Što je sudarač elektrona. Veliki hadronski sudarač: čemu služi, gdje se nalazi

Karta s ucrtanom lokacijom sudarača

Za daljnje kombiniranje temeljnih interakcija u jednoj teoriji koriste se različiti pristupi: teorija struna, koja je razvijena u M-teoriji (teorija brane), teorija supergravitacije, kvantna gravitacija u petlji, itd. Neki od njih imaju unutarnje probleme, a nijedan od njih nema eksperimentalna potvrda. Problem je u tome što su za izvođenje odgovarajućih eksperimenata potrebne energije koje su nedostižne u modernim akceleratorima čestica.

LHC će omogućiti provođenje eksperimenata koje je prije bilo nemoguće provesti i vjerojatno će potvrditi ili opovrgnuti neke od ovih teorija. Dakle, postoji čitav niz fizikalnih teorija s dimenzijama većim od četiri koje sugeriraju postojanje “supersimetrije” – na primjer teorija struna, koja se ponekad naziva teorijom superstruna upravo zato što bez supersimetrije gubi svoje fizičko značenje. Potvrda postojanja supersimetrije bila bi tako neizravna potvrda istinitosti ovih teorija.

Proučavanje vrhunskih kvarkova

Povijest izgradnje

27 km podzemni tunel dizajniran za smještaj LHC boostera

Ideja za projekt Velikog hadronskog sudarača rođena je 1984. godine, a službeno je odobrena deset godina kasnije. Njegova izgradnja započela je 2001. godine, nakon završetka rada prethodnog akceleratora - Velikog elektronsko-pozitronskog sudarača.

Akcelerator bi trebao sudarati protone ukupne energije od 14 TeV (odnosno 14 teraelektronvolti ili 14 10 12 elektron volti) u sustavu središta mase upadnih čestica, kao i jezgre olova s energijom od 5,5 GeV ( 5.5 10 9 elektron volti) za svaki par sudarajućih nukleona. Tako će LHC biti najvisokoenergetski akcelerator elementarnih čestica na svijetu, koji će po energiji za red veličine nadmašiti svoje najbliže konkurente – proton-antiprotonski sudarač Tevatron, koji trenutno radi u Nacionalnom akceleratorskom laboratoriju. Enrico Fermi (SAD) i RHIC relativistički teški ionski sudarač u laboratoriju Brookhaven (SAD).

Akcelerator se nalazi u istom tunelu koji je prije bio okupiran velikim sudaračem elektrona i pozitrona. Tunel s opsegom od 26,7 km položen je na dubini od stotinjak metara pod zemljom u Francuskoj i Švicarskoj. Za zadržavanje i ispravljanje protonskih zraka koristi se 1624 supravodljivih magneta čija ukupna duljina prelazi 22 km. Posljednji je postavljen u tunel 27. studenog 2006. godine. Magneti će raditi na 1,9 K (-271°C). Izgradnja posebne kriogene linije za rashladne magnete završena je 19. studenog 2006. godine.

Testovi

Tehnički podaci

Proces ubrzanja čestica u sudaraču

Brzina čestica u LHC-u na sudarajućim snopovima bliska je brzini svjetlosti u vakuumu. Ubrzanje čestica do tako velikih brzina postiže se u nekoliko faza. U prvoj fazi, niskoenergetski linearni akceleratori Linac 2 i Linac 3 ubrizgavaju protone i olovne ione za daljnje ubrzanje. Zatim čestice ulaze u PS pojačivač, a zatim u sam PS (protonski sinkrotron), stječući energiju od 28 GeV. Nakon toga, ubrzanje čestica se nastavlja u SPS (Proton Super Synchrotron), gdje energija čestice doseže 450 GeV. Zatim se snop usmjerava na glavni prsten od 26,7 kilometara i na mjestima sudara detektori bilježe događaje koji se događaju.

Potrošnja energije

Tijekom rada sudarača procijenjena potrošnja energije iznosit će 180 MW. Procijenjeni troškovi energije za cijeli kanton Ženeva. CERN ne proizvodi električnu energiju sam, samo s rezervnim dizel generatorima.

Distribuirano računalstvo

Za kontrolu, pohranu i obradu podataka koji će dolaziti iz LHC akceleratora i detektora, stvara se distribuirana računalna mreža LCG. L HC C računanje G OSLOBODITI ) korištenjem mrežne tehnologije. Za određene računalne zadatke bit će uključen projekt distribuiranog računanja [e-mail zaštićen].

Nekontrolirani fizički procesi

Neki stručnjaci i građani izražavaju zabrinutost da postoji vjerojatnost različita od nule da će pokusi provedeni u sudaraču izmaći kontroli i razviti lančanu reakciju, koja bi, pod određenim uvjetima, teoretski mogla uništiti cijeli planet. Stajalište pobornika katastrofalnih scenarija povezanih s radom LHC-a predstavljeno je na zasebnoj web stranici. Zbog ovih osjećaja, LHC se ponekad dešifrira kao Posljednji hadronski sudarač ( Posljednji hadronski sudarač).

S tim u vezi najčešće se spominje teorijska mogućnost pojave mikroskopskih crnih rupa u sudaraču, kao i teorijska mogućnost nastanka ugrušaka antimaterije i magnetskih monopola, praćenih lančanom reakcijom hvatanja okolne tvari.

Ove teorijske mogućnosti razmatrala je posebna skupina CERN-a, koja je pripremila odgovarajuće izvješće, u kojem se svi takvi strahovi prepoznaju kao neutemeljeni. Engleski teoretski fizičar Adrian Kent objavio je znanstveni članak u kojem kritizira sigurnosne standarde koje je usvojio CERN, jer je očekivana šteta, odnosno umnožak vjerojatnosti događaja prema broju žrtava, prema njegovom mišljenju, neprihvatljiva. Međutim, maksimalna gornja procjena vjerojatnosti katastrofalnog scenarija na LHC-u je 10 -31 .

Kao glavni argumenti u prilog neutemeljenosti katastrofalnih scenarija navodi se činjenica da su Zemlja, Mjesec i drugi planeti neprestano bombardirani tokovima kozmičkih čestica puno veće energije. Spominje se i uspješan rad prethodno puštenih u rad akceleratora, uključujući Relativistički sudarač teških iona RHIC u Brookhavenu. Mogućnost nastanka mikroskopskih crnih rupa stručnjaci CERN-a ne poriču, međutim, navode da se u našem trodimenzionalnom prostoru takvi objekti mogu pojaviti samo pri energijama koje su 16 redova veličine veće od energije zraka u LHC-u. . Hipotetički, mikroskopske crne rupe mogu se pojaviti u eksperimentima na LHC-u u predviđanjima teorija s dodatnim prostornim dimenzijama. Takve teorije još nemaju nikakve eksperimentalne dokaze. Međutim, čak i ako crne rupe nastaju sudarima čestica u LHC-u, očekuje se da će biti izrazito nestabilne zbog Hawkingovog zračenja i da će gotovo trenutno ispariti u obliku običnih čestica.

Walter Wagner je 21. ožujka 2008. podnio tužbu federalnom okružnom sudu Havaja (SAD). Walter L. Wagner) i Luis Sancho (eng. Luis Sancho), u kojem oni, optužujući CERN da pokušava dogovoriti smak svijeta, traže da se zabrani lansiranje sudarača dok se ne zajamči njegova sigurnost.

Usporedba s prirodnim brzinama i energijama

Akcelerator je dizajniran da sudara takve čestice kao što su hadroni i atomske jezgre. Međutim, postoje prirodni izvori čestica čija su brzina i energija mnogo veće nego u sudaraču (vidi: Zevatron). Takve prirodne čestice nalaze se u kozmičkim zrakama. Površina planeta Zemlje djelomično je zaštićena od tih zraka, ali prolazeći kroz atmosferu čestice kozmičkih zraka sudaraju se s atomima i molekulama zraka. Kao rezultat tih prirodnih sudara, u Zemljinoj atmosferi nastaju mnoge stabilne i nestabilne čestice. Kao rezultat toga, prirodna radijacijska pozadina prisutna je na planetu već milijunima godina. Ista stvar (sudar elementarnih čestica i atoma) dogodit će se i u LHC-u, ali s manjim brzinama i energijama, te u znatno manjim količinama.

mikroskopske crne rupe

Ako se crne rupe mogu stvoriti tijekom sudara elementarnih čestica, one će se također raspasti na elementarne čestice, u skladu s principom CPT invarijantnosti, koji je jedan od najosnovnijih principa kvantne mehanike.

