Краткая история ускорителей

Принцип работы всех ускорителей прост — заряженные частицы ускоряются под действием электрического поля.

Первые эксперименты

Первые эксперименты по изучению атомных ядер проводились вообще без ускорителей. Альфа-частицы (ядра гелия-4), использовавшиеся в таких опытах, получались из распада нестабильных изотопов (например, радия) и сами собой ускорялись в электрическом поле родительского ядра до энергий в несколько МэВ.

Эру ускорительной техники отсчитывают от начала 1930-х годов, когда появились сразу две схемы ускорения частиц до энергий около 1 МэВ. В 1932 году англичанин Джон Кокрофт (John Cockcroft) и ирландец Эрнест Уолтон (Ernest Walton) в Кембридже сконструировали каскадный 800-киловольтный генератор постоянного напряжения, который открыл новую эру в экспериментальной ядерной физике. Уже в первом своем эксперименте они направили пучок ускоренных протонов на мишень из лития-7 и наблюдали самую настоящую ядерную реакцию: ядро лития захватывало протон и затем разваливалось на две альфа-частицы.

Циклотроны

Создать разность потенциалов в десятки мегавольт очень непросто, но быстро выяснилось, что это и не обязательно. Вместо этого можно свернуть ускоритель в кольцо, поместив его в магнитное поле. В отличие от электрического, магнитное поле не ускоряет частицы, а лишь искривляет их траекторию. В частности, в однородном магнитном поле траектория заряженной частицы замыкается в окружность. Если теперь частицу время от времени подталкивать вперед электрическим полем, она будет набирать энергию, постепенно увеличивая радиус траектории. При этом автоматически решаются две задачи: частицы можно удерживать на орбите столько времени, сколько нужно, а ускоряющее электрическое поле не обязательно должно быть большим (тысяча проходов через разность потенциалов в один киловольт эквивалентна мегавольтному линейному генератору).

Ускоритель частиц на основе этого принципа — циклотрон — был задуман Эрнестом Лоуренсом (Ernest Lawrence) в 1929 году и сконструирован в 1931 году. Циклотрон состоит из двух полых половинок диска, внутри которых вращаются частицы. На края зазора между половинками подается переменное напряжение, частота которого точно совпадает с частотой обращения частиц. Когда частицы пролетают сквозь зазор в одну сторону, электрическое поле подталкивает их вперед, а через полпериода, когда они вновь пересекают зазор в обратном направлении с другой, диаметрально противоположной стороны диска, поле уже успевает сменить знак и снова их подталкивает, а не тормозит. Так повторяется круг за кругом, пока не будет достигнута максимальная энергия.

Принципиально важно, что, пока скорость частиц существенно меньше скорости света, частота их обращения остается постоянной: рост скорости в точности компенсируется увеличением радиуса орбиты. Благодаря этому частица всегда подлетает к зазору через одинаковые интервалы времени, и поэтому на края зазора можно подавать переменное напряжение известной и строго фиксированной частоты.

Первый построенный Лоуренсом циклотрон был чуть больше 10 см в диаметре и разгонял протоны всего до 80 кэВ (килоэлектронвольт). Быстрый прогресс привел к появлению циклотрона на 8 МэВ в 1936 году и к 200-Мэвному многометровому гиганту в 1946 году. Правда, при такой энергии скорость протонов уже близка к скорости света, поэтому нерелятивистская формула для расчета циклотронной частоты уже не работает. Достичь таких энергий физики сумели, лишь научившись подстраивать частоту переменного электрического поля в зазоре в соответствии с частотой обращения частиц.

Синхрофазотроны

Дальнейшее увеличение энергий столкнулось с рядом проблем. Среди них были как чисто конструкторские трудности (необходимо обеспечить однородное магнитное поле, глубокий вакуум и механическую прочность, не мешая при этом частицам раскручиваться по спирали), так и принципиальная проблема — частицы разбегались по камере и попадали в ускорительные зазоры в неправильные моменты времени, из-за чего они не ускорялись.

В 1944 году советский физик Владимир Векслер и независимо от него годом позже американец Эдвин Макмиллан (Edwin McMillan) придумали принцип автофазировки. Их идея состояла в специальной настройке электрического поля в зазоре, которая отстающие частицы подгоняла бы сильнее, а убежавшие вперед — слабее. В результате частицы всегда будут держаться в виде компактного, не расплывающегося сгустка. Наконец, чтобы избавиться от инженерных проблем, частицы стали запускать вместо огромного диска в длинную свернутую в кольцо трубу, а для удержания их на постоянной орбите синхронно с ростом энергии увеличивали магнитное поле. Ускорители такого типа получили название

синхрофазотронов. В последующие годы их энергия выросла до нескольких ГэВ и на них были совершены многие открытия в физике элементарных частиц. В основе многих современных ускорителей, в частности LHC, лежит принцип синхрофазотрона.

Коллайдеры

Следующим этапом в истории ускорительной техники стало создание коллайдеров — ускорителей со встречными пучками, где два пучка частиц раскручиваются в противоположных направлениях и сталкиваются друг с другом. Изначально эту идею высказал и даже запатентовал в 1943 году норвежский физик Рольф Видероэ (Rolf Wideröe), однако реализована она была лишь в начале 1960-х годов тремя независимыми командами исследователей: итальянской группой под руководством австрийца Бруно Тушека (Bruno Touschek), американцами под руководством Джерарда О’Нейлла (Gerard K. O’Neill) и Вольфганга Пановски (Wolfgang K. H. Panofsky) и новосибирской группой, возглавляемой Г. И. Будкером.

До того момента все эксперименты проводились с неподвижной мишенью. Когда высокоэнергетическая частица налетает на неподвижную частицу, рожденные продукты столкновения летят вперед с большой скоростью, и именно на их кинетическую энергию тратится основная доля энергии пучков. Если же сталкиваются летящие навстречу друг другу одинаковые частицы, то большая часть их энергии расходуется по прямому назначению: на рождение частиц. По формулам релятивистской механики можно вычислить полную энергию в системе центра масс — именно эту часть энергии исходных частиц можно потратить на рождение новых частиц.

В первом случае это примерно , а во втором случае 2E. Если частицы ультрарелятивистские, E >> mc², то в коллайдерах на встречных пучках могут рождаться гораздо более тяжелые частицы, чем в экспериментах с неподвижной мишенью при той же энергии пучка.

В 2008 году в строй вступает самый мощный ускоритель, когда-либо построенный человеком, — Большой адронный коллайдер, LHC, с энергией протонов 7 ТэВ (см. раздел об LHC на «Элементах»). Он находится в подземном кольцевом туннеле длиной 27 км на границе Швейцарии и Франции. Физики надеются, что результаты LHC приведут к новому прорыву в понимании глубинного устройства нашего мира.

Сейчас ускорители подошли к своему конструкционному пределу. Существенное увеличение энергии частиц станет возможным, только если коллайдеры станут линейными и будет реализована более эффективная методика ускорения частиц. Прорыв обещает лазерная или лазерно-плазменная методика ускорения. В ней короткий, но мощный лазерный импульс либо непосредственно разгоняет заряженные частицы, либо создает возмущение в облаке плазмы, которое подхватывает пролетающий сгусток электронов и резко его ускоряет. Для успешного применения этой схемы в ускорителе потребуется преодолеть еще немало трудностей (научиться состыковывать друг с другом несколько ускоряющих элементов, справиться с большим угловым расхождением, а также разбросом по энергии ускоренных частиц), но первые результаты очень обнадеживают.

Далее: Как работает ускоритель

Большой адронный коллайдер. Досье — Биографии и справки

/ТАСС-ДОСЬЕ/. Большой адронный коллайдер (Large hadron collider, БАК, LHC) — самый мощный в мире ускоритель заряженных частиц. Построен Европейской организацией по ядерным исследованиям (CERN).

БАК расположен в подземном кольцевом тоннеле окружностью 26 км 659 м неподалеку от Женевы на границе Швейцарии и Франции на глубине 100-175 м. Первоначально в этом тоннеле находился Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP), построенный в 1989 году. LEP позволял разгонять пучки частиц до энергий в 209 гигаэлектронвольт (ГэВ). К середине 1990-х гг. одной из главных задач физики стало уточнение или опровержение Стандартной модели элементарных частиц, в частности, экспериментальное доказательство существования бозона Хиггса.

Его существование было предсказано в 1963 году группой ученых во главе с британским физиком Питером Хиггсом (Peter Higgs). За счет бозона Хиггса, согласно Стандартной модели, создается вся масса Вселенной. Существующей мощности LEP было недостаточно для обнаружения данной частицы, поэтому в декабре 1994 года совет CERN решил строить в тех же тоннелях БАК с мощностью пучка протонов в 4 тераэлектронвольта (ТэВ).

Проект БАК — крупномасштабная международная программа. В работе по сооружению и экспериментах на ускорителе участвовали около 100 тыс. человек из 44 стран мира, в том числе из России. Строительство коллайдера началось в 1998 году и завершилось в 2008 году. Первое испытание состоялось 10 сентября 2008 года, однако вскоре БАК был остановлен на несколько месяцев из-за аварии. В 2010 году мощность пучков была доведена до 3,5 ТэВ, что стало официальным началом исследовательской программы. 4 июля 2012 году с помощью БАК был открыт бозон Хиггса. 14 февраля 2013 года коллайдер был приостановлен для модернизации. После ее завершения мощность пучка на БАК должна возрасти к маю-июню 2015 года до 13 ТэВ, а затем — до 14 ТэВ.

Частицы в БАК попадают из каскада дополнительных ускорителей, разгоняющих протоны до 0,45 ТэВ. Ускоритель представляет собой две трубы, которые почти на всей своей протяженности идут параллельно в кольцевом тоннеле и пересекаются в местах расположения детекторов столкновений. В детекторах частицы, разогнанные с помощью сверхпроводящих магнитов, сталкиваются на скорости 99,9999991% от скорости света, составляющей 299 млн 792 тыс. 458 м в секунду.

Адронным коллайдер называется потому, что в его детекторах осуществляются столкновения адронов (класс элементарных частиц, состоящих из кварков).

После повторного запуска на БАК будут продолжены эксперименты по четырем основным направлениям: уточнение параметров бозона Хиггса; поиск ответа на вопросы о том, что представляла Вселенная в первые мгновения после Большого Взрыва; чем является темная материя и «темная энергия»; почему во Вселенной незначительный объем антиматерии.

Стоимость БАК составляла около 7,5 млрд евро (по состоянию на 2010 год), он являлся самым дорогим научным экспериментом в истории человечества. Ежегодно ускоритель потребляет около 1,3 тераватт-часов электроэнергии, столько же, сколько город с населением около 1 млн человек.

Для чего России большой адронный коллайдер?

10 сентября будет произведен запуск первого пучка протонов в Большой адронный коллайдер (БАК) – самый мощный в истории ускоритель элементарных частиц, расположенный на границе Швейцарии и Франции. Запуск коллайдера – крупнейший научный проект, реализованный мировым научным сообществом на рубеже XX – XXI веков.

Насколько Россия задействована в эксперименте и заинтересована в его результатах? Для чего ученые планируют использовать Большой адронный коллайдер? На эти и другие вопросы РИА Новости ответили эксперты…

С точки зрения профессора, координатора участия российских институтов в создании и работе БАК Саврина Виктора:
Цель проекта БАК – чисто фундаментальная, и прикладных исследований и, тем более, коммерческих, специально проводиться не будет. Но поскольку требования к подобным установкам очень высокие, то и материалы, и электроника, и другие компоненты этих установок должны быть очень высокого – небывалого – уровня. И это влечет за собой развитие технологий, которые могут быть использованы и в других областях.

Сейчас бурно развиваются нанотехнологии – во всем мире. Прогресс там колоссальный, охвачены многие области хозяйства и жизнедеятельности человека. Но фундаментальные основы нанотехнологий были заложены сто лет назад, когда была создана квантовая теория. И тогда никто не помышлял, что мы придем к такому развитию нанотехнологий. Только теперь мы может превращать фундаментальные исследования в различные изделия, материалы, лако-красочные покрытия и так далее.

Через сколько лет – не знаю, но такие знания могут быть основой для, например, пикотехнологий и фемтотехнологий. Это по той же шкале: “нано” – от слова “десять в минус девятой степени”, “пико” – “в минус двенадцатой”, “фемто” – в минус пятнадцатой. Фемто – это те процессы, которые мы будем изучать на Большом адронном коллайдере.

