Hva er elektronkollideren. Large Hadron Collider: hva er det til, hvor er det

Kart med plasseringen av Collider plottet på det

For ytterligere å forene de grunnleggende interaksjonene i én teori, bruker vi ulike tilnærminger: strengteori, som ble utviklet i M-teori (braneori), supergravitasjonsteori, løkkekvantetyngdekraft osv. Noen av dem har interne problemer, og ingen av dem har eksperimentell bekreftelse. Problemet er at for å utføre de tilsvarende eksperimentene, trengs det energier som er uoppnåelige ved moderne partikkelakseleratorer.

LHC vil gjøre det mulig å gjennomføre eksperimenter som tidligere var umulig å gjennomføre og vil trolig bekrefte eller avkrefte noen av disse teoriene. Så det er en hel rekke fysiske teorier med dimensjoner større enn fire som antyder eksistensen av "supersymmetri" - for eksempel strengteori, som noen ganger kalles superstrengteori, nettopp fordi den taper uten supersymmetri. fysisk mening. Bekreftelse av eksistensen av supersymmetri vil dermed være en indirekte bekreftelse av sannheten til disse teoriene.

Studie av toppkvarker

Byggehistorie

27 km underjordisk tunnel designet for å huse LHC-boosteren

Ideen til Large Hadron Collider-prosjektet ble født i 1984 og ble offisielt godkjent ti år senere. Konstruksjonen startet i 2001, etter fullføringen av arbeidet med den forrige akseleratoren - Large Electron-Positron Collider.

Akseleratoren er ment å kollidere protoner med en total energi på 14 TeV (det vil si 14 teraelektronvolt eller 14 10 12 elektronvolt) i massesentersystemet til de innfallende partiklene, samt blykjerner med en energi på 5,5 GeV ( 5,5 10 9 elektronvolt) for hvert par kolliderende nukleoner. Dermed vil LHC være den mest høyenergiske elementærpartikkelakseleratoren i verden, og overgå sine nærmeste konkurrenter innen energi med en størrelsesorden - proton-antiprotonkollideren Tevatron, som for tiden opererer ved National Accelerator Laboratory. Enrico Fermi (USA), og RHIC Relativistic Heavy Ion Collider ved Brookhaven Laboratory (USA).

Akseleratoren er plassert i den samme tunnelen som tidligere var okkupert av Large Electron-Positron Collider. Tunnelen med en omkrets på 26,7 km ble lagt på rundt hundre meters dyp under bakken i Frankrike og Sveits. 1624 superledende magneter brukes til å holde og korrigere protonstråler, Total lengde som overstiger 22 km. Den siste ble installert i tunnelen 27. november 2006 . Magnetene vil fungere ved 1,9 K (-271°C). Byggingen av en spesiell kryogen linje for kjølemagneter ble fullført 19. november 2006.

Tester

Spesifikasjoner

Prosessen med å akselerere partikler i en kolliderer

Hastigheten til partikler i LHC på kolliderende stråler er nær lysets hastighet i vakuum. Akselerasjon av partikler til så høye hastigheter oppnås i flere trinn. I det første trinnet injiserer lavenergi-Linac 2 og Linac 3 lineære akseleratorer protoner og blyioner for ytterligere akselerasjon. Deretter kommer partiklene inn i PS-boosteren og deretter inn i selve PS (protonsynkrotronen), og får en energi på 28 GeV. Etter det fortsetter partikkelakselerasjonen i SPS (Proton Super Synchrotron), hvor partikkelenergien når 450 GeV. Deretter blir strålen rettet mot hovedringen på 26,7 kilometer, og ved kollisjonspunktene registrerer detektorene hendelsene som finner sted.

Strømforbruk

Under drift av kollideren vil det estimerte energiforbruket være 180 MW. Estimerte energikostnader for hele kantonen Genève. CERN genererer ikke strøm selv, med kun standby dieselgeneratorer.

Distribuert databehandling

For å kontrollere, lagre og behandle data som vil komme fra LHC-akseleratoren og detektorene, opprettes et distribuert datanettverk LCG. L HC C omputing G KVITT ) ved hjelp av nettteknologi. For enkelte databehandlingsoppgaver vil et distribuert databehandlingsprosjekt være involvert [e-postbeskyttet].

Ukontrollerte fysiske prosesser

Noen eksperter og medlemmer av offentligheten uttrykker bekymring for at det er en ikke-null sannsynlighet for at eksperimentene som ble utført i kollideren vil komme ut av kontroll og utvikle en kjedereaksjon, som under visse forhold teoretisk sett kan ødelegge hele planeten. Synspunktet til tilhengere av katastrofale scenarier knyttet til driften av LHC er presentert på et eget nettsted. På grunn av disse følelsene blir LHC noen ganger dechiffrert som Siste Hadron Collider ( Siste Hadron Collider).

I denne forbindelse nevnes oftest den teoretiske muligheten for utseendet av mikroskopiske sorte hull i kollideren, så vel som den teoretiske muligheten for dannelse av antimateriepropper og magnetiske monopoler, etterfulgt av en kjedereaksjon for å fange det omkringliggende stoffet.

Disse teoretiske mulighetene ble vurdert av en spesiell CERN-gruppe, som utarbeidet en tilsvarende rapport, der all slik frykt anerkjennes som ubegrunnet. Den engelske teoretiske fysikeren Adrian Kent publiserte en vitenskapelig artikkel som kritiserte sikkerhetsstandardene vedtatt av CERN, fordi den forventede skaden, det vil si produktet av sannsynligheten for en hendelse med antall ofre, er etter hans mening uakseptabel. Imidlertid er det maksimale øvre estimatet av sannsynligheten for et katastrofalt scenario ved LHC 10 -31 .

Som hovedargumenter til fordel for grunnløsheten til katastrofale scenarier, refereres det til det faktum at Jorden, Månen og andre planeter konstant bombarderes av strømmer av kosmiske partikler med mye høyere energier. Den vellykkede driften av tidligere idriftsatte akseleratorer er også nevnt, inkludert Relativistic Heavy Ion Collider RHIC i Brookhaven. Muligheten for dannelse av mikroskopiske sorte hull nektes ikke av CERN-spesialister, men det er uttalt at i vårt tredimensjonale rom kan slike objekter bare vises ved energier som er 16 størrelsesordener større enn energien til stråler i LHC . Hypotetisk kan mikroskopiske sorte hull dukke opp i eksperimenter ved LHC i spådommer av teorier med ekstra romlige dimensjoner. Slike teorier har ennå ingen eksperimentelle bevis. Men selv om sorte hull skapes av partikkelkollisjoner i LHC, forventes de å være ekstremt ustabile på grunn av Hawking-stråling og vil fordampe nesten øyeblikkelig i form av vanlige partikler.

Den 21. mars 2008 anla Walter Wagner et søksmål ved den føderale distriktsdomstolen på Hawaii (USA). Walter L. Wagner) og Luis Sancho (eng. Luis Sancho), der de, anklager CERN for å prøve å arrangere verdens undergang, krever at oppskytingen av kollideren blir forbudt inntil sikkerheten er garantert.

Sammenligning med naturlige hastigheter og energier

Akseleratoren er designet for å kollidere partikler som hadroner og atomkjerner. Imidlertid er det naturlige kilder til partikler, hvis hastighet og energi er mye høyere enn i kollideren (se: Zevatron). Slike naturlige partikler finnes i kosmiske stråler. Overflaten på planeten Jorden er delvis beskyttet mot disse strålene, men når de passerer gjennom atmosfæren, kolliderer partikler av kosmiske stråler med atomer og molekyler i luften. Som et resultat av disse naturlige kollisjonene blir mange stabile og ustabile partikler født i jordens atmosfære. Som et resultat har den naturlige strålingsbakgrunnen vært tilstede på planeten i mange millioner år. Det samme (kollisjon av elementærpartikler og atomer) vil også skje i LHC, men med lavere hastigheter og energier, og i mye mindre mengder.

mikroskopiske sorte hull

Hvis sorte hull kan skapes under kollisjonen av elementærpartikler, vil de også forfalle til elementærpartikler, i samsvar med prinsippet om CPT-invarians, som er et av kvantemekanikkens mest grunnleggende prinsipper.

