Большой адронный коллайдер — Википедия
| Large Hadron Collider | |
|---|---|
| Фрагмент LHC, сектор 3-4 | |
| Тип | Синхротрон |
| Назначение | Коллайдер |
| Страна |  Швейцария/  Франция |
| Лаборатория | ЦЕРН |
| Годы работы | 2008 — |
| Эксперименты | |
| Частицы | p×p, Pb82+×Pb82+ |
| Энергия | 6,5 ТэВ |
| Периметр/длина | 26 659 м |
| Эмиттансы | 0,3 нм |
| Светимость | 2•1034 |
| Географические координаты | 46°14′ с. ш. 6°03′ в. д.HGЯOL |
| Сайт | home.cern/topics/large-h… public.web.cern.ch/publi… |
 Медиафайлы на Викискладе | |
Большо́й адро́нный колла́йдер, сокращённо БАК (англ. Large Hadron Collider, сокращённо LHC) — ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в ЦЕРНе (Европейский совет ядерных исследований), находящемся около Женевы, на границе Швейцарии и Франции. БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 тысяч учёных и инженеров более чем из 100 стран
«Большим» назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м[2]; «адронным» — из-за того, ускоряет адроны: протоны и тяжелые ядра атомов; «коллайдером» (англ. collider — сталкиватель) — из-за того, что два пучка ускоренных частиц сталкиваются во встречных направлениях в специальных местах столкновения — внутри детекторов элементарных частиц[3]
Детекторы элементарных частиц, предускорители БАК, ускорители БАК.Траектории протонов p и ионов свинца Pb начинаются в линейных ускорителях частиц (в точках p и Pb, соответственно). Далее частицы ускоряются в бустере протонного синхротрона (PS), далее в протонном суперсинхротроне (SPS) и, наконец, в кольцевых ускорителях БАК. Детекторы TOTEM и LHCf, отсутствующие на схеме, находятся рядом с детекторами CMS и ATLAS соответственно
Google Street View в сентябре 2013 года получил панорамные снимки коллайдера[4].
Основной источник:Главная задача Большого адронного коллайдера — достоверно обнаружить хоть какие-нибудь отклонения от Стандартной модели[7].
Современное состояние в физике элементарных частиц[править | править код]
Карта с нанесённым на неё расположением КоллайдераВ конце 1970-х годов физикам удалось разработать Стандартную модель (СМ), которая объединяет три из четырёх фундаментальных взаимодействий — сильное, слабое и электромагнитное. Гравитационное взаимодействие по-прежнему описывают в терминах ОТО. Таким образом, в настоящее время фундаментальные взаимодействия описываются двумя общепринятыми теориями: ОТО и СМ. Их объединения пока достичь не удалось из-за трудностей создания теории квантовой гравитации.
Поиск Новой физики[править | править код]
Для дальнейшего объединения фундаментальных взаимодействий в одной теории используются различные подходы: теория струн, получившая своё развитие в М-теории (теории бран), теория супергравитации, петлевая квантовая гравитация и др. Некоторые из них имеют внутренние проблемы, и ни у одной из них нет экспериментального подтверждения. Проблема в том, что для проведения соответствующих экспериментов нужны энергии, недостижимые на современных ускорителях заряженных частиц.
БАК позволит провести эксперименты, которые ранее были невозможны и, вероятно, подтвердит или опровергнет часть этих теорий. Так, существует целый спектр физических теорий с размерностями больше четырёх, которые предполагают существование «суперсимметрии» — например, теория струн, которую иногда называют теорией суперструн именно из-за того, что без суперсимметрии она утрачивает физический смысл. Подтверждение существования суперсимметрии, таким образом, будет косвенным подтверждением истинности этих теорий.
Изучение топ-кварков[править | править код]
Топ-кварк — самый тяжёлый кварк и, более того, это самая тяжёлая из открытых пока элементарных частиц. Согласно последним результатам Тэватрона[9], его масса составляет 173,1 ± 1,3 ГэВ/c². Из-за своей большой массы топ-кварк до сих пор наблюдался пока лишь на одном ускорителе — Тэватроне, на других ускорителях просто не хватало энергии для его рождения. Кроме того, топ-кварки интересуют физиков не только сами по себе, но и как «рабочий инструмент» для изучения бозона Хиггса. Один из наиболее важных каналов рождения бозона Хиггса в БАК — ассоциативное рождение вместе с топ-кварк-антикварковой парой. Для того, чтобы надёжно отделять такие события от фона, предварительно необходимо изучение свойств самих топ-кварков.
Изучение механизма электрослабой симметрии[править | править код]
Диаграммы Фейнмана, показывающие возможные варианты рождения W- и Z-бозонов, которые в совокупности образуют нейтральный бозон ХиггсаОдной из основных целей проекта является экспериментальное доказательство существования бозона Хиггса — частицы, предсказанной шотландским физиком Питером Хиггсом в 1964 году в рамках Стандартной модели. Бозон Хиггса является квантом так называемого поля Хиггса, при прохождении через которое частицы испытывают сопротивление, представляемое нами как поправки к массе
Изучение кварк-глюонной плазмы[править | править код]
Ожидается, что примерно один месяц в год будет проходить в ускорителе в режиме ядерных столкновений. В течение этого месяца коллайдер будет разгонять и сталкивать в детекторах не протоны, а ядра свинца. При неупругом столкновении двух ядер на ультрарелятивистских скоростях на короткое время образуется и затем распадается плотный и очень горячий комок ядерного вещества. Понимание происходящих при этом явлений (переход вещества в состояние кварк-глюонной плазмы и её остывание) нужно для построения более совершенной теории сильных взаимодействий, которая окажется полезной как для ядерной физики, так и для астрофизики.
Поиск суперсимметрии[править | править код]
Первым значительным научным достижением экспериментов на БАК может стать доказательство или опровержение «суперсимметрии» — теории, гласящей, что любая элементарная частица имеет гораздо более тяжёлого партнера, или «суперчастицу».
Изучение фотон-адронных и фотон-фотонных столкновений[править | править код]
Электромагнитное взаимодействие частиц описывается как обмен (в ряде случаев виртуальными) фотонами. Другими словами, фотоны являются переносчиками электромагнитного поля. Протоны электрически заряжены и окружены электростатическим полем, соответственно это поле можно рассматривать как облако виртуальных фотонов. Всякий протон, особенно релятивистский протон, включает в себя облако виртуальных частиц как составную часть. При столкновении протонов между собой взаимодействуют и виртуальные частицы, окружающие каждый из протонов. Математически процесс взаимодействия частиц описывается длинным рядом поправок, каждая из которых описывает взаимодействие посредством виртуальных частиц определённого типа (см.: диаграммы Фейнмана). Таким образом, при исследовании столкновения протонов косвенно изучается и взаимодействие вещества с фотонами высоких энергий, представляющее большой интерес для теоретической физики
В режиме ядерных столкновений, из-за большого электрического заряда ядра, влияние электромагнитных процессов имеет ещё большее значение.
Проверка экзотических теорий[править | править код]
Теоретики в конце XX века выдвинули огромное число необычных идей относительно устройства мира, которые все вместе называются «экзотическими моделями». Сюда относятся теории с сильной гравитацией на масштабе энергий порядка 1 ТэВ, модели с большим количеством пространственных измерений, преонные модели, в которых кварки и лептоны сами состоят из частиц, модели с новыми типами взаимодействия. Дело в том, что накопленных экспериментальных данных оказывается всё ещё недостаточно для создания одной-единственной теории. А сами все эти теории совместимы с имеющимися экспериментальными данными. Поскольку в этих теориях можно сделать конкретные предсказания для БАК, экспериментаторы планируют проверять предсказания и искать следы тех или иных теорий в своих данных. Ожидается, что результаты, полученные на ускорителе, смогут ограничить фантазию теоретиков, закрыв некоторые из предложенных построений.
Предлагается осуществлять поиск параллельных вселенных. По мнению учёных для этих целей необходимо создание в БАК мини-чёрных дыр. Планируется, после модернизации, увеличение возможности коллайдера работать с энергиями до 14 ТэВ.[12]
Другое[править | править код]
Также ожидается обнаружение физических явлений вне рамок Стандартной Модели. Планируется исследование свойств W и Z-бозонов, ядерных взаимодействий при сверхвысоких энергиях, процессов рождения и распадов тяжёлых кварков (b и t).
Ускоритель рассчитывался на столкновения протонов с суммарной энергией 14 ТэВ (то есть 14 тераэлектронвольт или 14⋅1012 электронвольт) в системе центра масс налетающих частиц, а также на столкновения ядер свинца с энергией 10 ТэВ (10⋅1012 электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов [источник не указан 1172 дня]. На конец 2016 года БАК, в котором энергия столкновений протонов лишь чуть ниже проектной, уже заметно превосходит предыдущего рекордсмена — протон-антипротонный коллайдер Тэватрон, который до конца 2011 года работал в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (США). Также на порядок удалось превзойти по энергии остальные коллайдеры, в том числе и релятивистский коллайдер тяжёлых ионов RHIC, работающий в Брукхейвенской лаборатории (США).
