
Для одного из экспериментов коллайдера ученым потребовался электромагнитный калориметр из более чем 80000 кристаллов специального материала — вольфрамата свинца. Откуда взять эти кристаллы? В мире подобного производства практически нет. Заводы, предлагавшие свою продукцию, либо не могли выполнить такой крупный заказ, либо производили кристаллы, не устраивавшие организаторов проекта по качеству и цене.
Ответ на свой вопрос ученые из Европейского центра ядерных исследований неожиданно получили в России. А точнее, в Богородицке! Здесь с конца 60-х годов выращивали кристаллы, которые использовались в производстве преобразователей сигнала для отечественных телевизоров. От советской эпохи осталось огромное невостребованное предприятие, зато на нем сохранилось оборудование — 120 специальных печей. Они вполне подходили для выращивания кристаллов, необходимых для коллайдера!


Кристаллы для известного во всем мире коллайдера растили именно в этих печах
на территории Богородицкого завода технохимических изделий.


Эту красивую награду от Европейского центра ядерных исследований
туляки получили за кристаллы для коллайдера.

«СЛОБОДА» УЗНАЛА, КАК РАСТУТ КРИСТАЛЛЫ
Корреспонденты «Слободы» приехали на предприятие в разгар рабочего дня. Предприятие режимное, по территории ходит вооруженная охрана.
Генеральный директор завода Алексей Бабердин рассказал, как выращивают кристаллы, и поделился своими впечатлениями от большого адронного коллайдера, в котором ему довелось побывать.
— Я бываю там довольно часто, — говорит Алексей Викторович, — и каждый раз восхищение мощью человеческого разума переполняет меня через край. Это настоящий фантастический фильм! Такого количества техники и электроники, расположенной в одном месте, я не видел никогда — это что-то потрясающее! Стоишь около этой гигантской установки и чувствуешь себя очень маленьким.
Алексей Бабердин показал и сам кристалл, который применяется в коллайдере. По-научному он называется вольфрамат свинца, а на вид прозрачный как стекло. Нам даже удалось подержать его в руках. Брусок сантиметров двадцать длиной весит килограмма полтора, а стоит более 1000 долларов. У этого материала очень высокая плотность — практически как у легированной стали.
— Таких производств, как у нас, было в России всего два, — рассказывает Алексей Бабердин. — На втором заводе — «Северный кристалл» — сейчас кристаллы уже не делают.
Всего на производстве кристаллов работает 250 человек. Производительность — от 1000 до 1200 кристаллов в месяц. Кстати, это ровно столько же, сколько весь Китай делает года за два! Кристаллы растут в специальных установках. Один кристалл растет двое суток, а затем его механическим способом обрабатывают.
Кристалл должен быть идеально ровным, так что его геометрические параметры измеряют по ста точкам. А после на закрытом предприятии, находящемся за пределами Тульской области, все кристаллы тщательно проверяют на радиационную стойкость.


К коллайдеру богородицкие кристаллы доставляли в специальных коробках,
в которых им не страшно падение с высоты в один метр.


После того как кристалл готов, его осматривают специалисты:
нет ли сколов и трещин, ровная ли у него поверхность.

ТУЛЬСКИХ УМЕЛЬЦЕВ НАГРАДИЛИ ФИЗИКИ
Кстати, в большой адронный коллайдер кристаллы поставляли и другие фирмы, но чисто номинально. К примеру, Шанхайский институт керамики тоже их производил и поставлял, но китайские кристаллы в коллайдере установили в самые ненагруженные части калориметра — слишком уж ненадежные. Из-за этого ученые выбрали именно богородицких умельцев.
— Для эксперимента мы сделали 75000 кристаллов из 80000, — говорит Алексей Бабердин. — Наш вклад был так высоко оценен Европейской организацией по ядерным исследованиям, что она наградила завод Бриллиантовой наградой за 2008 год — «за беспрецедентную продуктивность и количество изготовленных кристаллов»!

БУДЕТ ЛИ КОЛЛАЙДЕР ПОЛЕЗЕН ЧЕЛОВЕЧЕСТВУ?
— В результате эксперимента на БАК может открыться путь к управлению гравитацией (земным притяжением. — Прим. авт.)! — считает Алексей Бабердин. — Это произойдет лишь в том случае, если будет подтверждено существование частицы под названием бозон Хиггса, отвечающей за массу и гравитацию. Применение результатов эксперимента — дело нескольких десятилетий. Но сейчас прогресс ускоряется. И если бозон Хиггса все-таки будет открыт, то я не удивлюсь, если лет через 15 мы научимся управлять гравитацией.
Многие обыватели опасаются, что Землю в результате эксперимента с коллайдером может поглотить огромная черная дыра. Другие считают, что велика вероятность мощнейшего взрыва. Но у физиков иное мнение.
— Так как подобный эксперимент происходит в первый раз, уверенно предсказать его результат нельзя — все-таки это эксперимент, — считает Алексей Бабердин. — Но, поверьте, очень компетентные ученые-физики, с которыми я общался, считают, что никакой опасности в большом адронном коллайдере нет.


ИЗ ИСТОРИИ ВОПРОСА
БОЛЬШОЙ АДРОННЫЙ КОЛЛАЙДЕР
10 сентября в лаборатории Европейского центра ядерных исследований (CERN) произведен запуск Большого адронного коллайдера — самого грандиозного в истории научного проекта, призванного раскрыть тайны устройства Вселенной.
Большой адронный коллайдер (БАК) — это самый большой из ныне существующих в мире ускорителей протонов и тяжелых частиц.
Главное задание: выявить и изучить так называемые «бозоны Хиггса», называемые еще «божественными частицами» в связи с присущими им, согласно теории английского физика Питера Хиггса, свойствами наделять другие элементарные частицы массой.


1 На «малое кольцо» коллайдера запускается сначала один, а потом другой пучок протонов для достижения ими начального ускорения.
2 Пучки протонов выводятся на «большое кольцо» коллайдера: один — по часовой стрелке, другой — против.
3 Пучки протонов, достигнув максимальной скорости, сталкиваются между собой, порождая микровзрыв. В этот момент ученые и планируют зафиксировать рождение и распад «бозона Хиггса».

Источник: CERN


А ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ, ЧТО…

  • В подмосковной Дубне тоже строится свой коллайдер. Правда, запущен он будет в 2015 году, но уже сейчас БЗТХИ поставляет для него кристаллы для прототипа детектора.

  • Общая масса одного детектора — 12 500 т.

  • Энергия 14 тераэлектронвольт, на которой работает большой коллайдер, примерно равна энергии столкновения 2 комаров, просто она сконцентрирована в очень маленьком объеме.

  • Кристаллы вольфрамата свинца могут использоваться в системах мониторинга ядерных материалов, а также для обнаружения наркотиков и взрывчатых веществ.

ИИНТЕРНЕТ-ОПРОС
Как вы относитесь к эксперименту с большим адронным коллайдером?

В опросе приняли участие 126 посетителей портала MySLO.ru.

