Для чего нужен адронный коллайдер простым языком. Зачем адронный коллайдер? Что такое БАК

Большой адронный коллайдер (БАК) - это ускоритель заряженных частиц, с помощью которого физики смогут узнать о свойсвтах материи значительно больше, чем было известно раньше. Ускорители используются для получения заряженных элементарных частиц высоких энергий. В основе работы практически любого ускорителя лежит взаимодействие заряженных частиц с электрическим и магнитным полями. Электрическое поле напрямую совершает работу над частицей, то есть увеличивает её энергию, а магнитное поле, создавая силу Лоренца, только отклоняет частицу, не изменяя её энергии, и задаёт орбиту, по которой движутся частицы.

Коллайдер (англ. collide - "сталкиваться") - ускоритель на встречных пучках, предназначенный для изучения продуктов их соударений. Позволяет придать элементарным частицам вещества высокую кинетическую энергию, направить их навстречу друг другу, чтобы произвести их столкновение.

Почему "большой адронный"

Большим коллайдер назван, собственно, из-за своих размеров. Длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м; адронным - из-за того, что он ускоряет адроны, то есть тяжёлые частицы, состоящие из кварков.

Построен БАК в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (ЦЕРН), на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы. На сегодняшний день БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. Руководителем этого масштабного проекта является британский физик Лин Эванс, а в строительстве и исследованиях принимали и принимают участие более 10 тыс. учёных и инженеров из более чем 100 стран.

Небольшой экскурс в историю

В конце 60-х годов прошлого века физиками была разработана так называемая Стандартная модель. Она объединяет три из четырёх фундаментальных взаимодействий - сильное, слабое и электромагнитное. Гравитационное взаимодействие по-прежнему описывают в терминах общей теориии относительности. То есть, на сегодняшний день фундаментальные взаимодействия описываются двумя общепринятыми теориями: общей теорией относительности и стандартной моделью.

Считается, что стандартная модель должна быть частью некоторой более глубокой теории строения микромира, той частью, которая видна в экспериментах на коллайдерах при энергиях ниже примерно 1 ТэВ(тераэлектронвольт). Главная задача Большого адронного коллайдера - получить хотя бы первые намеки на то, что это за более глубокая теория.

В число основных задач коллайдера входит также открытие и подтверждение Бозона Хиггса. Это открытие подтвердило бы Стандартную Модель возникновения элементарных атомных частиц и стандартной материи. Во время запуска коллайдера на полную мощность целостность Стандартной Модели будет разрушена. Элементарные частицы, свойства которых мы понимаем лишь частично, не будут в состоянии поддерживать свою структурную целостность. У Стандартной Модели есть верхняя граница энергии 1 ТэВ, при увеличении которой частица распадается. При энергии в 7 ТэВ могли бы быть созданы частицы с массами, в десять раз больше чем ныне известные.

Технические характеристики

Предполагается сталкивать в ускорителе протоны с суммарной энергией 14 ТэВ (то есть 14 тераэлектронвольт или 14·1012 электронвольт) в системе центра масс налетающих частиц, а также ядра свинца с энергией 5 ГэВ (5·109 электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов.

Светимость БАК во время первых недель работы пробега была не более 1029 частиц/см²·с, тем не менее она продолжает постоянно повышаться. Целью является достижение номинальной светимости в 1,7·1034 частиц/см²·с, 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, 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.

Детекторы БАК

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).

Первый из них настроен для исследования столкновений тяжёлых ионов. Температура и плотность энергии образованной при этом ядерной материи достаточной для рождения глюонной плазмы. Внутренняя система слежения (ITS) в ALICE состоит из шести цилиндрических слоев кремниевых датчиков, окружающих пункт столкновения и измеряющих свойства и точные положения появляющихся частиц. Таким образом могут быть легко обнаружены частицы, содержащие тяжелый кварк.

Второй предназначен для исследования столкновений между протонами. Длина ATLAS – 44 метра, 25 метров в диаметре и вес приблизительно 7000 тонн. В центре тоннеля сталкиваются лучи протонов, это самый большой и самый сложный из когда либо построенных датчиков такого типа. Датчик фиксирует все, что происходит во время и после столкновения протонов. Целью проекта является обнаружение частиц, до этого не зарегистрированных и не обнаруженных в нашей вселенной.