Videre, hvis hypotesen om eksistensen av stabile svarte mikrohull var riktig, ville de bli dannet i store mengder som et resultat av bombardementet av jorden av kosmiske elementærpartikler. Men de fleste av de høyenergiske elementærpartiklene som kommer fra verdensrommet har en elektrisk ladning, så noen sorte hull ville være elektrisk ladet. Disse ladede sorte hullene ville bli fanget magnetfelt Jorden og, hvis de var virkelig farlige, ville ha ødelagt jorden for lenge siden. Schwimmer-mekanismen som gjør sorte hull elektrisk nøytrale ligner veldig på Hawking-effekten og kan ikke fungere hvis Hawking-effekten ikke virker.

I tillegg ville alle sorte hull, ladet eller elektrisk nøytrale, bli fanget opp av hvite dverger og nøytronstjerner (som i likhet med Jorden blir bombardert av kosmisk stråling) og ødelagt dem. Som et resultat ville levetiden til hvite dverger og nøytronstjerner være mye kortere enn faktisk observert. I tillegg ødelegges hvite dverger og nøytronstjerner ville avgi ytterligere stråling som faktisk ikke er observert.

Til slutt, teorier med ekstra romlige dimensjoner som forutsier fremveksten av mikroskopiske sorte hull, motsier ikke eksperimentelle data bare hvis antallet ekstra dimensjoner er minst tre. Men med så mange ekstra dimensjoner må det gå milliarder av år før svart hull forårsake betydelig skade på jorden.

Strapelki

Eduard Boos, Doctor of Physical and Mathematical Sciences fra Research Institute of Nuclear Physics ved Moscow State University, har motstridende synspunkter, og benekter forekomsten av makroskopiske sorte hull ved LHC, og følgelig "ormehull" og tidsreiser.

Notater

Den ultimate guiden til LHC (engelsk) S. 30.
LHC: nøkkelfakta. "Elementer stor vitenskap". Hentet 15. september 2008.
Tevatron Electroweak arbeidsgruppe, øverste undergruppe
LHC-synkroniseringstest vellykket
Den andre testen av injeksjonssystemet var intermitterende, men målet ble nådd. "Elementer av stor vitenskap" (24. august 2008). Hentet 6. september 2008.
LHC-milepælsdagen starter raskt
Første stråle i LHC-akselererende vitenskap.
Oppdraget er fullført for LHC-laget. physicsworld.com. Hentet 12. september 2008.
En stabil sirkulerende stråle skytes ut ved LHC. "Elementer av stor vitenskap" (12. september 2008). Hentet 12. september 2008.
En hendelse ved Large Hadron Collider forsinker eksperimenter på ubestemt tid. "Elements of Big Science" (19. september 2008). Hentet 21. september 2008.
Large Hadron Collider vil ikke gjenoppta driften før våren - CERN. RIA Novosti (23. september 2008). Hentet 25. september 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
Reparasjon av ødelagte magneter vil bli mer omfattende enn tidligere antatt. "Elementer av stor vitenskap" (9. november 2008). Hentet 12. november 2008.
Program for 2009. "Elementer av stor vitenskap" (18. januar 2009). Hentet 18. januar 2009.
CERN pressemelding
Arbeidsplanen til Large Hadron Collider for 2009-2010 er godkjent. "Elements of Big Science" (6. februar 2009). Hentet 5. april 2009.
LHC-eksperimentene.
Pandoras boks åpnes. Vesti.ru (9. september 2008). Hentet 12. september 2008.
Potensialet for fare i partikkelkollidereksperimenter
Dimopoulos S., Landsberg G. Black Holes at the Large Hadron Collider Phys. Rev. Lett. 87 (2001)
Blaizot J.-P. et al. Studie av potensielt farlige hendelser under tunge-ion-kollisjoner ved LHC.
Gjennomgang av sikkerheten ved LHC-kollisjoner LHC Safety Assessment Group
En kritisk gjennomgang av risikoen ved akseleratorer. Proza.ru (23. mai 2008). Hentet 17. september 2008.
Hva er sannsynligheten for en katastrofe ved LHC?
Dommedag
Be en dommer om å redde verden, og kanskje mye mer
Forklaring på hvorfor LHC vil være trygg
http://environmental-impact.web.cern.ch/environmental-impact/Objects/LHCSafety/LSAGSummaryReport2008-es.pdf (spansk)
http://environmental-impact.web.cern.ch/environmental-impact/Objects/LHCSafety/LSAGSummaryReport2008-de.pdf (tysk)
http://environmental-impact.web.cern.ch/environmental-impact/Objects/LHCSafety/LSAGSummaryReport2008-fr.pdf (fr)
H. Heiselberg. Screening i kvarkdråper // Fysisk gjennomgang D. - 1993. - T. 48. - Nr. 3. - S. 1418-1423. DOI:10.1103/PhysRevD.48.1418
M. Alford, K. Rajagopal, S. Reddy, A. Steiner. Stabilitet av merkelige stjerneskorper og strangelets // American Physical Society. Fysisk gjennomgang D. - 2006. - T. 73, 114016.

Den kraftigste kolliderende partikkelakseleratoren i verden

Verdens kraftigste kolliderende stråleakselerator bygget av European Centre for Nuclear Research (CERN) i en 27 kilometer lang underjordisk tunnel på 50-175 meters dyp på grensen til Sveits og Frankrike. LHC ble lansert høsten 2008, men på grunn av en ulykke begynte eksperimenter på den først i november 2009, og den nådde sin designkapasitet i mars 2010. Lanseringen av kollideren tiltrakk seg oppmerksomheten til ikke bare fysikere, men også vanlige mennesker, da frykt ble uttrykt i media for at eksperimenter ved kollideren kunne føre til verdens ende. I juli 2012 ble det kunngjort at LHC hadde oppdaget en partikkel med stor sannsynlighet for å være Higgs-bosonet - eksistensen bekreftet riktigheten av standardmodellen for materiens struktur.

bakgrunn

For første gang begynte partikkelakseleratorer å bli brukt i vitenskapen på slutten av 20-tallet av XX-tallet for å studere egenskapene til materie. Den første ringakseleratoren, syklotronen, ble opprettet i 1931 av den amerikanske fysikeren Ernest Lawrence. I 1932 klarte engelskmannen John Cockcroft og ireren Ernest Walton, ved hjelp av en spenningsmultiplikator og verdens første protonakselerator, å oppnå den første kunstige fisjon av atomets kjerne: helium ble oppnådd ved å bombardere litium med protoner. Partikkelakseleratorer drives av elektriske felt som brukes til å akselerere (i mange tilfeller til nær lysets hastighet) og holde ladede partikler (som elektroner, protoner eller tyngre ioner) på en gitt bane. Det enkleste husholdningseksemplet på akseleratorer er fjernsyn med elektronstrålerør,,,,,.

Akseleratorer brukes til en rekke eksperimenter, inkludert produksjon av supertunge elementer. For å studere elementære partikler brukes også kollidere (fra kollidere - "kollisjon") - akseleratorer av ladede partikler i kolliderende stråler, designet for å studere produktene av deres kollisjoner. Forskere gir strålene store kinetiske energier. Kollisjoner kan produsere nye, tidligere ukjente partikler. Spesielle detektorer er designet for å fange utseendet deres. På begynnelsen av 1990-tallet opererte de kraftigste kolliderene i USA og Sveits. I 1987 ble Tevatron-kollideren skutt opp i USA nær Chicago med en maksimal stråleenergi på 980 gigaelektronvolt (GeV). Det er en underjordisk ring som er 6,3 kilometer lang,,. I 1989 ble Large Electron-Positron Collider (LEP) satt i drift i Sveits i regi av European Centre for Nuclear Research (CERN). For ham, på en dybde på 50-175 meter i Genfersjøens dal, ble det bygget en ringformet tunnel 26,7 kilometer lang, i 2000 var det mulig å oppnå en stråleenergi på 209 GeV , , .