Nadalje, da je hipoteza o postojanju stabilnih crnih mikro-rupa točna, tada bi one nastajale u velikim količinama kao rezultat bombardiranja Zemlje kozmičkim elementarnim česticama. No većina visokoenergetskih elementarnih čestica koje dolaze iz svemira imaju električni naboj, pa bi neke crne rupe bile električno nabijene. Ove bi nabijene crne rupe bile zarobljene Zemljinim magnetskim poljem i, da su stvarno opasne, odavno bi uništile Zemlju. Schwimmerov mehanizam koji crne rupe čini električno neutralnim vrlo je sličan Hawkingovom učinku i ne može raditi ako Hawkingov efekt ne radi.

Osim toga, sve crne rupe, nabijene ili električki neutralne, uhvatili bi bijeli patuljci i neutronske zvijezde (koje su, poput Zemlje, bombardirane kozmičkim zračenjem) i uništile bi ih. Kao rezultat toga, životni vijek bijelih patuljaka i neutronskih zvijezda bio bi mnogo kraći nego što se stvarno promatra. Osim toga, razorivi bijeli patuljci i neutronske zvijezde emitirali bi dodatno zračenje koje se zapravo ne opaža.

Konačno, teorije s dodatnim prostornim dimenzijama koje predviđaju pojavu mikroskopskih crnih rupa nisu u suprotnosti s eksperimentalnim podacima samo ako je broj dodatnih dimenzija najmanje tri. Ali s toliko dodatnih dimenzija, milijarde godina moraju proći prije nego što crna rupa prouzroči bilo kakvu značajnu štetu Zemlji.

Strapelki

Eduard Boos, doktor fizikalnih i matematičkih znanosti s Istraživačkog instituta za nuklearnu fiziku Moskovskog državnog sveučilišta, ima suprotne stavove, poričući pojavu makroskopskih crnih rupa na LHC-u, a time i "crvotočine" i putovanje kroz vrijeme.

Bilješke

Ultimativni vodič za LHC (engleski) str. 30.
LHC: ključne činjenice. "Elementi velike znanosti". Preuzeto 15. rujna 2008.
Tevatron Electroweak radna skupina, najviša podskupina
Test LHC sinkronizacije uspješan
Drugi test sustava za ubrizgavanje bio je isprekidan, ali je cilj postignut. „Elementi velike znanosti“ (24. kolovoza 2008.). Preuzeto 6. rujna 2008.
Dan prekretnice LHC-a brzo počinje
Prvi snop u znanosti o ubrzanju LHC-a.
Završena misija za LHC tim. physicsworld.com. Preuzeto 12. rujna 2008.
Stabilna cirkulirajuća zraka lansirana je na LHC. „Elementi velike znanosti“ (12. rujna 2008.). Preuzeto 12. rujna 2008.
Incident na Velikom hadronskom sudaraču odgađa eksperimente na neodređeno vrijeme. „Elementi velike znanosti“ (19. rujna 2008.). Pristupljeno 21. rujna 2008.
Veliki hadronski sudarač neće nastaviti s radom do proljeća - CERN. RIA Novosti (23. rujna 2008.). Pristupljeno 25. rujna 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
Popravak oštećenih magneta bit će opsežniji nego što se mislilo. „Elementi velike znanosti“ (09.11.2008.). Preuzeto 12. studenog 2008.
Raspored za 2009. godinu. „Elementi velike znanosti“ (18. siječnja 2009.). Preuzeto 18. siječnja 2009.
Priopćenje CERN-a
Odobren je plan rada Velikog hadronskog sudarača za 2009.-2010. „Elementi velike znanosti“ (6. veljače 2009.). Preuzeto 5. travnja 2009.
LHC eksperimenti.
Otvara se Pandorina kutija. Vesti.ru (9. rujna 2008.). Preuzeto 12. rujna 2008.
Potencijal opasnosti u eksperimentima s sudaračem čestica
Dimopoulos S., Landsberg G. Black Holes at the Large Hadron Collider Phys. vlč. Lett. 87 (2001.)
Blaizot J.-P. et al. Proučavanje potencijalno opasnih događaja tijekom sudara teških iona na LHC-u.
Pregled sigurnosti LHC sudara Grupa za ocjenu sigurnosti LHC-a
Kritički osvrt na rizike akceleratora. Proza.ru (23. svibnja 2008.). Preuzeto 17. rujna 2008.
Kolika je vjerojatnost katastrofe na LHC-u?
Sudnji dan
Tražiti od suca da spasi svijet, a možda i puno više
Objašnjenje zašto će LHC biti siguran
http://environmental-impact.web.cern.ch/environmental-impact/Objects/LHCafety/LSAGSummaryReport2008-es.pdf (španjolski)
http://environmental-impact.web.cern.ch/environmental-impact/Objects/LHCafety/LSAGSummaryReport2008-de.pdf (njemački)
http://environmental-impact.web.cern.ch/environmental-impact/Objects/LHCafety/LSAGSummaryReport2008-fr.pdf (fr)
H. Heiselberg. Screening u kapljicama kvarka // Physical Review D. - 1993. - T. 48. - Br. 3. - S. 1418-1423. DOI:10.1103/PhysRevD.48.1418
M. Alford, K. Rajagopal, S. Reddy, A. Steiner. Stabilnost čudnih zvjezdanih kora i strangeleta // Američko fizičko društvo. Physical Review D. - 2006. - T. 73, 114016.

Najmoćniji akcelerator sudarajućih čestica na svijetu

Najsnažniji svjetski akcelerator sudarajuće zrake koji je izgradio Europski centar za nuklearna istraživanja (CERN) u 27-kilometarskom podzemnom tunelu na dubini od 50-175 metara na granici Švicarske i Francuske. LHC je pušten u promet u jesen 2008. godine, no zbog nesreće eksperimenti na njemu počeli su tek u studenom 2009., a projektni kapacitet dosegao je u ožujku 2010. godine. Lansiranje sudarača privuklo je pažnju ne samo fizičara, već i običnih ljudi, jer su u medijima izraženi strahovi da bi eksperimenti na sudaraču mogli dovesti do kraja svijeta. U srpnju 2012. LHC je najavio otkriće čestice s velikom vjerojatnošću da je Higgsov bozon – njeno postojanje potvrdilo je ispravnost Standardnog modela strukture materije.

pozadini

Po prvi put, akceleratori čestica počeli su se koristiti u znanosti krajem 20-ih godina XX. stoljeća za proučavanje svojstava materije. Prvi prstenasti akcelerator, ciklotron, stvorio je 1931. američki fizičar Ernest Lawrence. Godine 1932. Englez John Cockcroft i Irac Ernest Walton, koristeći multiplikator napona i prvi svjetski protonski akcelerator, uspjeli su po prvi put umjetno podijeliti jezgru atoma: helij je dobiven bombardiranjem litija protonima. Akceleratori čestica pokreću se električnim poljima koja se koriste za ubrzavanje (u mnogim slučajevima do brzina bliskih brzini svjetlosti) i zadržavanje nabijenih čestica (kao što su elektroni, protoni ili teži ioni) na određenoj putanji. Najjednostavniji primjer akceleratora u kućanstvu su televizori s elektronskim zračnim cijevima,,,,,.

Akceleratori se koriste za razne eksperimente, uključujući proizvodnju superteških elemenata. Za proučavanje elementarnih čestica također se koriste sudarači (od sudara - "sudar") - akceleratori nabijenih čestica u sudarajućim zrakama, dizajnirani za proučavanje proizvoda njihovih sudara. Znanstvenici daju zrakama velike kinetičke energije. Sudari mogu proizvesti nove, dosad nepoznate čestice. Posebni detektori su dizajnirani da uhvate njihov izgled. Početkom 1990-ih u SAD-u i Švicarskoj radili su najmoćniji sudarači. Godine 1987. u Sjedinjenim Državama u blizini Chicaga lansiran je sudarač Tevatron s maksimalnom energijom snopa od 980 gigaelektronvolta (GeV). To je podzemni prsten dug 6,3 kilometra,,. Godine 1989. u Švicarskoj je pušten u rad Veliki sudarač elektrona i pozitrona (LEP) pod pokroviteljstvom Europskog centra za nuklearna istraživanja (CERN). Za njega je na dubini od 50-175 metara u dolini Ženevskog jezera izgrađen prstenasti tunel dug 26,7 kilometara, 2000. godine bilo je moguće postići energiju snopa od 209 GeV , , .