В проекте БАК будет использована технология распределенных вычислений “Грид”. Так как с каждого детектора коллайдера будет идти гигантский поток информации (общий поток информации с комплекса составит 700 мегабайт в секунду), нужна будет быстрая электроника для считывания и хранения этой информации, а также для ее обработки. Ни один супекомпьютер с этим объемом не справится, поэтому будет применена система распределенных вычислений Грид.

Для этого по всему земному шару уже установлены специальные вычислительные центры, которые предоставлены для доступа через персональный компьютер любому физику, участвующему в экспериментах. Эта система сама ищет, где есть свободный ресурс и соответствующее программное обеспечение для решения какой-то конкретной задачи.
Как раньше физики изобрели Интернет, а теперь им пользуются даже школьники, так, предполагается, будет использована и система Грид.
С точки зрения действительного академического советника Академии инженерных наук РФ Юрия Зайцева:
Строительство коллайдера началось в 2001 г. и обошлось примерно в 6 млрд долл. Россия финансировала как изготовление всех четырех детекторов – установок для исследований ядерных взаимодействий при сверхвысоких энергиях, так и сооружение самого ускорителя. Если говорить о детекторах, то российская доля в них составляет около  5% от общего финансирования, в ускорителях – примерно 3%.

В общей сложности на российские предприятия поступило  заказов от ЦЕРНа на 120 млн долл. В работах участвовали многие институты Российской академии наук, Росатома, Московский и Санкт-Петербургский  университеты, а также Федеральные ядерные центры, в частности Саров и Снежинск.

Как отметил один из первых руководителей ЦЕРНа Роже Кашмор, “мы не смогли бы сделать БАК без российских ученых”. В то же время участие в проекте благотворно повлияло на российскую промышленность. Он сильно поддержал многие наши предприятия.

10 номинаций или наград дал ЦЕРН российским предприятиям за своевременное и качественное выполнении работ для БАКа.

Всего в проекте участвуют порядка 700 российских ученых. Сегодня  в Швейцарии одновременно находится в командировке около 200 физиков и других специалистов из России.
Некоторые специалисты полагают, что техника сооружения сверхмощных ускорителей  сегодня “подошла к своему пределу”. Тем не менее, по мнению  российских физиков, следующим и еще более крупным ускорителем должен стать Международный линейный  коллайдер ILC. На его размещение претендует Объединенный институт ядерных исследований в Дубне (Россия).
Именно такие крупные проекты как LHC и ILC являются тем локомотивом, который тянет за собой науку и промышленность. Примеры тому – атомный и космический проекты. Они дали толчок многим научным направлениям и отраслям промышленности.

Тот же Большой адронный коллайдер стимулировал прорывы во многих строительных,  материаловедческих и информационных технологиях.  Приборы, которыми оснащен БАК, потребовали такой точности изготовления, что их создание было бы невозможным без применения новых прогрессивных технологий.

С точки зрения координатора по вычислительному комплексу Grid Вячеслава Ильина:
Прежде всего, это научные перспективы. Это уникальная возможность участия в самом передовом эксперименте начала XXI века. Кроме того, участие в этом международном проекте дает возможность освоить уникальные технологические приемы.  В начале 90-х годов именно появилась всемирная паутина. В конце 90-х в связи с созданием БАК предложили создать уникальную систему приема и обработки информации – ГРИД. Смысл ее состоит в том, что физик, имея какую-то задачу, и он должен ее решить, по обработке данных и изучению того полезного сигнала, который интересен физикам. Он у себя на персональном компьютере запускает эту задачу. И дальше система построена так, что он не знает и не узнает, куда эта задача пошла. То есть, по всему земному шару во всех странах будет установлены специальные вычислительные центры распределенные, которые предоставлены любому физику, участвующему в эксперименте через персональный компьютер. И дальше эта система сама ищет, где есть свободный ресурс, во-первых, во-вторых, где есть соответствующее программное обеспечение, которое может конкретно эту задачу решить. Находит – посылает туда. Дальше, когда эта задача решена, ну, конкретная частная задача, она возвращается к нему обратно, к этому физику, и он получает решение. Вот такая вот система.

 

rian.ru

Читайте также:

Как работает Большой адронный коллайдер, часть 1: устройство и задачи

Почти 60-летняя история Европейской организации по ядерным исследованиям включает в себя, конечно, немало открытий мирового значения. Появление ЦЕРНа вообще сложно переоценить: создание лаборатории под Женевой, например, послужило толчком к «гонке за знаниями» — так, подобная организация в Дубне Московской области, Объединенный институт ядерных исследований, стала ей своеобразным ответом. Кто-то назвал бы это событие «этапом холодной войны», но ученые почти всегда сторонились политики.

 

«Если мы не найдем бозон Хиггса — это хороший результат»

— Физика — наука международная, — считает профессор Игорь Голутвин. — Она требует таких больших ресурсов, что предоставить их не может ни одна страна в одиночку. Я говорю не столько даже о финансовой стороне вопроса, сколько об интеллектуальной.

Игорь Голутвин

Игорь Анатольевич первый раз приехал в Женеву более 50 лет назад. Он — представитель старшего поколения физиков, изучающих элементарные частицы, своими глазами видел становление ЦЕРНа, принимал участие в сотнях экспериментов и издал множество научных работ. Является ведущим ученым Объединенного института ядерных исследований в Дубне и руководителем коллаборации RDMS в ЦЕРНе. В ее состав входят сотни представителей из стран бывшего СССР, в том числе белорусы.

В общем, Игорь Голутвин точно знает, на какие вопросы может ответить Большой адронный коллайдер.

— Я слышал недавно любопытную мысль: физики сейчас занимаются тем, чем занимаются теологи уже 20 веков — объясняют происхождение мира, устройство Вселенной, — продолжает ученый. — Для этого была придумана специальная машина — Большой адронный коллайдер. Идею подали, кстати, мой хороший знакомый, талантливый человек и лауреат Нобелевской премии, Карло Руббиа и инженер Джорджио Брианти.

Профессор Голутвин считает, что Большой адронный коллайдер — идеальная экспериментальная установка, созданная на пределе инженерных возможностей человечества. Воплотить нечто большее было бы попросту невозможно, а построить меньшее — значит, сознательно уменьшить потенциал лаборатории.

— Большой адронный коллайдер мы называем машиной открытий, — говорит Игорь Анатольевич. — И, как это принято в научном мире, любое открытие должно быть подтверждено. Именно для этого сооружено два разных по устройству, но одинаковых по предназначению детектора (эксперимента).

Профессор называет коллайдер «началом новой эры»:

— Когда-то писали клинописью или делали наскальные рисунки, затем появилась принципиально другая письменность, потом книги, компьютеры — люди узнавали все больше и больше. Так вот, информация с детекторов Большого адронного коллайдера — это совсем другой уровень, на порядок выше. За один только год ее набирается столько, сколько потребило бы 2 миллиарда пользователей интернета.

Большая часть анализа информации обрабатывается автоматически — для этого работают мощности как самого ЦЕРНа, так и многочисленных компьютеров, распределенных по миру и связанных между собой в системе ГРИД. Об этом, как и об устройстве самого коллайдера, мы расскажем ниже.

В обывательской среде ходит достаточно много информации о коллайдере и его предназначении — раскруткой «брендов» типа «бозон Хиггса» или «темная материя» занимаются в основном журналисты. Игорь Голутвин описывает задачи ускорителя с долей философии:

— Ученые понимают строение вещества достаточно неплохо, но до определенного уровня, — говорит профессор. — Все, что находится за пределами нашего видения, описывается в теории, при помощи так называемой стандартной модели. Она всем хороша, кроме нескольких «мелочей»: например, в ней не учитывается существование гравитации, а также используется много свободных параметров — целых 26 «подгоночных» величин, вписанных, по сути, от руки.

Игорь Анатольевич доступным для нас языком раскрывает проблему объяснения массы веществ. Стандартная модель описывает их так, как будто они ничего не весят: тем не менее все мы носители своих килограммов, равно как всё, что существует во Вселенной.

— Одна из «красивых» теорий, объясняющая существование массы, как раз увязана с бозоном Хиггса, — продолжает физик. — Кроме того, за последнее десятилетие ученые сделали вывод, что видимая нами часть материи составляет всего 4% от общей ее массы. Так появился термин «темная материя», и мы надеемся понять, что это такое.

Ученый называет «громадным заблуждением» расхожее мнение, будто коллайдер существует только для поиска одного лишь бозона Хиггса. По его мнению, популярность в народе этой проблемы связана с особенностями финансирования научных программ со стороны политических властей: еще во времена попытки построить большой коллайдер на территории США деньги выделялись под конкретный проект или задачу и требовали отчетности. Так «бозон Хиггса» стал сверхзадачей.

— Да, это важнейшая проблема физики, — считает Игорь Голутвин. — И финансирование в огромных размерах (например, ЦЕРН под это выделил 700 миллионов долларов) должно как-то оправдываться, это такой своеобразный критерий.

По оценкам ученого, с достоверностью 98% к концу следующего года станет известно, существует бозон Хиггса или нет.

— На мой взгляд, доказательство отсутствия этой частицы было бы очень хорошим результатом, — заключает профессор. — Представляете, сколько сразу предположений отпадет?

Игорь Голутвин говорит, что коллайдер выполняет и другие важные задачи: он, возможно, станет дорогой в научную физику будущего, знания, которые сейчас даже не предсказываются и не укладываются в существующие теории. Ученые ЦЕРНа надеются приблизиться к пониманию барионной асимметрии Вселенной, кварк-глюонной плазмы, суперсимметрии, физики пространства-времени, природы нейтрино и много чего другого.

Как это работает?

Европейская организация по ядерным исследованиям расположена на территории двух стран — Швейцарии и Франции. Основное количество зданий и площадок разместилось внутри кольца Большого адронного коллайдера. Здесь и кабинеты ученых, и конференц-залы, и центры управления экспериментами, и цеха, и лаборатории, и даже два ресторана с гостиницей.

От площадки до площадки можно путешествовать на велосипедах или автомобилях. Детей, кстати, на день оставляют в имеющемся здесь детском саду.

Экскурсию по ЦЕРНу для нас провел Николай Зимин, физик-экспериментатор и участник эксперимента ATLAS. Он родился в Казахстане, учился в Томске, работает в Дубне, находясь как бы в длительной командировке в Швейцарии уже более 20 лет и помня, как все начиналось.

Николай Зимин

— Организован центр по принципу ООН, — говорит наш экскурсовод. — Почти 60 лет назад свои подписи под его созданием поставили представители 12 стран, еще 10 присоединилось до конца XX века (а Югославия — покинула), 6 имеют статус наблюдателя. Финансирование ЦЕРНа ведется пропорционально ВВП стран — наибольший вклад вносит Германия (порядка 20% от бюджета — 200 миллионов евро в год).

Пока мы идем в отдаленное здание музея, Николай показывает нам бытовые особенности лаборатории — почти круглосуточно работающее кафе, отделение банка и туристическое агентство, отделение связи и почты.

— У ученых, как вы понимаете, рабочий день не нормирован, поэтому раньше даже рестораны работали без перерывов круглые сутки, — продолжает физик. — Однако несколько лет назад случился неприятный инцидент — в ЦЕРН забрели местные хулиганы и устроили драку с работником ресторана. Была усилена проходная система, а ночью работают только кофейные автоматы. Раньше ведь даже забора не было.

Николай Зимин вспоминает этапы «научной войны» между европейским и советскими центрами по ядерным исследованиям. Тогда они шли нога в ногу, и Советы иногда опережали своих коллег.

— Дубненцы придумали по поводу запуска своего самого мощного на тот момент ускорителя — синхрофаза — отправить в Женеву бутылку водки с наказом выпить в день запуска здесь аналогичного устройства. Бутылка вернулась спустя какое-то время в Дубну, выпитая, разумеется. А внутри — график осциллографа, подтверждающий запуск ускорителя в ЦЕРНе.

Теперь, конечно, ускорители уже не те. Большой адронный коллайдер — главная гордость ЦЕРНа — повсеместно изображен на многочисленных рисунках, коллажах, графиках. Остановившись около одного из них, Николай Зимин коротко описал его характеристики:

— Окружность ускорителя составляет 27 километров, сам он состоит из разнообразных сверхпроводящих магнитов в количестве 12 тысяч штук, из них 1,2 тысячи — дипольные магниты, придающие круговую траекторию летящим частицам. Они, кстати, охлаждены до температуры 1,9 Кельвина, что несколько холоднее даже, чем в открытом космосе. Только так можно добиться от гелия, использующегося в конструкции коллайдера, сверхтекучего состояния. Сам тоннель находится под землей, на глубине от 50 до 150 метров (в зависимости от рельефа).