I USSR, på 1980-tallet, ble det opprettet et prosjekt for Accelerator-Storage Complex (UNC) - en superledende proton-protonkolliderer ved Institute for High Energy Physics (IHEP) i Protvino. Den ville være overlegen i de fleste parametere enn LEP og Tevatron, og ville ha gjort det mulig å akselerere stråler av elementærpartikler med en energi på 3 teraelektronvolt (TeV). Hovedringen, 21 kilometer lang, ble bygget under jorden i 1994, men på grunn av mangel på midler ble prosjektet frosset i 1998, tunnelen som ble bygget i Protvino ble lagt i møllball (bare elementer av den øvre etappen ble fullført), og sjefsingeniøren av prosjektet dro Gennady Durov for å jobbe i USA , , , , , , , . I følge noen russiske forskere, hvis UNK hadde blitt ferdigstilt og satt i drift, ville det ikke vært behov for å lage kraftigere kollidere , , : det ble foreslått at for å skaffe nye data om fysiske fundamenter verdensorden var det nok til å overvinne energiterskelen på 1 TeV ved akseleratorer, . Visedirektør for forskningsinstituttet for kjernefysikk, Moskva statsuniversitet og deltakelseskoordinator Russiske institusjoner i prosjektet for å lage Large Hadron Collider argumenterte Viktor Savrin, som minnet UNC,: "Vel, tre teraelektronvolt eller syv. Og så kan tre teraelektronvolt bringes til fem senere." Imidlertid forlot USA også byggingen av sin egen Superconducting Supercollider (SSC) i 1993, og av økonomiske årsaker,,.

I stedet for å bygge sine egne kollidere, bestemte fysikere fra forskjellige land seg for å forene seg innenfor rammen av et internasjonalt prosjekt, ideen om å skape som oppsto tilbake på 1980-tallet. Etter slutten av eksperimentene ved det sveitsiske LEP ble utstyret demontert, og i stedet begynte byggingen av Large Hadron Collider (LHC, Large Hadron Collider, LHC) - verdens kraftigste ringakselerator av ladede partikler i kolliderende stråler , hvor stråler av protoner med energi kollisjoner opp til 14 TeV og blyioner med kollisjonsenergier opp til 1150 TeV , , , , , .

Mål for eksperimentet

Hovedformålet med konstruksjonen av LHC var å foredle eller tilbakevise Standardmodellen - en teoretisk konstruksjon i fysikk som beskriver elementærpartikler og tre av de fire grunnleggende vekselvirkningene: sterk, svak og elektromagnetisk, med unntak av gravitasjon, . Dannelsen av standardmodellen ble fullført på 1960-1970-tallet, og alle funnene som ble gjort siden da, ifølge forskere, ble beskrevet av naturlige utvidelser av denne teorien. Samtidig forklarte Standardmodellen hvordan elementærpartikler samhandler, men svarte ikke på spørsmålet hvorfor på denne måten og ikke på annen måte.

Forskere bemerket at hvis LHC ikke klarte å oppnå oppdagelsen av Higgs-bosonet (i pressen ble det noen ganger kalt "Guds partikkel", , ) - ville dette sette spørsmålstegn ved hele standardmodellen, som ville kreve en fullstendig revisjon av eksisterende ideer om elementærpartikler , , , , . På samme tid, hvis standardmodellen ble bekreftet, krevde noen områder av fysikken ytterligere eksperimentell verifisering: spesielt var det nødvendig å bevise eksistensen av "gravitoner" - hypotetiske partikler som er ansvarlige for tyngdekraften , , .

Tekniske funksjoner

LHC ligger i en tunnel bygget for LEP. Det meste ligger under Frankrikes territorium. Tunnelen inneholder to rør, som går parallelt i nesten hele lengden og krysser hverandre ved detektorenes plasseringer, der hadroner – partikler bestående av kvarker – vil kollidere (blyioner og protoner vil bli brukt til kollisjoner). Protoner begynner å akselerere ikke i selve LHC, men i hjelpeakseleratorer. Protonstråler "starter" i LINAC2 lineærakseleratoren, deretter i PS-akseleratoren, hvoretter de går inn i ringen til superprotonsynkrotronen (SPS) som er 6,9 kilometer lang og deretter ender de opp i et av LHC-rørene, hvor for en annen 20 minutter vil de gi energi opp til 7 TeV. Eksperimenter med blyioner vil begynne ved LINAC3 lineær akselerator. Bjelkene holdes på plass av 1600 superledende magneter, hvorav mange veier opptil 27 tonn. Disse magnetene kjøles av flytende helium til en ultralav temperatur: 1,9 grader over absolutt null, kaldere enn verdensrommet, , , , , , , .

Med en hastighet på 99,9999991 prosent av lysets hastighet, som gjør mer enn 11 tusen sirkler per sekund rundt kolliderringen, vil protoner kollidere i en av de fire detektorene - de mest komplekse systemene i LHC , , , , , . ATLAS-detektoren er designet for å søke etter nye, ukjente partikler som kan gi forskere ledetråder om hvordan de skal søke. ny fysikk", forskjellig fra standardmodellen. CMS-detektoren er designet for å oppnå Higgs-bosonet og studere mørk materie. ALICE-detektoren er designet for å studere materie etter det store smellet og letingen etter kvark-gluonplasma, og LHCb-detektoren vil undersøke årsaken til utbredelsen av materie over antimaterie og utforske fysikken til b-kvarker, . Ytterligere tre detektorer er planlagt satt i drift i fremtiden: TOTEM, LHCf og MoEDAL, .

For å behandle resultatene av eksperimenter ved LHC, vil et dedikert distribuert datanettverk GRID brukes, som er i stand til å overføre opptil 10 gigabit informasjon per sekund til 11 datasentre rundt om i verden. Hvert år vil mer enn 15 petabyte (15 tusen terabyte) med informasjon leses fra detektorene: den totale dataflyten til fire eksperimenter kan nå 700 megabyte per sekund, , , , . I september 2008 klarte hackere å bryte seg inn på CERN-nettsiden og ifølge dem få tilgang til styringen av kollideren. CERN-ansatte forklarte imidlertid at LHC-kontrollsystemet er isolert fra internett. I oktober 2009 ble Adlen Ishor, som var en av forskerne som jobbet med LHCb-eksperimentet ved LHC, arrestert, mistenkt for å ha samarbeidet med terrorister. Imidlertid, ifølge CERN-ledelsen, hadde ikke Ishor tilgang til de underjordiske lokalene til kollideren og gjorde ikke noe som kunne interessere terroristene. I mai 2012 ble Ishor dømt til fem års fengsel.

Kostnad og byggehistorie

I 1995 ble kostnadene for å lage LHC estimert til 2,6 milliarder sveitsiske franc, eksklusive kostnadene ved å gjennomføre eksperimenter. Det var planlagt at forsøkene skulle begynne om 10 år – i 2005. I 2001 ble CERN-budsjettet kuttet og 480 millioner franc ble lagt til byggekostnaden (de totale kostnadene for prosjektet på den tiden var omtrent 3 milliarder franc), og dette førte til at lanseringen av kollideren ble utsatt til 2007. I 2005 døde en ingeniør under byggingen av LHC: årsaken til tragedien var en last som falt fra en kran.

Lanseringen av LHC ble utsatt ikke bare på grunn av finansieringsproblemer. I 2007 viste det seg at deler levert av Fermilab for superledende magneter ikke oppfylte designkravene, noe som førte til at lanseringen av kollideren ble utsatt med ett år.