U SSSR-u 1980-ih stvoren je projekt Accelerator-Storage Complex (UNC) - supravodljivi proton-protonski sudarač na Institutu za fiziku visokih energija (IHEP) u Protvinu. Bio bi superiorniji u većini parametara od LEP-a i Tevatrona i omogućio bi ubrzanje snopa elementarnih čestica s energijom od 3 teraelektronvolta (TeV). Njegov glavni prsten, dugačak 21 kilometar, izgrađen je podzemno 1994. godine, ali je zbog nedostatka sredstava projekt zamrznut 1998. godine, tunel izgrađen u Protvinu je zaključen (dovršeni su samo elementi gornjeg stupnja), a glavni inž. projekta, Gennady Durov, otišao na posao u SAD , , , , , , , . Prema nekim ruskim znanstvenicima, da je UNK bio dovršen i pušten u rad, ne bi bilo potrebe za stvaranjem snažnijih sudarača , , : sugerirano je da kako bi se dobili novi podaci o fizičkim temeljima svjetskog poretka, bilo bi dovoljno prevladati energetski prag od 1 TeV na akceleratorima , . Zamjenik direktora Istraživačkog instituta za nuklearnu fiziku Moskovskog državnog sveučilišta i koordinator sudjelovanja ruskih institucija u projektu stvaranja Velikog hadronskog sudarača Viktor Savrin, podsjetivši na UNC, rekao je: "Pa, tri teraelektronvolta ili sedam. A onda tri teraelektronvolti bi se kasnije mogli dovesti na pet." Međutim, Sjedinjene Države su također odustale od izgradnje vlastitog supravodljivog supersudarača (SSC) 1993. godine, a iz financijskih razloga,,.

Umjesto izgradnje vlastitih sudarača, fizičari iz različitih zemalja odlučili su se udružiti u okviru međunarodnog projekta, čija je ideja o stvaranju nastala još 1980-ih. Nakon završetka eksperimenata na švicarskom LEP-u, njegova oprema je demontirana, a na njenom mjestu počela je izgradnja Velikog hadronskog sudarača (LHC, Large Hadron Collider, LHC) - najmoćnijeg svjetskog prstenastog akceleratora nabijenih čestica pri sudaru snopovi, na kojima se sudaraju snopovi protona s energijama do 14 TeV i ioni olova s energijama sudara do 1150 TeV , , , , , .

Ciljevi eksperimenta

Glavni cilj izgradnje LHC-a bio je precizirati ili opovrgnuti Standardni model - teorijsku konstrukciju u fizici koja opisuje elementarne čestice i tri od četiri temeljne interakcije: jaku, slabu i elektromagnetsku, s izuzetkom gravitacijske, . Formiranje Standardnog modela dovršeno je 1960-1970-ih, a sva otkrića napravljena od tada, prema znanstvenicima, opisana su prirodnim proširenjima ove teorije. Istovremeno, Standardni model je objasnio kako elementarne čestice međusobno djeluju, ali nije odgovorio na pitanje zašto na ovaj način, a ne drugačije.

Znanstvenici su primijetili da ako LHC nije uspio postići otkriće Higgsovog bozona (u tisku se ponekad zvao "Božja čestica", , ) - to bi dovelo u pitanje cijeli Standardni model, koji bi zahtijevao potpunu reviziju postojeće ideje o elementarnim česticama , , , , . Istodobno, ako je Standardni model potvrđen, neka područja fizike zahtijevala su daljnju eksperimentalnu provjeru: posebice je bilo potrebno dokazati postojanje "gravitona" - hipotetskih čestica odgovornih za gravitaciju , , .

Tehničke značajke

LHC se nalazi u tunelu izgrađenom za LEP. Najveći dio leži pod teritorijom Francuske. Tunel sadrži dvije cijevi, koje idu paralelno gotovo cijelom svojom dužinom i sijeku se na mjestima detektora, u kojima će se sudarati hadroni - čestice koje se sastoje od kvarkova (za sudare će se koristiti olovni ioni i protoni). Protoni se počinju ubrzavati ne u samom LHC-u, već u pomoćnim akceleratorima. Protonske zrake "kreću" u linearnom akceleratoru LINAC2, zatim u PS akceleratoru, nakon čega ulaze u prsten superprotonskog sinkrotrona (SPS) dug 6,9 kilometara i nakon toga završavaju u jednoj od LHC cijevi, gdje za drugu 20 minuta im se prenosi energija do 7 TeV. Eksperimenti s olovnim ionima počet će na linearnom akceleratoru LINAC3. Zrake se drže na mjestu pomoću 1600 supravodljivih magneta, od kojih mnogi teže i do 27 tona. Ovi magneti se hlade tekućim helijem na ultra-nisku temperaturu: 1,9 stupnjeva iznad apsolutne nule, hladnije od svemira, , , , , , , .

Brzinom od 99,9999991 posto brzine svjetlosti, čineći više od 11 tisuća krugova u sekundi oko prstena sudarača, protoni će se sudariti u jednom od četiri detektora - najsloženijim sustavima LHC-a , , , , , . ATLAS detektor je dizajniran za traženje novih nepoznatih čestica koje znanstvenicima mogu predložiti načine traženja "nove fizike" koja se razlikuje od Standardnog modela. CMS detektor je dizajniran za dobivanje Higgsovog bozona i proučavanje tamne tvari. ALICE detektor je dizajniran za proučavanje materije nakon Velikog praska i traženje kvark-gluonske plazme, a LHCb detektor će istražiti razlog prevalencije materije nad antimaterijom i istražiti fiziku b-kvarkova. U budućnosti se planira puštanje u rad još tri detektora: TOTEM, LHCf i MoEDAL, .

Za obradu rezultata eksperimenata na LHC-u koristit će se namjenska distribuirana računalna mreža GRID, sposobna za prijenos do 10 gigabita informacija u sekundi u 11 računalnih centara diljem svijeta. Svake godine više od 15 petabajta (15 tisuća terabajta) informacija će se očitati s detektora: ukupni protok podataka četiri eksperimenta može doseći 700 megabajta u sekundi, , , , . U rujnu 2008. hakeri su uspjeli provaliti na web stranicu CERN-a i, prema njihovim riječima, pristupiti upravljanju sudaračem. Međutim, osoblje CERN-a objasnilo je da je LHC kontrolni sustav izoliran od interneta. U listopadu 2009. Adlen Ishor, koji je bio jedan od znanstvenika koji su radili na LHCb eksperimentu na LHC-u, uhićen je pod sumnjom da je surađivao s teroristima. Međutim, prema navodima uprave CERN-a, Ishor nije imao pristup podzemnim prostorijama sudarača i nije učinio ništa što bi moglo zainteresirati teroriste. U svibnju 2012. Ishor je osuđen na pet godina zatvora.

Cijena i povijest izgradnje

Godine 1995. trošak stvaranja LHC-a procijenjen je na 2,6 milijardi švicarskih franaka, isključujući troškove provođenja eksperimenata. Planirano je da eksperimenti počnu za 10 godina - 2005. godine. Godine 2001. smanjen je proračun CERN-a i trošku izgradnje dodano je 480 milijuna franaka (ukupni trošak projekta u to vrijeme bio je oko 3 milijarde franaka), što je dovelo do odgođenog pokretanja sudara do 2007. godine. Godine 2005., tijekom izgradnje LHC-a poginuo je inženjer: uzrok tragedije bio je teret koji je pao s dizalice.

Lansiranje LHC-a odgođeno je ne samo zbog problema s financiranjem. Godine 2007. pokazalo se da dijelovi koje je Fermilab isporučio za supravodljive magnete ne zadovoljavaju zahtjeve dizajna, zbog čega je lansiranje sudarača odgođeno za godinu dana.

