Какво е електронен колайдер. Голям адронен колайдер: за какво е, къде е

Карта с нанесено на нея местоположение на колайдера

За по-нататъшно комбиниране на фундаментални взаимодействия в една теория се използват различни подходи: теория на струните, която е разработена в М-теорията (теория на браните), теория на супергравитацията, примкова квантова гравитация и т.н. Някои от тях имат вътрешни проблеми и никой от тях няма експериментално потвърждение. Проблемът е, че за провеждането на съответните експерименти са необходими енергии, недостижими за съвременните ускорители на частици.

LHC ще направи възможно провеждането на експерименти, които досега бяха невъзможни за провеждане, и вероятно ще потвърди или отхвърли някои от тези теории. И така, има цял набор от физически теории с размери, по-големи от четири, които предполагат съществуването на "суперсиметрия" - например теорията на струните, която понякога се нарича теория на суперструните, точно защото без суперсиметрия тя губи своето физическо значение. Следователно потвърждаването на съществуването на суперсиметрия би било косвено потвърждение на истинността на тези теории.

Изследване на топ кварки

История на строителството

27 km подземен тунел, предназначен да помещава LHC бустера

Идеята за проекта за Големия адронен колайдер се ражда през 1984 г. и е официално одобрена десет години по-късно. Изграждането му започва през 2001 г., след завършване на работата на предишния ускорител - Големия електронно-позитронен колайдер.

Ускорителят трябва да сблъсква протони с обща енергия от 14 TeV (т.е. 14 тераелектронволта или 14 10 12 електронволта) в системата на центъра на масата на падащите частици, както и оловни ядра с енергия от 5,5 GeV ( 5,5 10 9 електронволта) за всяка двойка сблъскващи се нуклони. По този начин LHC ще бъде най-високоенергийният ускорител на елементарни частици в света, надминавайки най-близките си конкуренти в енергия с порядък - протон-антипротонния колайдер Tevatron, който в момента работи в Националната ускорителна лаборатория. Енрико Ферми (САЩ) и релативистичния ускорител на тежки йони RHIC в лабораторията Брукхейвън (САЩ).

Ускорителят се намира в същия тунел, който преди е бил заеман от Големия електронно-позитронен колайдер. Тунелът с обиколка 26,7 км е положен на дълбочина около сто метра под земята във Франция и Швейцария. За задържане и коригиране на протонните лъчи се използват 1624 свръхпроводящи магнита, чиято обща дължина надхвърля 22 км. Последният е монтиран в тунела на 27 ноември 2006 г. Магнитите ще работят при 1,9 K (-271°C). На 19 ноември 2006 г. приключи изграждането на специална криогенна линия за охлаждащи магнити.

Тестове

Спецификации

Процесът на ускоряване на частици в колайдер

Скоростта на частиците в LHC върху сблъскващи се лъчи е близка до скоростта на светлината във вакуум. Ускоряването на частиците до такива високи скорости се постига на няколко етапа. В първия етап нискоенергийните линейни ускорители Linac 2 и Linac 3 инжектират протони и оловни йони за по-нататъшно ускоряване. След това частиците влизат в PS бустера и след това в самия PS (протонен синхротрон), придобивайки енергия от 28 GeV. След това ускоряването на частиците продължава в SPS (Proton Super Synchrotron), където енергията на частиците достига 450 GeV. След това лъчът се насочва към основния 26,7-километров пръстен и в точките на сблъсък детекторите записват случващите се събития.

Консумация на енергия

По време на работа на колайдера прогнозната консумация на енергия ще бъде 180 MW. Очаквани разходи за енергия за целия кантон Женева. CERN не генерира енергия сам, а само с резервни дизелови генератори.

Разпределени изчисления

За контрол, съхраняване и обработка на данни, които ще идват от LHC ускорителя и детекторите, се създава разпределена изчислителна мрежа LCG. Л HC° С изчислениеЖ RID ) с помощта на мрежова технология. За определени изчислителни задачи ще бъде включен проект за разпределени изчисления [имейл защитен].

Неконтролирани физически процеси

Някои експерти и общественици изразяват загриженост, че има ненулева вероятност експериментите, провеждани в колайдера, да излязат извън контрол и да развият верижна реакция, която при определени условия теоретично може да унищожи цялата планета. Гледната точка на привържениците на катастрофалните сценарии, свързани с работата на LHC, е представена на отделен уебсайт. Поради тези настроения, LHC понякога се дешифрира като ПоследноАдронен колайдер ( Последноадронен колайдер).

В тази връзка най-често се споменава теоретичната възможност за появата на микроскопични черни дупки в колайдера, както и теоретичната възможност за образуване на съсиреци от антиматерия и магнитни монополи, последвани от верижна реакция на улавяне на околната материя.

Тези теоретични възможности бяха разгледани от специална група от CERN, която подготви съответен доклад, в който всички подобни страхове се признават за неоснователни. Английският теоретичен физик Адриан Кент публикува научна статия, в която критикува стандартите за безопасност, приети от CERN, тъй като според него очакваните щети, т.е. произведението на вероятността от събитие от броя на жертвите, са неприемливи. Въпреки това, максималната горна оценка на вероятността от катастрофален сценарий в LHC е 10 -31.

Като основни аргументи в полза на безпочвеността на катастрофичните сценарии се посочва фактът, че Земята, Луната и други планети са постоянно бомбардирани от потоци космически частици с много по-високи енергии. Споменава се и успешната работа на вече пуснати в експлоатация ускорители, включително релативистичния ускорител на тежки йони RHIC в Брукхейвън. Възможността за образуване на микроскопични черни дупки не се отрича от специалистите на CERN, но се посочва, че в нашето триизмерно пространство такива обекти могат да се появят само при енергии, които са с 16 порядъка по-големи от енергията на лъчите в LHC. . Хипотетично, микроскопични черни дупки могат да се появят в експерименти в LHC в прогнозите на теории с допълнителни пространствени измерения. Подобни теории все още нямат никакви експериментални доказателства. Въпреки това, дори ако черните дупки са създадени от сблъсъци на частици в LHC, те се очаква да бъдат изключително нестабилни поради радиацията на Хокинг и ще се изпарят почти моментално под формата на обикновени частици.

На 21 март 2008 г. Уолтър Вагнер завежда дело във федералния окръжен съд на Хавай (САЩ). Уолтър Л. Вагнер) и Луис Санчо (англ. Луис Санчо), в който те, обвинявайки ЦЕРН, че се опитват да организират края на света, настояват изстрелването на колайдера да бъде забранено, докато не бъде гарантирана неговата безопасност.

Сравнение с естествените скорости и енергии

Ускорителят е проектиран да сблъсква такива частици като адрони и атомни ядра. Съществуват обаче естествени източници на частици, чиято скорост и енергия са много по-високи, отколкото в колайдера (виж: Zevatron). Такива естествени частици се намират в космическите лъчи. Повърхността на планетата Земя е частично защитена от тези лъчи, но, преминавайки през атмосферата, частиците на космическите лъчи се сблъскват с атоми и молекули на въздуха. В резултат на тези естествени сблъсъци в земната атмосфера се раждат много стабилни и нестабилни частици. В резултат на това естественият радиационен фон присъства на планетата в продължение на много милиони години. Същото нещо (сблъсък на елементарни частици и атоми) ще се случи и в LHC, но с по-ниски скорости и енергии и в много по-малки количества.

микроскопични черни дупки

Ако черните дупки могат да бъдат създадени по време на сблъсъка на елементарни частици, те също ще се разпаднат на елементарни частици, в съответствие с принципа на CPT инвариантността, който е един от най-фундаменталните принципи на квантовата механика.