10. september 2008 ble den første protonstrålen skutt opp ved LHC. Det var planlagt at om noen måneder skulle de første kollisjonene utføres ved kollideren, men 19. september, på grunn av en defekt tilkobling av to superledende magneter, skjedde en ulykke ved LHC: magnetene ble deaktivert, mer enn 6 tonn flytende helium strømmet inn i tunnelen, og vakuumet ble brutt i akseleratorrørene. Kollideren måtte stenges for reparasjon. Til tross for ulykken ble det den 21. september 2008 holdt en høytidelig seremoni for å sette LHC i drift. I utgangspunktet skulle forsøkene gjenopptas i desember 2008, men deretter ble relanseringsdatoen utsatt til september, og deretter til midten av november 2009, mens de første kollisjonene var planlagt først i 2010,,,. De første testoppskytningene av stråler av blyioner og protoner på en del av LHC-ringen etter ulykken ble gjort 23. oktober 2009. 23. november ble de første strålekollisjonene gjort i ATLAS-detektoren, og 31. mars 2010 begynte kollideren å jobbe på full kraft: den dagen ble det registrert en kollisjon av protonstråler med rekordenergi på 7 TeV. I april 2012 ble det registrert en enda høyere protonkollisjonsenergi - 8 TeV.

I 2009 ble kostnadene for LHC estimert til mellom 3,2 og 6,4 milliarder euro, noe som gjør det til det dyreste vitenskapelige eksperimentet i menneskets historie.

Det internasjonale samarbeidet

Det ble bemerket at et prosjekt i LHC-skala ikke kan opprettes av ett land. Den ble opprettet av innsatsen fra ikke bare 20 CERN-medlemsstater: mer enn 10 tusen forskere fra mer enn hundre land på kloden deltok i utviklingen,,. Siden 2009 har LHC-prosjektet vært ledet av CERN-sjef Rolf-Dieter Heuer. Russland deltar også i opprettelsen av LHC som observatørmedlem av CERN: i 2008 jobbet rundt 700 russiske forskere ved Large Hadron Collider, inkludert ansatte i IHEP.

I mellomtiden, en av forskerne europeiske land mistet nesten muligheten til å delta i eksperimenter ved LHC. I mai 2009 kunngjorde den østerrikske vitenskapsministeren Johannes Hahn landets tilbaketrekning fra CERN i 2010, og forklarte at medlemskap i CERN og deltakelse i LHC-opprettingsprogrammet er for kostbart og gir ikke håndgripelig avkastning til vitenskap og universiteter i Østerrike. Det dreide seg om de mulige årlige besparelsene på rundt 20 millioner euro, som representerte 2,2 prosent av CERN-budsjettet og rundt 70 prosent av midlene bevilget av den østerrikske regjeringen for deltakelse i internasjonale forskningsorganisasjoner. Østerrike lovet å ta den endelige beslutningen om tilbaketrekking høsten 2009. Senere sa den østerrikske kansleren Werner Faymann at landet hans ikke kom til å forlate prosjektet og CERN.

Rykter om fare

Rykter sirkulerte i pressen om at LHC var en fare for menneskeheten, siden lanseringen kan føre til verdens ende. Årsaken var uttalelsene fra forskere om at det kunne dannes mikroskopiske sorte hull som et resultat av kollisjoner i kollideren: det dukket umiddelbart opp meninger om at de kunne "suge" hele jorden i dem, og derfor er LHC en ekte "Pandoras boks" , , , . Det ble også uttrykt meninger om at oppdagelsen av Higgs-bosonet ville føre til en ukontrollert økning i massen i universet, og eksperimenter for å søke etter "mørk materie" kunne føre til utseendet til "strangelets" (strangelets, oversettelsen av begrepet til Russisk tilhører astronomen Sergei Popov) - "rar materie", som, når den er i kontakt med vanlig materie, kan gjøre den til en "strapelle". Samtidig ble det gjort en sammenligning med romanen til Kurt Vonnegut (Kurt Vonnegut) "Cat's Cradle", der det fiktive materialet "ice-nine" ødela livet på planeten,. Noen publikasjoner, som refererte til individuelle forskeres meninger, uttalte også at eksperimenter ved LHC kan føre til at det oppstår "ormehull" (ormehull) i tide, gjennom hvilke partikler eller til og med levende vesener kan overføres til vår verden fra fremtiden, . Imidlertid viste det seg at forskernes ord ble forvrengt og feiltolket av journalister: i utgangspunktet handlet det om "mikroskopiske tidsmaskiner, ved hjelp av hvilke bare individuelle elementærpartikler kan reise inn i fortiden".

Forskere har gjentatte ganger uttalt at sannsynligheten for slike hendelser er ubetydelig. En spesiell LHC Safety Assessment Group ble til og med satt sammen, som utførte en analyse og utstedte en rapport om sannsynligheten for katastrofer som eksperimenter ved LHC kan føre til. Ifølge forskere vil protonkollisjoner ved LHC ikke være farligere enn kollisjoner av kosmiske stråler med astronautenes romdrakter: noen ganger har de enda større energi enn det som kan oppnås i LHC. Og når det gjelder de hypotetiske sorte hullene, vil de "oppløses" før de når til og med veggene til kollideren , , , , , .

Ryktene om mulige katastrofer holdt imidlertid publikum i spenning. Skaperne av kollideren ble til og med saksøkt: de mest kjente søksmålene tilhørte den amerikanske advokaten og legen Walter Wagner og den tyske kjemiprofessoren Otto Rossler. De anklaget CERN for å sette menneskeheten i fare med eksperimentet deres og krenke «retten til liv» garantert av menneskerettighetskonvensjonen, men påstandene ble avvist av , , , . Pressen rapporterte at på grunn av ryktene om snart slutt lys etter lanseringen av LHC i India, begikk en 16 år gammel jente selvmord.

I den russiske bloggosfæren dukket det opp et meme «Jeg vil heller ha en kolliderer», som kan oversettes med «Det ville være verdens undergang, det er umulig å se på denne skam lenger». Spøken «Fysikere har en tradisjon – en gang hvert 14. milliarder år for å samle og lansere en kolliderer» var populær.

Vitenskapelige resultater

De første dataene fra eksperimenter ved LHC ble publisert i desember 2009. 13. desember 2011 kunngjorde CERN-eksperter at de som et resultat av forskning ved LHC klarte å begrense grensene for den sannsynlige massen til Higgs-bosonet til 115,5-127 GeV og finne tegn på eksistensen av den ønskede partikkelen med en masse på ca. 126 GeV,. I samme måned ble oppdagelsen av en ny ikke-Higgs-partikkel, kalt χb (3P) , , annonsert for første gang under eksperimenter ved LHC.

Den 4. juli 2012 kunngjorde CERN-ledelsen offisielt funnet med en sannsynlighet på 99,99995 prosent av en ny partikkel i masseregionen på rundt 126 GeV, som ifølge forskere mest sannsynlig var Higgs-bosonet. Dette resultatet kalte lederen for et av de to vitenskapelige samarbeidene som jobber ved LHC, Joe Incandela (Joe Incandela) "en av de største observasjonene innen dette vitenskapsfeltet de siste 30-40 årene", og Peter Higgs selv erklærte at oppdagelsen av partikkelen "slutten på en æra i fysikk", , .

Fremtidige prosjekter

I 2013 planlegger CERN å modernisere LHC ved å installere kraftigere detektorer og øke den totale kraften til kollideren. Oppgraderingsprosjektet kalles Super Large Hadron Collider (SLHC). Byggingen av International Linear Collider (ILC) er også planlagt. Røret vil være flere titalls kilometer langt, og det skal være billigere enn LHC på grunn av at designet ikke krever bruk av dyre superledende magneter. Det er mulig at ILC vil bli bygget i Dubna,,.

Noen CERN-eksperter og forskere fra USA og Japan foreslo også at etter fullføringen av arbeidet til LHC, arbeid med en ny Very Large Hadron Collider (Very Large Hadron Collider, VLHC).