10. rujna 2008. na LHC-u je lansirana prva protonska zraka. Planirano je da se za nekoliko mjeseci izvedu prvi sudari na sudaraču, no 19. rujna zbog neispravnog spoja dva supravodljiva magneta na LHC-u se dogodila nesreća: magneti su onesposobljeni, više od 6 tona tekućeg helija ulio se u tunel, a vakuum je prekinut u cijevima akceleratora. Collider je morao biti zatvoren radi popravka. Unatoč nesreći, 21. rujna 2008. održana je svečana ceremonija puštanja LHC-a u rad. U početku su eksperimenti trebali biti nastavljeni već u prosincu 2008., ali je potom datum ponovnog pokretanja odgođen za rujan, a potom za sredinu studenog 2009., dok je prvi sudari planiran tek 2010. godine,,, . Prva probna lansiranja snopova olovnih iona i protona na dio LHC prstena nakon nesreće izvršena su 23. listopada 2009. godine. 23. studenoga napravljeni su prvi sudari snopa u detektoru ATLAS, a 31. ožujka 2010. sudarač je počeo raditi punim kapacitetom: tog dana je registriran sudar protonskih snopa pri rekordnoj energiji od 7 TeV. U travnju 2012. zabilježena je još veća energija sudara protona – 8 TeV.

U 2009. godini cijena LHC-a procijenjena je na između 3,2 i 6,4 milijarde eura, što ga čini najskupljim znanstvenim eksperimentom u povijesti čovječanstva.

Međunarodna suradnja

Napomenuto je da projekt LHC razmjera ne može kreirati jedna zemlja. Nastao je naporima ne samo 20 država članica CERN-a: u njegovom razvoju sudjelovalo je više od 10 tisuća znanstvenika iz više od stotinu zemalja svijeta. Od 2009. godine projekt LHC vodi izvršni direktor CERN-a Rolf-Dieter Heuer. Rusija također sudjeluje u stvaranju LHC-a kao promatrač članica CERN-a: 2008. godine oko 700 ruskih znanstvenika radilo je na Velikom hadronskom sudaraču, uključujući zaposlenike IHEP-a.

U međuvremenu, znanstvenici iz jedne od europskih zemalja zamalo su izgubili priliku sudjelovati u eksperimentima na LHC-u. U svibnju 2009. austrijski ministar znanosti Johannes Hahn najavio je povlačenje zemlje iz CERN-a 2010. godine, objašnjavajući da je članstvo u CERN-u i sudjelovanje u programu stvaranja LHC-a preskupo i ne donosi opipljive povrate znanosti i sveučilištima u Austriji. Radilo se o mogućoj godišnjoj uštedi od oko 20 milijuna eura, što predstavlja 2,2 posto proračuna CERN-a i oko 70 posto sredstava koja je austrijska vlada izdvojila za sudjelovanje u međunarodnim istraživačkim organizacijama. Austrija je obećala da će konačnu odluku o povlačenju donijeti u jesen 2009. godine. Međutim, kasnije je austrijski kancelar Werner Faymann rekao da njegova zemlja neće napustiti projekt i CERN.

Glasine o opasnosti

U tisku su kružile glasine da je LHC opasan za čovječanstvo, budući da bi njegovo lansiranje moglo dovesti do kraja svijeta. Razlog su bile izjave znanstvenika da bi uslijed sudara u sudaraču mogle nastati mikroskopske crne rupe: odmah su se pojavila mišljenja da bi mogle "usisati" cijelu Zemlju u sebe, pa je stoga LHC prava "Pandorina kutija" , , , . Izražena su i mišljenja da bi otkriće Higgsovog bozona dovelo do nekontroliranog povećanja mase u Svemiru, a eksperimenti traženja "tamne tvari" mogli bi dovesti do pojave "strangeleta" (strangelets, prijevod izraza u Ruski pripada astronomu Sergeju Popovu) - "čudna materija", koja je u dodiru s običnom materijom može pretvoriti u "strapelu". Istovremeno je napravljena usporedba s romanom Kurta Vonneguta (Kurt Vonnegut) "Mačja kolijevka", gdje je fiktivni materijal "led-devet" uništio život na planeti,. Neke publikacije, pozivajući se na mišljenja pojedinih znanstvenika, također navode da eksperimenti na LHC-u mogu dovesti do pojave "crvotočina" (crvotočina) u vremenu, kroz koje se čestice ili čak živa bića mogu prenijeti u naš svijet iz budućnosti, . No, pokazalo se da su riječi znanstvenika iskrivljene i krivo protumačene od strane novinara: u početku se radilo o "mikroskopskim vremeplovima, uz pomoć kojih samo pojedinačne elementarne čestice mogu putovati u prošlost".

Znanstvenici su u više navrata izjavili da je vjerojatnost takvih događaja zanemariva. Čak je i sastavljena posebna LHC Safety Assessment Group, koja je provela analizu i izdala izvješće o vjerojatnosti katastrofa do kojih mogu dovesti eksperimenti na LHC-u. Prema znanstvenicima, sudari protona na LHC-u neće biti ništa opasniji od sudara kozmičkih zraka sa svemirskim odijelima astronauta: ona ponekad imaju čak i veću energiju od one koja se može postići u LHC-u. A što se tiče hipotetskih crnih rupa, one će se "otopiti" prije nego što dosegnu i zidove sudarača , , , , , .

No, glasine o mogućim katastrofama i dalje su držale javnost u neizvjesnosti. Tvorci sudarača su čak bili tuženi: najpoznatije tužbe pripale su američkom odvjetniku i liječniku Walteru Wagneru i njemačkom profesoru kemije Ottu Rossleru. Optužili su CERN da je svojim eksperimentom ugrozio čovječanstvo i prekršio "pravo na život" zajamčeno Konvencijom o ljudskim pravima, ali su te tvrdnje odbacili , , , . Tisak je izvijestio da je zbog glasina o skorom kraju svijeta, nakon lansiranja LHC-a u Indiji, 16-godišnja djevojka počinila samoubojstvo.

U ruskoj blogosferi pojavio se meme “Radije bih imao sudarač” koji se može prevesti kao “Bio bi smak svijeta, nemoguće je više gledati ovu sramotu”. Popularna je bila šala “Fizičari imaju tradiciju – jednom u 14 milijardi godina okupiti se i lansirati sudarač”.

Znanstveni rezultati

Prvi podaci iz eksperimenata na LHC-u objavljeni su u prosincu 2009. godine. 13. prosinca 2011. stručnjaci CERN-a objavili su da su kao rezultat istraživanja na LHC-u uspjeli suziti granice vjerojatne mase Higgsovog bozona na 115,5-127 GeV i pronaći znakove postojanja željene čestice s mase od oko 126 GeV,. U istom mjesecu, otkriće nove ne-Higgsove čestice, nazvane χb (3P) , , najavljeno je po prvi put tijekom eksperimenata na LHC-u.

Dana 4. srpnja 2012. vodstvo CERN-a službeno je objavilo otkriće s vjerojatnošću od 99,99995 posto nove čestice u području mase od oko 126 GeV, što je, prema znanstvenicima, najvjerojatnije bio Higgsov bozon. Ovaj rezultat, voditelj jedne od dvije znanstvene suradnje koje rade na LHC-u, Joe Incandela (Joe Incandela) nazvao je "jednom od najvećih zapažanja u ovom području znanosti u posljednjih 30-40 godina", a sam Peter Higgs je proglasio otkriće čestice "kraj jedne ere u fizici", , .

Budući projekti

U 2013. CERN planira modernizirati LHC ugradnjom snažnijih detektora i povećanjem ukupne snage sudarača. Projekt nadogradnje naziva se Super Large Hadron Collider (SLHC). U planu je i izgradnja Međunarodnog linearnog sudarača (ILC). Njegova cijev bit će duga nekoliko desetaka kilometara, a trebala bi biti jeftinija od LHC-a zbog činjenice da njegov dizajn ne zahtijeva korištenje skupih supravodljivih magneta. Moguće je da će ILC biti izgrađen u Dubni,,.

Također, neki stručnjaci i znanstvenici CERN-a iz SAD-a i Japana predložili su da se nakon završetka rada LHC-a radi na novom Vrlo velikom hadronskom sudaraču (Very Large Hadron Collider, VLHC).