— Коллайдер создан для того, чтобы разгонять протоны до рекордно больших энергий на скорости, меньшей скорости света на миллионные доли, и сталкивать их, — продолжает Николай Зимин.

Зачем?

— Представьте, что мы знаем строение вещества только до определенного уровня, — отвечает научный сотрудник. — Оно состоит из молекул и атомов, те — из ядер и электронов, ядра — из протонов и нейтронов, а еще глубже — из кварков. Что дальше — не знаем. Возможно, узнаем при помощи Большого адронного коллайдера.

Протоны «рождаются» в линейном ускорителе, проходят начальный этап ускорения и попадают в первое малое кольцо, где достигают энергии 25 ГэВ. Отсюда их путь лежит в ускоритель SPS, где получаемая энергия повышается до 450 ГэВ. Наконец, последний этап — «впрыск» в самое большое кольцо и достижение энергии 3,5 ТэВ, половинной от запланированной.

Раскрутив в кольце до невообразимых скоростей, протоны заставляют сталкиваться друг с другом, порождая так называемые «события». Как раз в местах столкновений установлены детекторы — установки, регистрирующие столкновения, — ATLAS и CMS.

— «События» — это регистрация продуктов распада столкновения, большое количество вторичных частиц, порожденных огромными энергиями. Изучая их, мы можем попытаться понять, что существовало в первые микроскопические доли секунд после Большого взрыва, и, возможно, заглянем в новые глубины строения вещества.

В музее нас ожидает сюрприз: среди устаревших научных установок стоит настоящий артефакт компьютерной эпохи — компьютер Next, детище команды Стива Джобса времен ухода из Apple. Устройство стало первым сервером, на котором заработал интернет в привычном нам гипертекстовом виде. Создал его на тот момент сотрудник ЦЕРНа Бернерс-Ли.

— Я хорошо помню лекцию, где Тим представлял проект гипертекстового интернета, — вспоминает по случаю Николай Зимин. — Я тогда еще слабо знал английский, но посетить семинар меня уговорил приятель. По прошествии стольких лет, конечно, ни капли не жалею об этом. Его идея родилась благодаря особенностям нашего центра: нужно было ускорить обмен информацией между учеными, занятыми в разнообразных экспериментах. Именно так возникла мысль о создании чего-то, что могло бы ускорить, упростить и удешевить этот процесс. Никто и не думал, что это найдет такое широкое применение и перевернет мир, обеспечив всему человечеству доступ к разнообразнейшей информации.

Здесь же расположен макет коллайдера, повторяющий настоящий один к одному. Николай Зимин рассказывает, как организован процесс столкновения протонов. Для этого в ускорителе встроены специальные камеры, «умеющие» магнитами сжимать их до пучков с микронными размерами, что обеспечивает вывод на пересекающиеся траектории.

— Одной из сложнейших задач при конструировании коллайдера была проблема эффективности столкновений, — подчеркивает ученый. — Наиболее информативные и важные для нас «события» происходят тогда, когда протоны сталкиваются «лоб в лоб», а не по касательной. В камере пучки фокусируются, сталкиваются какие-то из их частиц, остальные продолжают крутиться в ускорителе, ожидая, когда наступит их черед столкнуться. Дальше — дело анализа.

В коллайдере одновременно находятся 2808 «банчей» — нарезанных сгустков частиц. За 1 секунду они облетают окружность ускорителя 11 тысяч раз, порождая «события» каждые 25 наносекунд. Гигантский объем информации!

— Мы стараемся автоматически отбирать только самые-самые интересные «события», — уточняет Николай Зимин. — Например, когда сталкиваются «в лобовую» протоны, а еще лучше — кварки. Учитывая малые их размеры, такие столкновения крайне редки.

—

Продолжение специального репортажа о работе Большого адронного коллайдера читайте здесь. Вы узнаете о вкладе белорусов в создание проекта, побываете вместе с нами в компьютерном центре ЦЕРНа и увидите самый настоящий ключ от ускорителя!

Onliner.by благодарит белорусское представительство Samsung
за помощь в подготовке репортажа

Фото: Максим Малиновский, камера Samsung NX11

Что такое адронный коллайдер и для чего он создавался? — Пермский информационный портал

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Зачем нужен большой адронный коллайдер и где он находится

Дата публикации: 05 июня 2015.
Категория: Статьи.

Где находится большой адронный коллайдер?

В 2008 году CERN (Европейский совет ядерных исследований) завершил строительство сверхмощного ускорителя частиц, названного Большой адронный коллайдер. По-английски: LHC – Large Hadron Collider. CERN – международная межправительственная научная организация, образованная в 1955 году. По сути, это главная лаборатория мира в областях высоких энергий, физики частиц и солнечной энергетики. Членами организации являются порядка 20 стран.

Зачем нужен большой адронный коллайдер?

В окрестностях Женевы в 27-километровом (26 659 м) круговом бетонном тоннеле создано кольцо сверхпроводящих магнитов для разгона протонов. Предполагается, что ускоритель поможет не только проникнуть в тайны микроструктуры материи, но и позволит продвинуться в поисках ответа на вопрос о новых источниках энергии в глубине материи.

С этой целью одновременно со строительством самого ускорителя (стоимостью свыше 2 млрд долларов) созданы четыре детектора частиц. Из них два больших универсальных (CMS и ATLAS) и два – более специализированных. Общая стоимость детекторов приближается также к 2 млрд долларов. В каждом из больших проектов CMS и ATLAS приняли участие свыше 150 институтов из 50 стран, в том числе российских и белорусских.

Охота за неуловимым бозоном Хиггса

Как работает адронный коллайдер ускоритель? Коллайдер – это крупнейший ускоритель протонов, работающий на встречных пучках. В результате ускорения каждый из пучков будет иметь энергию в лабораторной системе 7 тераэлектрон-вольт (ТэВ), то есть 7×1012 электрон-вольт. При столкновении протонов образуется множество новых частиц, которые будут регистрироваться детекторами. После анализа вторичных частиц полученные данные помогут ответить на фундаментальные вопросы, волнующие ученых, занимающихся физикой микромира и астрофизикой. В числе главных вопросов – экспериментальное обнаружение бозона Хиггса.

Ставший «знаменитым» бозон Хиггса – гипотетическая частица, являющаяся одним из главных компонентов так называемой стандартной, классической модели элементарных частиц. Назван по имени британского теоретика Питера Хиггса, предсказавшего его существование в 1964 году. Считается, что хиггсовские бозоны, будучи квантами поля Хиггса, имеют отношение к фундаментальным вопросам физики. В частности – к концепции происхождения масс элементарных частиц.

2-4 июля 2012 ряд экспериментов на коллайдере выявили некую частицу, которую можно соотнести с бозоном Хиггса. Причем, данные подтвердились при измерении и системой ATLAS, и системой CMS. До сих пор идут споры, действительно ли открыт пресловутый бозон Хиггса, или это другая частица. Факт в том, что обнаруженный бозон – самый тяжелый из ранее фиксировавшихся. Для решения фундаментального вопроса были приглашены ведущие физики мира: Джеральд Гуральник, Карл Хаген, Франсуа Энглер и сам Питер Хиггс, теоретически обосновавший в далеком 1964 году существование бозона, названного в его честь. После анализа массива данных, участники исследования склонны считать, что бозон Хиггса действительно обнаружен.

Многие физики надеялись, что при исследовании бозона Хиггса выявятся «аномалии», которые заставили бы говорить о так называемой «Новой физике». Однако к концу 2014 года обработан почти весь массив данных, накопленный за три предыдущих года в результате экспериментов на БАК, и интригующих отклонений (за исключением отдельных случаев) не выявлено. На поверку оказалось, что двухфотонный распад пресловутого бозона Хиггса оказался, по словам исследователей, «слишком стандартным». Впрочем, намеченные на весну 2015 года эксперименты могут удивить научный мир новыми открытиями.

Не бозоном единым

Поиск бозона Хиггса – не самоцель гигантского проекта. Для ученых также важен поиск новых видов частиц, позволяющих судить о едином взаимодействии природы на ранней стадии существования Вселенной. Сейчас ученые различают четыре фундаментальных взаимодействия природы: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Теория предполагает, что на начальной стадии Вселенной, возможно, существовало единое взаимодействие. Если новые частицы будут открыты, то подтвердится эта версия.

Физиков также волнует вопрос о загадочном происхождении массы частиц. Почему частицы вообще имеют массу? И почему они имеют такие массы, а не другие? Попутно здесь всегда имеется в виду формула Е=mc². В любом материальном объекте есть энергия. Вопрос в том, как ее высвободить. Как создать такие технологии, которые позволили бы высвобождать ее из вещества с максимальным коэффициентом полезного действия? На сегодня это основной вопрос энергетики.

Иными словами, проект Большого адронного коллайдера поможет ученым найти ответы на фундаментальные вопросы и расширить знания о микромире и, таким образом, – о происхождении и развитии Вселенной.

Вклад белорусских и российских ученых и инженеров в создание БАК

На этапе строительства европейские партнеры из CERN обратились к группе белорусских ученых, имеющих серьезные наработки в этой области, принять участие в создании детекторов для LHC с самого начала проекта. В свою очередь, белорусские ученые пригласили к сотрудничеству коллег Объединенного института ядерных исследований из наукограда Дубна и других российских институтов. Специалисты единой командой приступили к работе над так называемым детектором CMS – «Компактным мюонным соленоидом». Он состоит из многих сложнейших подсистем, каждая из которых сконструирована так, чтобы выполнялись специфические задачи, при этом совместно они обеспечивают идентификацию и точное измерение энергий и углов вылета всех частиц, рождающихся в момент протонных столкновений в БАК.

Белорусско-российские специалисты также участвовали в создании детектора ATLAS. Это установка высотой 20 м, способная измерить траектории частиц с высокой точностью: до 0,01 мм. Чувствительные датчики внутри детектора содержат около 10 млрд транзисторов. Приоритетная цель эксперимента ATLAS состоит в обнаружении бозона Хиггса, изучении его свойств.

Без преувеличения, наши ученые внесли существенный вклад в создание детекторов CMS и ATLAS. Некоторые важные компоненты были изготовлены на минском Машиностроительном заводе им. Октябрьской революции (МЗОР). В частности – торцевые адронные калориметры для эксперимента CMS. Кроме того, завод произвел весьма сложные элементы магнитной системы детектора ATLAS. Это крупногабаритные изделия, требующие владения специальными технологиями обработки металлов и сверхточной обработки. По оценке техников CERN, заказы были выполнены блестяще.

Нельзя недооценивать и «вклад личностей в историю». Например, инженер кандидат технических наук Роман Стефанович ответственен в проекте CMS за сверхточную механику. В шутку даже говорят, что без него CMS не был бы собран. Но если серьезно, то можно вполне определенно утверждать: без него сроки сборки и наладки при требуемом качестве не были бы выдержаны. Другой наш инженер-электронщик Владимир Чеховский, пройдя достаточно сложный конкурс, сегодня отлаживает электронику детектора CMS и его мюонных камер.

Наши ученые участвуют как в запуске детекторов, так и в лабораторной части, в их эксплуатации, поддержании и обновлении. Ученые из Дубны и их белорусские коллеги полноправно занимают свои места в международном физическом сообществе CERN, которое трудится ради получения новой информации о глубинных свойствах и строении материи.

Зачем нужен новый коллайдер

[ Обновление : Я нашел время добавить несколько ссылок на сообщение ниже, которое я ранее пропустил из-за нехватки времени (эй, я в отпуске!), И я также обновил его, чтобы добавить комментарий Сабины. Последний пост Хоссенфельдера о «конце физики элементарных частиц». ]

В наш век краткосрочных стратегий вознаграждения (в политике, обществе и индивидуальном поведении) планировать огромные усилия на 20 лет вперед труднее, чем раньше. В конце восьмидесятых, когда был задуман Большой адронный коллайдер (БАК), и несколько провидцев заявили, что его можно реализовать, это сразу показалось всем отличной идеей.