Brukte materialer

Chris Wickham, Robert Evans. "Det" er en boson: "Higgs-oppdraget bærer ny partikkel. - Reuters, 05.07.2012

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

Dennis Overbye. Fysikere finner unnvikende partikkel sett på som nøkkelen til universet. - New York Times, 04.07.2012

Adlene Hicheur fordømmer en cinq ans de prison, dont un avec sursis. - L Express, 04.05.2012

Partikkelkollideren eskalerer søket etter å utforske universet. - Agence France-Presse, 06.04.2012

Jonathan Amos. LHC rapporterer oppdagelsen av sin første nye partikkel. - BBC nyheter, 22.12.2011

Leonid Popov. Den første nye partikkelen ble fanget ved LHC. - membran, 22.12.2011

Stephen Shankland. CERN-fysikere finner hint om Higgs-boson. - CNET, 13.12.2011

Paul Rincon. LHC: Higgs boson "kan ha blitt skimtet". - BBC nyheter, 13.12.2011

Ja, vi klarte det! - CERN Bulletin, 31.03.2010

Richard Webb. Fysikere raser for å publisere de første resultatene fra LHC. - Ny vitenskapsmann, 21.12.2009

Pressemelding. To sirkulerende stråler bringer første kollisjoner i LHC. - CERN (cern.ch), 23.11.2009

Partikler er tilbake i LHC! - CERN (cern.ch), 26.10.2009

Første blyioner i LHC. - LHC-injeksjonstester (lhc-injection-test.web.cern.ch), 26.10.2009

Charles Bremner, Adam Sage. Hadron Collider-fysiker Adlene Hicheur siktet for terrorisme. - Tidene, 13.10.2009

Dennis Overbye. Fransk etterforsker i formell terrorismeundersøkelse. - New York Times, 13.10.2009

Hva er igjen av Superconducting Super Collider? - Fysikken i dag, 06.10.2009

LHC kjører på 3,5 TeV for tidlig del av 2009-2010, øker senere. - CERN (cern.ch), 06.08.2009

LHC eksperimentkomité. - CERN (cern.ch), 30.06.2009

Det er søket etter måter å kombinere to grunnleggende teorier - GR (om gravitasjon) og SM (standardmodell som kombinerer tre grunnleggende fysiske interaksjoner- elektromagnetisk, sterk og svak). Å finne en løsning før etableringen av LHC ble hemmet av vanskelighetene med å lage en teori om kvantetyngdekraft.

Konstruksjonen av denne hypotesen involverer kombinasjonen av to fysiske teorier - kvantemekanikk og generell relativitet.

For dette ble flere populære og nødvendige tilnærminger i moderne tid brukt på en gang - strengteori, brane teori, supergravitasjonsteori, samt teorien om kvantetyngdekraft. Før du bygger kollideren hovedproblemå utføre de nødvendige eksperimentene var mangelen på energi, som ikke kan oppnås i andre moderne partikkelakseleratorer.

Geneva LHC ga forskere muligheten til å utføre tidligere ugjennomførbare eksperimenter. Det antas at i nær fremtid, ved hjelp av apparatet, mange fysiske teorier. En av de mest problematiske er supersymmetri eller strengteori, som i lang tid delte det fysiske i to leire – «stringers» og deres rivaler.

Andre grunnleggende eksperimenter utført som en del av arbeidet til LHC

Forskningen til forskere innen feltet for å studere toppkvarker, som er de fleste kvarker og den tyngste (173,1 ± 1,3 GeV / c²) av alle for tiden kjente elementærpartikler, er også interessant.

På grunn av denne egenskapen, selv før etableringen av LHC, kunne forskere bare observere kvarker ved Tevatron-akseleratoren, siden andre enheter rett og slett ikke hadde nok kraft og energi. I sin tur er teorien om kvarker viktig element den oppsiktsvekkende hypotesen om Higgs-bosonet.

All vitenskapelig forskning på opprettelse og studie av egenskapene til kvarker utføres av forskere i det øverste kvark-antikvark-damprommet ved LHC.

Et viktig mål med Genève-prosjektet er også prosessen med å studere mekanismen for elektrosvak symmetri, som også er relatert til det eksperimentelle beviset på eksistensen av Higgs-bosonet. Hvis vi definerer problemet mer presist, så er ikke emnet for studiet så mye selve bosonen, men mekanismen for brudd på symmetrien til den elektrosvake interaksjonen forutsagt av Peter Higgs.

Som en del av LHC gjennomføres det også eksperimenter for å søke etter supersymmetri – og teorien om at evt. elementær partikkel alltid ledsaget av en tyngre partner, og hennes motbevisning.

Noen få fakta om Large Hadron Collider, hvordan og hvorfor den ble opprettet, hva er bruken av den og hvilke potensielle farer for menneskeheten den utgjør.

1. Byggingen av LHC, eller Large Hadron Collider, ble unnfanget tilbake i 1984, og begynte først i 2001. Fem år senere, i 2006, takket være innsatsen til mer enn 10 tusen ingeniører og forskere fra forskjellige stater, ble byggingen av Large Hadron Collider fullført.

2. LHC er det største eksperimentelle anlegget i verden.

3. Så hvorfor Large Hadron Collider?
Den ble kalt stor på grunn av sin solide størrelse: lengden på hovedringen, som partiklene drives langs, er omtrent 27 km.
Hadron - siden installasjonen akselererer hadroner (partikler som består av kvarker).
Collider - på grunn av partikkelstråler som akselererer i motsatt retning, som kolliderer med hverandre på spesielle punkter.

4. Hva er Large Hadron Collider for? LHC er et ultramoderne forskningssenter hvor forskere utfører eksperimenter med atomer, og skyver ioner og protoner sammen i stor hastighet. Forskere håper ved hjelp av forskning å løfte sløret over mysteriene rundt universets utseende.

5. Prosjektet kostet det vitenskapelige miljøet en astronomisk sum på 6 milliarder dollar. Russland har forresten delegert 700 spesialister til LHC, som fortsatt jobber i dag. Bestillinger for LHC brakte rundt 120 millioner dollar til russiske bedrifter.

6. Uten tvil er hovedfunnet gjort ved LHC oppdagelsen i 2012 av Higgs-bosonet, eller som det også kalles "Gud-partikler". Higgs-bosonet er det siste leddet i standardmodellen. En annen viktig hendelse i Bak'e er oppnåelsen av en rekordkollisjonsenergiverdi på 2,36 teraelektronvolt.

7. Noen forskere, inkludert de i Russland, tror at takket være store eksperimenter ved CERN (European Organization for Nuclear Research, hvor kollideren faktisk befinner seg), vil forskere kunne bygge verdens første tidsmaskin. De fleste forskere deler imidlertid ikke optimismen til kolleger.

8. Menneskehetens viktigste frykt for den kraftigste akseleratoren på planeten er basert på faren som truer menneskeheten som følge av dannelsen av mikroskopiske sorte hull som er i stand til å fange opp det omkringliggende stoffet. Det er en annen potensiell og ekstremt farlig trussel - fremveksten av stropper (produsert fra Strange droplet), som hypotetisk sett er i stand til å kollidere med kjernen til et atom for å danne flere og flere nye stropper, og transformere materien i hele universet. Imidlertid sier de fleste av de mest respekterte forskerne at et slikt utfall er usannsynlig. Men det er teoretisk mulig

9. I 2008 ble CERN saksøkt av to innbyggere i delstaten Hawaii. De anklaget CERN for å prøve å gjøre slutt på menneskeheten ved uaktsomhet, og krevde sikkerhetsgarantier fra forskere.

10. Large Hadron Collider ligger i Sveits nær Genève. Det er et museum på CERN, hvor besøkende blir tydelig forklart om prinsippene for kollideren og hvorfor den ble bygget.

11 . Og til slutt, et lite morsomt faktum. Etter forespørslene i Yandex å dømme, vet mange som leter etter informasjon om Large Hadron Collider ikke hvordan de skal stave navnet på akseleratoren. For eksempel skriver de "andron" (og ikke bare skriver hva NTV-rapportene med andronkollideren deres er verdt), noen ganger skriver de "android" (imperiet slår tilbake). I det borgerlige nettet henger de heller ikke etter og i stedet for «hadron» kjører de «hardon» inn i søkemotoren (på ortodoks engelsk er hard-on en riser). En interessant stavemåte på hviterussisk er "Vyaliki hadronny paskaralnik", som oversettes som "Big hadron-akselerator".