CMS - один из двух огромных универсальных детекторов элементарных частиц на БАК. Около 3600 ученых из 183 лабораторий и университетов 38 стран, поддерживают работу CMS (На рисунке - устройство CMS).

Самый внутренний слой - основанный на кремнии трекер. Трекер - самый большой в мире кремниевый датчик. У этого есть 205 m2 кремниевых датчиков (приблизительно область теннисного корта), включающих 76 миллионов каналов. Трекер позволяет измерять следы заряженных частиц в электромагнитном поле.

На втором уровне находиться Электромагнитный калориметр. Адронный Калориметр, находящийся на следующем уровне, измеряет энергию отдельных адронов, произведенных в каждом случае.

Следующий слой CMS Большого Адронного Коллайдера – огромный магнит. Большой Соленоидный Магнит составляет 13 метров в длину и имеет 6-метровый диаметр. Состоит он из охлаждаемых катушек, сделанных из ниобия и титана. Этот огромный соленоидный магнит работает на полную силу, чтоб максимизировать время существования частиц соленоидный магнит.

Пятый слой - мюонные детекторы и ярмо возврата. CMS предназначен для исследования различных типов физики, которые могли бы быть обнаружены в энергичных столкновениях LHC. Некоторые из этих исследований заключаются в подтверждении или улучшенных измерениях параметров Стандартной Модели, в то время как многие другие - в поисках новой физики.

О Большом адронном коллайдере можно рассказывать много и долго. Надеемся, что наша статья помогла разобраться в том, что же такое БАК и для чего он необходим учёным.

В 100 метрах под землей, на границе Франции и Швейцарии, расположено устройство, которое способно приоткрыть тайны мироздания. Или, по мнению некоторых, уничтожить всю жизнь на Земле.

Так или иначе, это самая большая машина в мире, и она используется для исследования мельчайших частиц во Вселенной. Это Большой адронный (не андроидный) коллайдер (LHC).

Краткое описание

LHC является частью проекта, который возглавляет Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН). Коллайдер включен в комплекс ускорителей ЦЕРН за пределами Женевы в Швейцарии и используется для разгона пучков протонов и ионов до скорости, приближающейся к скорости света, столкновения частиц друг с другом и записи результирующих событий. Ученые надеются, что это поможет больше узнать о возникновении Вселенной и о ее составе.

Что такое коллайдер (LHC)? Это самый амбициозный и мощный ускоритель частиц, построенный на сегодняшний день. Тысячи ученых из сотен стран сотрудничают и конкурируют друг с другом в поиске новых открытий. Для сбора данных экспериментов предусмотрены 6 участков, расположенные вдоль окружности коллайдера.

Сделанные с его помощью открытия могут стать полезными в будущем, но это не причина его постройки. Цель Большого адронного коллайдера - расширить наши знания о Вселенной. Учитывая, что LHC стоит миллиарды долларов и требует сотрудничества многих стран, отсутствие практического применения может быть неожиданным.

Для чего нужен Адронный коллайдер?

В попытке понять нашу Вселенную, ее функционирование и фактическую структуру, ученые предложили теорию, называемую стандартной моделью. В ней предпринята попытка определить и объяснить фундаментальные частицы, которые делают мир таким, каким он есть. Модель объединяет элементы теории относительности Эйнштейна с квантовой теорией. В ней также учтены 3 из 4 основных сил Вселенной: сильные и слабые ядерные взаимодействия и электромагнетизм. Теория не касается 4-й фундаментальной силы - силы тяжести.

Стандартная модель дала несколько предсказаний о Вселенной, которые согласуются с различными экспериментами. Но есть и другие ее аспекты, которые требовали подтверждения. Один из них - теоретическая частица, называемая бозоном Хиггса.

Его открытие дает ответ на вопросы о массе. Почему материя ею обладает? Ученые идентифицировали частицы, у которых нет массы, например, нейтрино. Почему у одних она есть, а у других - нет? Физики предложили много объяснений.