Единственный другой проект в области физики элементарных частиц «высоких энергий», сверхпроводящий суперколлайдер (SSC), обещал предоставить все, о чем физик мог мечтать: гарантированное открытие бозона Хиггса плюс тщательное исследование новой физики. по всем направлениям и вплоть до эффективной инвариантной массы новых резонансов в диапазоне десятков ТэВ.

( Вверху: карта следа SSC ​​в Техасе и подземная полость, выкопанная недалеко от Ваксахачи — изображение из этого сообщения в блоге ).

Однако в будущем SSC располагалась еще дальше, и из-за своей высокой стоимости ей пришлось столкнуться с политическими препятствиями, прежде чем ее можно было создать. Мы знаем, чем эта история закончилась: в сентябре 1993 года голосование в Конгрессе США сократило финансирование, в одночасье превратив SSC из крупнейшего человеческого предприятия в участок выращивания грибов.

Помимо очевидного преимущества наличия туннеля, готового для размещения ускорителя (кольцо LEP длиной 27 км в ЦЕРНе), победным проектом LHC стал тот факт, что физики прошлого века все еще рассуждали с точки зрения открытое соревнование между США и Европой за лидерство в области физики высоких энергий.В то время как большинство крупных открытий в шестидесятые и семидесятые годы произошло в США, несмотря на превосходные эксперименты ЦЕРНа (и, по крайней мере, в одном случае из-за нечестной игры какого-то известного влиятельного лица), восьмидесятые годы стали свидетелями реванша Европы с чрезвычайно важным открытие W- и Z-бозонов.

Настоящее

Перенесемся в настоящее. Очевидно (но см. Ниже примечание о HE-LHC) нет огромных туннелей, готовых принять следующий супер-пупер коллайдер; конкуренция между США и Европой исчезла из-за потери импульса финансирования США физики высоких энергий, а также миграции и вклада американских ученых в эксперименты ЦЕРН; и нет очевидных целей, в которых можно было бы убедить финансирующие агентства. Что в этой ситуации должны делать физики-экспериментаторы, держащие в руках хромые карты, которые не подходят друг другу?

При беглом взгляде любой, кто играет в покер, возразит, что в этой ситуации есть два варианта: пасовать или идти ва-банк; и что первая стратегия кажется более мудрой. Но это довольно поверхностный взгляд на проблему. Действительно, если мы посмотрим на светлую сторону вещей, вырисовывается совсем другая картина.

1) Китай — новый игрок в игре больших машин, и он показал свою готовность взять на себя инициативу в планировании нового электрон-позитронного коллайдера в очень длинном туннеле, который в свое время может быть преобразован в протон-протонный коллайдер, работающий на энергии центра масс, предлагающий достаточно большой скачок в исследуемом пространстве, чтобы дать значительную надежду на удачу и, наконец, открытие физики за пределами стандартной модели;

2) Мы нашли новую частицу, бозон Хиггса, и мы собираемся подробно изучить ее в следующие 15 лет работы LHC. Это уже профинансированный проект — так называемый «HL-LHC», что означает «высокая светимость», что означает получение больших объемов данных. Тем не менее адронные коллайдеры не идеальны для точной физики: HL-LHC многое сделает, но мы действительно хотим достичь той точности, которой мы действительно хотим достичь при определении силы связи частицы Хиггса со всеми известными фермионами и бозонами (1 % или ниже) недоступен для этого проекта. Что делать?

Ответ любому разумному физику прост: вы обнаруживаете частицы в столкновениях адронов, где скорость образования высока; но затем вы изучаете их с высокой точностью в электрон-позитронных столкновениях, где можно проводить чистые измерения.Мы сделали это с тандемом SppS-LEP в восьмидесятые годы: после обнаружения Z-бозона на протон-антипротонном коллайдере SppS, измерение его свойств (что имеет решающее значение для строгих испытаний теории электрослабого взаимодействия) было выполнено на LEP, электронном позитронная машина.

Итак, план довольно прост: построить новую электронно-позитронную машину в большом туннеле, подробно изучить Хиггса и тем временем усовершенствовать технологию высокопрочных магнитов, чтобы вы могли изгибать очень энергичные лучи. протонов в том же туннеле через десять лет.Простота этого плана (назовем его «FCC», от «будущего кругового коллайдера» в дальнейшем, имя выбрано проектом в ЦЕРНе, хотя с этим именем я не выбираю географическое положение для его строительства) сочетается поскольку научная необходимость изучения бозона Хиггса теперь, когда мы наконец-то его заполучили, делает его очень сильным, и против него трудно спорить.

3) Теория частиц переживает кризис. Как любит отмечать мой друг и коллега Джан Франческо Джудиче, кризисы обычно являются продуктивным моментом.Поскольку суперсимметрию нельзя обнаружить экспериментально, а пространство для дыхания ее наиболее естественных экземпляров сокращается с каждым днем, многие теоретики обратились к более сложным идеям или к «эффективным теориям», которые описывают новые явления таким образом, который хорошо согласуется с измерениями. что могут произвести эксперименты. Дело здесь в том, что на данном этапе мы не можем полагаться на теорию, чтобы указать путь. Должны ли мы тогда сидеть и ждать, когда появится новый Вайнберг? Это не имеет никакого смысла.

Просто подумайте о последних 150 годах научных достижений.Сколько из этих звездных открытий (рентгеновские лучи, электрон, нейтрон, мюон, пион, нейтрино, сотни новых адронных резонансов, нарушение CP, частица J / Psi; не говоря уже о Большом взрыве и множестве другие революционные открытия, если нам позволят расширить поиски на другие области) были заранее объявлены теоретическими исследованиями? Сколько раз теоретики говорили нам, где искать? Это действительно произошло с Хиггсом, с буквами W и Z и со многими прекрасными открытиями; но мы не должны впадать в такое испорченное отношение, поскольку теоретики — люди, и они могут быть неспособны постичь немыслимое.Но немыслимое может существовать! Вот почему экспериментирование, основанное на технологиях, живет своей логикой и логикой.

Относительно сообщения Сабины

Сабина Хоссенфельдер, звездный блогер и автор бестселлера по этому вопросу («Затерянные в математике», деньги потрачены очень хорошо, если вы спросите меня!), Утверждает на своем сайте обратной реакции, что сторонники плана FCC преувеличивают потенциал своего плана, а также шансы, что он обнаружит новую физику. В каком-то смысле то, что она говорит, правильно: признаки того, что новая физика уже не за горами, совсем не сильны.

На самом деле, если вы меня достаточно хорошо знаете, вы быстро догадались бы, что я с готовностью предлагаю повторить ставку в 1000 долларов, которую я сделал в 2006 году (и позже выиграл в 2013 году у Гордона Уоттса и Жака Дистлера) на отсутствие под рукой сигналов новой физики. В старой ставке упоминались энергии LHC и 10 обратных фемтобарнов на эксперимент как порог, при котором будет производиться оценка улова с помощью ATLAS и CMS; в новой ставке можно оговорить, что решение о том, кто выиграет, зависит от того, будет ли найдено что-нибудь новое при энергиях подпроцесса, скажем, 10, 20, 50 ТэВ или ниже.(например, при предлагаемых выплатах соответственно 1: 1, 1: 2 и 1: 3). [Примечание: «энергии подпроцесса» означают фактическую комбинированную энергию точечной пары, которая производит жесткое взаимодействие; это в адронном коллайдере на 100 ТэВ эффективно уменьшается примерно в 6 раз, хотя вопрос полностью зависит от того, сколько столкновений можно собрать. ] Но личные убеждения не являются наукой — на самом деле, мы не использовать байесовскую статистику в нашем бизнесе.

Я считаю, что Сабина заблуждается (как было указано многими комментаторами в ее блоге и в своей ветке Facebook), так это, на мой взгляд, отсутствие теоретических указаний никогда не должно препятствовать расследованию Природа.Для меня тот факт, что мы можем производить резонансы 40 ТэВ, если они существуют, сам по себе является достаточной мотивацией, чтобы попытаться сделать именно это. Разве в современных данных недостаточно аномалий, чтобы указать, что нам следует искать в деталях? Жаль, что давайте поищем все, что сможем найти, как хорошо объяснила Кэти Макэлпайн в своем рэпе на LHC.

Я должен добавить здесь, что в вышеупомянутых обсуждениях я был отмечен Сабиной как заинтересованный участник в FCC или в целом в экспериментальной HEP, и поэтому мое мнение является необъективным.Это нелепое заявление, свидетельствующее об опасном мировоззрении. Конечно, мое мнение о предвзято — оно основано на десятилетиях изучения физики элементарных частиц и полученных в результате полученных знаний! Или нам следует провести опрос в Facebook, чтобы решить, финансировать ли FCC или, скорее, построить лестницу на Луну? Наверное, это было бы демократично, но также было бы глупо.

Дело в том, что моя зарплата не изменится, если европейские финансовые агентства решат предоставить Китаю создание следующей большой машины; Кроме того, мне больше нравится идея вернуть себе статус сенатора в Lufthansa, которую я потерял, когда перестал работать в эксперименте в Фермилабе.Вот как далеко зашли мои личные выгоды в этом вопросе. Итак, я утверждаю, что могу сесть здесь и сказать, что FCC — очень хорошая идея; что это полностью научно мотивировано; что это стоит меньше денег, которые США тратят на несколько недель операций на Ближнем Востоке; что эти деньги нельзя было потратить на лучший способ исследования фундаментальной физики (нет, я не поддерживаю снова отдавать их теоретикам струн).

Говорят, что поздняя реакция должна быть слабее быстрой, чтобы не вызвать эскалации (хорошим примером является начало Первой мировой войны).Этот пост является довольно поздней критикой разглагольствования Сабины против видео FCC, поэтому я постараюсь сохранить его мягкость: я думаю, что эта статья лишь подчеркивала научную ценность заявления о демонстрационном видео, и как таковая это, вероятно, правильно и определенно не имеет отношения к делу. Поскольку мы хорошо знаем, что, чтобы выступать перед публикой (будь то заинтересованные неспециалисты или конгрессмены с ручкой и чеком, готовым к подписанию), мы должны немного упростить ситуацию. Скажем так, уровень тривиализации видео FCC не пришелся по вкусу Сабине, и двинемся дальше.Если, конечно, мы не хотим еще больше разжечь огонь дискуссии и сделать книгу Сабины бестселлером всех времен, к моей горячей зависти!

Обратите внимание, что в более позднем посте Сабина объясняет, почему она действительно считает, что новый коллайдер высоких энергий недостаточно мотивирован (в то время как в комментариях к предыдущему посту она была более осторожна и сказала, что она всего лишь утверждает, что FCC видео преувеличивает шансы найти новую физику). Аргумент, который она выдвигает сейчас, состоит в том, что существует долгая история прошлых заявлений (в основном теоретиков) о необходимости новой физики в масштабе ТэВ, основанных только на аргументе естественности.Поэтому, по ее словам, «физики элементарных частиц нервничают», поскольку этот аргумент больше не может быть приведен. Но в этом аргументе, как я утверждаю, нет необходимости (и на самом деле именно , а не было причиной создания LHC в первую очередь, поскольку LHC изначально создавался с целью найти Хиггса, нравится вам это или нет).

Извините, но, несмотря на множество цитат в ее посте, не похоже, что все вращается вокруг темы естественности. Есть и другие вещи, которые могут заинтересовать — например, нейтрино: что, черт возьми, с их массами и смесями? Точно так же можно было найти сотни заявлений до 2010 года неосторожных теоретиков, которые утверждали, что LHC должен найти новую физику в форме частицы темной материи с энергией 100 ГэВ, основанной только на «космическом совпадении». Я не вижу упоминания об этом очень важном аргументе в ее посте (и это выглядит странно, учитывая, что его легко можно развернуть таким же образом).

[«Космическое совпадение», на которое я намекаю, — это идея о том, что если мы попытаемся объяснить темную материю (ТМ), выдвинув гипотезу о существовании пока еще не обнаруженной слабовзаимодействующей нейтральной частицы (это может быть суперсимметричная частица, называемая нейтралино, например), то сечение ее образования, если она имеет массу несколько сотен ГэВ, оказывается именно тем, которое требуется для создания в первые мгновения Большого взрыва ее достаточного количества, чтобы объяснить текущее количество DM во вселенной.Так что если вы представите себе нейтралино, это автоматически объяснит состав Вселенной, если вы придадите ему массу в масштабе нарушения электрослабой симметрии.]