Освен това, ако хипотезата за съществуването на стабилни черни микродупки беше вярна, тогава те биха се образували в големи количества в резултат на бомбардировката на Земята от космически елементарни частици. Но повечето от високоенергийните елементарни частици, пристигащи от космоса, имат електрически заряд, така че някои черни дупки биха били електрически заредени. Тези заредени черни дупки биха били уловени от магнитното поле на Земята и, ако бяха наистина опасни, щяха да унищожат Земята отдавна. Механизмът на Швимер, който прави черните дупки електрически неутрални, е много подобен на ефекта на Хокинг и не може да работи, ако ефектът на Хокинг не работи.

В допълнение, всички черни дупки, заредени или електрически неутрални, ще бъдат уловени от бели джуджета и неутронни звезди (които, подобно на Земята, са бомбардирани от космическа радиация) и ще ги унищожат. В резултат на това животът на белите джуджета и неутронните звезди ще бъде много по-кратък от действително наблюдавания. В допълнение, разрушимите бели джуджета и неутронните звезди биха излъчвали допълнителна радиация, която всъщност не се наблюдава.

И накрая, теориите с допълнителни пространствени измерения, които предсказват появата на микроскопични черни дупки, не противоречат на експерименталните данни само ако броят на допълнителните измерения е поне три. Но с толкова много допълнителни измерения трябва да минат милиарди години, преди черна дупка да причини значителна вреда на Земята.

Страпелки

Едуард Боос, доктор на физико-математическите науки от Научно-изследователския институт по ядрена физика на Московския държавен университет, поддържа противоположни мнения, отричайки появата на макроскопични черни дупки в LHC и, следователно, "червееви дупки" и пътуване във времето.

Бележки

Най-доброто ръководство за LHC (английски) стр. 30.
LHC: ключови факти. „Елементи на голямата наука“. Посетен на 15 септември 2008.
Tevatron Electroweak Работна група, горна подгрупа
Тестът за синхронизация на LHC е успешен
Вторият тест на инжекционната система беше с прекъсвания, но целта беше постигната. „Елементи на голямата наука“ (24 август 2008 г.). Посетен на 6 септември 2008.
Важен ден на LHC започва бързо
Първи лъч в науката за ускоряване на LHC.
Мисията е завършена за екипа на LHC. physicsworld.com. Посетен на 12 септември 2008.
В LHC се изстрелва стабилен циркулиращ лъч. "Елементи на голямата наука" (12 септември 2008 г.). Посетен на 12 септември 2008.
Инцидент в Големия адронен колайдер забавя експериментите за неопределено време. "Елементи на голямата наука" (19 септември 2008 г.). Посетен на 21 септември 2008.
Големият адронен колайдер няма да възобнови работа до пролетта - ЦЕРН. РИА Новости (23 септември 2008 г.). Посетен на 25 септември 2008.
http://press.web.cern.ch/Press/PressReleases/Releases2008/PR14.08E.html
https://edms.cern.ch/file/973073/1/Report_on_080919_incident_at_LHC__2_.pdf
https://lhc2008.web.cern.ch/LHC2008/inauguration/index.html
Ремонтът на повредени магнити ще бъде по-мащабен, отколкото се смяташе досега. "Елементи на голямата наука" (09 ноември 2008 г.). Посетен на 12 ноември 2008.
График за 2009г. "Елементи на голямата наука" (18 януари 2009 г.). Посетен на 18 януари 2009.
Съобщение за пресата на CERN
Утвърден е работният план на Големия адронен колайдер за 2009-2010 г. „Елементи на голямата наука“ (06.02.2009 г.). Посетен на 5 април 2009.
Експериментите на LHC.
Кутията на Пандора се отваря. Vesti.ru (9 септември 2008 г.). Посетен на 12 септември 2008.
Потенциалът за опасност в експериментите с ускорител на частици
Dimopoulos S., Landsberg G. Черни дупки в Големия адронен колайдер Phys. Rev. Lett. 87 (2001)
Блайзот Ж.-П. et al. Проучване на потенциално опасни събития по време на сблъсъци на тежки йони в LHC.
Преглед на безопасността на LHC сблъсъци Група за оценка на безопасността на LHC
Критичен преглед на рисковете от ускорителите. Proza.ru (23 май 2008 г.). Посетен на 17 септември 2008.
Каква е вероятността от катастрофа в LHC?
Денят на Страшния съд
Искане от съдия да спаси света и може би много повече
Обяснение защо LHC ще бъде безопасен
http://environmental-impact.web.cern.ch/environmental-impact/Objects/LHCSafety/LSAGSummaryReport2008-es.pdf (испански)
http://environmental-impact.web.cern.ch/environmental-impact/Objects/LHCSafety/LSAGSummaryReport2008-de.pdf (немски)
http://environmental-impact.web.cern.ch/environmental-impact/Objects/LHCSafety/LSAGSummaryReport2008-fr.pdf (fr)
Х. Хейзелберг.Скрининг в капчици кварк // Физически преглед Д. - 1993. - Т. 48. - № 3. - С. 1418-1423. DOI:10.1103/PhysRevD.48.1418
М. Алфорд, К. Раджагопал, С. Реди, А. Щайнер.Стабилност на странни звездни корички и странгелчета // Американското физическо общество.Физически преглед Д. - 2006. - Т. 73, 114016.

Най-мощният ускорител на сблъскващи се частици в света

Най-мощният в света ускорител на сблъскващи се лъчи, построен от Европейския център за ядрени изследвания (CERN) в 27-километров подземен тунел на дълбочина 50-175 метра на границата на Швейцария и Франция. LHC беше изстрелян през есента на 2008 г., но поради авария експериментите с него започнаха едва през ноември 2009 г., а през март 2010 г. достигна проектния си капацитет. Пускането на колайдера привлече вниманието не само на физиците, но и на обикновените хора, тъй като в медиите бяха изразени опасения, че експериментите в колайдера могат да доведат до края на света. През юли 2012 г. беше обявено, че LHC е открил частица с голяма вероятност да бъде бозонът на Хигс - нейното съществуване потвърждава правилността на Стандартния модел за структурата на материята.

заден план

За първи път ускорителите на частици започват да се използват в науката в края на 20-те години на XX век за изследване на свойствата на материята. Първият пръстеновиден ускорител, циклотронът, е създаден през 1931 г. от американския физик Ърнест Лорънс. През 1932 г. англичанинът Джон Кокрофт и ирландецът Ърнест Уолтън, използвайки умножител на напрежение и първия в света протонен ускорител, успяват да постигнат първото изкуствено делене на ядрото на атома: хелият е получен чрез бомбардиране на литий с протони. Ускорителите на частици се захранват от електрически полета, които се използват за ускоряване (в много случаи близо до скоростта на светлината) и задържане на заредени частици (като електрони, протони или по-тежки йони) по даден път. Най-простият домакински пример за ускорители са телевизорите с електронни лъчи,,,,,.

Ускорителите се използват за различни експерименти, включително производството на свръхтежки елементи. За изследване на елементарните частици се използват и колайдери (от collide – „сблъсък“) – ускорители на заредени частици в сблъскващи се снопове, предназначени за изследване на продуктите от техните сблъсъци. Учените придават на лъчите големи кинетични енергии. Сблъсъците могат да произведат нови, неизвестни досега частици. Специални детектори са предназначени да улавят появата им. В началото на 90-те години най-мощните колайдери работеха в САЩ и Швейцария. През 1987 г. колайдерът Tevatron е изстрелян в САЩ близо до Чикаго с максимална енергия на лъча от 980 гигаелектронволта (GeV). Това е подземен пръстен с дължина 6,3 километра. През 1989 г. в Швейцария е пуснат в експлоатация Големият електронно-позитронен колайдер (LEP) под егидата на Европейския център за ядрени изследвания (CERN). За него на дълбочина 50-175 метра в долината на Женевското езеро е построен пръстеновиден тунел с дължина 26,7 километра, през 2000 г. е възможно да се постигне енергия на лъча от 209 GeV , , .