Сергей БИРЮК, фото автора
и из архива Алексея БАБЕРДИНА.

Большой Адронный Коллайдер своими глазами / Хабр

Большинство, конечно, знают о существовании Большого Адронного Коллайдера и видели его фотографии, но вот вероятность посмотреть на него своими глазами для обыкновенного человека, я думаю, меньше, чем вероятность появления бозона Хиггса на этом самом коллайдере. Поэтому, когда летом на элементах.ру появилась маленькая заметка о том, что CERN (Центр Европейских Ядерных Исследований) в конце сентября проводит день открытых дверей, у меня не было сомнений — надо ехать.


Особенностью всего этого является то, что CERN — это не музей, а работающие лаборатории и то, что они показывают является реальными научными установками.

Оказалось, однако, что свободно можно посещать только те места, которые находятся на поверхности земли, а коллайдер, как всем известно, находится глубоко под землей. Для посетителей CERN выбрал несколько точек в коллайдере на которые можно было взять именной билет (бесплатно) на специальном сайте и количество этих билетов было строго ограничено. Причем одному человеку разрешалось взять только один билет. Не буду вдаваться в подробности, как я мониторил их сайт на предмет появления билетов — как я потом понял билеты появлялись в случайные промежутки времени (что вобщем-то справедливо, поскольку давало шанс всем желающим получить билет). В конце концов мне досталось посещение CMS — Compact Muon Solenoid — одного из двух детекторов, на котором был открыт бозон Хиггса (второй детектор — Атлас).

Compact Muon Solenoid — это такой самый большой в мире соленоид, в котором создается магнитное поле и исследуются распады заряженных частиц, в основном мюонов. Мое путешествие к данному детектору началось с поезки на автобусе к точке 5 — где этот самый прибор находится. Надо сказать, что длина окружности коллайдера составляет 27 километров на территории Франции и Швейцарии и перемещаться между различными точками представляет непростую транспортную задачу. К счастью, организаторы пустили бесплатные автобусы между всеми интересными местами и я приехал туда на таком автобусе. Само здание на поверхности представляет собой довольно большое сооружение с воротами.

На этой фотографии видно, что находится внутри здания.

Надо сказать, что посетители должны регистрироваться по своему билету и получить бэдж. Перед самыми воротами людей делят на группы по 15 человек и выделяют по одному гиду из числа местных сотрудников. Нашей группе достался молодой американский аспирант, работающий на коллайдере. У всех отбирают сумки и выдают каски. Это я, готов к погружению спуску.

Перед спуском под землю наш аспирант рассказывает о том, что такое CMS и для чего он нужен. Народ внимательно слушает рассказ про мюоны и магнитное поле.

Далее аспирант говорит, что детектор построен группой стран, кажная из которых внесла определенное количество денег. Кроме России. Россия оказалась самой хитрой умной и получила свое место за сцинтилляционные кристаллы, которые раньше использовались в какой-то военной программе, а потом их хотели выбросить, но не выбросили, а отдали в CERN. После рассказа, заставившего меня гордиться своей Родиной, наш гид провел короткий инструктаж по технике безопасности, который заключался в том, что все будет хорошо, и если даже мы застрянем в лифте то нас быстро вытащат.

Народ проникся.

Наконец мы идем к лифту:

И набиваемся в него как сельди в бочке.

После непродолжительного спуска, при котором у всех заложило уши, мы оказываемся на глубине около 100 метров. Двери лифта открываются и мы оказываемся в half-life:

Мы идем по длинному подземному коридору:

И вдруг…

Коридор резко заканчивается и мы оказываемся в огромном зале высотой с пятиэтажный дом и огромным цилиндром посередине. Невозможно описать словами это зрелище. Пожалуй, даже фотографии не передают грандиозности сооружения!

Тысячи проводов опутывают цилиндр. Как сказал наш гид, в этом детекторе миллионы измерительных каналов, а энергии, запасенной магнитным полем достаточно, чтобы расплавить десять тонн золота.

Грандиозность сооружения вызывает уважение и восторг за возможности человеческого гения.

Наш гид что-то объясняет зачарованным гостям.

А там у нас есть та-а-акой прибор.

Видно, что здесь несколько этажей.

Интересно, как местные инженеры разбираются со всеми этими проводами?

Постепенно продвигаемся вдоль детектора.

Видны детали крупным планом.

Наконец детектор заканчивается и мы поднимаемся по лестнице вверх.

Автопортрет на фоне детектора.

Второй этаж.

Опять попадаем в коридор.

Здесь находится телепорт в другое измерение хитрый шлюз. Для того, чтобы пройти через него, надо посмотреть в такую штуку, которая находится на уровне головы.

Но сегодня она не работает.

а стене висят различные знаки. Особенно впечатляет знак, висящий под красной лампой.

Мы попадаем в вычислительный центр. Конечно, это небольшой вычислительный центр, который используется для предварительной обработки и хранения информации.

Видны стойки с оборудованием.

Далее находится шахта, по которой доставляется оборудование.

Напоследок, наш гид рассказывает про историю создания этого детектора.

Все идут к лифту и едут наверх.

Как известно, все это создается с целью познания природы и попыткой описать с помощью как можно меньшего числа уравнений. И вот к чему это привело на сегодняшний день: все наши текущие знания записаны в виде лагранжиана стандартной модели на этом камне. Надо добавить только гравитацию?

Если данная тема вызовет интерес я могу также рассказать про центр управления коллайдером и главный вычислительный центр.

Нам не нужен новый коллайдер by Sabine Hossenfelder

ФРАНКФУРТ – Между Женевским озером и швейцарским горным массивом Юра, на глубине более 100 метров пролегает кольцевой тоннель длиной 27 километров. Внутри тоннеля расположены сверхпроводящие магниты, которые ускоряют протоны почти до скорости света. В четырёх точках тоннеля протоны заставляют сталкиваться. Специалисты по физике элементарных частиц наблюдают за этими столкновениями, пытаясь узнать, из чего сделана материя и что её удерживает вместе.

  1. What Is the West’s Objective in Ukraine? Ukrinform/Future Publishing via Getty Images

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 году, 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 годы) Стандартной моделью физики элементарных частиц. Однако это открытие случилось в 2012 году, 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).

PS Events: Finance 3.0

PS Events: Finance 3.0

Cryptocurrencies and blockchain-based technologies are here to stay. But what will their next chapter look like?

Join us for our live virtual event, Finance 3.0, to hear the world’s leading experts discuss how to maximize the benefits and mitigate the risks of the burgeoning new crypto industry.

Register Now

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 годах), 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.

Что случилось с ученым, засунувшим голову в ускоритель частиц — Кварц

Что будет, если засунуть свое тело в ускоритель частиц? Сценарий кажется началом плохого комикса Marvel, но он проливает свет на наши интуитивные представления о радиации, уязвимости человеческого тела и самой природе материи. Ускорители частиц позволяют физикам изучать субатомные частицы, ускоряя их в мощных магнитных полях, а затем отслеживая взаимодействия, возникающие в результате столкновений.Погружаясь в тайны Вселенной, коллайдеры проникли в дух времени и прикоснулись к чудесам и страхам нашего века.