Немного грустно читать между строк, что, несмотря на все ее пытается сказать, что она не говорит, что машина, подобная FCC, не должна быть построена, Сабина глубоко внутри, кажется, надеется (по крайней мере, для меня), что не будет построен : почему, в противном случае, она должна озаглавить свой пост, что «LHC может означать конец физики элементарных частиц », или написать (дважды) полусмешным тоном, что« физики элементарных частиц нервничают », или торжествующе заключить (извините, это опять же только то, как это звучит для меня), что FCC« будет трудно продать машину, которая стоит 10 миллиардов долларов и выше »?

Кроме того, она искажает вещи в своем последнем посте, поскольку она говорит, что «почти все согласны с тем, что LHC должен видеть новую физику помимо Хиггса», цитируя в основном многих выдающихся теоретиков. Кого волнуют теоретики? Я знаю, что Сабина привлекает внимание к теоретическим дебатам, которые в конечном итоге сводятся к тому, почему все должны читать ее книгу. Но, Сабина, вокруг есть сотни экспериментаторов (а также несколько теоретиков), которые верят в это , а не , и я привел пример одного из них выше, поскольку я сам вложил свои деньги туда, где был мой рот, 12 лет назад.

Но стоит ли строить новую вещь? А какой?

Теперь позвольте мне вернуться к основной теме этого поста: зачем нам нужен новый коллайдер и что это может быть.Поскольку мы не обсуждали несколько альтернативных вариантов плану FCC (именно так я называю большую новую электрон-позитронную машину, за которой 10 лет спустя последовал протон-протонный коллайдер на уровне 100 ТэВ, конечно, и к которому я не указывайте географическое положение — если это Китай, физикам все равно).

Один из вариантов, который не исключен полностью, но который, как я чувствую, теряет силу в качестве основного игрока, — это создание очень длинного линейного коллайдера. Я не буду здесь обсуждать варианты и схемы; основные из них называются CLIC и ILC, и вы можете найти их, если хотите.Сила этих машин, которые сталкиваются с интенсивными пучками электронов и позитронов при энергиях, подходящих для изучения бозона Хиггса и топ-кварка, а затем до нескольких ТэВ, заключается в том, что они выполняют точную физику. Их слабое место в том, что они не обещают расширить поиск новой физики дальше, чем это делают LHC или HL-LHC. Кроме того, работа с энергией в несколько ТэВ в центре масс означает отключение света и кондиционирования воздуха в большом городе, чтобы получить достаточно электроэнергии.Я был бы счастлив, если бы такая машина была построена, но я не думаю, что это может быть все, что мы делаем в ближайшие 20-30 лет.

Менее амбициозный план, чем план FCC, состоит в увеличении энергии пучка LHC за счет установки новых магнитов, способных удвоить их изгибающую способность. Этот проект (названный «HE-LHC», где E означает «энергия») приведет к столкновениям протонов с протонами при энергиях 25-30 ТэВ, без необходимости копать ни единой лишней унции земли. Это интересный план, чтобы сохранить его в качестве резервной копии, если мы снова получим SSC-ed, но я думаю, что мы можем и должны стремиться к более высокому уровню, поскольку технология, позволяющая узнать больше о нашем мире, уже есть, и было бы стыдно не делать все, что мы может, как я уже заметил.

Мюонный коллайдер

Наконец, на столе есть еще одна экзотическая идея, которая мне очень нравится: создание мюонного коллайдера. Мюоны — более тяжелые братья электронов. Они имеют массу в 200 раз больше, что гарантирует, что энергия не будет растрачена на синхротронное излучение, поскольку эти частицы изгибаются в кольцевом коллайдере (поскольку энергия, излучаемая заряженной частицей, уменьшается в четвертой степени ее массы при прочих равных условиях) . Вы уловили суть: мюонный коллайдер можно сделать более компактным и одновременно более энергичным.Но подождите: мюоны нестабильны! В среднем они распадаются за 2 миллионных доли секунды. Как мы можем их создавать, ускорять и вызывать столкновения?

Эйнштейн приходит на помощь. Теория относительности объясняет, что наручные часы мюона, движущегося, скажем, с энергией, в десять тысяч раз превышающей его массу покоя, идут медленнее на такую ​​же величину. Для нас этот мюон живет 0,02 секунды, что становится вполне управляемым интервалом времени, позволяющим нашей технологии добиться цели.

Но почему мюоны? Во-первых, мюоны связываются с бозоном Хиггса пропорционально квадрату их массы, как и электроны, поэтому вероятность того, что при столкновении мюона с мюоном образуется бозон Хиггса, в 40000 раз выше, чем при столкновении электронов и позитронов.Но это еще не все: есть несколько теоретических предрассудков, которые указывают на идею о том, что если будет открыта новая физика, она также будет легче взаимодействовать с материей второго и третьего поколения (мюоны и тауоны, если мы говорим о лептонах).

Итак, создание мюонного коллайдера было бы вполне научно мотивированным; это также займет у нас долгое время, потому что, скажем, технология, позволяющая сделать это, не совсем проста в сборке. Но если вы спросите меня, я бы профинансировал план FCC И мюонный коллайдер, зная, что ключи двигателя последнего, вероятно, будут переданы нашим внукам.

Почему я могу ошибаться

Выше я упомянул, что готов рискнуть на отсутствие новой физики вплоть до энергий 40 ТэВ или около того. Почему это число? И почему я такой пессимист? Что ж, я пессимистичен, потому что, когда я держу пари, мне нравится делать это так, чтобы я всегда выигрывал. Если бы мы открыли новую физику, я был бы так счастлив, что перспектива потерять 1000 долларов и публично высмеивать себя казалась бы очень и очень маленькой ценой!

На самом деле стандартная модель действительно является только эффективной теорией, которая в какой-то момент обязательно сломается.И хотя люди утверждают, что естественность (неестественно малая масса бозона Хиггса, которая заставляет теорию совершать акробатические прыжки, чтобы уменьшить большой вклад в эту физическую величину) является ложной проблемой для стандартной модели, я все же думаю, что это показывает мы не закончили нашу работу по пониманию того, как все работает на самом деле. Кроме того, мы знаем, что нейтрино имеют массу, и очень скоро мы начнем их измерять. Но это загадка, окутанная тайной!

Видите ли, это всего лишь две вещи (я мог бы написать еще пять или шесть, но на самом деле позвольте мне насладиться вечеринкой в ​​канун Нового года!), Которые любой ученый должен принять как доказательство того, что нам предстоит еще долгий путь, чтобы понять суть Мир.Почему мы должны остановиться сейчас? LHC был чрезвычайно успешным : он дал нам то, для чего мы его построили (Хиггса), а также дал нам огромное количество новых знаний. Исключение опровергнутых теорий (а значит, и хорошей науки) — это очень здоровый способ избавиться от ложных объяснений природы. БАК сделал это, и я не понимаю, как построить больший БАК и в то же время закончить наши дела с пониманием частицы Хиггса, может быть что угодно, только не разумно.

Вот — я думаю, что дал вам некоторые идеи о том, почему, на мой взгляд, мы должны стремиться к подготовке к созданию новой машины сейчас, и какой она должна быть. А теперь стреляйте в меня, мне все равно — я провожу последний день 2018 года, отдыхая у бассейна на крошечном индонезийском острове, и мне нельзя связаться по электронной почте. Счастливого нового года всем !

—

Томмазо Дориго — физик-экспериментатор элементарных частиц, который работает в INFN в Университете Падуи и участвует в эксперименте CMS на LHC в ЦЕРНе.Он координирует европейскую сеть AMVA4NewPhysics, а также исследования в области физики на основе ускорителей для INFN-Padova и является редактором журнала Reviews in Physics. В 2016 году Дориго выпустил книгу «Аномалия! Физика коллайдера и поиск новых явлений в Фермилабе ». Вы можете получить копию книги на Amazon.

Нужен ли миру более мощный суперколлайдер?

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

(Inside Science) — В 2012 году физики элементарных частиц впервые обнаружили долгожданный бозон Хиггса. Эта частица была последним недостающим кусочком пазла того, что физики называют Стандартной моделью — наиболее тщательно проверенного набора физических законов, управляющих нашей Вселенной. Открытие Хиггса стало возможным благодаря гигантской машине в Европе, известной как Большой адронный коллайдер, в которой используется 27-километровое кольцо из сверхпроводящих магнитов для ускорения, а затем столкновения частиц вместе со скоростью, близкой к скорости света.

Но Стандартная модель — это еще не конец физики. Он не дает объяснения загадок, таких как существование темной материи или темной энергии, или почему гравитация так отличается от других фундаментальных сил.

Подобно неизведанным территориям, которые средневековые картографы заполнили фантастическими животными, границы физики были заполнены множеством гипотез о том, что может таиться в темноте. А в науке единственный способ подтвердить или опровергнуть эти гипотезы — это собрать больше данных — данных с более совершенных телескопов и микроскопов и, возможно, с совершенно нового, еще большего суперколлайдера.

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

Однако исследование неизведанного зачастую обходится недешево.Ученые и инженеры обсуждают, стоит ли вложить в проект как минимум 10-значную цену.

Хорошее

Хотя обнаружение бозона Хиггса в некотором смысле ознаменовало завершение Стандартной модели, предстоит еще много работы.

Фундаментальные частицы Стандартной модели.

Медиа-права

Авторские права Американский институт физики

«Мы до сих пор не понимаем массу бозона Хиггса.Мы не понимаем семейной проблемы, например, почему существует три семейства частиц », — сказала генеральный директор CERN Фабиола Джанотти. «Итак, изучение бозона Хиггса с максимально возможной точностью является обязательным, и будущий коллайдер будет делать это».

Когда частицы в суперколлайдере сталкиваются друг с другом со скоростью, близкой к скорости света, часть их объединенной кинетической энергии преобразуется в массу, создавая новые частицы, такие как частицы Хиггса. Однако LHC может производить только один бозон Хиггса примерно на каждый миллиард столкновений, поэтому даже с возможностью производить сотни миллионов столкновений каждую секунду, LHC все равно потребовалось несколько лет, чтобы получить достаточно данных, чтобы сигнал Хиггса превысил фоновый шум.Более мощный коллайдер может увеличить скорость образования и позволить ученым лучше изучать бозон Хиггса.

Чтобы лучше понять, почему для создания большего количества частиц требуется столько энергии, представьте себе игру в боулинг с миллионами кеглей на дорожке, некоторые из которых легкие, а некоторые тяжелые. Легких штифтов намного больше, чем тяжелых — например, один миллион штифтов весом в 1 унцию на каждый штифт весом в 1 тонну. Теперь, чтобы «создать» тяжелую частицу, такую ​​как Хиггс, что сродни удару тяжелой булавки, вам нужно бросить шар для боулинга достаточно сильно, чтобы не только сбить тяжелую булавку, но и пробить миллионы более мелких булавок. в пути.

Энергия, необходимая для создания таких частиц, как бозон Хиггса, измеряется в так называемых гигаэлектронвольтах, или ГэВ. LHC может генерировать столкновения с энергией 13000 ГэВ, что более чем в сто раз превышает эквивалентную массу-энергия 125 ГэВ бозона Хиггса. Он может производить только один бозон Хиггса на каждые 10 миллиардов столкновений из-за того, что вся энергия расходуется на все более легкие частицы.

Могут существовать даже более тяжелые частицы, производство которых выходит за пределы технических возможностей LHC, или LHC может генерировать их с такой низкой скоростью, что их невозможно обнаружить статистически.Другими словами, если мы хотим сбить больше «тяжелых булавок», нам понадобится больше «мускулов».

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

Плохое

Одна из ведущих теорий за пределами Стандартной модели известна как суперсимметрия. На первый взгляд кажущаяся абстрактной, основная концепция суперсимметрии на самом деле довольно проста.Суперсимметрия предсказывает, что для каждой из 17 фундаментальных частиц в Стандартной модели существует гипотетическая частица-партнер — таким образом, «симметрия» — и каждая из этих гипотетических частиц будет тяжелее, чем их соответствующий, уже обнаруженный партнер — таким образом, «супер.»

Впервые представленная в конце 1960-х — начале 1970-х годов, суперсимметрия выглядела многообещающей благодаря своей математической элегантности и способности объяснять, почему гравитация кажется намного слабее, чем другие фундаментальные силы, и разрешать другие загадки, такие как темная материя.

Однако, как бы многообещающе ни выглядела суперсимметрия как теория, которая могла бы помочь объединить все фундаментальные силы во Вселенной, исследователям элементарных частиц еще предстоит увидеть никаких прямых доказательств, подтверждающих ее после десятилетий экспериментов. Поколения физиков элементарных частиц работали над теорией, и многие думали, что они наконец увидят следы суперсимметричных частиц, когда LHC впервые появится в сети.