В СССР през 80-те години на миналия век е създаден проект за Ускорително-съхраняващ комплекс (УНК) - свръхпроводящ протон-протонен колайдер в Института по физика на високите енергии (ИФВЭ) в Протвино. Той би превъзхождал по повечето параметри LEP и Tevatron и би позволил ускоряването на лъчи от елементарни частици с енергия от 3 тераелектронволта (TeV). Неговият основен пръстен, дълъг 21 километра, е построен под земята през 1994 г., но поради липса на средства проектът е замразен през 1998 г., тунелът, построен в Протвино, е консервиран (завършени са само елементи от горния етап), а главният инженер на проекта, Генадий Дуров, замина за работа в САЩ , , , , , , , . Според някои руски учени, ако UNK беше завършен и пуснат в експлоатация, нямаше да има нужда от създаване на по-мощни колайдери , , : беше предложено, за да се получат нови данни за физическите основи на световния ред, това беше достатъчно, за да се преодолее енергийният праг от 1 TeV на ускорителите, . Виктор Саврин, заместник-директор на Изследователския институт по ядрена физика към Московския държавен университет и координатор на участието на руски институции в проекта за създаване на Големия адронен колайдер, припомни UNK: „Е, три тераелектронволта или седем. И тогава три тераелектронволта биха могли ще бъдат доведени до пет по-късно. Въпреки това, Съединените щати също се отказаха от изграждането на своя собствен свръхпроводящ суперколайдер (SSC) през 1993 г. и по финансови причини,,.

Вместо да изградят свои собствени колайдери, физици от различни страни решиха да се обединят в рамките на международен проект, идеята за създаване на който се зароди още през 80-те години на миналия век. След края на експериментите в швейцарския LEP оборудването му беше демонтирано и на негово място започна изграждането на Големия адронен колайдер (LHC, Large Hadron Collider, LHC) - най-мощният в света пръстеновиден ускорител на заредени частици в сблъскващи се лъчи , върху които снопове от протони с енергия на сблъсък до 14 TeV и оловни йони с енергия на сблъсък до 1150 TeV , , , , , .

Цели на експеримента

Основната цел на конструкцията на LHC беше да прецизира или опровергае Стандартния модел - теоретична конструкция във физиката, която описва елементарните частици и три от четирите фундаментални взаимодействия: силно, слабо и електромагнитно, с изключение на гравитационното, . Формирането на Стандартния модел е завършено през 1960-1970 г. и всички открития, направени оттогава, според учените, са описани с естествени разширения на тази теория. В същото време Стандартният модел обяснява как си взаимодействат елементарните частици, но не отговаря на въпроса защо по този начин, а не по друг начин.

Учените отбелязват, че ако LHC не успее да постигне откриването на бозона на Хигс (в пресата понякога го наричат "частицата на Бог" , , ) - това ще постави под въпрос целия Стандартен модел, което ще изисква пълна ревизия на съществуващи идеи за елементарни частици , , , , . В същото време, ако Стандартният модел беше потвърден, някои области на физиката изискваха допълнителна експериментална проверка: по-специално беше необходимо да се докаже съществуването на "гравитони" - хипотетични частици, отговорни за гравитацията , , .

Технически характеристики

LHC се намира в тунел, построен за LEP. По-голямата част от него се намира на територията на Франция. Тунелът съдържа две тръби, които вървят успоредно почти по цялата си дължина и се пресичат на местата на детекторите, в които ще се сблъскват адроните - частици, състоящи се от кварки (за сблъсъци ще се използват оловни йони и протони). Протоните започват да се ускоряват не в самия LHC, а в спомагателни ускорители. Протонните лъчи "стартират" в линейния ускорител LINAC2, след това в ускорителя PS, след което влизат в пръстена на суперпротонния синхротрон (SPS) с дължина 6,9 километра и след това попадат в една от тръбите на LHC, където за друга 20 минути ще им бъде предадена енергия до 7 TeV. Експериментите с оловни йони ще започнат на линейния ускорител LINAC3. Лъчите се държат на място от 1600 свръхпроводящи магнита, много от които тежат до 27 тона. Тези магнити се охлаждат с течен хелий до ултраниска температура: 1,9 градуса над абсолютната нула, по-студено от космоса, , , , , , , .

Със скорост от 99,9999991 процента от скоростта на светлината, правейки повече от 11 хиляди кръга в секунда около пръстена на колайдера, протоните ще се сблъскат в един от четирите детектора - най-сложните системи на LHC , , , , , . Детекторът ATLAS е проектиран да търси нови неизвестни частици, които могат да предложат начини за учените да търсят "нова физика", която е различна от Стандартния модел. Детекторът CMS е предназначен за получаване на бозона на Хигс и изследване на тъмната материя. Детекторът ALICE е предназначен да изследва материята след Големия взрив и да търси кварк-глуонна плазма, а детекторът LHCb ще изследва причината за преобладаването на материята над антиматерията и ще изследва физиката на b-кварките. В бъдеще се планира да бъдат пуснати в експлоатация още три детектора: TOTEM, LHCf и MoEDAL, .

За обработка на резултатите от експериментите в LHC ще се използва специална разпределена компютърна мрежа GRID, способна да предава до 10 гигабита информация в секунда до 11 компютърни центъра по света. Всяка година повече от 15 петабайта (15 хиляди терабайта) информация ще бъдат прочетени от детекторите: общият поток от данни от четири експеримента може да достигне 700 мегабайта в секунда, , , , . През септември 2008 г. хакери успяха да проникнат в уеб страницата на CERN и според тях да получат достъп до управлението на колайдера. Персоналът на CERN обаче обясни, че системата за управление на LHC е изолирана от интернет. През октомври 2009 г. Адлен Ишор, който беше един от учените, работещи по експеримента LHCb в LHC, беше арестуван по подозрение в сътрудничество с терористи. Въпреки това, според ръководството на ЦЕРН, Ишор не е имал достъп до подземните помещения на колайдера и не е направил нищо, което би могло да заинтересува терористите. През май 2012 г. Ишор беше осъден на пет години затвор.

Разходи и история на строителството

През 1995 г. разходите за създаване на LHC бяха оценени на 2,6 милиарда швейцарски франка, без разходите за провеждане на експерименти. Планирано е експериментите да започнат след 10 години - през 2005 г. През 2001 г. бюджетът на CERN беше намален и към стойността на строителството бяха добавени 480 милиона франка (общата стойност на проекта тогава беше около 3 милиарда франка), което доведе до отлагането на пускането на колайдера за 2007 г. През 2005 г. инженер загина по време на строителството на LHC: причината за трагедията беше товар, падащ от кран.

Пускането на LHC беше отложено не само поради проблеми с финансирането. През 2007 г. се оказа, че частите, доставени от Fermilab за свръхпроводящи магнити, не отговарят на проектните изисквания, което наложи пускането на колайдера да бъде отложено с една година.