Самое простое из них - механизм Хиггса. Эта теория гласит, что существует частица и соответствующая ей сила, которая объясняет наличие массы. Ранее она никогда не наблюдалась, поэтому события, создаваемые LHC, должны были либо доказать существование бозона Хиггса, либо дать новую информацию.

Еще один вопрос, которым задаются ученые, связан с зарождением Вселенной. Тогда материя и энергия были одним целым. После их разделения частицы вещества и антиматерии уничтожили друг друга. Если бы количество их было равным, то ничего бы не осталось.

Но, к счастью для нас, во Вселенной материи было больше. Ученые надеются наблюдать антивещество во время работы LHC. Это могло бы помочь понять причину разницы в количестве материи и антиматерии, когда началась Вселенная.

Темная материя

Современное понимание Вселенной предполагает, что пока можно наблюдать лишь около 4% материи, которая должна существовать. Движение галактик и других небесных тел говорит о том, что существует гораздо больше видимого вещества.

Ученые назвали эту неопределенную материю темной. Наблюдаемая и темная материя составляют около 25%. Другие 3/4 исходят от гипотетической темной энергии, которая способствует расширению Вселенной.

Ученые надеются, что их эксперименты либо предоставят дополнительные доказательства существования темной материи и темной энергии, либо подтвердят альтернативную теорию.

Но это лишь верхушка айсберга физики элементарных частиц. Есть еще более экзотические и противоречивые вещи, которые необходимо выявить, для чего и нужен коллайдер.

Большой взрыв в микромасштабах

Сталкивая протоны с достаточно большой скоростью, LHC разбивает их на более мелкие атомные субчастицы. Они очень нестабильны, и до распада или рекомбинации существуют только долю секунды.

Согласно теории Большого взрыва, первоначально из них состояла все материя. По мере расширения и охлаждения Вселенной они объединились в более крупные частицы, такие как протоны и нейтроны.

Необычные теории

Если теоретические частицы, антиматерия и темная энергия, не являются достаточно экзотичными, некоторые ученые считают, что LHC может предоставить доказательства существования других измерений. Принято считать, что мир является четырехмерным (трехмерное пространство и время). Но физики предполагают, что могут существовать и другие измерения, которые люди не могут воспринимать. Например, одна версия теории струн требует наличия не менее 11 измерений.

Адепты этой теории надеются, что LHC предоставит доказательства предлагаемой ими модели Вселенной. По их мнению, фундаментальными строительными кирпичиками являются не частицы, а струны. Они могут быть открытыми или закрытыми, и вибрировать подобно гитарным. Различие в колебаниях делает струны разными. Одни проявляют себя в виде электронов, а другие реализуются как нейтрино.

Что такое коллайдер в цифрах?

LHC представляет собой массивную и мощную конструкцию. Он состоит из 8 секторов, каждый из которых является дугой, ограниченной на каждом конце секцией, называемой «вставкой». Длина окружности коллайдера равна 27 км.

Трубки ускорителя и камеры столкновений находятся на глубине 100 метров под землей. Доступ к ним обеспечивает сервисный туннель с лифтами и лестницами, расположенными в нескольких точках вдоль окружности LHC. ЦЕРН также построил наземные здания, в которых исследователи могут собирать и анализировать данные, генерируемые детекторами коллайдера.

Для управления пучками протонов, движущихся со скоростью равной 99,99% скорости света, используются магниты. Они огромны, весят несколько тонн. В LHC имеется около 9 600 магнитов. Они охлаждаются до 1,9К (-271,25 °C). Это ниже температуры космического пространства.

Протоны внутри коллайдера проходят по трубам со сверхвысоким вакуумом. Это необходимо, чтобы не было частиц, с которыми они могли бы столкнуться до достижения цели. Единственная молекула газа может привести к неудаче эксперимента.

На окружности большого коллайдера есть 6 участков, где инженеры смогут проводить свои эксперименты. Их можно сравнить с микроскопами с цифровой камерой. Некоторые из этих детекторов огромны - ATLAS представляет собой устройство длиной 45 м, высотой 25 м и весом 7 т.

В LHC задействовано около 150 млн датчиков, которые собирают данные и отправляют их в вычислительную сеть. Согласно ЦЕРН объем информации, получаемой во время экспериментов, составляет около 700 МБ/с.