Достигнутая к концу 2016 года светимость коллайдера несколько превосходит проектную светимость в 1⋅1034 /см²•с[13], что по порядку величины соответствует светимостям BaBar (SLAC, США) и Belle (KEK, Япония).
Ускоритель расположен в том же туннеле, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер. Туннель с длиной окружности 26,7 км проложен под землёй на территории Франции и Швейцарии. Глубина залегания туннеля — от 50 до 175 метров, причём кольцо туннеля наклонено примерно на 1,4 % относительно поверхности земли. Для удержания, коррекции и фокусировки протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км. Магниты работают при температуре 1,9 K (−271 °C), что немного ниже температуры перехода гелия в сверхтекучее состояние.
Подземный зал, в котором смонтирован детектор ATLAS (октябрь 2004 года)Процесс ускорения частиц в коллайдере[править | править код]
Скорость частиц в БАК на встречных пучках близка к скорости света в вакууме. Разгон частиц до таких больших энергий достигается в несколько этапов. На первом этапе низкоэнергетичные линейные ускорители Linac 2 и Linac 3 производят инжекцию протонов и ионов свинца для дальнейшего ускорения. Затем частицы попадают в PS-ускоритель и далее в сам PS (протонный синхротрон), приобретая энергию в 28 ГэВ. При этой энергии они уже движутся со скоростью, близкой к световой. После этого ускорение частиц продолжается в SPS (протонный суперсинхротрон), где энергия частиц достигает 450 ГэВ. Затем сгусток протонов[14] направляют в главное 26,7-километровое кольцо, доводя энергию протонов до максимальных 7 ТэВ, и в точках столкновения детекторы отмечают происходящие события. Два встречных пучка протонов при полном заполнении могут содержать 2808 сгустков каждый. Сгустки располагаются в постоянных позициях относительно друг друга, которые синхронно движутся вдоль кольца. Сгустки в определённой последовательности могут сталкиваться в ряде точек кольца, в четырёх из которых построены детекторы частиц[15].
Кинетическая энергия всех сгустков адронов в БАКе при полном его заполнении сравнима с кинетической энергией реактивного самолета, хотя масса всех частиц не превышает нанограмма и их даже нельзя увидеть невооружённым глазом. Такая энергия достигается за счёт скорости частиц, близкой к скорости света[16]. Скорость протонов с энергией 7 ТэВ всего на 3 метра в секунду меньше, чем скорость света (c).[17]
Сгустки проходят полный круг ускорителя быстрее, чем за 0,0001 сек, совершая, таким образом, свыше 10 тыс. оборотов в секунду[18].
Детекторы[править | править код]
Установка модуля YE+2 детектора CMS[19] (декабрь 2006 года)
На БАК работают 4 основных и 3 вспомогательных детектора:
- ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
- ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)
- CMS (Compact Muon Solenoid)
- LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment)
- TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement)
- LHCf (The Large Hadron Collider forward)
- MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC).
ATLAS, CMS, ALICE, LHCb — большие детекторы, расположенные вокруг точек столкновения пучков. Детекторы TOTEM и LHCf — вспомогательные, находятся на удалении в несколько десятков метров от точек пересечения пучков, занимаемых детекторами CMS и ATLAS соответственно, и будут использоваться попутно с основными.
Детекторы ATLAS и CMS — детекторы общего назначения, предназначены для поиска бозона Хиггса и «нестандартной физики», в частности тёмной материи, ALICE — для изучения кварк-глюонной плазмы в столкновениях тяжёлых ионов свинца, LHCb — для исследования физики b-кварков, что позволит лучше понять различия между материей и антиматерией, TOTEM — предназначен для изучения рассеяния частиц на малые углы, таких что происходит при близких пролётах без столкновений (так называемые несталкивающиеся частицы, forward particles), что позволяет точнее измерить размер протонов, а также контролировать светимость коллайдера, и, наконец, LHCf — для исследования космических лучей, моделируемых с помощью тех же несталкивающихся частиц[20].
С работой БАК связан также седьмой, совсем незначительный в плане бюджета и сложности, детектор (эксперимент) MoEDAL[21], предназначенный для поиска медленно движущихся тяжёлых частиц.
Во время работы коллайдера столкновения проводятся одновременно во всех четырёх точках пересечения пучков, независимо от типа ускоряемых частиц (протоны или ядра). При этом все детекторы одновременно набирают статистику.
Потребление энергии[править | править код]
Во время работы коллайдера расчётное потребление энергии составит 180 МВт. Предположительные энергозатраты всего ЦЕРН на 2009 год с учётом работающего коллайдера — 1000 ГВт•ч, из которых 700 ГВт•ч придётся на долю ускорителя. Эти энергозатраты — около 10 % от общего годового энергопотребления кантона Женева. Сам ЦЕРН не производит энергию, имея лишь резервные дизельные генераторы.
Вопросы безопасности[править | править код]
Значительная доля внимания со стороны представителей общественности и СМИ связана с обсуждением катастроф, которые могут произойти в связи с функционированием БАК. Наиболее часто обсуждается опасность возникновения микроскопических чёрных дыр с последующей цепной реакцией захвата окружающей материи, а также угроза возникновения страпелек, гипотетически способных преобразовать в страпельки всю материю Вселенной[22].
27-километровый подземный тоннель, предназначенный для размещения ускорителя БАКСтроительство[править | править код]
Идея проекта Большого адронного коллайдера родилась в 1984 году и была официально одобрена десятью годами позже. Его строительство началось в 2001 году, после окончания работы предыдущего ускорителя — Большого электрон-позитронного коллайдера[23].
Руководитель проекта — Линдон Эванс.
19 ноября 2006 года закончено строительство специальной криогенной линии для охлаждения магнитов[23].
27 ноября 2006 года в туннеле был установлен последний сверхпроводящий магнит[23].
Испытания и эксплуатация[править | править код]
2008 год. Запуск. Авария[править | править код]
К середине сентября 2008 года была успешно завершена первая часть предварительных испытаний[24]. Команде БАК удалось запустить и непрерывно удерживать циркулирующий пучок.[25] Запущенные пучки протонов успешно прошли весь периметр коллайдера по и против часовой стрелки[26]. Это позволило 10 сентября объявить об официальном запуске коллайдера.[27][28] Однако менее чем через 2 недели после этого в ходе испытаний магнитной системы 19 сентября произошла авария, в результате которой БАК вышел из строя[29]. Один из электрических контактов между сверхпроводящими магнитами расплавился под действием возникшей из-за увеличения силы тока электрической дуги, которая пробила изоляцию гелиевой системы охлаждения (криогенной системы), что привело к деформации конструкций, загрязнению внутренней поверхности вакуумной трубы частичками металла, а также выбросу около 6 тонн жидкого гелия в туннель. Эта авария заставила остановить коллайдер на ремонт, который занял остаток 2008 и бо́льшую часть 2009 года.
2009—2014 годы. Работа на пониженной энергии (Run1)[править | править код]
В 2009—2013 годы коллайдер работал на пониженной энергии. Сначала протон-протонные столкновения проводились на весьма скромной по меркам БАК энергии 1180 ГэВ на каждый пучок[30], что тем не менее позволило БАК побить предыдущий рекорд, принадлежавший ускорителю Тэватрон. Вскоре после этого энергия пучков была поднята до 3,5 ТэВ[31], а потом, в 2012 году, энергия пучков достигла 4 ТэВ[32]. Кроме рекорда по энергии протонов в пучках, попутно на БАК был установлен мировой рекорд пиковой светимости для адронных коллайдеров — 4,67⋅1032 см−2•сек−1; предыдущий рекорд также был установлен на Тэватроне[33]. Наиболее известным научным результатом работы коллайдера за этот период стало открытие Бозон Хиггса[34][35][36].
Этапы набора статистики в протон-протонных столкновениях чередовались с периодами столкновения тяжёлых ионов (ионов свинца)[37][38]. Также коллайдер проводил протон-ионные столкновения[39].
Практически целиком 2013—2014 годы заняла модернизация коллайдера, в ходе которой столкновения не проводились.
2015—2018 годы (Run2)[править | править код]
В 2015 году протоны были разогнаны до 6,5 ТэВ и начался сбор научных данных на полной энергии столкновений 13 ТэВ. С ежегодными перерывами на зиму, собирается статистика протон-протонных столкновений. Конец года принято отдать физике тяжелых ионов. Так, в ноябре и начале декабря 2016 г. около месяца проводились столкновения протонов с ядрами свинца[40], в конце 2017 года в режиме ядерных столкновений была получена информация по столкновению более лёгких ядер, по отношению к ядрам свинца, которые сталкивались в предыдущие годы, по плану в конце 2018 года тоже должны сталкиваться ядра свинца[источник не указан 770 дней].