Еще в 2008 году Большой адронный коллайдер (БАК), управляемый Европейской организацией ядерных исследований (ЦЕРН), был призван создать микроскопические черные дыры, которые позволили бы физикам обнаруживать дополнительные измерения. Многим это кажется сюжетом катастрофического научно-фантастического фильма. Неудивительно, что два человека подали иск, чтобы остановить работу БАК, чтобы он не создал черную дыру, достаточно мощную, чтобы уничтожить мир.Но физики возразили, что идея абсурдна, и иск был отклонен.

Затем, в 2012 году, БАК обнаружил долгожданный бозон Хиггса, частицу, необходимую для объяснения того, как частицы приобретают массу. Благодаря этому важному достижению БАК вошел в массовую культуру; он был показан на обложке альбома Super Collider (2013) хэви-метал группы Megadeth и был сюжетной точкой в ​​​​американском телесериале The Flash (2014-).

Тем не менее, несмотря на свои достижения и гламур, мир физики элементарных частиц настолько абстрактен, что немногие понимают его последствия, значение или использование.В отличие от зонда НАСА, отправленного на Марс, исследования ЦЕРН не дают потрясающих, осязаемых изображений. Вместо этого изучение физики элементарных частиц лучше всего описывается уравнениями на доске и волнистыми линиями, называемыми диаграммами Фейнмана. Оге Бор, лауреат Нобелевской премии, чей отец Нильс изобрел боровскую модель атома, и его коллега Оле Ульфбек дошли даже до отрицания физического существования субатомных частиц как чего-то большего, чем математические модели.

Что возвращает нас к нашему первоначальному вопросу: что происходит, когда пучок субатомных частиц, движущихся почти со скоростью света, сталкивается с плотью человеческого тела? Возможно, из-за того, что области физики элементарных частиц и биологии концептуально так далеки, не только у неспециалистов не хватает интуиции, чтобы ответить на этот вопрос, но и у некоторых профессиональных физиков.В 2010 году в YouTube-интервью с преподавателями физики и астрономии Ноттингемского университета несколько ученых-экспертов признались, что они плохо представляют себе, что произойдет, если кто-то засунет руку внутрь пучка протонов на БАК. Профессор Майкл Меррифилд сформулировал это лаконично: «Это хороший вопрос . Я не знаю, — это ответ. Наверное, тебе будет очень плохо». Профессор Лоуренс Ивз также осторожно относился к выводам. «[По] масштабам энергии, которые мы замечаем, это было бы не так заметно», — сказал он, вероятно, с некоторой британской преуменьшением.«Сунул бы я руку в луч? Я не уверен в этом.»

Такие мысленные эксперименты могут быть полезными инструментами для исследования ситуаций, которые невозможно изучить в лаборатории. Однако иногда несчастные случаи приводят к изучению конкретных случаев: возможности для исследователей изучить сценарии, которые не могут быть экспериментально спровоцированы по этическим причинам. Тематические исследования имеют размер выборки из одного человека и не имеют контрольной группы. Но, как указал нейробиолог В. С. Рамачандран в книге « Фантомы мозга » (1998), достаточно одной говорящей свиньи, чтобы доказать, что свиньи могут говорить.13 сентября 1848 года, например, железный прут пронзил голову американского железнодорожного рабочего Финеаса Гейджа и глубоко изменил его личность, предоставив раннее свидетельство биологической основы личности.

А 13 июля 1978 года советский ученый Анатолий Бугорский засунул голову в ускоритель элементарных частиц. В тот судьбоносный день Бугорский проверял неисправное оборудование синхротрона У-70 — крупнейшего ускорителя элементарных частиц в Советском Союзе — когда механизм безопасности вышел из строя, и пучок протонов, летящих почти со скоростью света, прошел прямо через его голову, Финеас. Гейдж стиль.Вполне возможно, что на тот момент истории ни один другой человек никогда не сталкивался с сфокусированным лучом излучения такой высокой энергии. Хотя протонная терапия — метод лечения рака, при котором для разрушения опухолей используются пучки протонов — была впервые применена до аварии Бугорски, энергия этих лучей обычно не превышает 250 миллионов электрон-вольт (единица энергии, используемая для малых частиц). Бугорский мог бы испытать на себе всю мощь луча с более чем в 300 раз большей энергией, 76 миллиардов электрон-вольт.

Протонное излучение действительно редкое явление. Протоны солнечного ветра и космические лучи задерживаются атмосферой Земли, а протонное излучение настолько редко встречается при радиоактивном распаде, что его не наблюдали до 1970 года. Более привычные угрозы, такие как ультрафиолетовые фотоны и альфа-частицы, не проникают в тело сквозь кожу если не проглотить радиоактивный источник. Российский диссидент Александр Литвиненко, например, был убит альфа-частицами, которые даже не проникают сквозь бумагу, когда он неосознанно проглотил радиоактивный полоний-210 , доставленный убийцей.Но когда астронавты Аполлона, защищенные скафандрами, подверглись воздействию космических лучей, содержащих протоны и даже более экзотические формы излучения, они сообщили о вспышках визуального света, предвестнике того, что должно было приветствовать Бугорского в роковой день его аварии. Согласно интервью журналу Wired в 1997 году, Бугорски сразу же увидел интенсивную вспышку света, но не почувствовал боли. Молодого ученого доставили в клинику в Москве с опухшей половиной лица, и врачи ожидали худшего.

Частицы ионизирующего излучения, такие как протоны, разрушают организм, разрывая химические связи в ДНК. Это нападение на генетическое программирование клетки может убить клетку, остановить ее деление или вызвать раковую мутацию. Больше всего страдают быстро делящиеся клетки, такие как стволовые клетки костного мозга. Поскольку клетки крови вырабатываются, например, в костном мозге, многие случаи радиационного отравления приводят к инфекциям и анемии из-за потери лейкоцитов и эритроцитов соответственно.Но в случае Бугорски излучение было сосредоточено вдоль узкого луча, проходящего через голову, а не широко распространялось из-за радиоактивных осадков, как это было у многих жертв Чернобыльской катастрофы или бомбардировки Хиросимы. Для Бугорского особенно уязвимые ткани, такие как костный мозг и желудочно-кишечный тракт, могли быть в значительной степени пощажены. Но там, где луч пронзил голову Бугорского, он выделил непристойное количество радиационной энергии, по некоторым оценкам, в сотни раз превышающей смертельную дозу.

И все же Бугорский жив и по сей день. Половина его лица парализована, что придает одному полушарию головы странный молодой вид. Сообщается, что он глух на одно ухо. Он перенес не менее шести генерализованных тонико-клонических припадков. Обычно известные как приступы grand mal , это приступы, которые чаще всего изображаются в кино и на телевидении и сопровождаются судорогами и потерей сознания. Эпилепсия Бугорского, вероятно, является результатом рубцевания ткани головного мозга, оставленного протонным пучком.Это также оставило его с petit mal или абсансными припадками, гораздо менее драматичными приступами пристального взгляда, во время которых сознание ненадолго прерывается. Нет никаких сообщений о том, что у Бугорски когда-либо диагностировали рак, хотя это часто является долгим последствием радиационного облучения.