Очевидно, что такому коллайдеру требуется много энергии. Его годовая потребляемая мощность составляет около 800 ГВт∙ч. Она могла быть намного больше, но объект не работает в зимние месяцы. По данным ЦЕРН стоимость энергии составляет порядка 19 млн евро.

Столкновение протонов

Принцип, лежащий в основе физики коллайдера, довольно прост. Сперва производится запуск двух пучков: одного - по часовой стрелке, а второго - против. Оба потока ускоряются до скорости света. Затем их направляют навстречу друг к другу и наблюдают результат.

Оборудование, необходимое для достижения этой цели, намного сложнее. LHC является частью комплекса ЦЕРН. Прежде, чем какие-либо частицы войдут в LHC, они уже проходят ряд шагов.

Во-первых, для получения протонов ученые должны лишить атомы водорода электронов. Затем частицы направляются в установку LINAC 2, которая запускает их в ускоритель PS Booster. Эти машины для ускорения частиц используют переменное электрическое поле. Удерживать пучки помогают поля, создаваемые гигантскими магнитами.

Когда луч достигает нужного энергетического уровня, PS Booster направляет его в суперсинхротрон SPS. Поток ускоряется еще больше и делится на 2808 пучков по 1,1 x 1011 протонов. SPS вводит лучи в LHC по часовой и против часовой стрелки.

Внутри Большого адронного коллайдера протоны продолжают ускоряться в течение 20 минут. На максимальной скорости они совершают 11245 оборотов вокруг LHC каждую секунду. Лучи сходятся на одном из 6 детекторов. При этом происходит 600 млн столкновений в секунду.

Когда сталкиваются 2 протона, они расщепляются на более мелкие частицы, в том числе кварки и глюоны. Кварки очень неустойчивы и распадаются за долю секунды. Детекторы собирают информацию, отслеживая путь субатомных частиц, и направляют ее в вычислительную сеть.

Не все протоны сталкиваются. Остальные продолжают движение до секции сброса луча, где поглощаются графитом.

Детекторы

Вдоль окружности коллайдера расположены 6 секций, в которых производится сбор данных и проводятся эксперименты. Из них 4 детектора основные и 2 меньшего размера.

Самым крупным является ATLAS. Его размеры - 46 х 25 х 25 м. Трекер обнаруживает и анализирует импульс частиц, проходящих через ATLAS. Его окружает калориметр, измеряющий энергию частиц, поглощая их. Ученые могут наблюдать траекторию их движения и экстраполировать информацию о них.

Детектор ATLAS также имеет мюонный спектрометр. Мюоны - это отрицательно заряженные частицы в 200 раз тяжелее электронов. Они единственные способны проходить через калориметр без остановки. Спектрометр измеряет импульс каждого мюона датчиками заряженных частиц. Эти сенсоры могут обнаруживать флуктуации в магнитном поле ATLAS.

Компактный мюонный соленоид (CMS) является детектором общего назначения, который обнаруживает и измеряет субчастицы, высвобождаемые во время столкновений. Прибор находится внутри гигантского соленоидного магнита, который может создать магнитное поле, почти в 100 тысяч раз превышающее магнитное поле Земли.

Детектор ALICE разработан для изучения столкновений ионов железа. Таким образом исследователи надеются воссоздать условия, подобные тем, которые произошли сразу после Большого взрыва. Они ожидают увидеть, как ионы превращаются в смесь кварков и глюонов. Основным компонентом ALICE является камера TPC, служащая для изучения и воссоздания траектории частиц.

LHC служит для поиска доказательств существования антивещества. Он делает это путем поиска частицы, называемой прелестным кварком. Ряд субдетекторов, окружающих точку столкновения, имеет 20 метров в длину. Они могут улавливать очень неустойчивые и быстро распадающиеся частицы прелестных кварков.

Эксперимент ТОТЕМ проводится на участке с одним из малых детекторов. Он измеряет размер протонов и яркость LHC, указывающей на точность создания столкновений.

Эксперимент LHC имитирует космические лучи в контролируемой среде. Его целью является помощь в разработке широкомасштабных исследований реальных космических лучей.

На каждом участке детектирования работает команда исследователей, насчитывающая от нескольких десятков до более тысячи ученых.