Планы развития[править | править код]
До 2018 года БАК будет набирать статистику на энергии 13—14 ТэВ, план набора интегральной светимости 150 фб−1. Далее следует остановка на 2 года для модернизации каскада предварительных ускорителей с целью повышения доступной интенсивности пучков, в первую очередь SPS, а также проведение первой фазы апгрейда детекторов, что позволит повысить светимость коллайдера вдвое. С начала 2021 года до конца 2023 года следует набор статистики на энергии 14 ТэВ объёмом 300 фб−1, после чего планируется остановка на 2,5 года для значительной модернизации как ускорителя, так и детекторов (проект HL-LHC — High Luminocity LHC[41][42]). Предполагается повысить светимость ещё в 5—7 раз, за счёт увеличения интенсивности пучков и значительного усиления фокусировки в месте встречи. После запуска HL-LHC в 2026 году набор светимости продлится в течение нескольких лет, заявленная цель — 3000 фб−1.
Также обсуждается возможность проведения столкновений протонов и электронов (проект LHeC)[43]. Для этого потребуется пристроить линию ускорения электронов. Обсуждаются два варианта: пристройка линейного ускорителя электронов и размещение кольцевого ускорителя в том же тоннеле, что и LHC. Ближайшим из реализованных аналогов LHeC является немецкий электрон-протонный коллайдер HERA. Отмечается, что в отличие от протон-протонных столкновений, рассеяние электрона на протоне — это очень «чистый» процесс, позволяющий изучать партонную структуру протона намного внимательнее и аккуратнее.
Считается что с учётом всех модернизаций LHC проработает до 2034 года, но уже в 2014 году в ЦЕРНе было принято решение проработать варианты дальнейшего развития в области физики высоких энергий. Начато изучение возможности строительства коллайдера периметром до 100 км[44][45]. Проект получил название FCC (Future Circular Collider), он объединяет последовательное создание электрон-позитронной машины (FCC-ee) с энергией 45—175 ГэВ в пучке для изучения Z-, W-, Хиггс-бозонов и t-кварка, а затем, в том же тоннеле, адронного коллайдера (FCC-hh) на энергию до 100 ТэВ[46].
Для управления, хранения и обработки данных, которые будут поступать с ускорителя БАК и детекторов, создаётся распределённая вычислительная сеть LCG (англ. LHC Computing GRID), использующая технологию грид. Для определённых вычислительных задач (расчет и корректировка параметров магнитов путём моделирования движения протонов в магнитном поле) задействован проект распределённых вычислений LHC@home. Также рассматривалась возможность использования проекта LHC@home для обработки полученных экспериментальных данных, однако основные сложности связаны с большим объёмом информации, необходимым для передачи на удаленные компьютеры (сотни гигабайт). В рамках проекта распределенных вычислений LHC@Home 2.0 (Test4Theory) производится моделирование столкновений пучков протонов с целью сопоставления полученных модельных и экспериментальных данных.
Благодаря большей энергии по сравнению с предшествовавшими коллайдерами, БАК позволил «заглянуть» в недоступную ранее область энергий и получить научные результаты, накладывающие ограничения на ряд теоретических моделей.
Краткий перечень научных результатов, полученных на коллайдере[47]:
- открыт Бозон Хиггса, его масса определена как 125,09 ± 0,21 ГэВ[35][36][48];
- при энергиях до 8 ТэВ изучены основные статистические характеристики протонных столкновений — количество рождённых адронов, их распределение по быстроте, бозе-эйнштейновские корреляции мезонов, дальние угловые корреляции, вероятность остановки протона;
- показано отсутствие асимметрии протонов и антипротонов[49];
- обнаружены необычные корреляции протонов, вылетающих в существенно разных направлениях[50];
- получены ограничения на возможные контактные взаимодействия кварков[51];
- получены более веские, по сравнению с предыдущими экспериментами[52], признаки возникновения кварк-глюонной плазмы в ядерных столкновениях[53];
- исследованы события рождения адронных струй;
- подтверждено существование топ-кварка, ранее наблюдавшегося только на Тэватроне;
- обнаружено два новых канала распада Bs-мезонов[54][55], получены оценки вероятностей сверхредких распадов B- и Bs-мезонов на мюон-антимюонные пары[56][57];
- открыты новые, теоретически предсказанные частицы χb(3P){\displaystyle \chi _{b}(3P)}[58], Ξb∗0{\displaystyle \Xi _{b}^{*0}}[59], Λb0∗(5912){\displaystyle \Lambda _{b}^{0*}(5912)} и Λb0∗(5920){\displaystyle \Lambda _{b}^{0*}(5920)}[60];
- получены первые данные протон-ионных столкновений на рекордной энергии[39], обнаружены угловые корреляции, ранее наблюдавшиеся в протон-протонных столкновениях[61][62];
- объявлено о наблюдении частицы Y(4140), ранее наблюдавшейся лишь на Тэватроне в 2009 г[63].
Также, были предприняты попытки обнаружить следующие гипотетические объекты[64]:
Несмотря на безуспешный итог поиска указанных объектов, были получены более строгие ограничения на минимально возможную массу каждого из них. По мере накопления статистики, ограничения на минимальную массу перечисленных объектов становятся жестче.
- Прочие результаты
- Результаты работы эксперимента LHCf, работавшего в первые недели после запуска БАК, показали, что энергетическое распределение фотонов в области от нуля до 3,5 ТэВ плохо описывается программами, моделирующими данный процесс, приводя к расхождениям между реальными и модельными данными в 2—3 раза (для самой высокой энергии фотонов, от 3 до 3,5 ТэВ, все модели дают предсказания, почти на порядок превышающие реальные данные)[70].
- 15 ноября 2012 коллаборацией CMS было объявлено о наблюдении частицы Y(4140) с массой 4148,2 ± 2,0 (стат) ± 4,6 (сист) МэВ/c² (статистическая значимость более 5σ), ранее наблюдавшейся лишь на Тэватроне в 2009 г. Наблюдения сделаны в ходе обработки статистики 5,2 фб−1 столкновений протонов на энергии 7 ТэВ. Наблюдаемый распад данной частицы на J/ψ-мезон и Фи-мезон не описывается в рамках Стандартной модели[63][71].
- 14 июля 2015 года коллаборацией LHCb было объявлено об открытии класса частиц, известного как пентакварки.[72][73]
В 2001 году ожидалось, что общая стоимость проекта составит около 4,6 млрд швейцарских франков (3 млрд евро) за сам ускоритель (без детекторов) и 1,1 млрд швейцарских франков (700 млн евро) составит доля ЦЕРН в проведении экспериментов (то есть в строительстве и обслуживании детекторов)[74].
Строительство БАК было одобрено в 1995 году с бюджетом 2,6 млрд швейцарских франков (1,6 млрд евро) и дополнительными 210 млн швейцарских франков (140 млн евро) на эксперименты (то есть детекторы, сбор и обработку данных). В 2001 году эти расходы были увеличены на 480 млн франков (300 млн евро) в части ускорителя и 50 млн франков (30 млн евро) в части экспериментов (расходы, относящиеся непосредственно к ЦЕРН), что вследствие сокращения бюджета ЦЕРН привело к сдвигу планируемых сроков введения с 2005 года на апрель 2007 года[75].
Бюджет проекта по состоянию на ноябрь 2009 года составил 6 млрд долл. для строительства установки, которое продолжалось семь лет. Ускоритель частиц создавался под руководством ЦЕРН. В проекте было задействовано примерно 700[76] специалистов из России, которые участвовали в разработке детекторов БАК[77]. Общая стоимость заказов, которые получили российские предприятия, по некоторым оценкам достигала 120 млн долл[78].
Официальная стоимость проекта БАК не включает стоимость ранее существовавших в ЦЕРН инфраструктуры и наработок. Так, основное оборудование БАК смонтировано в тоннеле ранее существовавшего коллайдера LEP, при этом использовалось многокилометровое кольцо SPS в качестве предварительного ускорителя. Если бы БАК пришлось строить с нуля, его стоимость оказалась бы заметно выше.[источник не указан 1376 дней]
что это такое и зачем нужно
Большой адронный коллайдер (БАК) — самый большой и мощный ускоритель частиц в мире. Он был построен Европейской организацией ядерных исследований (ЦЕРН).
10 000 ученых и инженеров из более чем 100 разных стран работали вместе над созданием этого проекта. Его строительство стоило 10 миллиардов долларов. В настоящее время это самая большая и сложная экспериментальная исследовательская установка в мире.