Несмотря на то, что через его мозг прошел не что иное, как луч ускорителя частиц, интеллект Бугорского остался нетронутым, и после аварии он успешно защитил докторскую диссертацию. Бугорски пережил аварию.И каким бы пугающим и удивительным ни было внутреннее пространство ускорителя частиц, человечество до сих пор пережило ядерный век.

ЦЕРН излагает планы строительства суперколлайдера стоимостью 21 миллиард евро

Художественное представление кругового коллайдера будущего. Фото: CERN

ЦЕРН обнародовал свою смелую мечту построить новый ускоритель почти в 4 раза длиннее своего 27-километрового Большого адронного коллайдера (БАК) — в настоящее время крупнейшего в мире коллайдера — и до 6 раз мощнее.

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

В документе предлагается несколько предварительных проектов кругового коллайдера будущего (FCC), который станет самым мощным когда-либо созданным ускорителем частиц, с различными типами коллайдеров стоимостью от 9 миллиардов евро (10,2 миллиарда долларов США) до 21 миллиарда евро. . Это первая заявка лаборатории в процессе установления приоритетов под названием «Обновление Европейской стратегии физики элементарных частиц», который будет проходить в течение следующих двух лет и повлияет на будущее этой области во второй половине века.

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

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

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

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

Слишком дорого?

Не все убеждены, что суперколлайдер — это хорошая инвестиция. «Нет причин думать, что должна быть новая физика в энергетическом режиме, которого достиг бы такой коллайдер», — говорит Сабина Хоссенфельдер, физик-теоретик из Франкфуртского института перспективных исследований в Германии. «Это кошмар, о котором все думают, но не хотят говорить о нем».

Хоссенфельдер говорит, что большие суммы, связанные с этим, могли бы быть лучше потрачены на другие типы огромных объектов.Например, она говорит, что размещение крупного радиотелескопа на обратной стороне Луны или детектора гравитационных волн на орбите было бы безопаснее, чем коллайдер, с точки зрения их отдачи науке.

Майкл Бенедикт, физик ЦЕРН, руководивший исследованием FCC, говорит, что строительство суперколлайдера стоило бы вне зависимости от ожидаемого научного результата. «Такого рода крупномасштабные усилия и проекты являются огромным стартом для создания сетей, соединяющих институты через границы, страны.Все это вместе составляет очень хороший аргумент для продвижения таких уникальных научных проектов».

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

Варианты

Исследование FCC началось в 2014 году и, по данным CERN, в нем приняли участие более 1300 участников при финансовом вкладе программы финансирования исследований Horizon 2020 Европейской комиссии. Большинство сценариев, описанных в исследовании, включают 100-километровый туннель, вырытый рядом с существующим туннелем LHC.По словам ЦЕРН, стоимость этого и соответствующей инфраструктуры на поверхности составит около 5 миллиардов евро.

Новый коллайдер будет размещен в 100-километровом кольце (красное) возле БАК ЦЕРН (синее). Фото: CERN

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

Физики давно планировали построить Международный линейный коллайдер (ILC) после того, как БАК отработает свой курс, и этот коллайдер также будет сталкивать электроны и позитроны. В 2012 году японские ученые сделали предложение о размещении ILC. Но неспособность БАК обнаружить какие-либо непредвиденные явления ослабила аргументы в пользу линейного коллайдера. Это связано с тем, что ILC достигнет энергий, достаточных только для изучения бозона Хиггса, но не для открытия каких-либо новых частиц, которые могут существовать при более высоких энергиях, как мог бы запланированный коллайдер ЦЕРН.Правительство Японии должно решить к 7 марта, хочет ли оно принять у себя ILC.

Другим вариантом, описанным в отчете, является 15-миллиардный протон-протонный коллайдер (также известный как адронный коллайдер) стоимостью 15 миллиардов евро, построенный в том же Максимальная мощность LHC составляет 16 000 ГэВ. Но более вероятно, что сначала будет построена электрон-позитронная машина, а потом, в конце 2050-х, протон-протонный коллайдер.В любом случае машина с более высокой энергией будет искать совершенно новые частицы, которые могут быть более массивными, чем известные частицы, и поэтому для их производства потребуется больше энергии.

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

Предстоит еще много исследований и разработок, и это одна из причин, по которой может иметь смысл сначала построить машину с более низким энергопотреблением. «Если бы завтра у нас был готов 100-километровый туннель, мы могли бы начать строить электрон-позитронный коллайдер прямо сейчас, потому что технология, по сути, уже существует», — говорит Джудиче. «Но необходимы дополнительные исследования и разработки для магнитов, необходимых для коллайдера на 100 тераэлектронвольт».

Китайский конкурент

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

Ван руководит аналогичным проектом в Китае, и он говорит, что обе попытки пришли к практически одинаковым выводам с точки зрения научных целей и технической осуществимости. В частности, это естественный выбор – сначала провести электрон-позитронные столкновения, а затем перейти к адронам, говорит он.

Большая часть дополнительных затрат на адронный коллайдер будет связана с потребностью в мощных сверхпроводящих магнитах и ​​огромных гелиевых криогенных системах для их охлаждения.FCC с адронным столкновением будет направлен на разработку, создание и развертывание магнитов мощностью 16 тесла на основе сверхпроводящего сплава Nb 3 Sn, которые будут вдвое мощнее, чем у LHC, но в принципе требуют лишь немного более высоких температур. Китай настаивает на более совершенных, но менее проверенных сверхпроводниках на основе железа, которые могут еще больше повысить температуру. «Если вы сможете сделать это при температуре 20 кельвинов, вы получите огромную экономию», — говорит Ван.

Даже если физики элементарных частиц согласны с тем, что миру нужен 100-километровый коллайдер, неясно, нужны ли два.Какая бы сторона ни запустила такой проект первой, она, вероятно, предвосхитит усилия другой стороны. На любом коллайдере будут проводиться эксперименты, открытые для более широкого международного сообщества, говорит Ван, поэтому с точки зрения науки, которая будет проводиться, не будет иметь значения, какой из них в конечном итоге будет построен.

LHC (Большой адронный коллайдер) и бозон Хиггса объяснили

Инженер работает над взаимосвязью между дипольными магнитами на Большом адронном коллайдереAnna Pantelia/CERN

Внутри LHC два пучка высокоэнергетических частиц движутся со скоростью, близкой к скорости света, прежде чем они созданы для столкновения.Лучи движутся в противоположных направлениях, направляясь по кольцу ускорителя сильным магнитным полем, создаваемым сверхпроводящими электромагнитами.

Чем больше ускоритель, тем быстрее могут двигаться лучи и тем выше энергия столкновений. Это означает, что чем дальше в глубины неизведанного мы сможем погрузиться.