Вид изнутри туннеля, в котором находится БАК, под французско-швейцарской границей недалеко от Женевы.Туннель имеет 27 километров в окружности и 574 фута под землей в самом глубоком месте ».

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

Однако первоначальные оптимистические ожидания не оправдались.

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

Прямо сейчас никто не может сказать наверняка, сколько еще энергии нам потребуется, чтобы найти следующие новые частицы — если они есть. Вполне возможно, что следующий коллайдер их вообще не увидит.

Уродливые

С момента их предложения европейские и китайские планы по созданию нового суперколлайдера вызвали критику со стороны тех, кто сомневается, что проекты оправдают себя.Между тем их сторонники утверждают, что неопределенность выигрыша свойственна процессу исследования неизвестного. Эти усилия вознаграждаются независимо от того, приводят ли они к новым захватывающим частицам, поскольку мы все равно сможем уточнить наше понимание Вселенной, исключив теории, не соответствующие новым данным.

Повесть о двух коллайдерах

В своем отчете о концептуальном дизайне ЦЕРН перечислил три возможных пути для своего будущего кругового коллайдера, каждый из которых имеет свой набор преимуществ и недостатков с точки зрения науки, техники и стоимости.Первый — это создание электрон-позитронного коллайдера (FCC-ee) в 100 км вокруг, который обеспечит высокоточные исследования бозона Хиггса и других известных частиц. Вторая модернизирует FCC-ee до нового адронного коллайдера (FCC-hh) с энергией в семь раз больше, чем у LHC. Эта конструкция могла бы включать точку взаимодействия адрон-лептон (FCC-he). И, наконец, возможно, в самом конце списка желаний находится модернизация LHC (HE-LHC), которая удвоит его текущую мощность до 27 000 ГэВ.

Проект CEPC в Китае немного отличается.Без существующей инфраструктуры ускорителей, такой как LHC, CEPC придется строить полностью с нуля. Их отчет о концептуальном дизайне разделяет проект на две фазы. Первый этап — электрон-позитронный коллайдер, который будет размещен в круглом подземном туннеле протяженностью 100 км, — начнется строительство в 2022 году и будет завершено к концу десятилетия. Он будет служить «фабрикой Хиггса», которая может обеспечить более точное измерение бозона Хиггса. Вторая фаза, получившая название Super Proton Proton Collider или SPPC, будет делить пространство в том же 100-километровом туннеле.Его строительство планируется начать около 2040 года и закончить к середине 2040-х годов. Это будет протон-протонный коллайдер, подобный LHC, но с гораздо более высокой энергией, до 100 000 ГэВ, что позволит ему искать новую физику, такую ​​как суперсимметрия. Предполагаемое место для размещения объекта — Циньхуандао, портовый город в 300 км к востоку от Пекина, до которого можно добраться на высокоскоростном поезде за один час.

Медиа-права

Авторские права Американский институт физики

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

Хотя физики знают, что они не могут узнать результаты, не собрав инструменты и не проведя эксперимент, экономика таких исследований более открыта для дискуссий. Какую цену мы готовы заплатить за лучшее понимание нашей Вселенной?

Чен-Нин Ян, лауреат Нобелевской премии по физике элементарных частиц, в 2016 году привлек внимание общественности к этой дискуссии в Китае.В широко распространенном блоге он раскритиковал поиски признаков суперсимметрии с помощью нового суперколлайдера как «предположение поверх предположения». Он также выразил беспокойство по поводу того, что проект отрицательно скажется на финансировании других областей исследований, особенно тех, которые «требуют неотложных решений, таких как окружающая среда, образование и здравоохранение».

Ян назвал отмену сверхпроводящего суперколлайдера в США «болезненным опытом», который превратился в «бездонную яму» растраченного финансирования.Первоначально предложенный с ценой в 4,4 миллиарда долларов в 1987 году, расчетная стоимость этого коллайдера быстро выросла до 12 миллиардов долларов, прежде чем была отменена в 1993 году после того, как 2 миллиарда долларов уже были потрачены. Оглядываясь назад, можно сказать, что этот инструмент мог помочь научному сообществу открыть бозон Хиггса несколько лет назад.

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

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

Европейский партнер CEPC, FCC, также получил несколько возражений. В начале этого года физик-теоретик Сабина Хоссенфельдер опубликовала статью в New York Times, в которой написала: «Я все еще верю, что столкновение частиц друг с другом — наиболее многообещающий путь к пониманию того, из чего состоит материя и как она скрепляется. .Но 10 миллиардов долларов — это изрядная цена. И я не уверен, что оно того стоит «.

Оба проекта сейчас все еще находятся на стадии исследований и разработок, но с учетом графика строительства, запланированного на ближайшее десятилетие, проекты, вероятно, будут привлекать более пристальное внимание, поскольку их сторонники пытаются обеспечить финансирование.

«Прямо сейчас у нас есть пять лет на обоснование исследования, а затем, вероятно, еще пять лет на детальное инженерное проектирование. Затем мы действовали в любом темпе, который был ограничен деньгами », — сказал Ньюболд.«Вероятно, это произойдет как минимум через 20 лет, а может и больше».

Команды FCC и CEPC опубликовали в прошлом году отчеты о концептуальном дизайне, каждый из которых содержит сотни страниц и написан более чем тысячей ученых и инженеров. На первый взгляд, оба проекта нацелены на достижение схожих научных целей, поэтому успех одного может опередить другой. На данный момент оба проекта находятся в начале долгой гонки в неизвестность.

10 невероятных фактов о большом коллайдере ЦЕРН, которые вам необходимо знать — RT Op-ed

В сентябре Большой адронный коллайдер в Европе (LHC) будет сталкивать субатомные частицы почти со скоростью света — это беспрецедентный эксперимент, в котором ведущие голоса в мире науки и религии бьют тревогу по поводу связанных с этим рисков. .

ЦЕРН, пожалуй, наиболее известен своим открытием в 2012 году неуловимого бозона Хиггса [названного в честь британского физика Питера Хиггса, который предсказал его существование в 1964 году], так называемой «частицы Бога», которая позволяет другим частицам наращивать массу в виде они проходят через поле Хиггса.

Сегодня, однако, ЦЕРН более известен — или, возможно, печально, это правильное слово — для предстоящего эксперимента, в котором ученые будут играть в Бога в попытке воссоздать условия сразу после события «Большого взрыва», которое породило Вселенную. миллионы лет назад.

Для тех, кто в неведении относительно ЦЕРНа и спорных целей, которые он надеется достичь, вот краткое руководство.

10. ЦЕРН — самая большая машина в мире

Расположенный на французско-швейцарской границе коллайдерный комплекс ЦЕРН стоимостью 9 миллиардов долларов похоронен на глубине до 575 футов (175 метров). Туннельный комплекс проходит по 17-мильной (27-километровой) трассе. Ученые, участвовавшие в проекте, говорят, что лаборатория была построена под землей, потому что земная кора обеспечивает защиту от радиации.Они также говорят, что он был похоронен из уважения к природному ландшафту, что звучит немного иронично, учитывая огромный ущерб, который коллайдер мог нанести в будущем.

9. Массивное гравитационное притяжение

Коллайдер ЦЕРН состоит из примерно 9600 супермагнитов, которые в 100000 раз мощнее гравитационного притяжения Земли, которые запускают протоны по круговой траектории с поразительной скоростью. Луч может вращаться в течение 10 часов, преодолевая расстояние более 10 миллиардов километров, чего достаточно, чтобы добраться до дальних уголков нашей Солнечной системы и обратно.Двигаясь со скоростью чуть ниже скорости света, протон на LHC будет делать 11 245 оборотов в секунду.

Не менее удивительны катушки магнита, которые состоят из 36 скрученных 15-миллиметровых нитей, каждая из которых состоит, в свою очередь, из 6000-9000 отдельных нитей, каждая из которых имеет диаметр всего 7 микрометров. Длина 27-километрового LHC требует около 7600 км (4100 миль) кабеля, что составляет около 270 000 км (145 000 миль) жилы — более чем достаточно, чтобы шесть раз обогнуть Землю на экваторе.Согласно веб-сайту CERN, если нити будут распутаны, они будут «протянуться к Солнцу и вернуться пять раз, и останется достаточно для нескольких полетов на Луну».

8. ЦЕРН генерирует экстремальные температуры

Может быть еще одна причина того, что суперколлайдер ЦЕРН был похоронен на сотни футов под землей: невероятно высокие температуры, которых он может достичь. Насколько жарко спросите вы? Ну, примерно так же жарко, как условия во Вселенной после Большого взрыва, или более чем в 100000 раз выше температуры в центре Солнца.По словам ЦЕРН, это будет достигнуто за счет ускорения и столкновения двух пучков тяжелых ионов — грандиозное научное событие, которое состоится в следующем месяце.

7. Но Стивен Хокинг обеспокоен

Хотя может потребоваться некоторая умственная гимнастика, чтобы понять, что именно ученые ЦЕРН пытаются достичь в своей подземной лаборатории, средний неспециалист может инстинктивно понять, что такой эксперимент может быть проведен с непредвиденными подводными камнями. Стивен Хокинг, выдающийся физик, похоже, согласен.

«Божественная частица, обнаруженная ЦЕРНом, может разрушить вселенную», — писал Хокинг в предисловии к книге «Стармус», сборнику лекций ученых. Бозон Хиггса может стать нестабильным на очень высоких уровнях энергии и иметь потенциал вызвать «катастрофический распад вакуума, который вызовет коллапс пространства и времени, и… у нас не будет никаких предупреждений об опасностях», — продолжил он .

Хокинг — не единственный голос в научной дикой природе, предсказывающий возможную катастрофу, если ЦЕРН продолжит движение по быстрой атомной полосе.Астрофизик Нил де Грасс Тайсон сказал Юджину Мирману в своей радиопрограмме Star Talk, что эксперимент может буквально вызвать «взрыв» планеты.

«Спросите себя: сколько энергии удерживает их вместе? Затем вы вкладываете в объект больше энергии ». Тайсон был уверен в результате: «Он взорвется».

В конце 2008 года, когда ЦЕРН впервые запустил двигатели своей машины для уничтожения атомов, Отто Росслер, немецкий профессор Тюбингенского университета, подал иск против ЦЕРН в Европейский суд по правам человека на основании что объект может вызвать мини-черную дыру, которая может выйти из-под контроля и уничтожить планету.Суд отклонил просьбу Росслера, но ему, тем не менее, удалось вызвать бурную дискуссию о возможной темной стороне эксперимента.

6. Открывая дверь в другие измерения

Спустя год после торжественного открытия ЦЕРН, Серджио Бертолуччи, бывший директор по исследованиям и научным вычислениям объекта, попал в заголовки газет, когда он сказал британскому таблоиду, что суперколлайдер может открыть потусторонние двери другому измерение для «очень крошечный промежуток времени», всего лишь доли секунды.Однако этого времени может быть как раз , «чтобы заглянуть в эту открытую дверь, либо вытащив что-то из нее, либо отправив что-то в нее».

«Конечно», добавил Бертолуччи, , «после этого крошечного момента дверь снова закроется, возвращая нас в наш« нормальный »четырехмерный мир … Это был бы большой скачок в нашем видении природа… И, конечно, [не было бы] риска для стабильности нашего мира ».

Естественно, этот комментарий вызвал опасения, что коллайдер ЦЕРН может невольно пригласить нежелательных посетителей из других пространственно-временных измерений.Кто-нибудь за динозавров, гуляющих по Елисейским полям, или за инопланетные формы жизни, захватившие всю планету? Такие сценарии — по крайней мере, для некоторых ученых — больше не ограничиваются вымышленным миром романов Айзека Азимова; в связи с продолжающейся работой в ЦЕРНе даже говорят об открытии портала для путешествий во времени.

Простое построение таких футуристических сценариев показывает, как далеко человечество продвинулось за относительно короткий промежуток времени, и наше антиутопическое будущее, предсказанное в таких книгах, как «Дивный новый мир» и «1984» , возможно, уже здесь.Сможет ли человек контролировать технологию, которую он создал, или технология уничтожит его, его работы, а вместе с ним и всю планету?