Как выглядит Большой адронный коллайдер
Это гигантский замкнутый туннель, построенный под землей. Он имеет длину 27 километров и уходит на глубину от 50 до 175 метров.
Находится коллайдер на границе Франции и Швейцарии, недалеко от города Женева.
Где находится коллайдерКак работает Большой адронный коллайдер
Слово «коллайдер» в этом случае можно перевести как «сталкиватель». А сталкивает он адроны — класс частиц, состоящих из нескольких кварков, которые удерживаются сильной субатомной связью. Протоны и нейтроны являются примерами адрона.
БАК в основном использует столкновение протонов в своих экспериментах. Протоны — это части атомов с положительным зарядом. Коллайдер ускоряет эти протоны в тоннеле, пока они не достигнут почти скорости света. Различные протоны направлены через туннель в противоположных направлениях. Когда они сталкиваются, то можно зафиксировать условия, подобные ранней Вселенной.
Откуда берутся протоны в для столкновения?
Для этого ионизируются атомы водорода. Атом водорода состоит из одного протона и одного электрона. Во время ионизации удаляется электрон и остаётся нужный для эксперимента протон.
БАК состоит из трёх основных частей:
- Ускоритель частиц. Разгоняет и сталкивает протоны с помощью системы мощных электромагнитов, расположенных вдоль всего тоннеля.
- Детекторы. Результаты столкновения нельзя наблюдать напрямую, поэтому мощные детекторы улавливают максимум данных и направляют их на обработку.
- Грид. С детекторов поступают петабайты данных. Для их интерпретации используется грид-инфраструктура — сеть из компьютеров в 36 странах, которые совместно образуют один суперкомпьютер. Но даже этого хватает только на обработку 1% данных.
Зачем нужен Большой адронный коллайдер
С помощью БАК можно изучить элементарные частицы и способы их взаимодействия. Он уже многому научил нас в области квантовой физики, и исследователи надеются узнать больше о структуре пространства и времени. Наблюдения, которые делают учёные, помогают понять, какой могла быть Вселенная в течение миллисекунд после Большого взрыва.
Ещё много интересного в наших соцсетях
Читайте также: Что если изобретут телепортацию
Какие открытия совершили на БАК
На данный момент самое большое открытие — это бозон Хиггса. Это одно из важнейших открытий 21 века, объясняющее существование массы частиц во Вселенной. Это подтверждает Стандартную модель, с помощью которой сегодня физики описывают взаимодействие элементарных частиц. Именно на этом взаимодействии основано устройство всей Вселенной.
Суть работы бозона Хиггса в том, что благодаря ему другие элементарные частицы могут иметь и передавать свою массу. Но это очень и очень упрощённое понимание, и если Вам интересно, почитайте научную литературу.
С полным списком всех открытий на Большом адронном коллайдере можно ознакомиться на Википедии.
Может ли коллайер уничтожить Землю
С момента запуска БАК стал объектом разнообразных домыслов. Самый известный — в ходе экспериментов может образоваться чёрная дыра и поглотить планету.
Есть две причины, чтобы не волноваться.
- На БАК не происходит ничего такого, чего не делают космические лучи, которые ежедневно попадают на Землю, и эти лучи не создают чёрных дыр.
- Даже если Большой адронный коллайдер действительно создаст чёрную дыру, то она будет крошечной. Чем меньше чёрная дыра, тем короче ее жизнь. Такая чёрная дыра превратится в энергию, прежде чем сможет причинить вред людям.
Надеемся, Вам было интересно, как и нам во время работы над этим материалом!
Разобрались, что такое и зачем нужен Коллайдер?Poll Options are limited because JavaScript is disabled in your browser.Похожее
Для чего нужен Большой адронный коллайдер?
Большой адронный коллайдер называют либо «машиной Судного дня», либо ключом к тайне Вселенной, но его значимость не подвергается сомнению.
Как сказал когда-то знаменитый британский мыслитель Бертран Рассел: «Наука – это то, что вы знаете, философия – то, чего не знаете». Казалось бы, что истинно научное знание давно отделилось от своих истоков, которые можно найти в философских изысканиях Древней Греции, но это не совсем так.
На протяжении двадцатого века ученые пытались найти в науке ответ на вопрос об устройстве мира. Этот процесс был похож на поиск смысла жизни: огромное множество теорий, предположений и даже безумный идей. К каким же выводам пришли ученые к началу XXI века?
Весь мир состоит из элементарных частиц, которые представляют собой конечные формы всего сущего, то есть то, что нельзя расщепить на более мелкие элементы. К ним относятся протоны, электроны, нейтроны и так далее. Эти частицы находятся между собой в постоянном взаимодействии. На момент начала нашего столетия оно выражалось в 4 фундаментальных типах: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Первое описывается Общей теорией относительности, другие три объединяются в рамках Стандартной модели (квантовая теория). Было также сделано предположение о существовании еще одного взаимодействия, впоследствии названного «поле Хиггса».
Постепенно стала формироваться идея объединения всех фундаментальных взаимодействий в рамках «теории всего», которая изначально воспринималась как шутка, но быстро переросла в мощное научное направление. Зачем это нужно? Всё просто! Без понимания того, как функционирует мир, мы словно муравьи в искусственном гнезде – не выберемся за пределы своих возможностей. Человеческое знание не может (ну, или пока не может, если вы оптимист) охватить устройство мира целиком.
Одной из самых знаменитых теорий, претендующих на «объятие всего», считается теория струн. Она подразумевает, что вся Вселенная и наша с вами жизнь многомерна. Несмотря на разработанную теоретическую часть и поддержку знаменитых физиков, таких, как Брайан Грин и Стивен Хокинг, она не имеет экспериментального подтверждения.
Ученые, спустя десятилетия, устали вещать с трибун и решили построить то, что раз и навсегда должно расставить все точки над «i». Для этого и была создана крупнейшая в мире экспериментальная установка – Большой адронный коллайдер (БАК).
«К коллайдеру!»
Ускоритель в Лаборатории Ферми. Вид на ускорительный центр Fermilab, США. Теватрон (кольцо на заднем плане) и кольцо-инжектор. Над подземными тоннелями видны кольцевые пруды, рассеивающие избыточное тепло от оборудования. Fermilab, Reidar Hahn / wikimedia.org (CC0 1.0)
Что такое коллайдер? Если говорить научным языком, то это – ускоритель заряженных частиц, предназначенный для разгона элементарных частиц для дальнейшего понимания их взаимодействия. Если говорить ненаучным языком – это большая арена (или песочница, если вам угодно), на которой ученые сражаются за подтверждение своих теорий.
Впервые идея столкнуть элементарные частицы и посмотреть, что будет, появилась у американского физика Дональда Вильяма Керста (Donald William Kerst) в 1956 году. Он предположил, что благодаря этому ученым удастся проникнуть в тайны Вселенной. Казалось бы, что плохого в том, чтобы столкнуть между собой два пучка протонов с суммарной энергией в миллион раз больше, чем от термоядерного синтеза? Времена были соответствующие: холодная война, гонка вооружений и все такое.
История создания БАК
Глобус науки и инноваций ЦЕРНа. Brücke-Osteuropa / wikimedia.org
(CC0 1.0)
Идея создания ускорителя для получения и исследования заряженных частиц появилась еще в начале 1920-х годов, но первые прототипы были созданы только к началу 1930-х. Изначально они представляли собой высоковольтные линейные ускорители, то есть заряженные частицы двигались прямолинейно. Кольцевой вариант был представлен в 1931 году в США, после чего похожие устройства стали появляться в ряде развитых стран – Великобритании, Швейцарии, СССР. Они получили название циклотроны, и стали в дальнейшем активно использоваться для создания ядерного оружия.
Нужно отметить, что стоимость строительства ускорителя частиц неимоверно высокая. Европа, игравшая во время холодной войны не первостепенную роль, поручила его создание Европейской организации по ядерным исследованиям (на русском часто читается как ЦЕРН), которая в дальнейшем занялась и строительством БАК.
ЦЕРН была создана на волне беспокойства мирового сообщества в отношении ядерных исследований в США и СССР, которые могли привести к всеобщему истреблению. Поэтому ученые решили объединить усилия и направить их в мирное русло. В 1954 году ЦЕРН получила своё официальное рождение.
В 1983 году под эгидой ЦЕРН были открыты бозоны W и Z, после чего вопрос об открытии бозонов Хиггса стал лишь делом времени. В том же году началась работа над строительством Большого электрон-позитронного коллайдера (БЭПК), который сыграл первостепенную роль в изучении обнаруженных бозонов. Однако уже тогда стало ясно, что мощности созданного устройства в скором времени окажутся недостаточными. И в 1984 году было принято решение о строительстве БАК, сразу после того, как БЭПК будет демонтирован. Это и произошло в 2000 году.