Лучи внутри LHC сталкиваются в четырех местах вокруг огромного подземного кольца, соответствующих четырем детекторам частиц, названным ATLAS, CMS, ALICE и LHCb.

Одним из самых известных примеров работы БАК является знаменитый бозон Хиггса.

Частица была последней недостающей частью того, что физики называют Стандартной моделью физики элементарных частиц — набора законов, управляющих частицами в самом фундаментальном масштабе.

Прошло почти 50 лет от первых расчетов Питера Хиггса до его открытия в 2012 году. Но частица, которая, как говорят, придает массу всем другим частицам через вездесущее поле, известное как поле Хиггса, — не единственное начало.

Совсем недавно детектор LHCb, также известный как красота Большого адронного коллайдера, обнаружил пять новых частиц, «прятавшихся у всех на виду», когда искал такие объекты, как антиматерия. Пять частиц являются примерами барионов, что означает, что они состоят из трех фундаментальных частиц, называемых кварками, и все они были обнаружены одновременно.

Стандартная модель

Стандартная модель физики элементарных частиц говорит, что все во Вселенной состоит из самых основных строительных блоков, называемых фундаментальными частицами, которые управляются четырьмя силами: гравитацией, электромагнитным полем, слабым ядерным и сильным ядерным.

Измерение фотонов — это один из способов, с помощью которого БАК обнаруживает новые и неизвестные события, потому что фотоны легко обнаружить. Когда частицы распадаются на фотоны, они выделяют энергию, эквивалентную их массе, умноженной на квадрат скорости света.

Большой адронный коллайдер | СпрингерЛинк

‘) var head = document.getElementsByTagName(«head»)[0] вар скрипт = документ.создатьЭлемент(«скрипт») script.type = «текст/javascript» script.src = «https://buy.springer.com/assets/js/buybox-bundle-52d08dec1e.js» script.id = «ecommerce-scripts-» ​​+ метка времени head.appendChild (скрипт) var buybox = document.querySelector(«[data-id=id_»+ метка времени +»]»).parentNode ;[].slice.call(buybox.querySelectorAll(«.вариант-покупки»)).forEach(initCollapsibles) функция initCollapsibles(подписка, индекс) { var toggle = подписка.querySelector(«.Цена-варианта-покупки») подписка.classList.remove(«расширенный») var form = подписка.querySelector(«.форма-варианта-покупки») если (форма) { вар formAction = form.getAttribute(«действие») document.querySelector(«#ecommerce-scripts-» ​​+ timestamp).addEventListener(«load», bindModal(form, formAction, timestamp, index), false) } var priceInfo = подписка.селектор запросов(«.Информация о цене») var PurchaseOption = toggle.parentElement если (переключить && форма && priceInfo) { toggle.setAttribute(«роль», «кнопка») toggle.setAttribute(«tabindex», «0») toggle.addEventListener («щелчок», функция (событие) { var expand = toggle.getAttribute(«aria-expanded») === «true» || ложный переключать.setAttribute(«расширенная ария», !расширенная) form.hidden = расширенный если (! расширено) { покупкаOption.classList.add(«расширенный») } еще { покупкаOption.classList.remove(«расширенный») } priceInfo.hidden = расширенный }, ложный) } } функция bindModal (форма, formAction, метка времени, индекс) { var weHasBrowserSupport = окно.выборка && Array.from функция возврата () { var Buybox = EcommScripts ? EcommScripts.Buybox : ноль var Modal = EcommScripts ? EcommScripts.Modal : ноль if (weHasBrowserSupport && Buybox && Modal) { var modalID = «ecomm-modal_» + метка времени + «_» + индекс var modal = новый модальный (modalID) модальный.domEl.addEventListener(«закрыть», закрыть) функция закрыть () { form.querySelector(«кнопка[тип=отправить]»).фокус() } вар корзинаURL = «/корзина» var cartModalURL = «/cart?messageOnly=1» форма.setAttribute( «действие», formAction.replace(cartURL, cartModalURL) ) var formSubmit = Buybox.перехват формы отправки ( Buybox.fetchFormAction(окно.fetch), Buybox.triggerModalAfterAddToCartSuccess(модальный), функция () { form.removeEventListener («отправить», formSubmit, false) форма.setAttribute( «действие», formAction.replace(cartModalURL, cartURL) ) форма.представить() } ) form.addEventListener («отправить», formSubmit, ложь) document.body.appendChild(modal.domEl) } } } функция initKeyControls() { document.addEventListener («нажатие клавиши», функция (событие) { если (документ.activeElement.classList.contains(«цена-варианта-покупки») && (event.code === «Пробел» || event.code === «Enter»)) { если (document.activeElement) { событие.preventDefault() документ.activeElement.click() } } }, ложный) } функция InitialStateOpen() { var узкаяBuyboxArea = покупная коробка.смещениеШирина -1 ;[].slice.call(buybox.querySelectorAll(«.опция покупки»)).forEach(функция (опция, индекс) { var toggle = option.querySelector(«.цена-варианта-покупки») var form = option.querySelector(«.форма-варианта-покупки») var priceInfo = option.querySelector(«.Информация о цене») если (allOptionsInitiallyCollapsed || узкаяBuyboxArea && индекс > 0) { переключать.setAttribute («ария-расширенная», «ложь») form.hidden = «скрытый» priceInfo.hidden = «скрытый» } еще { переключить.щелчок() } }) } начальное состояниеОткрыть() если (window.buyboxInitialized) вернуть window.buyboxInitialized = истина initKeyControls() })()

WTF это коллайдер частиц? – ТехКранч

Как все работает? Чтобы выяснить это, мы наблюдаем за ними и разбираем на части.Но не все легко наблюдать, и до недавнего времени некоторые вещи нельзя было разобрать.

Это кульминация теории, зародившейся в Древней Греции. Философ Демокрит утверждал, что если вы разделите кусок материи достаточное количество раз, в какой-то момент у вас останется то, что больше нельзя разделить — эту теоретическую форму он назвал атомос , или неделимым. Слово, конечно же, использовалось для обозначения атома, который, как мы теперь знаем, не является неделимым, но это вопрос терминологии; концепция здравая.

Но Демокрит не мог знать (хотя он мог подозревать), что «атомос» может оказаться гораздо более сложным, чем самый тонкий ломтик материи, и что ни один нож не будет достаточно острым, чтобы сделать такой разрез. Но если бы вы объяснили подробно, он бы точно понял, что делает ускоритель частиц, такой как Большой адронный коллайдер. Это новейший и самый мощный, но ни в коем случае не последний инструмент, который мы создали для разборки окружающего мира.

Дело в масштабе — масштаб материи

Представьте, что у вас есть игрушечная машинка.Вы можете исследовать его физику на нескольких уровнях.

Если вы хотите знать, как машина катится или как она складывается, достаточно посмотреть на нее в действии и, возможно, разобрать на части, чтобы рассмотреть ее части.

Если вы хотите знать, почему он весит столько, сколько весит, или почему один материал гнется, а другой твердый, вам нужно присмотреться — точнее, ближе, чем способны ваши глаза. Вот почему мы изобрели микроскопы и тесты для таких вещей, как химический состав чего-либо.