Korišteni materijali

Chris Wickham, Robert Evans. "To" je bozon: "Higgsova potraga nosi novu česticu. - Reuters, 05.07.2012

Lucy Christie, Marie Noelle Blessig. Physique: decouverte de la "particule de Dieu"? - Agencija France-Presse, 04.07.2012

Dennis Overbye. Fizičari pronalaze nedostižnu česticu koja se smatra ključem za svemir. - New York Times, 04.07.2012

Adlene Hicheur osuđuje u zatvor, dont un avec sursis. - L Express, 04.05.2012

Sudarač čestica eskalira potragu za istraživanjem svemira. - Agencija France-Presse, 06.04.2012

Jonathan Amos. LHC izvještava o otkriću svoje prve nove čestice. - BBC vijesti, 22.12.2011

Leonid Popov. Prva nova čestica uhvaćena je na LHC-u. - membrana, 22.12.2011

Stephen Shankland. Fizičari iz CERN-a pronašli su naznaku Higgsovog bozona. - CNET, 13.12.2011

Paul Rincon. LHC: Higgsov bozon "možda je viđen". - BBC vijesti, 13.12.2011

Da, uspjeli smo! - Bilten CERN-a, 31.03.2010

Richard Webb. Fizičari se utrkuju s objavljivanjem prvih rezultata s LHC-a. - Novi znanstvenik, 21.12.2009

Priopćenje za javnost. Dvije kružeće zrake donose prve sudare u LHC-u. - CERN (cern.ch), 23.11.2009

Čestice se vraćaju u LHC! - CERN (cern.ch), 26.10.2009

Prvi olovni ioni u LHC-u. - LHC testovi ubrizgavanja (lhc-injection-test.web.cern.ch), 26.10.2009

Charles Bremner, Adam Sage. Fizičarka hadronskog sudarača Adlene Hicheur optužena za terorizam. - Vrijeme, 13.10.2009

Dennis Overbye. Francuski istražni znanstvenik u formalnoj istrazi terorizma. - New York Times, 13.10.2009

Što je ostalo od supravodljivog super sudarača? - Fizika danas, 06.10.2009

LHC će raditi na 3,5 TeV za početak 2009.-2010., a raste kasnije. - CERN (cern.ch), 06.08.2009

Odbor za eksperimente LHC-a. - CERN (cern.ch), 30.06.2009

To je potraga za načinima kombiniranja dviju temeljnih teorija - GR (o gravitaciji) i SM (standardni model koji kombinira tri temeljne fizičke interakcije - elektromagnetsku, jaku i slabu). Pronalaženje rješenja prije stvaranja LHC-a ometale su poteškoće u stvaranju teorije kvantne gravitacije.

Konstrukcija ove hipoteze uključuje kombinaciju dviju fizikalnih teorija – kvantne mehanike i opće relativnosti.

Za to je korišteno nekoliko popularnih i potrebnih pristupa u moderno doba odjednom - teorija struna, teorija brana, teorija supergravitacije, kao i teorija kvantne gravitacije. Prije izgradnje sudarača, glavni problem u provođenju potrebnih eksperimenata bio je nedostatak energije, što se ne može postići drugim modernim akceleratorima čestica.

Ženevski LHC dao je znanstvenicima priliku da provedu dosad neizvedive eksperimente. Vjeruje se da će u bliskoj budućnosti uz pomoć aparata mnoge fizikalne teorije biti potvrđene ili opovrgnute. Jedna od najproblematičnijih je supersimetrija ili teorija struna, koja je dugo vremena dijelila fizičku na dva tabora - "stringere" i njihove suparnike.

Ostali temeljni eksperimenti izvedeni u sklopu rada LHC-a

Zanimljiva su i istraživanja znanstvenika u području proučavanja top kvarkova, koji imaju najviše kvarkova i najteži (173,1 ± 1,3 GeV / c²) od svih trenutno poznatih elementarnih čestica.

Zbog ovog svojstva, čak i prije stvaranja LHC-a, znanstvenici su mogli promatrati samo kvarkove na Tevatron akceleratoru, budući da drugi uređaji jednostavno nisu imali dovoljno snage i energije. Zauzvrat, teorija kvarkova je važan element senzacionalne hipoteze Higgsovog bozona.

Sva znanstvena istraživanja o stvaranju i proučavanju svojstava kvarkova provode znanstvenici u vrhunskoj parnoj sobi kvark-antikvark na LHC-u.

Važan cilj Ženevskog projekta je i proces proučavanja mehanizma elektroslabe simetrije, što je također povezano s eksperimentalnim dokazom postojanja Higgsovog bozona. Ako točnije definiramo problem, onda predmet proučavanja nije toliko sam bozon, već mehanizam narušavanja simetrije elektroslabe interakcije koji je predvidio Peter Higgs.

LHC također provodi eksperimente u potrazi za supersimetrijom – a željeni rezultat bit će teorija da svaku elementarnu česticu uvijek prati teži partner, te njezino pobijanje.

Nekoliko činjenica o Velikom hadronskom sudaraču, kako i zašto je nastao, čemu služi i kakve potencijalne opasnosti za čovječanstvo predstavlja.

1. Izgradnja LHC-a, odnosno Velikog hadronskog sudarača, zamišljena je davne 1984., a započela je tek 2001. Pet godina kasnije, 2006., zahvaljujući naporima više od 10 tisuća inženjera i znanstvenika iz različitih zemalja, izgradnja dovršen je veliki hadronski sudarač.

2. LHC je najveći eksperimentalni pogon na svijetu.

3. Zašto onda Veliki hadronski sudarač?
Velikim je nazvan zbog svoje solidne veličine: duljina glavnog prstena, duž kojeg se čestice voze, iznosi oko 27 km.
Hadron – budući da instalacija ubrzava hadrone (čestice koje se sastoje od kvarkova).
Collider - zbog snopa čestica koje ubrzavaju u suprotnom smjeru, a koje se međusobno sudaraju u posebnim točkama.

4. Čemu služi Veliki hadronski sudarač? LHC je ultramoderni istraživački centar u kojem znanstvenici provode eksperimente s atomima, gurajući ione i protone zajedno velikom brzinom. Znanstvenici se nadaju da će uz pomoć istraživanja podići veo nad misterijama izgleda svemira.

5. Projekt je znanstvenu zajednicu koštao astronomski iznos od 6 milijardi dolara. Inače, Rusija je u LHC delegirala 700 stručnjaka koji rade i danas. Narudžbe za LHC donijele su ruskim poduzećima oko 120 milijuna dolara.

6. Bez sumnje, glavno otkriće napravljeno na LHC-u je otkriće 2012. Higgsovog bozona, ili kako ga još nazivaju "Božje čestice". Higgsov bozon je posljednja karika u Standardnom modelu. Drugi značajan događaj u Bak'eu je postizanje rekordne vrijednosti energije sudara od 2,36 teraelektronvolta.

7. Neki znanstvenici, uključujući i one u Rusiji, vjeruju da će zahvaljujući velikim eksperimentima u CERN-u (Europska organizacija za nuklearna istraživanja, gdje se, zapravo, nalazi sudarač), znanstvenici moći izgraditi prvi vremenski stroj na svijetu. Međutim, većina znanstvenika ne dijeli optimizam kolega.

8. Glavni strahovi čovječanstva o najmoćnijem akceleratoru na planetu temelje se na opasnosti koja prijeti čovječanstvu kao rezultat stvaranja mikroskopskih crnih rupa sposobnih zarobiti okolnu materiju. Postoji još jedna potencijalna i iznimno opasna prijetnja - pojava strandela (koji potječu od čudne kapljice), koji su, hipotetski, sposobni sudarati se s jezgrom atoma kako bi formirali sve više i više novih niti, transformirajući materiju cijelog Svemira. Međutim, većina najcjenjenijih znanstvenika kaže da je takav ishod malo vjerojatan. Ali teoretski je moguće

9. 2008. CERN su tužila dva stanovnika države Havaji. Optužili su CERN da pokušava okončati čovječanstvo nemarom, zahtijevajući sigurnosna jamstva od znanstvenika.

10. Veliki hadronski sudarač nalazi se u Švicarskoj u blizini Ženeve. U CERN-u postoji muzej u kojem se posjetiteljima jasno objašnjavaju principi sudarača i zašto je izgrađen.

11 . I za kraj, mala zabavna činjenica. Sudeći prema zahtjevima u Yandexu, mnogi ljudi koji traže informacije o Velikom hadronskom sudaraču ne znaju kako napisati ime akceleratora. Na primjer, pišu "andron" (i ne samo da pišu ono što vrijede izvještaji NTV-a s njihovim andron sudaračem), ponekad pišu "android" (Carstvo uzvraća udarac). U buržoaskoj mreži također ne zaostaju i umjesto “hadrona” u tražilicu ubacuju “hardon” (na pravoslavnom engleskom hard-on je uspon). Zanimljiv pravopis na bjeloruskom je "Vyaliki hadronny paskaralnik", što se prevodi kao "Veliki hadronski akcelerator".