На 10 септември 2008 г. в LHC беше изстрелян първият протонен лъч. Беше планирано след няколко месеца да се извършат първите сблъсъци в колайдера, но на 19 септември поради дефектна връзка на два свръхпроводящи магнита възникна авария в LHC: магнитите бяха деактивирани, повече от 6 тона течен хелий, излят в тунела, и вакуумът беше нарушен в тръбите на ускорителя. Колайдерът трябваше да бъде затворен за ремонт. Въпреки аварията, на 21 септември 2008 г. се проведе тържествена церемония по пускането на LHC в експлоатация. Първоначално експериментите трябваше да бъдат възобновени през декември 2008 г., но след това датата на повторното стартиране беше отложена за септември и след това до средата на ноември 2009 г., докато първите сблъсъци бяха планирани да се проведат едва през 2010 г.,,,. Първите тестови изстрелвания на лъчи от оловни йони и протони на част от пръстена на LHC след аварията бяха направени на 23 октомври 2009 г. На 23 ноември бяха направени първите сблъсъци на лъчи в детектора ATLAS, а на 31 март 2010 г. колайдерът започна да работи на пълен капацитет: в този ден беше регистриран сблъсък на протонни лъчи с рекордна енергия от 7 TeV. През април 2012 г. е регистрирана още по-висока енергия на сблъсък на протони - 8 TeV.

През 2009 г. цената на LHC беше оценена на между 3,2 и 6,4 милиарда евро, което го направи най-скъпият научен експеримент в човешката история.

Международното сътрудничество

Беше отбелязано, че проект с мащаб на LHC не може да бъде създаден от една страна. Той е създаден с усилията не само на 20 държави-членки на CERN: повече от 10 хиляди учени от повече от сто страни по света са участвали в неговото разработване,,. От 2009 г. проектът LHC се ръководи от главния изпълнителен директор на CERN Ролф-Дитер Хойер. Русия също участва в създаването на LHC като наблюдател в CERN: през 2008 г. около 700 руски учени са работили в Големия адронен колайдер, включително служители на IHEP.

Междувременно учени от една от европейските страни почти загубиха възможността да участват в експерименти в LHC. През май 2009 г. австрийският министър на науката Йоханес Хан обяви оттеглянето на страната от CERN през 2010 г., обяснявайки, че членството в CERN и участието в програмата за създаване на LHC е твърде скъпо и не носи осезаема печалба за науката и университетите в Австрия. Ставаше дума за възможните годишни спестявания от около 20 милиона евро, представляващи 2,2 процента от бюджета на ЦЕРН и около 70 процента от средствата, отпуснати от австрийското правителство за участие в международни изследователски организации. Австрия обеща да вземе окончателното решение за оттегляне през есента на 2009 г. По-късно обаче австрийският канцлер Вернер Файман заяви, че страната му няма да напусне проекта и ЦЕРН.

Слухове за опасност

В пресата се разпространяват слухове, че LHC представлява опасност за човечеството, тъй като изстрелването му може да доведе до края на света. Причината бяха твърденията на учените, че в резултат на сблъсъци в колайдера могат да се образуват микроскопични черни дупки: веднага се появиха мнения, че те могат да "засмучат" цялата Земя в себе си и следователно LHC е истинска "кутия на Пандора" , , , . Бяха изразени и мнения, че откриването на бозона на Хигс ще доведе до неконтролирано увеличаване на масата във Вселената, а експериментите за търсене на „тъмна материя“ могат да доведат до появата на „странджелети“ (странжелети, преводът на термина на Руски принадлежи на астронома Сергей Попов) - "странна материя", която при контакт с обикновена материя може да я превърне в "страпел". В същото време беше направено сравнение с романа на Кърт Вонегът (Kurt Vonnegut) „Котешка люлка“, където измисленият материал „лед девет“ унищожи живота на планетата. Някои публикации, позовавайки се на мненията на отделни учени, също заявиха, че експериментите в LHC могат да доведат до появата на "червееви дупки" (червееви дупки) във времето, през които частици или дори живи същества могат да бъдат прехвърлени в нашия свят от бъдещето, . Оказа се обаче, че думите на учените са били изопачени и изтълкувани погрешно от журналистите: първоначално става дума „за микроскопични машини на времето, с помощта на които само отделни елементарни частици могат да пътуват в миналото“.

Учените многократно са заявявали, че вероятността от подобни събития е незначителна. Дори беше събрана специална група за оценка на безопасността на LHC, която извърши анализ и издаде доклад за вероятността от бедствия, до които могат да доведат експериментите в LHC. Според учените сблъсъците на протони в LHC няма да бъдат по-опасни от сблъсъците на космически лъчи с скафандрите на астронавтите: понякога те имат дори по-голяма енергия от това, което може да се постигне в LHC. А що се отнася до хипотетичните черни дупки, те ще се „разтворят“ преди да достигнат дори стените на колайдера , , , , , .

Слуховете за възможни катастрофи обаче все още държаха обществеността в напрежение. Създателите на колайдера дори бяха съдени: най-известните дела принадлежаха на американския адвокат и лекар Валтер Вагнер и немския професор по химия Ото Рослер. Те обвиниха ЦЕРН, че застрашават човечеството с експеримента си и нарушават „правото на живот“, гарантирано от Конвенцията за правата на човека, но твърденията бяха отхвърлени от , , , . Пресата съобщи, че поради слухове за предстоящия край на света, след изстрелването на LHC в Индия, 16-годишно момиче се е самоубило.

В руската блогосфера се появи мем „Предпочитам да имам колайдер“, което може да се преведе като „Ще бъде краят на света, невъзможно е повече да се гледа този позор“. Популярен беше вицът "Физиците имат традиция - веднъж на 14 милиарда години да се събират и да пускат колайдер".

Научни резултати

Първите данни от експерименти в LHC бяха публикувани през декември 2009 г. На 13 декември 2011 г. експертите от CERN обявиха, че в резултат на изследвания в LHC са успели да стеснят границите на вероятната маса на бозона на Хигс до 115,5-127 GeV и да намерят признаци за съществуването на желаната частица с маса от около 126 GeV,. През същия месец откритието на нова частица, различна от Хигс, наречена χb (3P) , , беше обявено за първи път по време на експерименти в LHC.

На 4 юли 2012 г. ръководството на CERN официално обяви откритието с вероятност от 99,99995% на нова частица в масовата област от около 126 GeV, която според учените най-вероятно е бозонът на Хигс. Този резултат ръководителят на едно от двете научни сътрудничества, работещи в LHC, Джо Инкандела (Joe Incandela) нарече „едно от най-големите наблюдения в тази област на науката през последните 30-40 години“, а самият Питър Хигс обяви откриването на частицата "краят на една ера във физиката", , .

Бъдещи проекти

През 2013 г. CERN планира да модернизира LHC, като инсталира по-мощни детектори и увеличи общата мощност на колайдера. Проектът за надграждане се нарича Super Large Hadron Collider (SLHC). Предвижда се и изграждането на Международния линеен колайдер (ILC). Тръбата му ще бъде дълга няколко десетки километра и би трябвало да е по-евтин от LHC поради факта, че дизайнът му не изисква използването на скъпи свръхпроводящи магнити. Възможно е ILC да бъде построен в Дубна,,.

Също така някои експерти от CERN и учени от САЩ и Япония предложиха след приключване на работата на LHC да се работи върху нов Много голям адронен колайдер (Very Large Hadron Collider, VLHC) ,.