5. Любопытный выбор географического местоположения ЦЕРНом

Теперь, помимо всех предположений о том, что ученые ЦЕРНа действительно пытаются сделать с помощью своего Большого адронного коллайдера, многие наблюдатели не могли не заметить, что город во Франции, где находится ЦЕРН. частично расположенный, называется «Сен-Жан-Пуальи». Название Pouilly происходит от латинского «Appolliacum», и считается, что во времена Римской империи существовал храм в честь Аполлона, и люди, которые там жили, считали, что это ворота в подземный мир.Интересно отметить, что ЦЕРН построен на том же месте.

Религиозные лидеры, всегда с подозрением относившиеся к целям научного мира, нашли связь со стихом прямо из Откровений (9: 1-2, 11), в котором упоминается имя «Аполлион». В стихе говорится: «Ему был дан ключ от бездонной ямы. И он открыл бездонную яму… И был у них род над ними, то есть ангел бездонной ямы, имя которого на еврейском языке — Абаддон, а на греческом языке — Аполлион.

А теперь попробуйте сказать духовному лидеру, что Библия — это теория заговора.

4. Использование «темной материи»

Удивительно, но астрофизические наблюдения показали, что вся видимая физическая материя составляет только четыре процента Вселенной. Теперь в ЦЕРН идет гонка за неуловимыми частицами или явлениями, ответственными за темную материю (23 процента) и темную энергию (73 процента). По сути, эксперимент в ЦЕРНе надеется отделить с помощью измельчителя атомов невидимую темную материю, которая была описана как тот самый клей, который удерживает вместе, от видимого.У этого эксперимента есть только одна проблема: никто не знает, какими будут последствия, если эта цель будет достигнута. Итак, еще раз, эта парадигма «темное против видимого» породила битву, которая выходит за пределы научного мира, став вопросом, связанным с философией и духовностью.

3. Логотип CERN

Я оставлю на усмотрение читателя определить, открыла ли группа по связям с общественностью в CERN дверь для массовых предположений — не говоря уже о большом количестве «теории заговора» — выбрав за конкретный дизайн логотипа, который они сделали.

2. Божество разрушения как корпоративный талисман

Хотя большинство корпораций избегают какой-либо связи с религией и духовным миром, ЦЕРН выбрал своим талисманом индуистскую богиню. Но не просто индуистская богиня. Сразу за зданием его штаб-квартиры находится древняя статуя Шивы, древнего Аполлиона, богини разрушения. Странный?

1. Никаких демократических дебатов

ЦЕРН в настоящее время наращивает крупнейший атомный коллайдер в мире (магнитам требуются месяцы, чтобы заставить частицы достичь скорости, близкой к световой) в рамках подготовки к их следующему атомному столкновению, которое должно произойти. состоится в следующем месяце — без упоминания в СМИ связанных с этим рисков.Поскольку некоторые критики говорят, что этот научный эксперимент представляет больший риск, чем даже испытания до внедрения атомной бомбы, логично предположить, что по этой «темной материи» должно быть гораздо больше обсуждений. К сожалению, и немало иронии, ЦЕРН — который, по сути, управляет собой как свое собственное владение — действует так же незримо, как и частицы, которые они пытаются изучать.

Однако ЦЕРН был первопроходцем в ряде других весьма заслуживающих доверия проектов, которые могут соблазнить людей выразить им сомнения относительно ЦЕРНа, который, безусловно, считается одним из самых всеобъемлющих и дорогостоящих научных экспериментов в истории.

В 1989 году под руководством Тима Бернерса-Ли ЦЕРН начал проект World Wide Web, который привел к созданию первой веб-страницы в истории. 30 апреля 1993 года ЦЕРН объявил, что всемирная паутина станет бесплатной для всех.

@Robert_Bridge

Утверждения, взгляды и мнения, выраженные в этой колонке, принадлежат исключительно автору и не обязательно отражают точку зрения RT.

Unity Collision Detection 2D что вам нужно знать

Вот и мы, я чувствую еще одну загадку, Unity Collision Detection 2D.

Что? На этот раз это слишком сложно !?

Я так не думаю.

Это серьезный случай, я знаю, но если мы хотим, чтобы создавал видеоигры, нам нужно От до смотреть правде в глаза:

Управление коллизиями .

Не волнуйтесь, мы найдем всю необходимую информацию, и на этот раз у нас будет еще один партнер, который поможет в нашем расследовании: Unity.

Да, Unity нам поможет , тогда нам просто нужно начать анализировать подсказки.

Шаг за шагом мы разберемся, как управлять столкновениями в нашей игре и этот чудовищный кейс станет милым котенком.

Готовы? Мяу!

Словарь столкновений Unity

Эй, партнер, вот что я уже обнаружил, есть несколько важных понятий , которые нужно знать , прежде чем продолжить и понять Обнаружение столкновений Unity 2D :

Физический двигатель 2D

Для обнаружения столкновений и моделирования реальной физической системы Unity предоставляет встроенный физический движок, так что вся математика, лежащая в основе ускорения, сил, гравитации, обнаружения столкновений и т. Д.… Уже есть.

Fewww! Кажется, другие отважные сыщики уже раскрыли дело физики! Спасибо, кто бы вы ни были!

Обнаружение столкновений

Это обнаружение пересечения двух или нескольких объектов . Часто это связано с моделированием физического мира в нашей игре.

Позвольте мне перечислить вам несколько обнаружений, которые мы хотели бы обработать:

• Один объект (или несколько объектов) касается или ударов другой объект (или несколько объектов)

• Один объект (или несколько объектов) перекрывает другой объект (или несколько объектов)

Обнаружение означает, что каким-то образом мы должны быть предупреждены, когда происходит столкновение !

Пожалуйста, посмотрите в Википедии большое определение обнаружения столкновений в видеоиграх.

Коллайдер 2D

Это компонент , определяющий форму игрового объекта для физических целей .

Если спрайт Gameobject представляет собой сложный рисунок, будет необходимо лишь приблизительно его формы для работы , потому что Collider 2D невидим и не различим во время игры!

Итак, спрайт — это рисунок, коллайдер — это форма, что это значит?

Спрайт — это то, что видит пользователь , коллайдер — это , что движок считает для коллизий.

Триггер 2D

Это особое поведение коллайдера 2D , когда мы просто хотим определить, когда один коллайдер перекрывает другой, не создавая коллизии .

Таким образом, объект с таким поведением перестает быть твердым объектом , а позволяет другим коллайдерам – проходить , –.

Жесткий корпус 2D

Это компонент, который позволяет физическому движку управлять объектом , это означает, что на него будет действовать сила тяжести , силы и столкновения тоже!

Готовы ли вы играть с Vectors ?

Верно, , чтобы перемещать наши объекты в разные стороны, нам тоже нужно управлять векторами ! Почему бы вам не взглянуть на эту статью, чтобы освежиться в памяти: «Вектор в разработке игр: понимание основ векторной математики»

В то время как физический движок 2D перемещает коллайдеры и заставляет их взаимодействовать друг с другом, компонент Rigidbody 2D отвечает за связь этих движений с компонентами преобразования .

Таким образом Gameobject будет меняться в соответствии с коллайдером!

Как…

Как мы можем добавить к Gameobject коллайдер 2D или Rigidbody 2D?

1- Выберите Gameobject в сцене и нажмите «Добавить компонент».

2- Введите «коллайдер 2D» или «твердое тело 2D» в поле поиска и выберите компонент (для коллайдера 2D мы увидим разные типы, мы просто поговорим об этом).

Как мы можем установить коллайдер в качестве триггера?

Просто активируйте свойство правильного флажка в компоненте Collider 2D.

Какой коллайдер 2D мы должны использовать?

Вы заметили, что есть более чем один Collider 2D на выбор?

Да, Unity предоставляет нам список различных уже предустановленных Collider 2D .

Почему?

В Unity есть объяснение для каждого из них, нам просто нужно обогатить его некоторыми полезными примерами.

Давайте тогда выстроим всех подозреваемых и посмотрим на каждого из них (слева спрайт, справа его коллайдер)

Коллайдер коробки 2D

Box collider 2D предназначен для квадратных и прямоугольных областей столкновения.

Круговой коллайдер 2D

Круговой коллайдер 2D предназначен для круговых областей столкновения.

Коллайдер капсул 2D

Capsule collider 2D предназначен для зон столкновения круглой или ромбовидной формы.

Полигональный коллайдер 2D

Полигональный коллайдер 2D предназначен для областей столкновения произвольной формы.

Краевой коллайдер 2D

Edge collider 2D предназначен для областей столкновений произвольной формы и областей, которые не полностью замкнуты (например, закругленные выпуклые углы).

Составной коллайдер 2D

Составной коллайдер 2D предназначен для объединения 2D-изображений Box Collider и 2D-изображений Polygon Collider.

Коллайдер Tilemap 2D

Tilemap Collider 2D предназначен для каждого набора плиток в соответствующем компоненте Tilemap Gameobject. Мы поговорим об этом в расследовании Tilemap!

Типы 2D с жестким корпусом

Более одного типа Rigidbody 2D ? Ты уверен? Я знал это! Некоторые свидетели что-то видели!

Давайте попробуем узнать версию истории каждого Rigidbody 2D.

Жесткое динамическое тело 2D

Это самый распространенный и самый дорогой тип , потому что взаимодействует со всем, и предназначен для моделирования. Взаимодействует со всеми типами телосложения .

Если мы хотим, чтобы на нормальный объект воздействовала физика, это наше тело!

Мяч в этом примере имеет динамическое твердое тело 2D, и его можно перемещать, применяя силы, и на него действует сила тяжести!

Жесткое статическое тело 2D

В отличие от динамического, это , разработанное так, чтобы не двигаться при симуляции , действительно, оно имеет бесконечную массу , тяжело, верно? Он сталкивается только с динамическим Rigidbody 2D .

Это также наименее ресурсоемкий тип корпуса .

На самом деле вам не нужно устанавливать Rigidbody 2D для статических объектов , , просто коллайдер 2D необходим для обнаружения столкновений , но , если , статический объект требует для перемещения или перенастроил при времени выполнения , он на быстрее , когда у него собственное Rigidbody 2D и это будет наше тело!

Давайте добавим коробку со статическим Rigidbody2D, это будет препятствие, которое нужно преодолеть!

Кинематическое твердое тело 2D

Подобно динамике , предназначенной для движения в рамках моделирования , но только управляет ею , на нее не влияют гравитация и силы .Это на быстрее с точки зрения производительности — дороже . взаимодействует с только с динамическими типами тела .

Если мы хотим переместить что-то, на что не влияют силы и гравитация, помните, что это природа взаимодействия только с динамическими типами тел, это наше тело!

Что, если мы добавим в бокс кинематическое Rigidbody 2D вместо статического? Таким образом, мы можем контролировать его движение без влияния силы тяжести. Он станет идеальной ловушкой для движений для игровой платформы!

Обнаружение столкновений 2D в скриптах

Хорошо! Теперь мы многое знаем об обнаружении столкновений в Unity 2D, мы готовы понять, что мы можем делать, когда происходит столкновение .

Unity, наш партнер , предоставляет нам два разных способа обработки коллизий в зависимости от того, является ли коллайдер триггером или нет .

Нам просто нужно добавить приведенные ниже фрагменты в сценарий нашего Gameobject с коллайдером, чтобы обрабатывать столкновения и делать то, что мы хотим, после обнаружения.

Просто имейте в виду , если флажок триггера не установлен. нам нужны фрагменты Collision 2D , в противном случае , если не «Trigger 2D» .

Столкновение 2D

 // Просто нажмите еще один коллайдер 2D
private void OnCollisionEnter2D (коллизия Collision2D)
{
//Сделай что-нибудь
}

// Попадание в коллайдер 2D
private void OnCollisionStay2D (коллизия Collision2D)
{
//Сделай что-нибудь
}

// Просто перестань попадать в коллайдер 2D
private void OnCollisionExit2D (коллизия Collision2D)
{
//Сделай что-нибудь
} 

Триггер 2D

 // Только что перекрыл 2D коллайдер
private void OnTriggerEnter2D (коллизия Collider2D)
{
//Сделай что-нибудь
}

// Перекрытие коллайдера 2D
private void OnTriggerStay2D (коллизия Collider2D)
{
//Сделай что-нибудь
}

// Просто прекратите перекрывать 2D-коллайдер
private void OnTriggerExit2D (коллизия Collider2D)
{
//Сделай что-нибудь
} 

Имейте в виду… Не забывайте о зазоре!