Если вы хотите узнать, почему эти материалы ведут себя так, а не иначе, вы должны еще ближе рассмотреть строительные блоки этих материалов — атомы и молекулы.Для этого вам нужны такие вещи, как сканирующие электронные микроскопы и подробные наблюдения за зарядом.

Но хотя мы можем разделить молекулы на составляющие их атомы и удалить из них электроны и протоны, мы вскоре достигнем предела того, что могут сделать наши сверхточные электрические пинцеты и тщательно сконструированные радиационные ножи.

И все же во всех наших поисках мы не достигли истинного атомоса, неделимого. Как мы могли бы пойти глубже? Меньше? Решение, к которому мы пришли, столь же жестоко, сколь и элегантно.

Маленький Большой Взрыв

Ускорители элементарных частиц были придуманы довольно давно — уже целый век — и в некотором смысле удивительно просты.

Поместите частицы, подобные протонам, в трубку, в которой поддерживается вакуум, и направляйте их вдоль ее длины с помощью магнитов, толкая их все быстрее и быстрее. Когда они разойдутся достаточно быстро, поставьте им что-нибудь на пути и… БАХ .

Пузырьковые камеры были ранними детекторами частиц, в которые частицы разной энергии проникали на разную глубину и по разной схеме.

Посмотрите внимательно на точку удара, и вы увидите следы очень маленьких частиц. Протоны и другие субатомные частицы, подвергнутые кратковременному воздействию сил и температур порядка Большого Взрыва, взрываются, превращаясь в целый зверинец экзотических компонентов: позитроны, антипротоны, мюоны, тау, очаровательные и странные кварки и, конечно же, бозоны. Строительные блоки строительных блоков строительных блоков… ну, вы поняли идею.

Раньше эта трубка представляла собой прямую линию, и частицы в этих линейных ускорителях сталкивались с чем-то вроде тонкой металлической фольги.Но чем быстрее вы заставляете частицы двигаться, тем выше энергия столкновения. И оказывается, что для того, чтобы довести частицы до релятивистских скоростей, необходимых для некоторых экспериментов, понадобилась бы трубка длиннее окружности Земли.

Тогда, возможно, дрэг-гонка со скоростью света была неправильным подходом. Лучше построить дорожку, по которой частицы могут путешествовать снова и снова, все время с педалью в пол: кольцо.

А вот и самое приятное.С линейным ускорителем лучшее, на что вы можете надеяться, это то, что частица сталкивается с чем-то на значительной доле скорости света, что для объектов с массой невозможно сравнять или превзойти. Но, умело спроектировав свое кольцо, вы можете заставить потоки частиц двигаться как по часовой стрелке , так и против часовой стрелки. Вместо того, чтобы ставить препятствие на их пути, вы просто направляете их друг к другу, как две полосы движения, идущие в противоположных направлениях по кольцевой дороге.

Результат: Частица, движущаяся со скоростью 99 процентов от скорости света, движущаяся в направлении на запад, , сталкивается с частицей, движущейся со скоростью 99 процентов скорости света, движущейся в направлении на восток, , и вы получаете лобовое столкновение со скоростью, фактически вдвое превышающей скорость света.Теперь есть то, что вы не часто видите в природе.

Кольцо вокруг протона

Самым большим из этих колец является Большой адронный коллайдер.

Построенный в течение трех десятилетий, его 27 километров охватывают границу Франции и Швейцарии. Заполненное вакуумом кольцо (если можно так сказать ничем не заполненное) охлаждается до 2 градусов выше абсолютного нуля.

Нелепо маленькая бутылочка с чистым водородом подает протоны в кольцо, где они удерживаются на своих путях тысячами сверхпроводящих электромагнитов.Каждый сегмент кольца содержит поле радиочастотного излучения, которое колеблется с частотой 400 мегагерц, ускоряя частицы, когда они входят, и меняя направление, чтобы стимулировать частицы, летящие в другом направлении, через доли секунды. Таким образом они достигают 99,9999991 процента скорости света.

Вокруг кольца разбросаны детекторы размером с дом, комнаты, похожие на своды, с миллионами ошеломляюще чувствительных инструментов, способных обнаруживать одну субатомную частицу.

Хотя сгустков протонов тысячи, и в каждом сгустке может быть до 100 миллиардов протонов, и хотя они выбрасываются в поток толщиной в половину человеческого волоса, эти частицы настолько невероятно малы, что вероятность столкновение на самом деле довольно мало — возможно, одно столкновение на каждые 500 миллионов промахов.Но из-за того, что они движутся по кольцу так быстро (они совершают более 11 000 оборотов в секунду) и их так много, в среднем происходит около миллиарда столкновений частиц в секунду, когда лучи выровнены.

Подавляющее большинство этих столкновений производят частицы, о которых физики уже знают, но у каждого из них также есть шанс произвести редкие частицы, такие как бозон Хиггса, который, как и многие частицы, не наблюдается напрямую, но косвенно определяется присутствием некоторых других частиц. редкие частицы, на которые предполагается распасться.

Чем выше сила, с которой сталкиваются протоны, тем больше вероятность того, что они произведут определенные высокоэнергетические частицы. И чем больше кольцо и сильнее магниты и ускоряющее излучение, тем большую силу можно сообщить протонам. Вот почему LHC, в конечном счете, может быть отнесен к разряду ускорителей, ведущих к еще большему — 100 километров вокруг.

Как это часто бывает в научных начинаниях, чем больше мы узнаем, тем больше понимаем, что не знаем.Поиску вовнутрь, к еще более фундаментальным истинам о том, как устроен наш мир, кажется, не видно конца — так что теория атомоса Демокрита может просуществовать десятилетия или столетия вперед.

Мнение | Неопределенное будущее физики частиц

Большой адронный коллайдер — крупнейший в мире ускоритель частиц. Это подземное кольцо длиной 16 миль, расположенное в ЦЕРНе в Женеве, в котором протоны сталкиваются почти со скоростью света. С ценой в 5 миллиардов долларов и ежегодными эксплуатационными расходами в 1 миллиард долларов L.Х.К. — самый дорогой инструмент из когда-либо созданных — и это несмотря на то, что он повторно использует туннель более раннего коллайдера.

L.H.C. собирает данные с сентября 2008 года. В прошлом месяце завершился второй экспериментальный запуск, и коллайдер будет закрыт на следующие два года для запланированных обновлений. С L.H.C. в перерыве физики элементарных частиц уже строят планы по строительству еще большего коллайдера. На прошлой неделе ЦЕРН обнародовал планы по созданию ускорителя, который больше и намного мощнее, чем L.Х.К. — и будет стоить более 10 миллиардов долларов.

Раньше я был физиком элементарных частиц. Для моей докторской степени. диссертацию, я сделал L.H.C. предсказания, и хотя я перестал работать в этой области, я все еще верю, 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.