Използвани материали

Крис Уикъм, Робърт Еванс. „Това“ е бозон: „Приключението на Хигс носи нова частица. – Ройтерс, 05.07.2012

Луси Кристи, Мари Ноел Блесиг. Physique: decouverte de la "particule de Dieu"? - Агенция Франс Прес, 04.07.2012

Денис Овърбай. Физиците откриха неуловима частица, разглеждана като ключ към Вселената. - Ню Йорк Таймс, 04.07.2012

Adlene Hicheur condamne a cinq ans de prison, dont un avec sursis. - L експрес, 04.05.2012

Ускорителят на частици ескалира мисията за изследване на Вселената. - Агенция Франс Прес, 06.04.2012

Джонатан Амос. LHC съобщава за откриването на първата си нова частица. - BBC News, 22.12.2011

Леонид Попов. Първата нова частица беше уловена в LHC. - мембрана, 22.12.2011

Стивън Шанкланд. Физиците от CERN откриха намек за Хигс бозон. - CNET, 13.12.2011

Пол Ринкон. LHC: Хигс бозонът „може да е бил забелязан“. - BBC News, 13.12.2011

Да, успяхме! - Бюлетин на ЦЕРН, 31.03.2010

Ричард Уеб. Физиците се надпреварват да публикуват първи резултати от LHC. - Нов учен, 21.12.2009

Съобщение за пресата. Два циркулиращи лъча предизвикват първи сблъсъци в LHC. - ЦЕРН (cern.ch), 23.11.2009

Частиците се завръщат в LHC! - ЦЕРН (cern.ch), 26.10.2009

Първите оловни йони в LHC. - Тестове за инжектиране на LHC (lhc-injection-test.web.cern.ch), 26.10.2009

Чарлз Бремнер, Адам Сейдж. Физикът на адронния колайдер Адлийн Хичер е обвинен в тероризъм. - Времената, 13.10.2009

Денис Овърбай. Френски учен разследващ в официално разследване на тероризъм. - Ню Йорк Таймс, 13.10.2009

Какво е останало от свръхпроводящия супер колайдер? - Физиката днес, 06.10.2009

LHC ще работи при 3,5 TeV в началото на 2009-2010 г., като се повишава по-късно. - ЦЕРН (cern.ch), 06.08.2009

Комитет за експерименти на LHC. - ЦЕРН (cern.ch), 30.06.2009

Това е търсенето на начини за комбиниране на две фундаментални теории - GR (за гравитацията) и SM (стандартен модел, който съчетава три фундаментални физически взаимодействия - електромагнитно, силно и слабо). Намирането на решение преди създаването на LHC беше възпрепятствано от трудностите при създаването на теория за квантовата гравитация.

Изграждането на тази хипотеза включва комбинацията от две физически теории – квантовата механика и общата теория на относителността.

За това бяха използвани едновременно няколко популярни и необходими подхода в съвременността - теория на струните, теория на браните, теория на супергравитацията, както и теорията на квантовата гравитация. Преди изграждането на колайдера основният проблем при провеждането на необходимите експерименти беше липсата на енергия, която не може да бъде постигната с други съвременни ускорители на частици.

Женевският LHC даде възможност на учените да проведат неосъществими досега експерименти. Смята се, че в близко бъдеще с помощта на апарата ще бъдат потвърдени или опровергани много физични теории. Една от най-проблемните е суперсиметрията или теорията на струните, която дълго време разделя физиката на два лагера - "стрингери" и техните съперници.

Други фундаментални експерименти, извършени като част от работата на LHC

Интересни са и изследванията на учените в областта на изучаването на топ кварките, които са най-кварковите и най-тежките (173,1 ± 1,3 GeV / c²) от всички известни в момента елементарни частици.

Поради това свойство, дори преди създаването на LHC, учените можеха да наблюдават кварки само в ускорителя Tevatron, тъй като други устройства просто нямаха достатъчно мощност и енергия. От своя страна теорията за кварките е важен елемент от сензационната хипотеза за бозона на Хигс.

Всички научни изследвания за създаването и изучаването на свойствата на кварките се извършват от учени в горната кварк-антикваркова парна баня в LHC.

Важна цел на женевския проект е и процесът на изследване на механизма на електрослабата симетрия, който също е свързан с експерименталното доказване на съществуването на бозона на Хигс. Ако дефинираме проблема по-точно, тогава обектът на изследване е не толкова самият бозон, а механизмът на нарушаване на симетрията на електрослабото взаимодействие, предсказан от Питър Хигс.

LHC също провежда експерименти за търсене на суперсиметрия - и желаният резултат ще бъде теорията, че всяка елементарна частица винаги е придружена от по-тежък партньор, и нейното опровержение.

Малко факти за Големия адронен колайдер, как и защо е създаден, каква е ползата от него и какви потенциални опасности крие за човечеството.

1. Изграждането на LHC или Големия адронен колайдер е замислено през 1984 г. и започва едва през 2001 г. Пет години по-късно, през 2006 г., благодарение на усилията на повече от 10 хиляди инженери и учени от различни страни, изграждането на е завършен Големият адронен колайдер.

2. LHC е най-голямата експериментална инсталация в света.

3. Така че защо Големият адронен колайдер?
Наречен е голям поради солидните си размери: дължината на главния пръстен, по който се задвижват частиците, е около 27 км.
Адрон - тъй като инсталацията ускорява адроните (частици, които се състоят от кварки).
Колайдер - поради лъчи частици, ускоряващи се в обратна посока, които се сблъскват един с друг в специални точки.

4. За какво е Големият адронен колайдер? LHC е ултрамодерен изследователски център, където учените провеждат експерименти с атоми, натискайки йони и протони заедно с голяма скорост. Учените се надяват с помощта на изследванията да повдигнат завесата над мистериите за появата на Вселената.

5. Проектът струва на научната общност астрономическа сума от 6 милиарда долара. Между другото, Русия е делегирала 700 специалисти в LHC, които работят и до днес. Поръчките за LHC донесоха около 120 милиона долара на руските предприятия.

6. Без съмнение основното откритие, направено в LHC, е откриването през 2012 г. на Хигс бозона или както го наричат още „Божиите частици“. Хигс бозонът е последната връзка в Стандартния модел. Друго значимо събитие в Bak'e е постигането на рекордна стойност на енергията на сблъсък от 2,36 тераелектронволта.

7. Някои учени, включително тези в Русия, смятат, че благодарение на мащабни експерименти в CERN (Европейската организация за ядрени изследвания, където всъщност се намира колайдерът), учените ще могат да построят първата в света машина на времето. Повечето учени обаче не споделят оптимизма на колегите.

8. Основните страхове на човечеството за най-мощния ускорител на планетата се основават на опасността, която застрашава човечеството в резултат на образуването на микроскопични черни дупки, способни да уловят околната материя. Има още една потенциална и изключително опасна заплаха - появата на страпели (произведени от странна капчица), които хипотетично са способни да се сблъскат с ядрото на атом, за да образуват все повече и повече нови страпели, трансформиращи материята на цялата Вселена. Повечето от най-уважаваните учени обаче твърдят, че подобен изход е малко вероятен. Но теоретично е възможно

9. През 2008 г. CERN беше съден от двама жители на щата Хавай. Те обвиниха ЦЕРН, че се опитва да сложи край на човечеството чрез небрежност, изисквайки гаранции за безопасност от учените.

10. Големият адронен колайдер се намира в Швейцария близо до Женева. В CERN има музей, където на посетителите ясно се обясняват принципите на колайдера и защо е построен.