Строительство БАК, начавшееся в 2001 году, облегчалось тем, что оно происходило на месте бывшего БЭПК, в долине Женевского озера. В связи с вопросами финансирования (в 1995 году стоимость оценивалась в 2,6 млрд швейцарских франков, к 2001 превысила 4,6 млрд, в 2009 составила 6 млрд долларов).
На данный момент БАК располагается в туннеле с длиной окружности 26,7 км и проходит через территории сразу двух европейских стран – Франции и Швейцарии. Глубина туннеля варьируется от 50 до 175 метров. Нужно также отметить, что энергия столкновения протонов в ускорителе достигает 14 тераэлектронвольт, что в 20 раз больше достигнутых результатов при использовании БЭПК.
«Любопытство – не порок, но большое свинство»
27-километровый туннель коллайдера ЦЕРН, расположен в 100 метрах под землей недалеко от Женевы. Здесь будут находиться огромные сверхпроводящие электромагниты. Справа транспортные вагоны. Juhanson / wikipedia.org (CC BY-SA 3.0)
Зачем нужна эта рукотворная «машина Судного дня»? Ученые рассчитывают увидеть мир таким, каким он был сразу после Большого взрыва, то есть в момент образования материи.
Цели, которые поставили перед собой ученые при строительстве БАК:
- Подтверждение или опровержение Стандартной модели с целью дальнейшего создания «теории всего».
- Доказательство существования бозона Хиггса как частицы пятого фундаментального взаимодействия. Она, согласно теоретическим изысканиям, должна влиять на электрическое и слабое взаимодействие, нарушая их симметрию.
- Изучение кварков, представляющих собой фундаментальную частицу, которая в 20 тысяч раз меньше состоящих из них протонов.
- Получение и исследование темной материи, составляющей большую часть Вселенной.
Это далеко не единственные цели, возложенные учеными на БАК, но остальные больше относятся к смежным или сугубо теоретическим.
Чего удалось достичь?
Несомненно, наиболее крупным и значимым достижением стало официальное подтверждение существования бозона Хиггса. Открытие пятого взаимодействия (поля Хиггса), которое, по утверждениям ученых, влияет на приобретение массы всеми элементарными частицами. Считается, что при нарушении симметрии в процессе воздействия поля Хиггса на другие поля, бозоны W и Z становятся массивными. Открытие бозона Хиггса настолько велико по своей значимости, что ряд ученых дал им название «божественные частицы».
Кварки объединяются в частицы (протоны, нейтроны и другие), которые получили название адроны. Именно они ускоряются и сталкиваются в БАК, откуда и пошло его название. В процессе работы коллайдера было доказано, что выделить кварк из адрона попросту невозможно. Если вы попытаетесь это сделать, то просто вырвете из, например, протона другой вид элементарной частницы – мезон. Несмотря на то что это лишь один из адронов и ничего нового в себе не несет, дальнейшее изучение взаимодействия кварков должно осуществляться именно небольшими шагами. В исследованиях фундаментальных законов функционирования Вселенной спешка опасна.
Хоть сами кварки и не были открыты в процессе использования БАК, но их существование до определенного момента воспринималось как математическая абстракция. Первые такие частицы были найдены в 1968 году, но лишь в 1995-ом официально доказано существование «истинного кварка». Результаты экспериментов подтверждаются возможностью их воспроизвести. Поэтому достижение БАК аналогичного результата воспринимается не как повтор, а как закрепляющее доказательство их существования! Хотя проблема с реальностью кварков никуда и не исчезла, ведь их просто нельзя выделить из адронов.
Какие планы?
Основная задача по созданию «теории всего» решена не была, но теоретическая проработка возможных вариантов её проявления ведется. До сих пор одной из проблем объединения Общей теории относительности и Стандартной модели остается разная область их действия, в связи с чем вторая не учитывает особенности первой. Поэтому важен выход за пределы Стандартной модели и достижения грани Новой физики.
Суперсимметрия – ученые считают, что она связывает бозонное и фермионное квантовые поля, да так, что они могут превращаться друг в друга. Именно подобная конверсия выходит за рамки Стандартной модели, так как существует теория, что в основе симметричного отображения квантовых полей лежат гравитоны. Они, соответственно, могут являться элементарной частицей гравитации.
Бозон Мадала – гипотеза о существовании бозона Мадала предполагает, что имеется еще одно поле. Только если бозон Хиггса взаимодействует с известными частицами и материей, то бозон Мадала – с темной материей. Несмотря на то что она занимает большую часть Вселенной, её существование не входит в рамки Стандартной модели.
Микроскопическая черная дыра – одно из исследований БАК заключается в создании черной дыры. Да-да, именно той черной, всепоглощающей области в космическом пространстве. Благо, что значительных достижений в этом направлении сделано не было.
На сегодняшний день Большой адронный коллайдер представляет собой многоцелевой исследовательский центр, на основе работы которого создаются и экспериментально подтверждаются теории, которые помогут нам лучше понять устройство мира. Вокруг ряда проводимых исследований, которые клеймятся опасными, нередко поднимаются волны критики, в том числе со стороны Стивена Хокинга, но игра определенно стоит свеч. Мы не сможем плыть в черном океане под названием Вселенная с капитаном, у которого ни карты, ни компаса, ни элементарных знаний об окружающем мире.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Адронный коллайдер зачем нужен? Для чего нужен большой адронный коллайдер
Многие простые жители планеты задают себе вопрос о том, для чего нужен большой адронный коллайдер. Непонятные большинству научные исследования, на которые потрачено много миллиардов евро, вызывают настороженность и опаску.
Может, это и не исследования вовсе, а прототип машины времени или портал для телепортации инопланетных существ, способной изменить судьбу человечества? Слухи ходят самые фантастичные и страшные. В статье мы попытаемся разобраться, что такое адронный коллайдер и для чего он создавался.
Амбициозный проект человечества
Большой адронный коллайдер на сегодня является мощнейшим на планете ускорителем частиц. Он находится на границе Швейцарии и Франции. Точнее под нею: на глубине 100 метров залегает кольцевой тоннель ускорителя длиной почти 27 километров. Хозяином экспериментального полигона стоимостью, превышающей 10 миллиардов долларов, является Европейский центр ядерных исследований.
Огромное количество ресурсов и тысячи физиков-ядерщиков занимаются тем, что ускоряют протоны и тяжёлые ионы свинца до скорости, близкой к световой, в разных направлениях, после чего сталкивают их друг с другом. Результаты прямых взаимодействий тщательно изучаются.
Предложение создать новый ускоритель частиц поступило ещё в 1984 году. Десять лет велись различные дискуссии насчет того, что будет собой представлять адронный коллайдер, зачем нужен именно такой масштабный исследовательский проект. Только после обсуждения вопросов особенностей технического решения и требуемых параметров установки проект был утверждён. Строительство начали только в 2001 году, выделив для его размещения подземные коммуникации прежнего ускорителя элементарных частиц – большого электрон-позитронного коллайдера.
Зачем нужен большой адронный коллайдер
Взаимодействие элементарных частиц описывается по-разному. Теория относительности вступает в противоречия с квантовой теорией поля. Недостающим звеном в обретении единого подхода к строению элементарных частиц является невозможность создания теории квантовой гравитации. Вот зачем нужен адронный коллайдер повышенной мощности.
Общая энергия при столкновении частиц составляет 14 тераэлектронвольт, что делает устройство значительно более мощным ускорителем, чем все существующие сегодня в мире. Проведя эксперименты, ранее невозможные по техническим причинам, учёные с большой долей вероятности смогут документально подтвердить или опровергнуть существующие теории микромира.
Изучение кварк-глюонной плазмы, образующейся при столкновении ядер свинца, позволит построить более совершенную теорию сильных взаимодействий, которая сможет кардинально изменить ядерную физику и методы познания звёздного пространства.
Бозон Хиггса
В далёком 1960 году физик из Шотландии Питер Хиггс разработал теорию поля Хиггса, согласно которой частицы, попадающие в это поле, подвергаются квантовому воздействию, что в физическом мире можно наблюдать как массу объекта.
Если в ходе экспериментов удастся подтвердить теорию шотландского ядерного физика и найти бозон (квант) Хиггса, то это событие может стать новой отправной точкой для развития жителей Земли.
А открывшиеся возможности человека, управляющего гравитацией, многократно превысят все видимые перспективы развития технического прогресса. Тем более что передовых учёных больше интересует не само наличие бозона Хиггса, а процесс нарушения электрослабой симметрии.
Как он работает
Чтобы экспериментальные частицы достигли немыслимой для поверхности скорости, почти равной скорости света в вакууме, их разгоняют постепенно, каждый раз увеличивая энергию.
Сначала линейные ускорители делают инжекцию ионов и протонов свинца, которые после подвергают ступенчатому ускорению. Частицы через бустер попадают в протонный синхротрон, где получают заряд в 28 ГэВ.