В 2012 году эксперименты на L.H.C. подтвердили открытие бозона Хиггса — предсказание, сделанное еще в 1960-х годах, — и это остается единственным открытием, сделанным в L.Х.К. Физики элементарных частиц быстро подчеркивают, что они узнали и другие вещи: например, теперь они лучше знают структуру протона, и они видели новые (хотя и нестабильные) составные частицы. Но давайте будем честными: это разочаровывает.

Перед L.H.C. начал работу, у физиков-ядерщиков были более захватывающие предсказания. Они думали, что другие новые частицы также появятся вблизи энергии, при которой может быть произведен бозон Хиггса. Они также думали, что Л.Х.К. увидели бы свидетельства существования новых измерений пространства. Они также надеялись, что этот гигантский коллайдер даст ключ к пониманию природы темной материи (которая, по мнению астрофизиков, составляет 85 процентов материи во Вселенной) или объединенной силы.

Истории о новых частицах, темной материи и дополнительных измерениях повторялись в бесчисленных СМИ еще до запуска БАК. пока несколько лет назад. Что случилось с этими предсказаниями? Простой ответ таков: эти прогнозы были ошибочными — теперь многое ясно.

Проблема в том, что «предсказание» в физике элементарных частиц сегодня не более чем догадка. (Если вам интересно, да, именно поэтому я ушел из этой области.) За последние 30 лет физики элементарных частиц создали тысячи теорий, математические расчеты которых позволяют «предсказывать» почти что угодно. Например, в 2015 г., когда статистические колебания L.H.C. данные выглядели так, как будто это могла быть новая частица, физики написали более 500 статей за восемь месяцев, чтобы объяснить то, что позже оказалось просто шумом.То же самое происходило много раз с подобными колебаниями, демонстрируя бесполезность этих прогнозов.

На сегодняшний день у физиков элементарных частиц нет надежного предсказания того, что должно быть найдено что-то новое до тех пор, пока примерно на 15 порядков не превысит доступные в настоящее время энергии. И единственное надежное предсказание, которое у них было для L.H.C. был бозон Хиггса. К сожалению, физики элементарных частиц не были очень откровенны с этой информацией. В прошлом году Найджел Локьер, директор Фермилаб, сказал Би-би-си: «Из простого расчета массы бозона Хиггса должна появиться новая наука.Этот «простой расчет» и предсказал, что L.H.C. уже должны были видеть новую науку.

Недавно я наткнулся на рекламный ролик будущего кругового коллайдера, который физики предложили построить в ЦЕРНе. Это видео, размещенное на веб-сайте ЦЕРН, рекламирует планируемую машину как тест на темную материю и как исследование происхождения Вселенной. Это крайнее заблуждение: да, возможно, что новый коллайдер найдет частицу, из которой состоит темная материя, но нет особых оснований полагать, что это произойдет.И такая машина ничего не скажет нам о происхождении Вселенной. Паола Катапано, руководитель отдела аудиовизуального производства ЦЕРН, сообщила мне, что это видео «очевидно адресовано политикам, а не коллегам-физикам, и использует те же аргументы, что и те, что используются для продвижения L.H.C. в 90-х».

Но большие научные эксперименты — это инвестиции в наше будущее. Решения о том, что финансировать, должны основываться на фактах, а не на блестящей рекламе. Для этого нам нужно знать, когда предсказание — всего лишь предположение.И если у физиков элементарных частиц есть только догадки, возможно, нам следует подождать, пока у них не появятся веские причины, почему более крупный коллайдер может обнаружить что-то новое.

Верно, что некоторые технологические разработки, такие как сильные магниты, извлекают выгоду из этих коллайдеров частиц, и что физика элементарных частиц вносит положительный вклад в научное образование в целом. Это достойные инвестиции, но если вы хотите потратить деньги именно на это, вам также не нужно копать тоннель.

Есть и другие возможности.Например, следует продолжить изучение астрофизических наблюдений, указывающих на темную материю; Лучшее понимание этих наблюдений поможет нам сделать более надежные прогнозы о том, может ли более крупный коллайдер произвести частицу темной материи — если даже — это частица.

Есть также эксперименты среднего масштаба, которые, как правило, не учитываются, потому что гигантские проекты съедают деньги. Одним из важных проектов среднего масштаба является интерфейс между квантовым миром и гравитацией, который теперь доступен для экспериментального тестирования.Еще одно место, где могут ждать открытия, — это основы квантовой механики. Они могут иметь серьезные технологические последствия.

Теперь, когда L.H.C. модернизируется, а эксперименты по физике элементарных частиц на детекторе берут перерыв, физикам элементарных частиц пора сделать шаг назад и задуматься о состоянии поля. Пришло время задаться вопросом, почему ни одно из захватывающих предсказаний, которые они обещали, не привело к открытиям. Деньги не решат эту проблему. И не будет коллайдера более крупных частиц.

Сабина Хоссенфельдер — научный сотрудник Франкфуртского института перспективных исследований и автор книги «Затерянные в математике: как красота сбивает физику с пути».

Следите за разделом мнений The New York Times на Facebook , Twitter (@NYTopinion) и Instagram .

Большой адронный коллайдер: «Ничего не видеть — не вариант»

Большой адронный коллайдер, гигантский подземный ускоритель частиц недалеко от Женевы, Швейцария, зафиксировал свои первые научные данные в конце марта 2010 года, через полтора года после первого пучки протонов были отправлены по кольцу.

Два пучка частиц, каждый с энергией 3,5 триллиона электрон-вольт, сталкивались более трех часов в течение первого дня научной работы. Приборы крупнейшего в мире научного эксперимента зафиксировали за это время около 500 000 отдельных столкновений.

За полтора года с тех пор, как он начал ускорять протоны, на коллайдере произошли механические неисправности, задержки в ремонте и террористический скандал.

«На строительство ушло 25 лет, — сказал Бивек Шарма, профессор Калифорнийского университета в Сан-Диего.«Вот для чего он нужен. Наконец-то родился ребенок. Теперь ему нужно расти».

Поиск бозона Хиггса

Ученые использовали Большой адронный коллайдер, чтобы протолкнуть первые пучки протонов через 27-километровый подземный контур под франко-швейцарской границей 10 сентября 2008 года. миллиардный физический эксперимент.

Но после девяти дней работы электрическое соединение в магнитах коллайдера расплавилось, в результате чего тонна переохлажденного жидкого гелия просочилась в туннель.Ожидалось, что ремонт продлится до весны 2009 года, но задержки отодвинули дату перезапуска.

В октябре 2009 года человек, предположительно работающий в Европейской организации ядерных исследований, которая управляет коллайдером и известен под французским аббревиатурой CERN, был одним из двух братьев, арестованных во Франции по подозрению в связях с «Аль-Каидой».

Большой адронный коллайдер, или БАК, использует кольцо переохлажденных магнитов, чтобы разогнать два пучка частиц до скоростей и энергий, недостижимых ранее в контролируемых условиях, и сталкивает пучки друг с другом, создавая и обнаруживая множество новых частиц .