11 . И накрая, малко забавен факт. Съдейки по заявките в Yandex, много хора, които търсят информация за Големия адронен колайдер, не знаят как се пише името на ускорителя. Например, те пишат „андрон“ (и не само пишат какво струват репортажите на НТВ с техния андронов колайдер), понякога пишат „андроид“ (Империята отвръща на удара). В буржоазната мрежа те също не изостават и вместо „адрон“ карат „хардън“ в търсачката (на ортодоксален английски hard-on е щранг). Интересен правопис на беларуски е „Vyaliki hadronny paskaralnik“, което се превежда като „Голям адронен ускорител“.

Адронен колайдер. Снимка

Фразата „Голям адронен колайдер“ е толкова дълбоко залегнала в медиите, че огромен брой хора знаят за това съоръжение, включително и тези, чиято дейност по никакъв начин не е свързана с физиката на елементарните частици и с науката като цяло.

Наистина, такъв мащабен и скъп проект нямаше как да бъде подминат от медиите - пръстеновидна инсталация с дължина почти 27 километра, на стойност десетки милиарди долари, с която работят няколко хиляди изследователи от цял свят . Съществен принос за популярността на колайдера има така наречената „Божия частица“ или Хигс бозонът, който беше успешно рекламиран и за който Питър Хигс получи Нобелова награда за физика през 2013 г.

На първо място, трябва да се отбележи, че Големият адронен колайдер не е построен от нулата, а е възникнал на мястото на своя предшественик, Големия електронно-позитронен колайдер (Large Electron-Positron Collider или LEP). Работата по 27-километровия тунел започва през 1983 г., където се планира в бъдеще да се постави ускорител, който да извърши сблъсък между електрон и позитрони. През 1988 г. околовръстният тунел се затваря, а работниците се приближават толкова внимателно до тунела, че разликата между двата края на тунела е само 1 сантиметър.

Ускорителят работи до края на 2000 г., когато достига пиковата си енергия от 209 GeV. След това започна демонтажа му. През единадесетте години на своята работа LEP донесе редица открития във физиката, включително откриването на W и Z бозоните и тяхното по-нататъшно изследване. Въз основа на резултатите от тези изследвания беше направено заключение за сходството на механизмите на електромагнитни и слаби взаимодействия, в резултат на което започна теоретична работа за комбиниране на тези взаимодействия в електрослаби.

През 2001 г. на мястото на електрон-позитронния ускорител започва изграждането на Големия адронен колайдер. Изграждането на новия ускорител приключи в края на 2007 г. Намираше се на мястото на LEP - на границата между Франция и Швейцария, в долината на Женевското езеро (15 км от Женева), на дълбочина от сто метра. През август 2008 г. започнаха тестовете на колайдера, а на 10 септември се състоя официалното изстрелване на LHC. Както и в случая с предишния ускорител, изграждането и експлоатацията на съоръжението се ръководи от Европейската организация за ядрени изследвания - CERN.

ЦЕРН

Накратко си струва да споменем организацията CERN (Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire). Тази организация действа като най-голямата лаборатория в света в областта на физиката на високите енергии. Тя включва три хиляди постоянни служители, а в проектите на CERN участват още няколко хиляди изследователи и учени от 80 страни.

Към момента участници в проекта са 22 държави: Белгия, Дания, Франция, Германия, Гърция, Италия, Холандия, Норвегия, Швеция, Швейцария, Великобритания - основатели, Австрия, Испания, Португалия, Финландия, Полша, Унгария, Чехия Република, Словакия, България и Румъния – присъединени. Въпреки това, както беше споменато по-горе, още няколко десетки държави по някакъв начин участват в работата на организацията и по-специално в Големия адронен колайдер.

Как работи Големият адронен колайдер?

Какво представлява Големият адронен колайдер и как работи са основните въпроси, които интересуват обществеността. Нека разгледаме тези въпроси по-нататък.

Collider (collider) - в превод от английски означава "този, който бута." Задачата на такава инсталация е сблъсък на частици. В случая на адронния колайдер ролята на частици играят адроните - частици, участващи в силното взаимодействие. Това са протони.

Получаване на протони

Дългият път на протоните започва в дуоплазматрона - първата степен на ускорителя, където водородът влиза под формата на газ. Дуоплазматронът е разрядна камера, в която се провежда електрически разряд през газа. Така че водородът, състоящ се само от един електрон и един протон, губи своя електрон. Така се образува плазма - вещество, състоящо се от заредени частици - протони. Разбира се, трудно е да се получи чиста протонна плазма, следователно допълнително образуваната плазма, която също включва облак от молекулни йони и електрони, се филтрира, за да се отдели протонният облак. Под действието на магнитите протонната плазма се събира в сноп.

Предварително ускоряване на частиците

Новообразуваният протонен лъч започва своето пътуване в линейния ускорител LINAC 2, който представлява 30-метров пръстен, последователно окачен с няколко кухи цилиндрични електрода (проводници). Електростатичното поле, създадено вътре в ускорителя, е градуирано по такъв начин, че частиците между кухите цилиндри винаги изпитват ускоряваща сила към следващия електрод. Без да навлизаме изцяло в механизма на ускоряване на протоните на този етап, отбелязваме само, че на изхода от LINAC 2 физиците получават сноп от протони с енергия 50 MeV, които вече достигат 31% от скоростта на светлината. Трябва да се отбележи, че в този случай масата на частиците се увеличава с 5%.

До 2019-2020 г. се планира LINAC 2 да бъде заменен с LINAC 4, който ще ускорява протоните до 160 MeV.

Заслужава да се отбележи, че в колайдера се ускоряват и оловни йони, което ще направи възможно изследването на кварк-глюонна плазма. Те се ускоряват в пръстена LINAC 3, подобно на LINAC 2. В бъдеще се планират и експерименти с аргон и ксенон.

След това протонните пакети влизат в протонно-синхронния бустер (PSB). Състои се от четири насложени пръстена с диаметър 50 метра, в които са разположени електромагнитни резонатори. Електромагнитното поле, което създават, е с висок интензитет и частица, преминаваща през него, се ускорява в резултат на потенциалната разлика в полето. Така след само 1,2 секунди частиците се ускоряват в PSB до 91% от скоростта на светлината и достигат енергия от 1,4 GeV, след което влизат в протонния синхротрон (PS). PS е с диаметър 628 метра и е оборудван с 27 магнита за насочване на лъча от частици в кръгова орбита. Тук протоните на частиците достигат 26 GeV.

Предпоследният пръстен за ускоряване на протоните е Superproton Synchrotron (SPS), чиято обиколка достига 7 километра. Оборудван с 1317 магнита, SPS ускорява частиците до енергия от 450 GeV. След около 20 минути протонният лъч навлиза в главния пръстен – Големия адронен колайдер (LHC).

Ускорение и сблъсък на частици в LHC

Преходите между пръстените на ускорителите се осъществяват чрез електромагнитни полета, създадени от мощни магнити. Основният пръстен на колайдера се състои от две успоредни линии, в които частиците се движат по орбитата на пръстена в обратна посока. Около 10 000 магнита отговарят за поддържането на кръговата траектория на частиците и насочването им към точките на сблъсък, като някои от тях тежат до 27 тона. За да се избегне прегряване на магнитите, се използва верига с хелий-4, през която протичат приблизително 96 тона вещество при температура от -271,25 ° C (1,9 K). Протоните достигат енергия от 6,5 TeV (т.е. енергия на сблъсък от 13 TeV), докато скоростта им е с 11 km / h по-малка от скоростта на светлината. Така сноп от протони преминава през големия пръстен на колайдера 11 000 пъти в секунда. Преди частиците да се сблъскат, те ще циркулират около пръстена от 5 до 24 часа.

Сблъсъкът на частици се случва в четири точки в главния пръстен на LHC, където са разположени четири детектора: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb.