На следующем этапе частицы попадают в супер-синхротрон, где энергия их заряда доводится до 450 ГэВ. Достигнув таких показателей, частицы попадают в главное многокилометровое кольцо, где в специально расположенных местах столкновения детекторы подробно фиксируют момент соударения.
Кроме детекторов, способных зафиксировать все процессы при столкновении, для удержания протонных сгустков в ускорителе используют 1625 магнитов, обладающих сверхпроводимостью. Общая их длина превышает 22 километра. Специальная криогенная камера для достижения эффекта сверхпроводимости поддерживает температуру −271 °C. Стоимость каждого такого магнита оценивается в один миллион евро.
Цель оправдывает средства
Для проведения таких амбициозных экспериментов и был построен самый мощный адронный коллайдер. Зачем нужен многомиллиардный научный проект, человечеству рассказывают с нескрываемым восторгом многие учёные. Правда, в случае новых научных открытий, скорее всего, они будут надёжно засекречены.
Даже можно сказать, наверняка. Подтверждением сему является вся история цивилизации. Когда придумали колесо, появились боевые колесницы. Освоило человечество металлургию – здравствуйте, пушки и ружья!
Все самые современные разработки сегодня становятся достоянием военно-промышленных комплексов развитых стран, но никак не всего человечества. Когда учёные научились расщеплять атом, что появилось первым? Атомные реакторы, дающие электроэнергию, правда, после сотен тысяч смертей в Японии. Жители Хиросимы однозначно были против научного прогресса, который забрал у них и их детей завтрашний день.
Техническое развитие выглядит насмешкой над людьми, потому что человек в нём скоро превратится в самое слабое звено. По теории эволюции, система развивается и крепнет, избавляясь от слабых мест. Может получиться в скором времени так, что нам не останется места в мире совершенствующейся техники. Поэтому вопрос «зачем нужен большой адронный коллайдер именно сейчас» на самом деле — не праздное любопытство, ибо вызван опасением за судьбу всего человечества.
Вопросы, на которые не отвечают
Зачем нам большой адронный коллайдер, если на планете миллионы умирают от голода и неизлечимых, а порой и поддающихся лечению болезней? Разве он поможет побороть это зло? Зачем нужен адронный коллайдер человечеству, которое при всём развитии техники вот уже как сто лет не может научиться успешно бороться с раковыми заболеваниями? А может, просто выгоднее оказывать дорогие медуслуги, чем найти способ исцелить? При существующем миропорядке и этическом развитии лишь горстке представителей человеческой расы весьма необходим большой адронный коллайдер. Зачем он нужен всему населению планеты, ведущему безостановочный бой за право жить в мире, свободном от посягательств на чью-либо жизнь и здоровье? История об этом умалчивает…
Опасения научных коллег
Есть другие представители научной среды, высказывающие серьёзные опасения по поводу безопасности проекта. Велика вероятность того, что научный мир в своих экспериментах, в силу своей ограниченности в знаниях, может утратить контроль над процессами, которые даже толком не изучены.
Такой подход напоминает лабораторные опыты юных химиков – всё смешать и посмотреть, что будет. Последний пример может закончиться взрывом в лаборатории. А если такой «успех» постигнет адронный коллайдер?
Зачем нужен неоправданный риск землянам, тем более что экспериментаторы не могут с полной уверенностью сказать, что процессы столкновений частиц, приводящие к образованию температур, превышающих в 100 тысяч раз температуру нашего светила, не вызовут цепной реакции всего вещества планеты?! Или просто вызовут цепную ядерную реакцию, способную фатально испортить отдых в горах Швейцарии или во французской Ривьере…
Информационная диктатура
Настораживает, что голоса действительно учёных и разбирающихся в ядерной физике людей попросту изолируют от общественности. Средства массовой информации проходят мимо, не пытаясь даже освещать вопрос с этой точки зрения.
Для чего нужен большой адронный коллайдер, когда человечество не может решить менее сложные задачи? Попытка замалчивания альтернативного мнения только подтверждает возможность непредсказуемости хода событий.
Наверное, там, где впервые появился человек, в него и была заложена эта двойственная особенность — делать благо и вредить себе одновременно. Быть может, нам ответ дадут открытия, которые подарит адронный коллайдер? Зачем нужен был этот рискованный эксперимент, будут решать уже наши потомки.
Большой адронный коллайдер (БАК) – что это такое?
Большой адронный коллайдер (сокр. БАК, англ. LHC) – это самый большой и мощный ускоритель частиц в мире, расположенный на франко-швейцарской границе около города Женева. Он предназначен для ускорения и столкновения встречных пучков протонов и тяжелых ионов (ионов свинца). БАК создан при Европейском совете ядерных исследований ЦЕНР. В его строительстве и обслуживании, участвовало более 10 тыс инженеров и ученых из более чем 100 стран мира. Стоимость проекта оценивается в 10 млрд. долларов.
Коллайдер по сути является замкнутой туннельной системой, расположенной под земной поверхностью на глубине до 180 м. Название «коллайдер» уместно перевести на русский как «устройство для сталкивания». А сталкивает он адроны (класс составных частиц, подверженных сильному взаимодействию). Отсюда и название «адронный коллайдер». Приставку «большой» он получил за свои внушительные размеры, длина основного туннеля БАК составляет 26,7 км.
По большей части эксперименты проводятся с протонами. Протон – элементарная частица, составляющая часть атома, ее отличительное свойство – наличие положительного заряда. БАК разгоняет потоки протонов внутри подземного туннеля до более 99,9% скорости света, направляя их навстречу друг другу. При столкновении на такой скорости моделируются условия, сходные с состоянием нашей Вселенной на ранних стадиях ее существования.
Каково происхождение протонов для экспериментов в БАК?
Их получают методом ионизации атома водорода. Как известно, в его составе имеется 1 протон и 1 электрон. Ионизация помогает избавиться от электрона, и сохранить необходимый для научных опытов протон.
Предназначение
Большой адронный коллайдер помогает исследовать сами элементарные частицы и особенности процессов их взаимодействия. БАК уже принес науке немало бесценных сведений в области квантовой физики, и ученым не терпится получить больше информации о том, как устроены наше пространство и время. Процессы, уловленные детекторами БАК во время столкновения протонов, дают исследователям возможность прийти к лучшему пониманию того, что представляла собой Вселенная в продолжение первых мгновений после Большого взрыва.
Как известно, к началу 1970-х физики разработали так называемую Стандартную модель (СМ), в которой объединились 3 из 4 фундаментальных взаимодействий (кроме гравитационного):
— сильное;
— слабое;
— электромагнитное.
Однако СМ невозможно принять исчерпывающей теорией элементарных частиц. Предположительно, она – не более чем фрагмент более масштабной теоретической картины устройства микромира. Основополагающая цель создание Большого адронного коллайдера – приблизиться к пониманию сущности новой теории (поиск новой физики).
В наше время наука применяет различные способы объединения фундаментальных взаимодействий:
— теория струн;
— теории супергравитации;
— петлевая квантовая гравитация и пр.
Не все они являются совершенными, и ни одна из них не была подтверждена экспериментальным методом. Препятствие заключается в недостатке энергии, доступной ученым на современных устройствах для ускорения частиц.
БАК — самая большая экспериментальная установкаБольшой адронный коллайдер дал науке возможность реализовать эксперименты с недоступной прежде энергией, и по-видимому, это позволит оценить корректность некоторых из вышеупомянутых теоретических подходов. В частности, имеется большое число теоретических систем, допускающих наличие такого явления, как суперсимметрия – в частности, теория струн (она же теория суперструн), которая в случае доказанного отсутствия суперсимметрии утратит свой логический смысл. Соответственно, если будет получено доказательство существования суперсимметрии, то это станет и косвенным аргументом в подтверждение правоты данных теорий.
Исследование топ-кварков
Эти частицы – наиболее тяжелые не только из кварков, но также из всех известных науке элементарных частиц. Их масса слишком велика для того, чтобы топ-кварки можно было изучать на большинстве ускорителей. Помимо прямого научного интереса, данные частицы используются как средство для исследований бозона Хиггса. Бозоны появляются на свет в БАК совместно с парой топ-кварк/антикварк. Поэтому следует лучше представлять свойства кварков, чтобы выделять из их среды бозоны.
Исследование электрослабой симметрии
Среди основных задач БАК, помимо подтверждения существования бозона Хиггса, следует отметить то, каким образом данная нестабильная частица оказывает влияние на симметрию электрослабого взаимодействия. Бозон, как известно, — квант такого физического явления, как поле Хиггса. Преодолевающее эту среду элементарные частицы сталкиваются с сопротивлением, что физика осознает как поправки к массе.