Hadron Collider. Foto

Uttrykket "Large Hadron Collider" har blitt så dypt forankret i massemediene at et overveldende antall mennesker vet om dette anlegget, inkludert de hvis aktiviteter på ingen måte er forbundet med elementær partikkelfysikk, og med vitenskap generelt.

Et så stort og kostbart prosjekt kunne faktisk ikke ignoreres av media - en ringinstallasjon med en lengde på nesten 27 kilometer, til en pris av titalls milliarder dollar, som flere tusen forskere fra hele verden jobber med . Et betydelig bidrag til kolliderens popularitet ble gitt av den såkalte "Gud-partikkelen" eller Higgs-bosonen, som ble annonsert med suksess, og som Peter Higgs mottok for. Nobel pris i fysikk i 2013.

Først av alt bør det bemerkes at Large Hadron Collider ikke ble bygget fra bunnen av, men oppsto på stedet til forgjengeren, Large Electron-Positron Collider (Large Electron-Positron Collider eller LEP). Arbeidet med den 27 kilometer lange tunnelen startet i 1983, hvor det var planlagt å plassere en akselerator i fremtiden, som skulle utføre en kollisjon mellom et elektron og positroner. I 1988 stengte ringtunnelen, mens arbeiderne nærmet seg tunnelen så forsiktig at forskjellen mellom de to endene av tunnelen bare var 1 centimeter.

Akseleratoren opererte til slutten av 2000, da den nådde toppenergien på 209 GeV. Etter det begynte demonteringen. I løpet av de elleve årene av sitt arbeid har LEP brakt en rekke oppdagelser til fysikk, inkludert oppdagelsen av W- og Z-bosoner og deres videre forskning. Basert på resultatene av disse studiene ble det gjort en konklusjon om likheten mellom mekanismene for elektromagnetiske og svake interaksjoner, som et resultat av at det begynte å teoretisk arbeid med å kombinere disse interaksjonene til den elektrosvake.

I 2001 begynte byggingen av Large Hadron Collider på stedet for elektron-positron-akseleratoren. Byggingen av den nye akseleratoren ble fullført i slutten av 2007. Den lå på stedet til LEP - på grensen mellom Frankrike og Sveits, i dalen ved Genfersjøen (15 km fra Genève), på hundre meters dyp. I august 2008 startet tester av kollideren, og 10. september fant den offisielle lanseringen av LHC sted. Som i tilfellet med den forrige akseleratoren, ledes konstruksjonen og driften av anlegget av den europeiske organisasjonen for kjernefysisk forskning – CERN.

CERN

Kort fortalt er det verdt å nevne organisasjonen CERN (Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire). Denne organisasjonen fungerer som verdens største laboratorium innen høyenergifysikk. Det inkluderer tre tusen fast ansatte, og flere tusen flere forskere og forskere fra 80 land deltar i CERN-prosjekter.

For øyeblikket er prosjektdeltakerne 22 land: Belgia, Danmark, Frankrike, Tyskland, Hellas, Italia, Nederland, Norge, Sverige, Sveits, Storbritannia - grunnleggerne, Østerrike, Spania, Portugal, Finland, Polen, Ungarn, Tsjekkia Republikken, Slovakia, Bulgaria og Romania - tiltrådte. Men, som nevnt ovenfor, deltar flere dusin flere land på en eller annen måte i arbeidet til organisasjonen, og spesielt ved Large Hadron Collider.

Hvordan fungerer Large Hadron Collider?

Hva er Large Hadron Collider og hvordan den fungerer er hovedspørsmålene av interesse for publikum. La oss vurdere disse spørsmålene videre.

Collider (kollider) - oversatt fra engelsk betyr "den som presser." Oppgaven til en slik installasjon er kollisjon av partikler. Når det gjelder hadronkollideren, spilles partiklers rolle av hadroner - partikler som deltar i den sterke interaksjonen. Dette er protoner.

Innhenting av protoner

Den lange banen til protoner har sin opprinnelse i duoplasmatronen - det første trinnet av akseleratoren, hvor hydrogen kommer inn i form av gass. Duoplasmatronen er et utladningskammer hvor en elektrisk utladning ledes gjennom gassen. Så hydrogen, som består av bare ett elektron og ett proton, mister elektronet sitt. Dermed dannes plasma - et stoff som består av ladede partikler - protoner. Selvfølgelig er det vanskelig å oppnå et rent protonplasma, derfor blir det videre dannede plasmaet, som også inkluderer en sky av molekylære ioner og elektroner, filtrert for å skille protonskyen. Under påvirkning av magneter blir protonplasmaet buntet inn i en stråle.

Forakselerasjon av partikler

Den nydannede protonstrålen begynner sin reise i LINAC 2 lineærakseleratoren, som er en 30 meter lang ring, suksessivt hengt med flere hule sylindriske elektroder (ledere). Det elektrostatiske feltet som skapes inne i akseleratoren er gradert på en slik måte at partiklene mellom de hule sylindrene alltid opplever en akselererende kraft mot neste elektrode. Uten å fordype seg helt i mekanismen for protonakselerasjon ved dette stadiet, merker vi bare at ved utgangen fra LINAC 2 mottar fysikere en stråle av protoner med en energi på 50 MeV, som allerede når 31% av lysets hastighet. Det er bemerkelsesverdig at i dette tilfellet øker massen av partikler med 5%.

Innen 2019-2020 er det planlagt å erstatte LINAC 2 med LINAC 4, som vil akselerere protoner opp til 160 MeV.

Det er verdt å merke seg at blyioner også akselereres ved kollideren, noe som vil gjøre det mulig å studere kvark-gluonplasma. De akselereres i LINAC 3-ringen, lik LINAC 2. I fremtiden planlegges det også eksperimenter med argon og xenon.

Deretter går protonpakkene inn i den protonsynkrone boosteren (PSB). Den består av fire overlagrede ringer med en diameter på 50 meter, der elektromagnetiske resonatorer er plassert. Det elektromagnetiske feltet de skaper har høy intensitet, og en partikkel som passerer gjennom det akselereres som følge av feltpotensialforskjellen. Så etter bare 1,2 sekunder akselererer partiklene i PSB til 91 % av lyshastigheten og når en energi på 1,4 GeV, hvoretter de går inn i protonsynkrotronen (PS). PS-en er 628 meter i diameter og utstyrt med 27 magneter for å lede partikkelstrålen i en sirkulær bane. Her når partikkelprotonene 26 GeV.

Den nest siste ringen for akselererende protoner er Superproton Synchrotron (SPS), hvis omkrets når 7 kilometer. Utstyrt med 1317 magneter, akselererer SPS partikler til en energi på 450 GeV. Etter omtrent 20 minutter går protonstrålen inn i hovedringen - Large Hadron Collider (LHC).

Akselerasjon og kollisjon av partikler i LHC

Overganger mellom ringene til akseleratorer skjer gjennom elektromagnetiske felt skapt av kraftige magneter. Hovedkolliderringen består av to parallelle linjer der partiklene beveger seg langs ringens bane i motsatt retning. Rundt 10.000 magneter er ansvarlige for å opprettholde den sirkulære banen til partiklene og lede dem til kollisjonspunktene, noen av dem veier opptil 27 tonn. For å unngå overoppheting av magnetene, brukes en helium-4-krets, gjennom hvilken omtrent 96 tonn stoff strømmer ved en temperatur på -271,25 ° C (1,9 K). Protoner når en energi på 6,5 TeV (det vil si en kollisjonsenergi på 13 TeV), mens hastigheten deres er 11 km/t mindre enn lysets hastighet. Dermed passerer en stråle av protoner gjennom den store ringen til kollideren 11 000 ganger i sekundet. Før partiklene kolliderer, vil de sirkulere rundt ringen i 5 til 24 timer.

Kollisjonen av partikler skjer på fire punkter i hovedringen til LHC, hvor fire detektorer er plassert: ATLAS, CMS, ALICE og LHCb.