Детектори на Големия адронен колайдер

АТЛАС (тороидален LHC апарат)

е един от двата детектора с общо предназначение в Големия адронен колайдер (LHC). Той изследва широк спектър от физика, от търсенето на Хигс бозона до частиците, които биха могли да изграждат тъмната материя. Въпреки че има същите научни цели като CMS експеримента, ATLAS използва различни технически решения и различен дизайн на магнитната система.

Лъчите на частици от LHC се сблъскват в центъра на детектора ATLAS, създавайки насрещни отломки под формата на нови частици, които излитат от точката на сблъсък във всички посоки. Шест различни подсистеми за откриване, подредени на слоеве около точката на удара, записват пътищата, импулса и енергията на частиците, което им позволява да бъдат индивидуално идентифицирани. Огромна система от магнити огъва пътищата на заредените частици, така че импулсът им да може да бъде измерен.

Взаимодействията в детектора ATLAS създават огромно количество данни. За да обработи тези данни, ATLAS използва усъвършенствана "тригерна" система, за да каже на детектора кои събития да записва и кои да игнорира. След това се използват сложни системи за събиране на данни и изчисление за анализ на записаните събития на сблъсък.

Детекторът е с височина 46 метра и ширина 25 метра, а масата му е 7000 тона. Тези параметри правят ATLAS най-големият детектор на частици, създаван някога. Намира се в тунел на дълбочина 100 м близо до основното съоръжение на CERN, близо до село Мейрин в Швейцария. Инсталацията се състои от 4 основни компонента:

Вътрешният детектор е цилиндричен, вътрешният пръстен е само на няколко сантиметра от оста на преминаващия лъч от частици, а външният пръстен е с диаметър 2,1 метра и дължина 6,2 метра. Състои се от три различни сензорни системи, потопени в магнитно поле. Вътрешен детектор измерва посоката, импулса и заряда на електрически заредените частици, произведени при всеки сблъсък протон-протон. Основните елементи на вътрешния детектор са: пикселен детектор (Pixel Detector), система за проследяване на полупроводници (Semi-Conductor Tracker, SCT) и тракер за преходно излъчване (TRT).

Калориметрите измерват енергията, която една частица губи, докато преминава през детектор. Той абсорбира частиците, които се появяват по време на сблъсъка, като по този начин фиксира тяхната енергия. Калориметрите се състоят от слоеве от "абсорбиращ" материал с висока плътност - олово, редуващи се със слоеве от "активна среда" - течен аргон. Електромагнитните калориметри измерват енергията на електроните и фотоните, когато взаимодействат с материята. Адронните калориметри измерват енергията на адроните по време на взаимодействие с атомните ядра. Калориметрите могат да спират повечето известни частици, с изключение на мюони и неутрино.

LAr (Liquid Argon Calorimeter) - калориметър ATLAS

Мюонен спектрометър - състои се от 4000 отделни мюонни камери, използващи четири различни технологии за идентифициране на мюони и измерване на импулса им. Мюоните обикновено преминават през вътрешен детектор и калориметър и следователно е необходим мюонен спектрометър.

Магнитната система ATLAS огъва частиците около различни слоеве от детекторни системи, което улеснява проследяването на следи от частици.

Експериментът ATLAS (февруари 2012 г.) включва повече от 3000 учени от 174 институции в 38 страни.

CMS (компактен мюонен соленоид)

е детектор с общо предназначение в Големия адронен колайдер (LHC). Подобно на ATLAS, той има широка програма по физика, от изучаване на стандартния модел (включително бозона на Хигс) до търсене на частици, които биха могли да изграждат тъмната материя. Въпреки че има същите научни цели като експеримента ATLAS, CMS използва различни технически решения и различен дизайн на магнитната система.

CMS детекторът е изграден около огромен соленоиден магнит. Това е цилиндрична намотка от свръхпроводящ кабел, която генерира поле от 4 тесла, приблизително 100 000 пъти повече от магнитното поле на Земята. Полето е ограничено от стоманено "иго", което е най-масивният компонент на детектора, чиято маса е 14 000 тона. Пълният детектор е дълъг 21 м, широк 15 м и висок 15 м. Устройството се състои от 4 основни компонента:

Соленоидният магнит е най-големият магнит в света, който служи за огъване на траекторията на заредените частици, излъчени от точката на удара. Изкривяването на траекторията дава възможност да се разграничат положително и отрицателно заредени частици (защото се огъват в противоположни посоки), както и да се измери импулсът, чиято величина зависи от кривината на траекторията. Огромният размер на соленоида ви позволява да поставите тракера и калориметрите вътре в бобината.
Силиконов тракер - състои се от 75 милиона отделни електронни сензора, подредени в концентрични слоеве. Когато заредена частица лети през слоевете на тракера, тя прехвърля част от енергията към всеки слой, като комбинирането на тези точки на сблъсък на частици с различни слоеве ви позволява да определите допълнително нейната траектория.
Калориметри - електронни и адронни, вижте калориметри ATLAS.
Поддетектори - позволяват ви да откривате мюони. Представени от 1400 мюонни камери, които са подредени на слоеве извън намотката, редуващи се с метални пластини на „хамута“.

Експериментът CMS е едно от най-големите международни научни изследвания в историята, с 4300 участници: физици на елементарните частици, инженери и техници, студенти и помощен персонал от 182 института, 42 държави (февруари 2014 г.).

ALICE (Експеримент с голям йонен колайдер)

- е детектор на тежки йони върху пръстените на Големия адронен колайдер (LHC). Той е предназначен да изучава физиката на силно взаимодействаща материя при екстремни енергийни плътности, където се образува фаза на материята, наречена кварк-глуонна плазма.

Цялата обикновена материя във Вселената днес се състои от атоми. Всеки атом съдържа ядро, състоящо се от протони и неутрони (с изключение на водорода, който няма неутрони), заобиколен от облак от електрони. Протоните и неутроните от своя страна са изградени от кварки, свързани заедно с други частици, наречени глуони. Нито един кварк никога не е бил наблюдаван изолирано: кварките, както и глуоните, изглежда са трайно свързани заедно и затворени в съставни частици като протони и неутрони. Това се нарича задържане.

Сблъсъците в LHC създават температури над 100 000 пъти по-високи от тези в центъра на Слънцето. Колайдерът осигурява сблъсъци между оловни йони, пресъздавайки условия, подобни на тези, настъпили непосредствено след Големия взрив. При тези екстремни условия протоните и неутроните се "стопят", освобождавайки кварките от техните връзки с глуони. Това е кварк-глуонната плазма.

Експериментът ALICE използва 10 000 тона детектор ALICE, дълъг 26 м, висок 16 м и широк 16 м. Устройството се състои от три основни комплекта компоненти: проследяващи устройства, калориметри и детектори за идентифициране на частици. Той също е разделен на 18 модула. Детекторът се намира в тунел на дълбочина 56 м по-долу, близо до село Saint-Denis-Pouilly във Франция.

В експеримента участват повече от 1000 учени от повече от 100 института по физика в 30 страни.

LHCb (експеримент за красота на Големия адронен колайдер)

Експериментът изследва малките разлики между материята и антиматерията чрез изучаване на вид частица, наречена "кварк на красотата" или "b-кварк".

Вместо да обгражда цялата точка на удара със затворен детектор, като ATLAS и CMS, експериментът LHCb използва серия от поддетектори за откриване предимно на предни частици - тези, които са били насочени напред в резултат на сблъсъка в една посока. Първият поддетектор се монтира близо до мястото на сблъсък, а останалите са един след друг на разстояние 20 метра.