Исследование кварк-глюонной плазмы
Помимо прочих экспериментов, в БАК проводятся опыты со столкновением ядер атомов свинца. В процессе неупругого контакта пары таких ядер на ультрарелятивистских скоростях на короткий срок появляется и исчезает сгусток ядерного в-ва высокой плотности и температуры. Изучение характерных для этого процессов (преобразование в-ва в кварк-глюонную плазму) необходимо для выстраивания более корректной теоретической модели сильных ядерных взаимодействий, которая позволит добиться существенного прогресса как собственно в физической науке, так и в понимании астрономических процессов.
Исследование фотонных взаимодействий
ЭМ взаимодействие понимается как обмен фотонами. Проще говоря, фотоны считаются носителями ЭМ поля. Протоны же обладают электрическим зарядом и электростатическим полем, которое допустимо считать совокупностью виртуальных фотонов.
Когда протоны приходят в столкновение, окружающие их фотоны вступают во взаимодействие. Тем самым, изучая процесс столкновения протонов, физики занимаются исследованием поведения фотонов высокой энергии.
Помимо этого, имеет место особая разновидность реакций – прямое взаимодействие пары фотонов.
Как устроен БАК
Коллайдер состоит из 3 базовых структур;
— ускоритель элементарных частиц. Он позволяет разогнать и столкнуть адроны (тяжелые элементарные частицы из кварков), используя электрические магниты огромной мощности, которые распределены параллельно всей протяженности подземного туннеля;
— детекторы. Процесс, а также итоги взаимодействия ускоренных магнитами протонов невозможно наблюдать непосредственно в туннеле, по этой причине особые устройства-детекторы собирают максимально возможный объем информации с целью дальнейшей ее обработки;
— грид. Детекторы набирают петабайты экспериментальных данных. Для того, чтобы корректно обработать столь внушительный массив информации, применяют грид-систему – компьютерную сеть, расположенную в 36 государствах, она формирует своего рода единый супер-компьютер. Но даже он способен интерпретировать приблизительно 1% параметров реакции в БАК.
Вид на CMS — один из детекторов БАКДетекторы
ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)
ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment)
CMS (Compact Muon Solenoid)
LHCf (The Large Hadron Collider forward)
TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement)
MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC).
ATLAS, ALICE, CMS, LHCb — это большие детекторы, расположенные вокруг точек столкновения пучков. Детекторы TOTEM и LHCf являются вспомогательными, находятся в нескольких десятках метров от точек столкновения и используются параллельно с основными.
ATLAS и CMS участвовали в поиске бозона Хиггса, а также тёмной материи. Детектор ALICE — изучает кварк-глюонную плазму при столкновении тяжёлых ионов свинца. LHCb — исследует физику b-кварков, для лучшего понимания различия между антиматерией и материей. TOTEM — изучает рассеивание частиц на малые углы (а также ведет анализ не столкнувшихся частиц). LHCf — исследует космические лучи, которые моделируются теми же не сталкивающимися частицами. MoEDAL — нацелен на поиск медленно движущихся тяжёлых частиц
Как работает БАК
В туннеле коллайдера частицы разгоняют почти до скорости света, при этом увеличивая их массу в несколько тысяч раз. Весь процесс можно разделить на 5 ключевых этапов:
- Сначала атомы водорода поступают в начальную камеру линейного ускорителя (Linac 2), где от них отделяют электроны. Это нужно для того, чтобы у них был положительный заряд и их можно было ускорять с помощью электрического поля.
- Проходя линейный ускоритель, пучок протонов достигает 1/3 скорости света и попадает в бустер (PS buster) с длинной пути 157 метров. Там он делится на четыре меньших пучка, каждый из которых разгоняется в отдельном кольце бустера (для максимального повышения плотности потока частиц). С помощью пульсирующего электрического поля происходит ускорение частиц, в то время как магнитное поле способствует их движению по кругу. Бустер разгоняет частицы до 91,6% скорости света и делает пучки протонов плотными.
- На выходе из бустера частицы собираются воедино и поступают в кольцо протонного синхротрона (PS) с длинной 628 метров. Циркулируя по кругу в течение 1,2 секунды, они достигают более чем 99,9% скорости света. Стоит отметить, что на этом этапе достигается предел скорости, когда пульсирующее электрическое поле больше не может ускорять частицы. Однако вместо этого прикладываемая энергия увеличивает массу протонов. Таким образом, протонный синхротрон увеличивает кинетическую энергию частиц до 28 ГэВ (частицы становятся в 28 раз тяжелее, чем были).
- Затем пучок поступает в протонный суперсинхротрон (SPS) — огромное 7-ми километровое кольцо — «разгон» в котором дает частицам энергию порядка 450 ГэВ. Это последняя подготовительная ступень разгона перед перемещением в основное кольцо Большого адронного коллайдера.
- Основное кольцо БАК, длинна которого составляет 26659 метров, состоит из двух вакуумных трубок, в которых протонные пучки движутся в противоположных направлениях. Эти трубки пересекаются в четырех точках, где размещены детекторы. Там и происходит столкновение частиц и сбор данных. Однако перед встречным столкновением, основное кольцо БАК увеличивает их кинетическую энергию до 7 ТэВ (делая частицы в 7000 раз тяжелее, чем в состоянии покоя).
Интересные факты:
Всего за 1 секунду частицы пролетают всю протяженность основного туннеля более 11000 раз (т.е на 1 цикл уходит не более, чем 0,0001 с). За ту же секунду в БАК происходит около 1 миллиарда столкновений, каждое их которых генерирует 1,5 мегабайта данных.
Каковы научные достижения БАК
Поскольку БАК располагает большей энергией в сравнении с коллайдерами ранних версий, он дал ученым возможность исследовать неизведанную до того область энергий и обрести научные данные, которые помогают уточнить некоторые теоретические построения.
Сегодня к наиболее заметным научным «прорывом», достигнутым при помощи коллайдера, относят открытие бозона Хиггса. Уже сейчас его многие называют одним из наиболее громких открытий XXI столетия, поскольку бозон Хиггса помогает объяснить наличие массы частиц в нашем пространстве. Следовательно, тем самым получено подтверждение Стандартной модели, на основе каковой в наше время физика моделирует поведение и реакции элементарных частиц. И как раз это их взаимодействие является фундаментом, на котором построено все наше мироздание.
Сущность действия бозона Хиггса заключается в том, что он участвует в формировании массы и обмене ею среди прочих элементарных частиц. Однако это крайне упрощенное изложение функций бозона, и всем заинтересовавшимся этой частицей рекомендуем изучить соответствующие научные публикации.
Прочие научные результаты БАК:
— проведены исследования базовых статистических параметров столкновений протонов, оценка числа рожденных адронов, корреляции мезонов;
— продемонстрировано, что не существует асимметрия протонов и антипротонов;
— наблюдались необычные корреляции протонов, летящих по весьма различным траекториям;
— уточнены параметры возможных контактных взаимодействий кварков;
— зафиксированы существенные признаки образования кварк-глюонной плазмы и т.д.
Способен ли БАК разрушить планету
С первых дней своей постройки адронный коллайдер вызывал всевозможные спекулятивные опасения и фантазии. В частности, в интернете прошел слух, что вследствие экспериментальной работы БАК способен создать черную дыру, и та проглотит Землю.
Те самые две трубки, по которым частицы движутся в противоположных направленияхРазумеется, эти опасения имеют под собой определенную основу, однако:
— в случае, если теоретически БАК сформировал бы черную дыру, то ее размеры оказались бы микроскопическими. И есть предположение, что чем они миниатюрнее, тем быстрее такой объект аннигилируется, превращаясь в энергию, не успев нанести ни малейшего ущерба. Но здесь нельзя утверждать ничего наверняка, потому что все это основано на гипотезах и теориях.
С другой стороны, возможно, при столкновении в БАК недостаточно кинетической энергии, чтобы выполнилось условие R=2GM/c2 (гравитационный радиус), необходимое для образования черной дыры.
Планы на будущее
По мере того, как Большой адронный коллайдер приступит к работе на полной мощности и светимости (2021 — 2023 гг.), его разработчики планируют остановку на 2,5 года для модернизации детекторов и ускорителей (проект HL-LHC). Тем самым будет усилена светимость БАК и обеспечена возможность проведения опытов с еще большей энергией. Ученые также намерены организовать опыты путем столкновения протонов и электронов, что потребует дополнительного оборудования для разгона элементарных частиц.
Кроме того, в планах ЦЕРНа есть куда более амбициозный международный проект, создание коллайдера с 100 км. кольцом. Текущее название проекта Future Circular Collider (FCC, «Будущий циклический коллайдер»).
Дорогие друзья, мы все люди и можем ошибаться, а информация имеет тенденцию устаревать. Поэтому, если найдете неверную информацию или грубые смысловые и прочие ошибки, то, пожалуйста, дайте знать об этом в комментариях.