Привет, партнер! Обнаружение столкновений Unity 2D больше не является для нас секретом, но мы не можем решить этот случай, не приняв во внимание эти подсказки:

Коллайдеры 2D Свойства

Каждый тип коллайдера имеет свойства на выше триггерного, пожалуйста, проверьте документацию для каждого типа, чтобы понять, что эти свойства делают (в разделе «Какой коллайдер 2D следует использовать» вы можете найти ссылку для каждого типа коллайдера на его документация).

Свойства 2D твердого тела

Есть некоторые свойства, такие как масса и гравитация, которые нам нужно знать , я предлагаю взглянуть на официальную документацию для объяснения всех из них.

Статический коллайдер 2D

Это был «статический Rigidbody 2D», не так ли? Вы правы, но , если нам нужно только обнаружение столкновений без какой-либо реконфигурации или перемещения для размещения объекта в другом месте, мы можем избежать добавления компонента Rigidbody 2D .

Поместите что-нибудь ниже или установите значение силы тяжести на 0, чтобы избежать падения предметов.

Это распространенная ошибка, когда мы добавляем динамическое или статическое Rigidbody 2D к объекту, если мы запускаем игру , объект выпадет из экрана . Чтобы избежать , мы можем либо разместить пол под ним с помощью коллайдера , , либо установить для атрибута значения силы тяжести в компоненте твердого тела значение 0 .

2D НЕ 3D

Как вы уже заметили, Unity предоставляет многие из этих компонентов в 2 версиях , например, Box Collider 2D и Box Collider , разница в том, что второй для 3D .Так что имейте в виду, что использует только 2D-компоненты в 2D-играх , во-первых, для производительности, а во-вторых, чтобы избежать смешивания вещей. , что не будет работать как 3D-компоненты и 2D-методы в скриптах (OnCollisionEnter2D НЕ OnCollisionEnter) .

OnCollisionEnter2D не будет работать, если триггер включен, и наоборот.

Помните, мой друг, для коллизий «OnCollisionEnter2D, OnCollisionStay2D, OnCollisionExit2D» , но если мы включим поведение триггера в коллайдере, они перестанут работать, и мы должны использовать «OnTriggerEnter2D, OnTriggerStayger2D, OnTriggerStayger2D».

Простые столкновения 2D-игра

Эй! Посмотрите, что я нашел в секретных файлах блога , Старая запись ! Кто-то уже пытался раскрыть это дело.

Вот моя реконструкция записи:

W Но кто бы ни смог его воспроизвести поможет решить потерянный случай столкновения 2D-игры.

Кроме того, получат приз лучшему сыщику месяца !

Как думаешь, сможешь разобраться?

Если нет, не волнуйтесь, вы можете найти полный проект на GitHub, но обещайте мне взглянуть на него только в крайнем случае! 😉

Заключение

Это была тяжелая работа, нам нужно было провести много исследований, поэтому давайте подведем итоги:

• Для обнаружения коллизий в Gameobject нам понадобится Collider 2D с правильным типом в соответствии с нашими потребностями.
• Чтобы 2D физика влияла на Gameobject , нам нужен RigidBody 2D .
• Помните все правила , которые мы обсуждали, прежде чем правильно настраивать игру, и вы избежите нежелательного поведения .

Больше нет страха столкновений, мы раскрыли дело и приобрели знания, необходимые для создания замечательной видеоигры с обнаружением столкновений.

Мы готовы раскрыть следующий случай.

До свидания, партнер, до новых встреч!

ученых на Большом адронном коллайдере надеются установить контакт с ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ ВСЕЛЕННОЙ в считанные дни | Мир | News

Невероятно сложный «сокрушитель атомов» LHC в центре CERN в Женеве, Швейцария, будет задействован до рекордно высокого уровня энергии в попытке обнаружить или даже создать миниатюрные черные дыры.

В случае успеха откроется совершенно новая вселенная — переписать не только книги по физике, но и книги по философии.

Возможно даже, что гравитация из нашей собственной вселенной может «просочиться» в эту параллельную вселенную, говорят ученые из LHC.

Эксперимент наверняка воспламенит паникеров-критиков БАК, многие из которых изначально предупреждали, что коллайдер частиц высоких энергий означал бы конец нашей Вселенной с созданием собственной черной дыры.

Но пока Женева остается нетронутой и комфортно за пределами горизонта событий.

Действительно, LHC оказался чрезвычайно успешным.Первые ученые доказали существование неуловимой « частицы Бога » бозона Хиггса — ключевого строительного блока Вселенной — и, по-видимому, он находится на пути к устранению « темной материи » — ранее необнаруживаемой теоретической возможности, которая, как теперь считается, составляет большая часть материи во Вселенной.

Но эксперимент, который состоится на следующей неделе, может изменить правила игры.

Мир Файзал, один из трех сильных команд физиков, стоявших за экспериментом, сказал: «Столько параллельных листов бумаги, которые представляют собой двухмерные объекты [ширина и длина], могут существовать в третьем измерении [высота], параллельно вселенные также могут существовать в более высоких измерениях.

«Мы предсказываем, что гравитация может проникнуть в дополнительные измерения, и если это произойдет, то на LHC могут образоваться миниатюрные черные дыры.

«Обычно, когда люди думают о мультивселенной, они думают о многомировой интерпретации квантовой механики, где актуализируются все возможности.

« Это не может быть проверено, и поэтому это философия, а не наука.

«Это не то, что мы подразумеваем под параллельными вселенными. Мы имеем в виду настоящие вселенные в дополнительных измерениях.

«Поскольку гравитация может вытекать из нашей Вселенной в дополнительные измерения, такая модель может быть проверена путем обнаружения миниатюрных черных дыр на LHC.

«Мы рассчитали энергию, при которой мы ожидаем обнаружить эти маленькие черные дыры в« радуге гравитации »[новой научной теории].

«Если мы действительно обнаружим мини-черные дыры при этой энергии, тогда мы будем знать, что и радуга гравитации, и дополнительные измерения верны».

Когда LHC запускается, энергия измеряется в тераэлектронвольтах — ТэВ составляет 1 000 000 000 000 , или один триллион электронов Вольт

До сих пор БАК проводил поиск мини-черных дыр с уровнями энергии ниже 5.3 ТэВ.

Но последнее исследование говорит, что это слишком мало.

Вместо этого модель предсказывает, что черные дыры могут образовываться на уровнях энергии не менее 9,5 ТэВ в шести измерениях и 11,9 ТэВ в 10 измерениях.

Что это такое и почему это важно для нашего будущего

В январе 2019 года ЦЕРН объявил, что завершает разработку планов по созданию будущего кругового коллайдера (FCC), который заменит Большой адронный коллайдер длиной почти 100 километров, работающий на магнитах. которые используют силу сверхпроводимости.Способный разгонять частицы до скорости, близкой к скорости света, чтобы их столкнуть вместе, FCC может стать «фабрикой бозонов Хиггса». Но что делает сверхпроводники такими мощными?

Ответ кроется в невероятном свойстве сверхпроводимости, уникальной характеристике материала, которая может революционизировать передачу электроэнергии, транспорт и физику в том виде, в каком мы ее знаем.

Что такое сверхпроводимость?

Сверхпроводимость, несомненно, важна, так что же это такое?

Для начала нам нужно понять, как электрический ток проходит через материал и какую роль в этом процессе играет сопротивление.

Чтобы иметь электрический ток, вам нужен отрицательно заряженный материал, материал, который имеет относительно положительный заряд, и проводник, который передает электроны от отрицательно заряженного материала к положительно заряженному.

СМОТРИ ТАКЖЕ: ФИЗИКИ СО ВСЕГО МИРА ОТКРЫВАЮТ НОВОЕ ОБНАРУЖЕНИЕ СУПЕРПРОВОДНИКОВ

Однако этот процесс не идеален. Не каждый материал пропускает эти электроны так же легко, как следующий, и даже в самых проводящих металлах, таких как медь, этот материал оказывает сопротивление току.Это сопротивление означает, что весь ток не может проходить через материал и что ток теряет часть своей энергии в виде тепла.

Эта потеря энергии не обязательно плохая, поскольку именно эта тепловая энергия дает нам электрическое освещение и другие современные технологии, но если вы передаете энергию из одной части страны в другую, эта потеря энергии невероятно неэффективна.

Другая проблема заключается в том, что ток со временем ослабевает при прохождении через стойкий материал, поскольку он медленно отводится в виде тепловой энергии.Это означает, что существует предел того, как далеко может пройти электрический ток, прежде чем он полностью рассеется.

Вот что делает сверхпроводимость такой особенной. Сверхпроводимость — это когда материал перестает сопротивляться электрическому току и позволяет ему свободно проходить через него без каких-либо видимых потерь энергии в результате.

Чтобы привести материал в сверхпроводящее состояние, его необходимо заморозить до чрезвычайно низкой температуры, иногда всего на несколько градусов выше абсолютного нуля (-459.67 градусов по Фаренгейту, -273,15 градусов по Цельсию). Затем по причинам, которые мы до сих пор не можем объяснить, электрическое сопротивление внезапно прекращается, и электрический ток может продолжаться в цепи, казалось бы, бесконечно.

Это не единственное экзотическое свойство сверхпроводимости. Многие материалы в сверхпроводящем состоянии могут нейтрализовать магнитное поле, что приводит к «зависанию» магнитов над сверхпроводником.

Как мы вообще обнаружили что-то вроде сверхпроводника?

Как и многие великие научные открытия, сверхпроводимость была открыта совершенно случайно.

8 апреля 1911 года голландский физик Хайке Камерлинг-Оннес из Лейденского университета изучал свойства твердой ртути, когда он наткнулся на странное явление.

Взяв жидкий гелий и используя его для понижения температуры твердой ртутной катушки до 4,2 градуса Кельвина (-452,11 градуса по Фаренгейту, -268,95 градуса Цельсия), Оннес увидел, что электрическое сопротивление внезапно исчезло и что сила электрического тока в катушке не рассеялась.

Оннес позже проверил этот процесс на свинце и обнаружил, что он тоже перестает сопротивляться электрическому току, на этот раз при 7 градусах Кельвина. Он назвал недавно обнаруженное свойство сверхпроводимостью и получил Нобелевскую премию в 1913 году за свою работу.

Следующий большой скачок произошел в 1933 году, когда немецкие ученые Вальтер Мейснер и Роберт Оксенфельд обнаружили, что материал в сверхпроводящем состоянии отталкивает магнитное поле. Магнит, проходящий по проводнику, генерирует электрический ток, что делает возможными электрические генераторы.

Однако в сверхпроводнике ток, производимый магнитом, точно отражает поле, создаваемое магнитом, которое отталкивает магнит. Это заставляет магнит парить в воздухе, что сегодня известно как эффект Мейснера.

Ученые продолжают делать открытия в течение следующих двух десятилетий, но следующий важный шаг в развитии сверхпроводимости произошел, когда Алекс Мюллер и Георг Беднорц из исследовательской лаборатории IBM в Рюшликоне, Швейцария, создали керамический материал, который был сверхпроводящим при 30 градусах Кельвина.

Это вызвало волну активности, поскольку ученые не рассматривали керамику как сверхпроводящий материал (керамика обычно является изолятором), что в конечном итоге привело к тому, что исследовательская группа из Университета Алабамы в Хантсвилле разработала керамику, которая была сверхпроводящей при 92 градусах. Кельвин (-294 градуса по Фаренгейту, -181,15 градуса по Цельсию), теплее, чем жидкий азот, который широко доступен.

Как используются сверхпроводники?

Мы все еще изучаем практическое применение сверхпроводников, но они уже нашли применение в мире.

Помимо конкретных промышленных применений, наиболее широко используемым приложением для сверхпроводников является аппарат МРТ, обычно используемый в больницах. Только сверхпроводящая система может обеспечить экономию энергии, необходимой для создания магнитного поля, питающего МРТ, которое может быть от 2500 до 10000 раз сильнее магнитного поля Земли.

Помимо аппарата МРТ, сверхпроводящие материалы наиболее широко используются в ускорителях частиц, подобных тем, которые используются в Большом адронном коллайдере ЦЕРНа (LHC) или в предлагаемом им круговом коллайдере будущего.

Если аппарат МРТ звучит мощно, то LHC — настоящий зверь.

Для отправки триллионов частиц по туннелям длиной 27 км со скоростью, близкой к скорости света, для поддержания стабильности пучка частиц и его движения по точному пути требуется магнитное поле огромной мощности, более чем в 100000 раз превышающее магнитное поле Земли.