Голямо изобилие от различни видове кварки се създава в LHC, преди те бързо да се разпаднат в други форми. За да се уловят b-кварки, бяха разработени сложни движещи се проследяващи детектори за LHCb, разположени близо до движението на лъча от частици през колайдера.

Детекторът LHCb от 5600 тона се състои от директен спектрометър и плоски детектори. Той е дълъг 21 метра, висок 10 метра и широк 13 метра и се намира на 100 метра под земята. Около 700 учени от 66 различни института и университета са включени в експеримента LHCb (октомври 2013 г.).

Други експерименти в колайдера

В допълнение към горните експерименти в Големия адронен колайдер, има два други експеримента с настройки:

LHCf (Голям адронен колайдер напред)- изучава частиците, изхвърлени напред след сблъсък на лъчи от частици. Те имитират космически лъчи, които учените изучават като част от експеримента. Космическите лъчи са естествено заредени частици от космоса, които непрекъснато бомбардират земната атмосфера. Те се сблъскват с ядра в горните слоеве на атмосферата, причинявайки каскада от частици, които достигат нивото на земята. Изучаването на това как сблъсъците в LHC произвеждат такива каскади от частици ще помогне на физиците да интерпретират и калибрират широкомащабни експерименти с космически лъчи, които могат да обхванат хиляди километри.

LHCf се състои от два детектора, които са разположени по дължината на LHC, на 140 метра един от друг от двете страни на точката на сблъсък на ATLAS. Всеки от двата детектора тежи само 40 килограма и е с размери 30 см дължина, 80 см височина и 10 см ширина. Експериментът LHCf включва 30 учени от 9 институции в 5 държави (ноември 2012 г.).

ТОТЕМ (общо напречно сечение, еластично разсейване и дифракционна дисоциация)– експериментирайте с най-дългата инсталация на колайдера. Мисията му е да изследва самите протони чрез точно измерване на протоните, произведени от сблъсъци под малък ъгъл. Този регион е известен като посоката "напред" и не е достъпен за други LHC експерименти. Детекторите TOTEM се простират на почти половин километър около точката на взаимодействие на CMS. TOTEM разполага с почти 3000 кг оборудване, включително четири ядрени телескопа, както и 26 детектора за римски съдове. Последният тип позволява детекторите да бъдат разположени възможно най-близо до лъча на частиците. Експериментът TOTEM включва около 100 учени от 16 института в 8 държави (август 2014 г.).

Защо е необходим Големият адронен колайдер?

Най-голямата международна научна инсталация изследва широк спектър от физически проблеми:

Изследването на топ кварките. Тази частица е не само най-тежкият кварк, но и най-тежката елементарна частица. Изучаването на свойствата на горния кварк също има смисъл, защото е изследователски инструмент.
Търсене и изследване на Хигс бозона. Въпреки че ЦЕРН твърди, че бозонът на Хигс вече е открит (през 2012 г.), досега много малко се знае за неговата природа и по-нататъшни изследвания биха могли да внесат повече яснота в механизма на неговата работа.

Изследване на кварк-глюонна плазма. Когато оловните ядра се сблъскват при високи скорости, то се образува в колайдера. Неговото изследване може да доведе до резултати, полезни както за ядрената физика (подобряване на теорията за силните взаимодействия), така и за астрофизиката (изследването на Вселената в първите й моменти на съществуване).
Търсене на суперсиметрия. Това изследване има за цел да опровергае или докаже "суперсиметрията" - теорията, че всяка елементарна частица има по-тежък партньор, наречен "суперчастица".
Изследване на фотон-фотонни и фотон-адронни сблъсъци. Това ще подобри разбирането на механизмите на процесите на такива сблъсъци.
Тестване на екзотични теории. Тази категория задачи включва най-нетрадиционните - "екзотични", например търсенето на паралелни вселени чрез създаване на миничерни дупки.

В допълнение към тези задачи има много други, чието решение също ще позволи на човечеството да разбере природата и света около нас на по-добро ниво, което от своя страна ще отвори възможности за създаване на нови технологии.

Практически ползи от Големия адронен колайдер и фундаментална наука

На първо място, трябва да се отбележи, че фундаменталните изследвания допринасят за фундаменталната наука. Приложната наука се занимава с прилагането на тези знания. Част от обществото, която не е наясно с предимствата на фундаменталната наука, често не възприема откриването на бозона на Хигс или създаването на кварк-глуонна плазма като нещо значимо. Връзката на подобни изследвания с живота на обикновен човек не е очевидна. Помислете за кратък пример от ядрената енергия:

През 1896 г. френският физик Антоан Анри Бекерел открива явлението радиоактивност. Дълго време се смяташе, че човечеството скоро няма да премине към индустриалната му употреба. Само пет години преди пускането на първия ядрен реактор в историята, великият физик Ърнест Ръдърфорд, който всъщност открива атомното ядро през 1911 г., каза, че атомната енергия никога няма да намери своето приложение. Експертите успяха да преосмислят отношението си към енергията, съдържаща се в ядрото на атома през 1939 г., когато немските учени Лиза Майтнер и Ото Хан откриха, че ядрата на урана, когато са облъчени с неутрони, се разделят на две части с освобождаване на огромно количество енергия - ядрена енергия.

И едва след тази последна брънка от поредица от фундаментални изследвания се включи приложната наука, която на базата на тези открития изобрети устройство за генериране на ядрена енергия - атомен реактор. Мащабът на откритието може да се оцени, като се погледне делът на производството на електроенергия от ядрени реактори. Така в Украйна например 56% от производството на електроенергия се пада на атомни електроцентрали, а във Франция е 76%.

Всички нови технологии се основават на определени фундаментални знания. Ето още няколко кратки примера:

През 1895 г. Вилхелм Конрад Рьонтген забелязва, че под въздействието на рентгенови лъчи фотографска плака потъмнява. Днес радиографията е едно от най-използваните изследвания в медицината, което ви позволява да изследвате състоянието на вътрешните органи и да откривате инфекции и отоци.
През 1915 г. Алберт Айнщайн предлага своя собствена. Днес тази теория се взема предвид при работата на GPS сателити, които определят местоположението на обект с точност до няколко метра. GPS се използва в клетъчните комуникации, картографията, наблюдението на превозни средства, но предимно в навигацията. Грешката на спътник, който не отчита общата теория на относителността, би се увеличила с 10 километра на ден от момента на изстрелването! И ако пешеходецът може да използва ума си и хартиена карта, тогава пилотите на самолет ще се окажат в трудна ситуация, тъй като е невъзможно да се движите по облаци.

Ако днес практическото приложение на откритията, направени в LHC, все още не е намерено, това не означава, че учените "напразно се суете около колайдера". Както знаете, разумният човек винаги се стреми да получи максимално практическо приложение от наличните знания и следователно знанията за природата, натрупани в процеса на изследване в LHC, определено ще намерят своето приложение рано или късно. Както вече беше показано по-горе, връзката между фундаменталните открития и технологиите, които ги използват, понякога може да не е очевидна.

Накрая отбелязваме т. нар. косвени открития, които не са поставени като първоначални цели на изследването. Те са доста често срещани, тъй като фундаменталните открития обикновено изискват въвеждането и използването на нови технологии. Така че развитието на оптиката получи тласък от фундаменталните изследвания на космоса, основани на наблюденията на астрономите чрез телескоп. В случая с CERN се ражда вездесъща технология - Интернет, проект, предложен от Тим Бърнърс-Лий през 1989 г. за улесняване на извличането на данни от CERN.