Обработка данных

Неудивительно, что такой коллайдер генерирует огромный поток данных. 15 000 000 ГБ, ежегодно получаемых детекторами LHC, ставят перед исследователями огромную задачу. Ее решением является вычислительная сеть, состоящая из компьютеров, каждый из которых способен самостоятельно анализировать фрагмент данных. Как только компьютер завершит анализ, он отправляет результаты на центральный компьютер и получает новую порцию.

Ученые из ЦЕРН решили сосредоточиться на использовании относительно недорогого оборудования для выполнения своих расчетов. Вместо приобретения передовых серверов и процессоров используется имеющееся оборудование, которое может хорошо работать в сети. При помощи специального ПО сеть компьютеров сможет хранить и анализировать данные каждого эксперимента.

Опасность для планеты?

Некоторые опасаются, что такой мощный коллайдер может представлять угрозу для жизни на Земле, в том числе участвовать в формировании черных дыр, «странной материи», магнитных монополий, радиации и т.д.

Ученые последовательно опровергают такие утверждения. Образование черной дыры невозможно, поскольку между протонами и звездами есть большая разница. «Странная материя» уже давно бы могла образоваться под действием космических лучей, и опасность этих гипотетических образований сильно преувеличена.

Коллайдер чрезвычайно безопасен: он отделен от поверхности 100-метровым слоем грунта, а персоналу запрещено находиться под землей во время проведения экспериментов.

Многие, уже, так или иначе, но слышали термин «Большой адронный коллайдер». Для простого обывателя из этих слов знакомо только слово «большой». Но что же это на самом деле? Да и можно ли простому смертному освоить этот физический термин.

Большой адронный коллайдер (БАК) представляет собой установку для опытов ученых-физиков с элементарными частицами. По формулировке, БАК является ускорителем заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона тяжелых ионов и протонов и изучения продуктов соударений . Иными словами, ученые сталкивают атомы, а потом смотрят, что из этого получилось.

В данное время – это самая крупная экспериментальная установка в мире. Размер этой установки можно сравнить с городом диаметром, почти в 27 километров, который находится на стометровой глубине. Эта установка находится недалеко от Женевы, а на ее строительство ушло 10 миллиардов долларов.

Одной из главных задач установки БАК (по утверждению ученых) является поиск бозона Хиггса. Опять же, простыми словами – это попытка найти частицу, которая отвечает за наличие массы.

Параллельно с этим, на коллайдере проводятся эксперименты по поиску:

— частиц вне «Стандартной модели»,

— магнитных монополей (частиц, обладающих магнитным полем),

— так же, проходит исследование квантовой гравитации и исследование микроскопических дыр.

Вот эти «микроскопические черные дыры» и не дают многим покоя. Причем волнуются не только те, для кого знакомство с физикой закончилось на школьной скамье, но и те, кто продолжает ее изучать на профессиональном уровне.

Что такое черная дыра известно всем и со школьной скамьи и по фантастическим рассказам и фильмам. Многие (в том числе и ученые) переживают, что подобные эксперименты, часть из которых построена для попытки воссоздания «большого взрыва» (после которого, по теории возникла вселенная) приведут к неизбежному краху всей планеты.

Ученые успокаивают, что никакой опасности от этих опытов и экспериментов нет. Но есть еще один факт, которые никогда не учитывают светила науки. Речь идет об оружии.

Каждый нормальный ученый, делая открытие или что-либо, изобретая – делает это с двумя целями. Первая цель помочь миру жить лучше, а вторая менее гуманная, но человеческая – это прославиться.

Но, почему-то все изобретения (без преувеличений), занимают свое место в создании орудий для убийства того же самого человечества и прославленных ученных. Даже такие открытия, которые для нас стали обывательскими (радио, механические двигатели, спутниковое телевидение и т.д.), не говоря уже об атомной энергии, прочно заняли свое место в «оборонке».

В 2016 году, в Подмосковье планируют запустить установку, подобную европейскому БАКу . Но только, российская установка, в отличие от «старшего брата», должна в реальности воссоздать «большой взрыв» в малых масштабах.

И кто даст гарантию, что соседствующая Москва (а с ней и Земля), не станет прародительницей новой «черной дыры» в огромной вселенной?