Магниты в БАК охлаждаются до температуры, близкой к абсолютному нулю, чтобы сделать их сверхпроводящими и, таким образом, более способными разгонять частицы до высоких скоростей.

Ожидается, что это будет самый мощный инструмент для физиков, надеющихся раскрыть секреты законов Вселенной, как в крошечном масштабе квантовой механики, так и в огромной области галактик и черных дыр.

В частности, ученые надеются, что LHC сможет наконец найти бозон Хиггса, теоретическую частицу, получившую название «частица Бога», которая является ключевой частью так называемой Стандартной модели физики элементарных частиц.

Стандартная модель

Стандартная модель физики элементарных частиц объясняет, как материя взаимодействует с тремя из четырех фундаментальных сил природы: электромагнетизмом, сильным ядерным взаимодействием (которое связывает части ядра атома вместе) и слабым ядерным взаимодействием ( что допускает радиоактивный распад частиц). Модель постулирует два класса элементарных частиц: бозоны, которые передают эти силы, и фермионы, которые в совокупности составляют материю.

Стандартная модель терпит неудачу, когда имеет дело с четвертой фундаментальной силой, гравитацией.Гравитация настолько слаба, что обычно ее можно не принимать во внимание, но это невозможно в экстремальных случаях, таких как высокоэнергетическое малое пространство, предсказанное в первые моменты теории Большого взрыва Вселенной. В те моменты гравитация действовала на уровне, сравнимом с другими силами.

Бозон Хиггса, который должен придавать массу другим частицам, до сих пор ускользал от исследователей, но поскольку Стандартная модель выдержала многократные эксперименты, предполагается, что бозон Хиггса, вероятно, находится на энергетических уровнях LHC. будет работать.

Важность эксперимента привлекла внимание широкой публики. В то время как многим просто любопытно, некоторые обеспокоены опасностью такого крупного эксперимента и начали протесты, призывая остановить исследование до его начала.

Перед официальным запуском коллайдера CBCNews.ca поговорил с Клиффом Берджессом, профессором физики и астрономии Университета Макмастера в Гамильтоне и ассоциированным членом Института периметра в Ватерлоо, Онтарио, о миссии БАК, потенциале риски и почему физика должна иметь значение для общественности.

Почему LHC и его эксперименты так важны для физиков элементарных частиц?

Более того, у нас есть хорошее чувство, что мы должны что-то увидеть. Это не похоже на то, что мы смотрим и надеемся что-то увидеть; ничего не видеть на самом деле не вариант. Вы не можете, например, иметь только те частицы, которые мы открыли, и не иметь бозона Хиггса, потому что, если вы скажете «предположим, что больше ничего нет», вся теория рухнет примерно на энергиях, при которых сработает БАК. произойти в этот момент; вопрос в чем.

Насколько сложно будет найти?

Это зависит от того, на что похож Хиггс. Если он такой сложный, как протон, будет намного сложнее понять, что происходит. Когда вы сталкиваете два электрона друг с другом, гораздо легче понять, что происходит, потому что это элементарные частицы — их нельзя разбить дальше — и они не участвуют в сильных взаимодействиях, которые происходят в ядрах. С БАК произойдет столкновение протона с протоном, а это целая куча хлама.Выяснение того, что получается в результате этих столкновений, представляет собой беспорядок, отчасти потому, что вся структура протона даже сейчас не совсем понятна. Это как бросать друг в друга два мусорных бака, а потом пытаться в деталях выяснить, что было внутри каждого мусорного бака.

Что произойдет, если БАК не обнаружит бозон Хиггса или обнаружит, что его вообще не существует?

На самом деле это лучший сценарий для таких людей, как я, потому что это означает, что все теоретики снова в деле.Но вопрос для конкурирующих теорий заключается не столько в том, есть бозон Хиггса или нет; это фундаментальная частица.

Одно из опасений, высказанных протестующими, заключается в том, что столкновения БАК создадут черную дыру, которая уничтожит Землю, но представители Европейской организации ядерных исследований отвергли эту озабоченность. Должен ли кто-то беспокоиться?

Если бы образовалась черная дыра, мы на самом деле знаем довольно много о том, как она будет себя вести. Во-первых, если вы воткнете черную дыру в середину Земли, с точки зрения непрофессионала, она будет похожа на пылесос, который всасывает Землю.Но это не правильная картина. Если бы вы взяли солнце и заменили его черной дырой той же массы, что и солнце, орбита Земли вообще не изменилась бы. Мы все равно будем вращаться вокруг него — силе гравитации все равно, черная дыра это или Солнце, все, что ее волнует, — это масса. Большая проблема для нас в том, что будет темно, но гравитация не изменится.

Не так уж маловероятно, что БАК может производить черные дыры, но почти наверняка верно, что если он производит эти черные дыры, они очень быстро испаряются.

Любая черная дыра, о которой вы знаете из астрофизики, намного, намного тяжелее, чем те, что образуются на БАК. Если бы БАК производил черные дыры — что неясно, — они могли бы быть в пару сотен раз тяжелее протона, но намного меньше, чем доли грамма. И при этом пределе размера мы ожидаем, что они будут чрезвычайно быстро испаряться в результате процесса, называемого излучением Хокинга (название происходит от имени физика Стивена Хокинга, впервые предложившего эту теорию в 1974 году). Он почти наверняка излучится в известные нам частицы, такие как фотоны, и поэтому это будет выглядеть как обычное столкновение.Трудно было бы на самом деле знать, что у вас есть черная дыра.

Итак, есть несколько уровней спора, на которых вы как бы приостанавливаете то, что, по вашему мнению, должно произойти, просто ради аргумента, чтобы предоставить человеку точку зрения, что «может быть, это могло бы произойти». Но как только вы проходите четыре или пять уровней этого, это становится все менее и менее тревожным.

Почему людей должен интересовать этот эксперимент и физика элементарных частиц в целом?

Есть несколько способов ответить на этот вопрос.Часто возникает вопрос: почему это должно финансироваться? Потому что на каком-то уровне никто не обидится, если люди потратят свое время на размышления об этом, если это им ничего не будет стоить. Но если это будет стоить им больших денег, то почему это должно быть приоритетом для общества?

Люди обычно дают ответ — и это правда — что физика элементарных частиц важна для нашего понимания природы Вселенной и Большого Взрыва, но есть еще один действительно хороший ответ, и никто никогда его не дает.Ценность таких дисциплин, как физика элементарных частиц и астрофизика, — это люди.

Физики очень востребованы за пределами академических кругов, и причина этого в том, что портативные навыки, которые вы получаете как физик, редки. Вы учитесь анализировать проблемы, исходя из первых принципов, переводить это в математику, решать математику, а затем переводить ее обратно в последствия для того, что вы пытаетесь решить. И это действительно полезно везде в экономике.

Мои студенты, которые выходят на работу, — это банкиры, страховщики, инженеры и специалисты по программному обеспечению.Эти люди занимают очень полезную позицию в экономике, но они не пошли бы туда напрямую.

Post A Comment

Ваш адрес email не будет опубликован.