Hadronski sudarač. Fotografija

Izraz "Veliki hadronski sudarač" toliko se duboko ukorijenio u masovnim medijima da ogroman broj ljudi zna za ovo postrojenje, uključujući i one čije aktivnosti nisu ni na koji način povezane s fizikom elementarnih čestica i sa znanošću općenito.

Dapače, mediji nisu mogli zanemariti tako velik i skup projekt - instalaciju prstena u dužini od gotovo 27 kilometara, po cijeni od nekoliko desetaka milijardi dolara, s kojom radi nekoliko tisuća istraživača iz cijelog svijeta. . Značajan doprinos popularnosti sudarača dala je takozvana "Božja čestica" ili Higgsov bozon, koja je uspješno reklamirana, a za koju je Peter Higgs 2013. dobio Nobelovu nagradu za fiziku.

Prije svega, treba napomenuti da Veliki hadronski sudarač nije izgrađen od nule, već je nastao na mjestu svog prethodnika, Velikog sudarača elektrona i pozitrona (Large Electron-Positron Collider ili LEP). Radovi na tunelu od 27 kilometara započeli su 1983. godine, gdje je planirano u budućnosti postaviti akcelerator koji bi izvršio sudar elektrona i pozitrona. 1988. godine prstenasti tunel je zatvoren, a radnici su tunelu prilazili tako pažljivo da je razlika između dva kraja tunela bila samo 1 centimetar.

Akcelerator je radio do kraja 2000. godine, kada je dostigao vršnu energiju od 209 GeV. Nakon toga krenulo se s njegovom demontažom. Tijekom jedanaest godina svog rada, LEP je donio niz otkrića u fiziku, uključujući otkriće W i Z bozona i njihova daljnja istraživanja. Na temelju rezultata ovih istraživanja donesen je zaključak o sličnosti mehanizama elektromagnetskih i slabih interakcija, uslijed čega je započeo teorijski rad na spajanju ovih interakcija u elektroslabu.

Godine 2001. započela je izgradnja Velikog hadronskog sudarača na mjestu akceleratora elektron-pozitrona. Izgradnja novog akceleratora završena je krajem 2007. godine. Nalazio se na mjestu LEP - na granici između Francuske i Švicarske, u dolini Ženevskog jezera (15 km od Ženeve), na dubini od sto metara. U kolovozu 2008. počela su ispitivanja sudarača, a 10. rujna održano je službeno lansiranje LHC-a. Kao i u slučaju prethodnog akceleratora, izgradnju i rad objekta vodi Europska organizacija za nuklearna istraživanja – CERN.

CERN

Ukratko, vrijedi spomenuti organizaciju CERN (Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire). Ova organizacija djeluje kao najveći svjetski laboratorij u području fizike visokih energija. Uključuje tri tisuće stalno zaposlenih, a u projektima CERN-a sudjeluje još nekoliko tisuća istraživača i znanstvenika iz 80 zemalja.

U ovom trenutku sudionici projekta su 22 zemlje: Belgija, Danska, Francuska, Njemačka, Grčka, Italija, Nizozemska, Norveška, Švedska, Švicarska, Velika Britanija - osnivači, Austrija, Španjolska, Portugal, Finska, Poljska, Mađarska, Češka Republika, Slovačka, Bugarska i Rumunjska - pristupile. Međutim, kao što je već spomenuto, još nekoliko desetaka zemalja na neki način sudjeluje u radu organizacije, a posebno na Velikom hadronskom sudaraču.

Kako radi Veliki hadronski sudarač?

Što je Veliki hadronski sudarač i kako radi glavna su pitanja od interesa za javnost. Razmotrimo ova pitanja dalje.

Collider (kolajder) - u prijevodu s engleskog znači "onaj koji gura". Zadatak takve instalacije je sudar čestica. U slučaju hadronskog sudarača ulogu čestica imaju hadroni – čestice koje sudjeluju u jakoj interakciji. To su protoni.

Dobivanje protona

Duga put protona potječe od duoplazmatrona – prvog stupnja akceleratora, gdje vodik ulazi u obliku plina. Duoplazmatron je komora za pražnjenje u kojoj se električno pražnjenje provodi kroz plin. Tako vodik, koji se sastoji od samo jednog elektrona i jednog protona, gubi svoj elektron. Tako nastaje plazma – tvar koja se sastoji od nabijenih čestica – protona. Naravno, teško je dobiti čistu protonsku plazmu, stoga se dalje formirana plazma, koja također uključuje oblak molekularnih iona i elektrona, filtrira kako bi se odvojio oblak protona. Pod djelovanjem magneta, protonska plazma se spaja u snop.

Prethodno ubrzanje čestica

Novonastala protonska zraka započinje svoj put u linearnom akceleratoru LINAC 2, koji je 30-metarski prsten, sukcesivno obješen s nekoliko šupljih cilindričnih elektroda (vodiča). Elektrostatičko polje stvoreno unutar akceleratora je graduirano na način da čestice između šupljih cilindara uvijek doživljavaju ubrzavajuću silu prema sljedećoj elektrodi. Ne upuštajući se u potpunosti u mehanizam ubrzanja protona u ovoj fazi, samo napominjemo da na izlazu iz LINAC-a 2 fizičari primaju snop protona s energijom od 50 MeV, koji već dosežu 31% brzine svjetlosti. Važno je napomenuti da se u ovom slučaju masa čestica povećava za 5%.

Do 2019.-2020. planira se LINAC 2 zamijeniti LINAC-om 4, koji će ubrzati protone do 160 MeV.

Vrijedi napomenuti da se ioni olova također ubrzavaju na sudaraču, što će omogućiti proučavanje kvark-gluonske plazme. Ubrzani su u prstenu LINAC 3, slično kao i LINAC 2. U budućnosti se planiraju i eksperimenti s argonom i ksenonom.

Zatim, protonski paketi ulaze u proton-sinkroni pojačivač (PSB). Sastoji se od četiri međusobno postavljena prstena promjera 50 metara, u kojima su smješteni elektromagnetski rezonatori. Elektromagnetsko polje koje stvaraju ima visok intenzitet, a čestica koja prolazi kroz njega ubrzava se kao rezultat razlike potencijala polja. Dakle, nakon samo 1,2 sekunde, čestice se ubrzavaju u PSB-u do 91% brzine svjetlosti i postižu energiju od 1,4 GeV, nakon čega ulaze u protonski sinkrotron (PS). PS je promjera 628 metara i opremljen je sa 27 magneta za vođenje snopa čestica u kružnoj orbiti. Ovdje protoni čestica dosežu 26 GeV.

Pretposljednji prsten za ubrzavanje protona je Superproton Synchrotron (SPS), čiji opseg doseže 7 kilometara. Opremljen sa 1317 magneta, SPS ubrzava čestice do energije od 450 GeV. Nakon otprilike 20 minuta, protonska zraka ulazi u glavni prsten – Veliki hadronski sudarač (LHC).

Ubrzanje i sudar čestica u LHC-u

Prijelazi između prstenova akceleratora odvijaju se kroz elektromagnetska polja koja stvaraju snažni magneti. Glavni prsten sudarača sastoji se od dvije paralelne linije u kojima se čestice kreću duž orbite prstena u suprotnom smjeru. Oko 10.000 magneta odgovorno je za održavanje kružne putanje čestica i njihovo usmjeravanje prema točkama sudara, a neki od njih su teški i do 27 tona. Kako bi se izbjeglo pregrijavanje magneta, koristi se krug helija-4, kroz koji teče približno 96 tona tvari na temperaturi od -271,25 ° C (1,9 K). Protoni dostižu energiju od 6,5 TeV (tj. energiju sudara od 13 TeV), dok je njihova brzina 11 km/h manja od brzine svjetlosti. Dakle, snop protona prolazi kroz veliki prsten sudarača 11 000 puta u sekundi. Prije nego što se čestice sudare, cirkuliraju oko prstena 5 do 24 sata.

Do sudara čestica dolazi na četiri točke u glavnom prstenu LHC-a, gdje su smještena četiri detektora: ATLAS, CMS, ALICE i LHCb.