Detektorer av Large Hadron Collider

ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)

er en av to generelle detektorer ved Large Hadron Collider (LHC). Han utforsker et bredt spekter av fysikk, fra letingen etter Higgs-bosonet til partiklene som kan utgjøre mørk materie. Selv om det har de samme vitenskapelige målene som CMS-eksperimentet, bruker ATLAS forskjellige tekniske løsninger og en annen magnetisk systemdesign.

Partikkelstråler fra LHC kolliderer i midten av ATLAS-detektoren, og skaper motgående rusk i form av nye partikler som flyr ut av kollisjonen og peker i alle retninger. Seks forskjellige deteksjonsundersystemer, arrangert i lag rundt treffpunktet, registrerer banene, momentumet og energien til partiklene, slik at de kan identifiseres individuelt. Et enormt system av magneter bøyer banene til ladede partikler slik at deres momentum kan måles.

Interaksjonene i ATLAS-detektoren skaper en enorm mengde data. For å behandle disse dataene bruker ATLAS et avansert «trigger»-system for å fortelle detektoren hvilke hendelser som skal registreres og hvilke som skal ignoreres. Deretter brukes komplekse datainnsamlings- og beregningssystemer for å analysere de registrerte kollisjonshendelsene.

Detektoren har en høyde på 46 meter og en bredde på 25 meter, mens massen er 7000 tonn. Disse parameterne gjør ATLAS til den største partikkeldetektoren som noen gang er bygget. Det ligger i en tunnel på 100 m dyp nær hovedanlegget CERN, nær landsbyen Meyrin i Sveits. Installasjonen består av 4 hovedkomponenter:

Den indre detektoren er sylindrisk, den indre ringen er bare noen få centimeter fra aksen til den passerende partikkelstrålen, og den ytre ringen er 2,1 meter i diameter og 6,2 meter lang. Den består av tre ulike systemer sensorer nedsenket i et magnetfelt. En intern detektor måler retningen, momentumet og ladningen til de elektrisk ladede partiklene som produseres i hver proton-proton-kollisjon. Hovedelementene i den interne detektoren er: en pikseldetektor (Pixel Detector), et halvledersporingssystem (Semi-Conductor Tracker, SCT) og en transition radiation tracker (TRT).

Kalorimetre måler energien en partikkel mister når den passerer gjennom en detektor. Den absorberer partiklene som dukker opp under kollisjonen, og fikserer dermed energien deres. Kalorimetre består av lag av et "absorberende" materiale med høy tetthet - bly, alternerende med lag av et "aktivt medium" - flytende argon. Elektromagnetiske kalorimetre måler energien til elektroner og fotoner når de samhandler med materie. Hadron-kalorimetre måler energien til hadroner under interaksjon med atomkjerner. Kalorimetre kan stoppe de fleste kjente partikler, bortsett fra myoner og nøytrinoer.

LAr (Liquid Argon Calorimeter) - ATLAS-kalorimeter

Muon-spektrometer - består av 4000 individuelle myonkamre som bruker fire forskjellige teknologier for å identifisere myoner og måle momentumet deres. Myoner passerer vanligvis gjennom en intern detektor og kalorimeter, og derfor er et myonspektrometer nødvendig.

ATLAS magnetiske system bøyer partikler rundt forskjellige lag av detektorsystemer, noe som gjør det lettere å følge partikkelspor.

ATLAS-eksperimentet (februar 2012) sysselsetter mer enn 3000 forskere fra 174 institusjoner i 38 land.

CMS (Compact Muon Solenoid)

er en generell detektor ved Large Hadron Collider (LHC). I likhet med ATLAS har den et bredt fysikkprogram, fra å studere standardmodellen (inkludert Higgs-bosonet) til å søke etter partikler som kan utgjøre mørk materie. Selv om det har de samme vitenskapelige målene som ATLAS-eksperimentet, bruker CMS forskjellige tekniske løsninger og en annen magnetisk systemdesign.

CMS-detektoren er bygget rundt en enorm solenoidmagnet. Det er en sylindrisk spole av superledende kabel som genererer et 4 Tesla-felt, omtrent 100 000 ganger jordens magnetfelt. Feltet er avgrenset av et stål "åk", som er den mest massive komponenten i detektoren, hvis masse er 14 000 tonn. Den komplette detektoren er 21 m lang, 15 m bred og 15 m høy. Oppsettet består av 4 hovedkomponenter:

Solenoidmagneten er den største magneten i verden, som tjener til å bøye banen til ladede partikler som sendes ut fra treffpunktet. Baneforvrengning gjør det mulig å skille mellom positivt og negativt ladede partikler (fordi de bøyer seg i motsatte retninger), samt å måle momentumet, hvis størrelse avhenger av krumningen til banen. Den enorme størrelsen på solenoiden lar deg plassere trackeren og kalorimetrene inne i spolen.
Silicon tracker - består av 75 millioner individuelle elektroniske sensorer arrangert i konsentriske lag. Når en ladet partikkel flyr gjennom lagene på sporeren, overfører den noe av energien til hvert lag, og ved å kombinere disse partikkelkollisjonspunktene med forskjellige lag kan du bestemme banens bane ytterligere.
Kalorimetre - elektroniske og hadroniske, se ATLAS-kalorimetre.
Underdetektorer - lar deg oppdage myoner. Representert av 1400 myonkamre, som er anordnet i lag utenfor spolen, vekslende med metallplater av "hamut".

CMS-eksperimentet er et av de største internasjonale Vitenskapelig forskning i historie, hvor 4300 personer deltar: partikkelfysikere, ingeniører og teknikere, studenter og støttepersonell fra 182 institusjoner, 42 land (februar 2014).

ALICE (Et stort Ion Collider-eksperiment)

- er en tung ionedetektor på ringene til Large Hadron Collider (LHC). Den er designet for å studere fysikken til sterkt interagerende materie ved ekstreme energitettheter, der en fase av materie som kalles kvark-gluonplasma dannes.

All vanlig materie i universet i dag består av atomer. Hvert atom inneholder en kjerne som består av protoner og nøytroner (unntatt hydrogen, som ikke har nøytroner), omgitt av en sky av elektroner. Protoner og nøytroner er på sin side bygd opp av kvarker bundet sammen med andre partikler kalt gluoner. Ingen kvark har noen gang blitt observert isolert: kvarker, så vel som gluoner, ser ut til å være permanent bundet sammen og innesperret i sammensatte partikler som protoner og nøytroner. Dette kalles innesperring.

Kollisjoner i LHC skaper temperaturer over 100 000 ganger varmere enn i sentrum av solen. Kollideren gir kollisjoner mellom blyioner, og gjenskaper forholdene lignende emner som fant sted rett etter Big Bang. I disse ekstreme forhold protoner og nøytroner "smelter", og frigjør kvarker fra deres bindinger med gluoner. Dette er kvark-gluonplasmaet.

ALICE-eksperimentet bruker en 10 000 tonns ALICE-detektor, 26m lang, 16m høy og 16m bred. Enheten består av tre hovedsett med komponenter: sporingsenheter, kalorimetre og. Den er også delt inn i 18 moduler. Detektoren er plassert i en tunnel på en dybde på 56 m nedenfor, nær landsbyen Saint-Denis-Pouilly i Frankrike.

Eksperimentet har mer enn 1000 forskere fra mer enn 100 fysikkinstitutter i 30 land.

LHCb (Large Hadron Collider skjønnhetseksperiment)

Eksperimentet utforsker de små forskjellene mellom materie og antimaterie ved å studere en type partikkel som kalles en "skjønnhetskvark" eller "b-kvark".

I stedet for å omgi hele treffpunktet med en lukket detektor, som ATLAS og CMS, bruker LHCb-eksperimentet en serie underdetektorer for å oppdage hovedsakelig forover-partikler - de som ble rettet fremover som et resultat av kollisjonen i én retning. Den første underdetektoren er installert nær kollisjonspunktet, og resten er etter hverandre i en avstand på 20 meter.

En stor overflod av forskjellige typer kvarker skapes ved LHC før de raskt forfaller til andre former. For å fange b-kvarker ble det utviklet komplekse bevegelige sporingsdetektorer for LHCb, plassert nær bevegelsen til partikkelstrålen gjennom kollideren.