для чего нужен, где находится
Что такое адронный коллайдерНаверняка почти каждый человек на Земле, хоть раз, да слышал о большом адронном коллайдере. Вот только, несмотря на то, что многие слышали о нем, мало кто понимает, что такое адронный колладейр, каково его предназначение, в чем суть адронного коллайдера. В нашей сегодняшней статье мы ответим на эти вопросы.
Что такое адронный коллайдер
По сути адронный коллайдер представляет собой сложный ускоритель элементарных частиц. С его помощью физикам удается разогнать протоны и тяжелые ионы. Изначально адронный коллайдер создавался для подтверждения существования бозона Хиггса, неуловимой элементарной частицы, которую физики порой в шутку называют «частичкой Бога». И да, существование этой частички было подтверждено экспериментально с помощью коллайдера, а сам ее первооткрыватель Питер Хиггс получил за это нобелевскую премию по физике в 2013 году.
Разумеется, одним лишь бозоном Хиггса дело не ограничилось, помимо него физиками были найдены и некоторые другие элементарные частицы. Теперь вы знаете ответ на вопрос, зачем нужен адронный коллайдер.
Что представляет собой большой адронный коллайдер
Прежде всего, необходимо заметить, что большой адронный колайдер не возник на пустом месте, а появился как эволюция своего предшественника – большого электрон-позитронного коллайдера, представляющего собой 27-ми километровый подземный туннель, строительство которого началось еще в 1983 году. В 1988 году кольцевой тоннель сомкнулся, притом интересно то, что строители подошли к делу очень тщательно, настолько, что расхождение между двумя концами туннеля составляет лишь 1 сантиметр.
Так выглядит схема адронного коллайдера.
Электрон-позитронный коллайдер проработал до 2000 года и за время его работы в физике был сделан с его помощью целый ряд открытий, среди которых открытие W и Z бозонов и их дальнейшее исследование.
С 2001 года на месте электрон-позитронного коллайдера началось уже строительство коллайдера адронного, которое закончилось в 2007 году.
Где находится адронный коллайдер
Большой адронный коллайдер находится на границе Швейцарии и Франции, в долине женевского озера, всего лишь в 15 км от самой Женевы. И располагается он на глубине 100 метров.
Место расположения адронного коллайдера.
В 2008 году начались его первые испытания под патронатом ЦЕРН – Европейской организации по ядерным исследованиям, которая на данный момент является крупнейшей лабораторией в мире в области физики высоких энергий.
Для чего нужен адронный коллайдер
С помощью этого гигантского ускорителя элементарных частиц физики могут проникать так глубоко внутрь материи, как никогда раньше. Все это помогает, как подтверждать старые научные гипотезы, так и создавать новые интересные теории. Детальное изучение физики элементарных частиц помогает нам приблизиться в поисках ответов на вопросы об устройстве Вселенной, о том, как она зародилась.
Глубокое погружение в микромир позволяет открыть революционно новые пространственно-временные теории, и как знать, может быть, даже удастся проникнуть в тайну времени, этого четвертого измерения нашего мира.
Как работает адронный коллайдер
Теперь давайте опишем, как собственно работает большой адронный коллайдер. О принципах его работы говорит название, так как само слово «коллайдер» с английского переводится как «тот, кто сталкивает». Главная его задача – устроить столкновение элементарных частиц. Причем частицы в коллайдере летают (и сталкиваются) на скоростях, близких к скоростям света. Результаты столкновений частиц фиксируют четыре основных больших детектора: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb и множество вспомогательных детекторов.
Более детально принцип работы адронного коллайдера описан в этом интересно видео.
Опасность адронного коллайдера
В целом людям свойственно боятся вещей, которые они не понимают. Именно это иллюстрирует отношение к адроному коллайдеру и различные опасения, с ним связанные. Самые радикальные из них, высказывались, что в случае возможного взрыва адронного коллайдера может погибнуть, не много, не мало, а все человечество вместе с планетой Землей, которую поглотит образовавшаяся после взрыва черная дыра. Разумеется, первые же опыты показали, что подобные опасения не более чем детская страшилка.
А вот некоторые серьезные опасения относительно работы коллайдера были высказаны недавно умершим английским ученым Стивеном Хокингом. Причем опасения Хокинга связаны не столько с самим коллайдером, сколько с полученным с его помощью бозоном Хиггса. По мнению ученого этот бозон является крайне не стабильным материалом и в результате определенного стечения обстоятельств может привести к распаду вакуума и полному исчезновению таких понятий как пространство и время. Но не все так страшно, так согласно Хокингу, для того, чтобы произошло нечто подобное необходим коллайдер величиной с целую планету.
Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка
При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту [email protected] или в Фейсбук, с уважением автор.
Бак (резервуар) — Википедия
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 21 февраля 2019; проверки требует 1 правка. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 21 февраля 2019; проверки требует 1 правка. У этого термина существуют и другие значения, см. Бак.Бак (резервуар) — большая ёмкость для хранения жидкости.
Стальная цистерна для хранения под давлениемБак делается из дерева, железа или чугуна и предназначается для запаса воды в особенности при малых водоснабжениях, например, для отдельных жилых зданий, станций железных дорог. Такие резервуары устанавливаются в непромерзаемых помещениях и на соответственной высоте, чтобы вода из них могла достигнуть требуемых мест. Деревянные баки делаются круглой или эллиптической формы из клёпок, обтянутых железными обручами как обыкновенная бочка. Такие баки изнутри и снаружи окрашиваются масляной краской и собираются на пропитанной маслом пакле. Железные баки обыкновенно склёпываются из котельного железа четырёхугольной или круглой формы. Железо для этого употребляется толстое, ввиду порчи от ржавчины, против чего баки обыкновенно окрашивают краской, например, масляной (суриком). Для противодействия распору, баки внутри связываются железными скреплениями: круглой формы —— крестообразно, а четырёхугольные — несколькими поперечными прутьями. При устройстве баков очень большой ёмкости, снаружи приклёпывается вертикально по стенам угловое или тавровое железо, a также на краю, сверху бака. Небольшие круглые железные баки устанавливаются в зданиях без особых подпор, посредством чугунных колец, на закраинах с внутренней стороны стен. Под баки большей ёмкости подводятся ещё железные балки. Когда баки ставятся без балок, на закраинах лишь здания, то во избежание прогиба дна их им придают внизу выпуклую форму, в виде шарового отрезка, отчего и вместимость бака увеличивается. Вообще, при установке баков нужно обращать особое внимание на то, чтобы со всех сторон был свободный доступ для осмотра и окраски их, в особенности дна, которое во избежание ржавчины должно быть свободно или же опираться на решетку. Каждый бак должен иметь не менее трех отверстий с трубами, именно: впускную, выпускную и спускную трубы. Эта последняя, значение которой — не давать ему переполниться, должна быть немного ниже верхнего края.
Чтобы предохранить воду в баке от замерзания, употребляются разные способы; проводят через бак металлическую дымоотводную трубу или отработанный пар, или же устраивают особые кипятильники, в виде вертикальных котлов. При таком устройстве котёл соединен с баком двумя трубами, одна соединяет низ котла с низом бака, другая верх котла с верхом бака. Когда вода нагревается, то начинается известное круговое движение её, причем нагретая часть поднимается вверх, а холодная опускается вниз. Подобным устройством не только предупреждается замерзание воды в баке, но и представляется возможным подавать в тендера нагретую до требуемой степени воду, что имеет особенное значение зимой. При проведении воды в дома ставят запасные баки, которые, во время порчи магистралей, снабжают водой домовые краны и вместе с тем способствуют уменьшению влияния ударов и сотрясения при движении воды в водопроводе. Величина и вид баков зависят от места их установки и нужного количества воды. Затем бывают ещё чугунные баки, состоящие из плит или досок с закраинами, которые свинчиваются болтами с прокладкой в швах свинцовых листов. Подобного рода баки были, в частности, устроены в Карлсруэ, Циткау и других местах. Цилиндрические чугунные баки стягиваются железными толстыми обручами независимо от соединения закраин болтами.
Существуют также баки для хранения топлива. Как правило, их делают из негорючих материалов (металлов). Топливные баки снабжаются герметичными крышками для предотвращения испарения.
Отличие бака от других сосудов (ёмкостей)[править | править код]
Главной отличительной особенностью бака от других сосудов — это давление внутри, равное атмосферному (или близкое к атмосферному). Обычно баки имеют неплотную крышку, либо вообще не имеют таковой.
Очень часто гидроаккумуляторы называют «закрытый расширительный бак», что противоречит общепринятому понятию слова «бак». Применение термина «бак» для сосудов, работающих под давлением скорее всего связано с развитием технологий. Например, раньше расширительные баки были преимущественно открытого типа, топливные баки не имели герметичных крышек и т.д.
Сосуды, которые работают под давлением правильнее называть «баллон», «баллон высокого давления», «ёмкость высокого давления закрытого типа».