Detektori Velikog hadronskog sudarača

ATLAS (Toroidalni LHC AparaT)

jedan je od dva detektora opće namjene na Velikom hadronskom sudaraču (LHC). On istražuje širok raspon fizike, od potrage za Higgsovim bozonom do čestica koje bi mogle činiti tamnu tvar. Iako ima iste znanstvene ciljeve kao i CMS eksperiment, ATLAS koristi drugačija tehnička rješenja i drugačiji dizajn magnetskog sustava.

Zrake čestica iz LHC-a sudaraju se u središtu ATLAS detektora, stvarajući nadolazeće krhotine u obliku novih čestica koje lete iz točke sudara u svim smjerovima. Šest različitih podsustava detekcije, raspoređenih u slojevima oko točke udara, bilježe putanje, zamah i energiju čestica, omogućujući njihovu individualnu identifikaciju. Ogroman sustav magneta savija puteve nabijenih čestica tako da se može izmjeriti njihov zamah.

Interakcije u detektoru ATLAS stvaraju ogromnu količinu podataka. Za obradu ovih podataka, ATLAS koristi napredni sustav "okidača" koji detektoru kaže koje događaje treba zabilježiti, a koje zanemariti. Zatim se koriste složeni sustavi prikupljanja podataka i proračuna za analizu zabilježenih sudara.

Detektor je visok 46 metara i širok 25 metara, dok mu je masa 7.000 tona. Ovi parametri čine ATLAS najvećim detektorom čestica ikada napravljenim. Nalazi se u tunelu na dubini od 100 m u blizini glavnog objekta CERN-a, u blizini sela Meyrin u Švicarskoj. Instalacija se sastoji od 4 glavne komponente:

Unutarnji detektor je cilindričan, unutarnji prsten je samo nekoliko centimetara udaljen od osi prolazne zrake čestica, a vanjski prsten je promjera 2,1 metar i dugačak 6,2 metra. Sastoji se od tri različita senzorska sustava uronjena u magnetsko polje. Unutarnji detektor mjeri smjer, zamah i naboj električno nabijenih čestica proizvedenih u svakom sudaru protona i protona. Glavni elementi unutarnjeg detektora su detektor piksela (Pixel Detector), poluvodički sustav za praćenje (Semi-Conductor Tracker, SCT) i tragač prijelaznog zračenja (TRT).

Kalorimetri mjere energiju koju čestica gubi dok prolazi kroz detektor. Apsorbira čestice koje se pojave tijekom sudara, čime fiksira njihovu energiju. Kalorimetri se sastoje od slojeva "apsorbirajućeg" materijala visoke gustoće - olova, koji se izmjenjuju sa slojevima "aktivnog medija" - tekućeg argona. Elektromagnetski kalorimetri mjere energiju elektrona i fotona u interakciji s materijom. Hadronski kalorimetri mjere energiju hadrona tijekom interakcije s atomskim jezgrama. Kalorimetri mogu zaustaviti većinu poznatih čestica, osim miona i neutrina.

LAr (Liquid Argon Calorimeter) - ATLAS kalorimetar

Mionski spektrometar - sastoji se od 4000 pojedinačnih mionskih komora koje koriste četiri različite tehnologije za identifikaciju miona i mjerenje njihovog momenta. Mioni obično prolaze kroz unutarnji detektor i kalorimetar, pa je stoga potreban mionski spektrometar.

Magnetni sustav ATLAS savija čestice oko različitih slojeva detektorskih sustava, što olakšava praćenje tragova čestica.

Eksperiment ATLAS (veljača 2012.) zapošljava više od 3000 znanstvenika iz 174 institucije u 38 zemalja.

CMS (kompaktni mionski solenoid)

je detektor opće namjene na Velikom hadronskom sudaraču (LHC). Kao i ATLAS, ima širok program fizike, od proučavanja Standardnog modela (uključujući Higgsov bozon) do traženja čestica koje bi mogle činiti tamnu tvar. Iako ima iste znanstvene ciljeve kao i eksperiment ATLAS, CMS koristi drugačija tehnička rješenja i drugačiji dizajn magnetskog sustava.

CMS detektor je izgrađen oko ogromnog magneta. To je cilindrični svitak supravodljivog kabela koji stvara polje od 4 Tesla, otprilike 100 000 puta veće od Zemljinog magnetskog polja. Polje je omeđeno čeličnim "jarmom", koji je najmasivnija komponenta detektora, čija je masa 14.000 tona. Kompletan detektor dug je 21 m, širok 15 m i visok 15 m. Postavka se sastoji od 4 glavne komponente:

Solenoidni magnet je najveći magnet na svijetu, koji služi za savijanje putanje nabijenih čestica koje se emitiraju iz točke udara. Izobličenje putanje omogućuje razlikovanje pozitivno i negativno nabijenih čestica (jer se savijaju u suprotnim smjerovima), kao i mjerenje količine gibanja čija veličina ovisi o zakrivljenosti putanje. Ogromna veličina solenoida omogućuje vam postavljanje tragača i kalorimetara unutar zavojnice.
Silikonski tracker - sastoji se od 75 milijuna pojedinačnih elektroničkih senzora raspoređenih u koncentričnim slojevima. Kada nabijena čestica leti kroz slojeve tragača, ona prenosi dio energije svakom sloju, kombinirajući te točke sudara čestica s različitim slojevima, omogućuje vam daljnje određivanje njezine putanje.
Kalorimetri - elektronski i hadronski, vidi ATLAS kalorimetri.
Pod-detektori - omogućuju vam otkrivanje miona. Predstavljen s 1400 mionskih komora, koje su raspoređene u slojevima izvan zavojnice, naizmjenično s metalnim pločama "hamuta".

CMS eksperiment jedno je od najvećih međunarodnih znanstvenih studija u povijesti, s 4300 sudionika: fizičara čestica, inženjera i tehničara, studenata i pomoćnog osoblja iz 182 instituta, 42 zemlje (veljača 2014.).

ALICE (Eksperiment velikog ionskog sudarača)

- je detektor teških iona na prstenovima Velikog hadronskog sudarača (LHC). Dizajniran je za proučavanje fizike tvari u jakoj interakciji pri ekstremnim gustoćama energije, gdje se formira faza materije koja se zove kvark-gluonska plazma.

Sva obična materija u današnjem svemiru sastoji se od atoma. Svaki atom sadrži jezgru koja se sastoji od protona i neutrona (osim vodika, koji nema neutrona), okružena oblakom elektrona. Protoni i neutroni se pak sastoje od kvarkova povezanih s drugim česticama koje se nazivaju gluoni. Nijedan kvark nikada nije opažen u izolaciji: čini se da su kvarkovi, kao i gluoni, trajno povezani i zatvoreni unutar složenih čestica kao što su protoni i neutroni. To se zove zatvaranje.

Sudari u LHC-u stvaraju temperature preko 100 000 puta toplije nego u središtu Sunca. Sudarač osigurava sudare između olovnih iona, stvarajući uvjete slične onima koji su se dogodili neposredno nakon Velikog praska. U tim ekstremnim uvjetima, protoni i neutroni se "tope", oslobađajući kvarkove od svojih veza s gluonima. Ovo je kvark-gluonska plazma.

Eksperiment ALICE koristi detektor ALICE od 10.000 tona, dug 26 metara, visok 16 metara i širok 16 metara. Uređaj se sastoji od tri glavna seta komponenti: uređaja za praćenje, kalorimetara i detektora za identifikaciju čestica. Također je podijeljen na 18 modula. Detektor se nalazi u tunelu na dubini od 56 m ispod, u blizini sela Saint-Denis-Pouilly u Francuskoj.

U eksperimentu sudjeluje više od 1000 znanstvenika iz više od 100 instituta za fiziku u 30 zemalja.

LHCb (eksperiment ljepote velikog hadronskog sudarača)

Eksperiment istražuje male razlike između materije i antimaterije proučavajući vrstu čestice nazvanu "kvark ljepote" ili "b-kvark".

Umjesto da okružuje cijelu točku udara zatvorenim detektorom poput ATLAS-a i CMS-a, LHCb eksperiment koristi niz pod-detektora za otkrivanje pretežno naprijed čestica - onih koje su bile usmjerene naprijed kao rezultat sudara u jednom smjeru. Prvi poddetektor je postavljen blizu mjesta sudara, a ostali su jedan za drugim na udaljenosti od 20 metara.