Den 5600 tonn tunge LHCb-detektoren består av et direkte spektrometer og flatdetektorer. Den er 21 meter lang, 10 meter høy og 13 meter bred og ligger 100 meter under bakken. Rundt 700 forskere fra 66 forskjellige institutter og universiteter er involvert i LHCb-eksperimentet (oktober 2013).

Andre eksperimenter ved kollideren

I tillegg til de ovennevnte eksperimentene ved Large Hadron Collider, er det to andre eksperimenter med oppsett:

LHCf (Large Hadron Collider fremover)- studerer partiklene som kastes fremover etter kollisjonen av partikkelstråler. De imiterer kosmiske stråler, som forskere studerer som en del av eksperimentet. Kosmiske stråler er naturlig ladede partikler fra verdensrommet som hele tiden bombarderer jordens atmosfære. De kolliderer med kjerner i den øvre atmosfæren, og forårsaker en kaskade av partikler som når bakkenivå. Å studere hvordan kollisjoner inne i LHC produserer slike partikkelkaskader vil hjelpe fysikere å tolke og kalibrere storskala eksperimenter med kosmiske stråler som kan strekke seg over tusenvis av kilometer.

LHCf består av to detektorer som er plassert langs LHC, 140 meter fra hverandre på hver side av ATLAS-kollisjonspunktet. Hver av de to detektorene veier kun 40 kilo og måler 30 cm lang, 80 cm høy og 10 cm bred. LHCf-eksperimentet involverer 30 forskere fra 9 institusjoner i 5 land (november 2012).

TOTEM (Totalt tverrsnitt, elastisk spredning og diffraksjonsdissosiasjon)– eksperimentere med den lengste installasjonen ved kollideren. Dens oppgave er å studere protonene selv, ved nøyaktig å måle protonene som produseres av kollisjoner med små vinkler. Denne regionen er kjent som "fremover"-retningen og er ikke tilgjengelig for andre LHC-eksperimenter. TOTEM-detektorer strekker seg nesten en halv kilometer rundt CMS-interaksjonspunktet. TOTEM har nesten 3000 kg utstyr, inkludert fire atomteleskoper, samt 26 romerske pottetektorer. Sistnevnte type gjør at detektorene kan plasseres så nær partikkelstrålen som mulig. TOTEM-eksperimentet inkluderer rundt 100 forskere fra 16 institutter i 8 land (august 2014).

Hvorfor trengs Large Hadron Collider?

Den største internasjonale vitenskapelig installasjon utforsker et bredt spekter av fysiske problemer:

Studiet av toppkvarker. Denne partikkelen er ikke bare den tyngste kvarken, men også den tyngste elementærpartikkelen. Å studere egenskapene til toppkvarken gir også mening fordi det er et forskningsverktøy.
Søk og studie av Higgs-bosonet. Selv om CERN hevder at Higgs-bosonet allerede er oppdaget (i 2012), er så langt svært lite kjent om dens natur, og videre forskning kan bringe mer klarhet i mekanismen for arbeidet.

Studie av kvark-gluon plasma. Når blykjerner kolliderer i høy hastighet, dannes det i kollideren. Studien kan gi resultater nyttige både for kjernefysikk (forbedring av teorien om sterke interaksjoner) og for astrofysikk (studiet av universet i dets første eksistensøyeblikk).
Søk etter supersymmetri. Denne forskningen har som mål å tilbakevise eller bevise "supersymmetri" - teorien om at enhver elementær partikkel har en tyngre partner, kalt en "superpartikkel".
Studie av foton-foton og foton-hadron kollisjoner. Det vil forbedre forståelsen av mekanismene til prosessene ved slike kollisjoner.
Tester eksotiske teorier. Denne kategorien av oppgaver inkluderer de mest ukonvensjonelle - "eksotiske", for eksempel søket etter parallelle universer ved å lage mini-svarte hull.

I tillegg til disse oppgavene er det mange andre, hvis løsning også vil gjøre det mulig for menneskeheten å forstå naturen og verden rundt oss på et bedre nivå, noe som igjen vil åpne for muligheter for å skape nye teknologier.

Praktiske fordeler med Large Hadron Collider og grunnleggende vitenskap

Først og fremst bør det bemerkes at grunnforskning bidrar til grunnleggende vitenskap. Anvendt vitenskap er engasjert i anvendelsen av denne kunnskapen. Del av samfunnet uvitende om fordelene grunnleggende vitenskap oppfatter ofte ikke oppdagelsen av Higgs-bosonet eller skapelsen av kvark-gluonplasmaet som noe vesentlig. Sammenhengen av slike studier med livet til en vanlig person er ikke åpenbar. Ta i betraktning kort eksempel med kjernekraft:

I 1896 oppdaget den franske fysikeren Antoine Henri Becquerel fenomenet radioaktivitet. I lang tid ble det antatt at menneskeheten ikke snart ville gå over til industriell bruk. Bare fem år før lanseringen av den første noensinne kjernereaktor den store fysikeren Ernest Rutherford, som faktisk oppdaget atomkjernen i 1911, sa at atomenergi aldri ville finne sin bruk. Eksperter klarte å revurdere sin holdning til energien i kjernen til et atom i 1939, da tyske forskere Lisa Meitner og Otto Hahn oppdaget at urankjerner, når de bestråles med nøytroner, deles i to deler med frigjøringen stor mengde energi - kjernekraft.

Og først etter denne siste lenken i serien grunnforskning Anvendt vitenskap kom inn i spillet, som på grunnlag av disse oppdagelsene oppfant en enhet for å generere atomenergi - en atomreaktor. Omfanget av funnet kan estimeres ved å se på andelen elektrisitetsproduksjon fra atomreaktorer. Så i Ukraina, for eksempel, faller 56 % av elektrisitetsproduksjonen på atomkraftverk, og i Frankrike er det 76 %.

All ny teknologi er basert på viss grunnleggende kunnskap. Her er et par korte eksempler til:

I 1895 la Wilhelm Konrad Roentgen merke til at under påvirkning av røntgenstråler blir en fotografisk plate mørkere. I dag er radiografi en av de mest brukte studiene innen medisin, som lar deg studere tilstanden Indre organer og oppdage infeksjoner og hevelse.
I 1915 foreslo Albert Einstein sitt eget. I dag tas denne teorien i betraktning i driften av GPS-satellitter, som bestemmer plasseringen av et objekt med en nøyaktighet på et par meter. GPS brukes i mobilkommunikasjon, kartografi, kjøretøyovervåking, men først og fremst i navigasjon. Feilen til en satellitt som ikke tar hensyn til generell relativitet vil øke med 10 kilometer per dag fra oppskytningsøyeblikket! Og hvis en fotgjenger kan bruke sinnet og et papirkart, vil pilotene til et flyselskap finne seg i en vanskelig situasjon, siden det er umulig å navigere etter skyer.

Hvis i dag den praktiske anvendelsen av funnene som har funnet sted ved LHC ennå ikke er funnet, betyr ikke dette at forskerne «maser forgjeves rundt kollideren». Som du vet, har en fornuftig person alltid til hensikt å få maksimal praktisk anvendelse fra den tilgjengelige kunnskapen, og derfor vil kunnskapen om naturen, akkumulert i prosessen med forskning ved LHC, definitivt finne sin anvendelse, før eller siden. Som allerede har blitt demonstrert ovenfor, kan sammenhengen mellom grunnleggende funn og teknologiene som bruker dem noen ganger ikke være åpenbar i det hele tatt.

Til slutt bemerker vi de såkalte indirekte funnene, som ikke er satt som de opprinnelige målene for studien. De er ganske vanlige, siden grunnleggende funn vanligvis krever introduksjon og bruk av ny teknologi. Så utviklingen av optikk fikk en impuls fra den grunnleggende forskningen i rommet, basert på observasjoner av astronomer gjennom et teleskop. I tilfellet CERN ble en allestedsnærværende teknologi født - Internett, et prosjekt foreslått av Tim Berners-Lee i 1989 for å lette gjenfinningen av CERN-data.