Na LHC-u se stvara veliko mnoštvo različitih vrsta kvarkova prije nego što se brzo raspadnu u druge oblike. Kako bi se uhvatili b-kvarkovi, razvijeni su složeni detektori za praćenje kretanja za LHCb, koji se nalaze blizu kretanja snopa čestica kroz sudarač.

LHCb detektor od 5600 tona sastoji se od izravnog spektrometra i ravnih detektora. Dugačak je 21 metar, visok 10 metara i širok 13 metara i nalazi se 100 metara pod zemljom. Oko 700 znanstvenika sa 66 različitih instituta i sveučilišta uključeno je u eksperiment LHCb (listopad 2013.).

Ostali eksperimenti na sudaraču

Uz gore navedene eksperimente na Velikom hadronskom sudaraču, postoje još dva eksperimenta s postavkama:

LHCf (Veliki hadronski sudarač naprijed)- proučava čestice bačene naprijed nakon sudara snopa čestica. Oni imitiraju kozmičke zrake, koje znanstvenici proučavaju u sklopu eksperimenta. Kozmičke zrake su prirodno nabijene čestice iz svemira koje neprestano bombardiraju Zemljinu atmosferu. Oni se sudaraju s jezgrama u gornjoj atmosferi, uzrokujući kaskadu čestica koje dosežu razinu tla. Proučavanje kako sudari unutar LHC-a proizvode takve kaskade čestica pomoći će fizičarima u tumačenju i kalibraciji eksperimenata velikih razmjera kozmičkih zraka koji se mogu protezati tisućama kilometara.

LHCf se sastoji od dva detektora koji se nalaze duž LHC-a, 140 metara jedan od drugog s obje strane sudarske točke ATLAS-a. Svaki od dva detektora težak je samo 40 kilograma i dug je 30 cm, visok 80 cm i širok 10 cm. U LHCf eksperimentu sudjeluje 30 znanstvenika iz 9 institucija u 5 zemalja (studeni 2012.).

TOTEM (Ukupni poprečni presjek, elastično raspršenje i difrakcijska disocijacija)– eksperimentirajte s najdužom instalacijom na sudaraču. Njegova je misija proučavati same protone, točnim mjerenjem protona proizvedenih sudarima pod malim kutom. Ovo područje je poznato kao smjer "naprijed" i nije dostupno drugim LHC eksperimentima. TOTEM detektori protežu se gotovo pola kilometra oko CMS interakcijske točke. TOTEM ima gotovo 3000 kg opreme, uključujući četiri nuklearna teleskopa, kao i 26 rimskih detektora za lonce. Potonji tip omogućuje postavljanje detektora što bliže snopu čestica. Eksperiment TOTEM uključuje oko 100 znanstvenika iz 16 instituta u 8 zemalja (kolovoz 2014.).

Zašto je potreban Veliki hadronski sudarač?

Najveća međunarodna znanstvena instalacija istražuje širok raspon fizičkih problema:

Proučavanje vrhunskih kvarkova. Ova čestica nije samo najteži kvark, već i najteža elementarna čestica. Proučavanje svojstava top kvarka također ima smisla jer je to istraživački alat.
Pretraga i proučavanje Higgsovog bozona. Iako CERN tvrdi da je Higgsov bozon već otkriven (2012.), do sada se vrlo malo zna o njegovoj prirodi i daljnja istraživanja bi mogla donijeti više jasnoće u mehanizam njegova rada.

Proučavanje kvark-gluonske plazme. Kada se olovne jezgre sudare velikim brzinama, ono nastaje u sudaraču. Njegovo proučavanje može donijeti rezultate korisne i za nuklearnu fiziku (poboljšanje teorije jakih interakcija) i za astrofiziku (proučavanje Svemira u prvim trenucima njegovog postojanja).
Tražite supersimetriju. Ovo istraživanje ima za cilj opovrgnuti ili dokazati "supersimetriju" - teoriju da svaka elementarna čestica ima težeg partnera, nazvanog "superčestica".
Proučavanje foton-fotonskih i foton-hadronskih sudara. To će poboljšati razumijevanje mehanizama procesa takvih sudara.
Testiranje egzotičnih teorija. Ova kategorija zadataka uključuje najnekonvencionalnije - "egzotične", na primjer, potragu za paralelnim svemirima stvaranjem mini-crnih rupa.

Osim ovih zadataka, postoje i mnogi drugi, čije će rješavanje također omogućiti čovječanstvu bolje razumijevanje prirode i svijeta oko nas, što će zauzvrat otvoriti mogućnosti za stvaranje novih tehnologija.

Praktične prednosti Velikog hadronskog sudarača i fundamentalne znanosti

Prije svega, treba napomenuti da fundamentalna istraživanja doprinose temeljnoj znanosti. Primjenom ovih znanja bavi se primijenjena znanost. Dio društva koji nije svjestan prednosti fundamentalne znanosti često ne doživljava otkriće Higgsovog bozona ili stvaranje kvark-gluonske plazme kao nešto značajno. Veza takvih studija sa životom obične osobe nije očita. Razmotrimo kratki primjer iz nuklearne energije:

1896. godine francuski fizičar Antoine Henri Becquerel otkrio je fenomen radioaktivnosti. Dugo se vjerovalo da čovječanstvo neće uskoro prijeći na njegovu industrijsku uporabu. Samo pet godina prije lansiranja prvog nuklearnog reaktora u povijesti, veliki fizičar Ernest Rutherford, koji je zapravo otkrio atomsku jezgru 1911., rekao je da atomska energija nikada neće naći svoju primjenu. Stručnjaci su uspjeli preispitati svoj stav prema energiji sadržanoj u jezgri atoma 1939. godine, kada su njemački znanstvenici Lisa Meitner i Otto Hahn otkrili da se jezgre urana, kada su ozračene neutronima, dijele na dva dijela uz oslobađanje ogromne količine energija - nuklearna energija.

I tek nakon ove posljednje karike u nizu temeljnih istraživanja, na scenu je stupila primijenjena znanost koja je na temelju tih otkrića izumila uređaj za generiranje nuklearne energije – atomski reaktor. Razmjeri otkrića mogu se procijeniti gledajući udio proizvodnje električne energije u nuklearnim reaktorima. Tako u Ukrajini, primjerice, 56% proizvodnje električne energije otpada na nuklearne elektrane, a u Francuskoj 76%.

Sve nove tehnologije temelje se na određenim temeljnim znanjima. Evo još par kratkih primjera:

Wilhelm Konrad Roentgen je 1895. primijetio da pod utjecajem rendgenskih zraka fotografska ploča potamni. Danas je radiografija jedna od najčešće korištenih studija u medicini, koja vam omogućuje proučavanje stanja unutarnjih organa i otkrivanje infekcija i oteklina.
Godine 1915. Albert Einstein je predložio svoju. Danas se ta teorija uzima u obzir u radu GPS satelita koji s točnošću od par metara određuju lokaciju nekog objekta. GPS se koristi u staničnim komunikacijama, kartografiji, praćenju vozila, ali prvenstveno u navigaciji. Pogreška satelita koji ne uzima u obzir opću relativnost povećala bi se za 10 kilometara dnevno od trenutka lansiranja! A ako pješak može koristiti svoj um i papirnatu kartu, tada će se piloti zrakoplova naći u teškoj situaciji, jer je nemoguće kretati se oblacima.

Ako danas još nije pronađena praktična primjena otkrića koja su se dogodila na LHC-u, to ne znači da se znanstvenici "uzalud petljaju oko sudarača". Kao što znate, razumna osoba uvijek ima namjeru dobiti maksimalnu praktičnu primjenu od raspoloživog znanja, pa će stoga znanje o prirodi, akumulirano u procesu istraživanja na LHC-u, prije ili kasnije sigurno naći svoju primjenu. Kao što je već gore pokazano, veza između temeljnih otkrića i tehnologija koje ih koriste ponekad ne može biti nimalo očita.

Konačno, ističemo tzv. posredna otkrića, koja nisu postavljena kao izvorni ciljevi istraživanja. Oni su prilično česti, budući da temeljna otkrića obično zahtijevaju uvođenje i korištenje novih tehnologija. Tako je razvoj optike dobio poticaj od temeljnih istraživanja svemira, temeljenih na promatranjima astronoma kroz teleskop. U slučaju CERN-a, rođena je sveprisutna tehnologija - Internet, projekt koji je predložio Tim Berners-Lee 1989. kako bi se olakšalo pronalaženje podataka CERN-a.