Бак коллайдер – Устройство большого адронного коллайдера, Схема работы адронного коллайдера, Адронный коллайдер 2009, Адронный коллайдер 2010

Содержание

Lenta.ru

Самый мощный в мире ускоритель заряженных частиц на встречных пучках

Самый мощный в мире ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, построенный Европейским центром по ядерным исследованиям (CERN) в подземном тоннеле протяженностью 27 километров на глубине 50-175 метров на границе Швейцарии и Франции. БАК был запущен осенью 2008 года, однако из-за аварии эксперименты на нем начались только в ноябре 2009 года, а на проектную мощность он вышел в марте 2010 года. Запуск коллайдера привлек внимание не только физиков, но и простых обывателей, поскольку в СМИ высказывались опасения по поводу того, что эксперименты на коллайдере могут привести к концу света. В июле 2012 года было объявлено об обнаружении при помощи БАК частицы, которая с высокой вероятностью представляла собой бозон Хиггса - его существование подтверждало правильность Стандартной модели строения вещества.

Предыстория

Впервые ускорители частиц стали использоваться в науке в конце 20-х годов XX века для исследования свойств материи. Первый кольцевой ускоритель, циклотрон, был создан в 1931 году американским физиком Эрнестом Лоуренсом (Ernest Lawrence). В 1932 году англичанин Джон Кокрофт (John Cockcroft) и ирландец Эрнест Уолтон (Ernest Walton) при помощи умножителя напряжения и первого в мире ускорителя протонов сумели впервые осуществить искусственное расщепление ядра атома: при бомбардировке лития протонами был получен гелий. Ускорители частиц работают за счет электрических полей, которые используются для ускорения (во многих случаях до скоростей, приближенных к скорости света) и удержания на заданной траектории заряженных частиц (например, электронов, протонов или более тяжелых ионов). Простейший бытовой пример ускорителей - это телевизоры с электронной лучевой трубкой [50], [34], [70], [71], [72].

Ускорители используются для разнообразных экспериментов, в том числе для получения сверхтяжелых элементов [24]. Для исследования элементарных частиц также используются коллайдеры (от collide - "столкновение") - ускорители заряженных частиц на встречных пучках, предназначенные для изучения продуктов их соударений. Ученые придают пучкам большие кинетические энергии. При столкновениях могут образоваться новые, ранее неизвестные частицы. Специальные детекторы призваны уловить их появление [71]. На начало 1990-х годов наиболее мощные коллайдеры действовали в США и Швейцарии [65]. В 1987 году в США недалеко от Чикаго был запущен коллайдер Тэватрон (Tevatron) с максимальной энергией пучка 980 гигаэлектронвольт (ГэВ). Он представляет собой подземное кольцо длиной 6,3 километра [28], [65], [50]. В 1989 году в Швейцарии под эгидой Европейского центра по ядерным исследованиям (CERN) был введен в эксплуатацию Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP). Для него на глубине 50-175 метров в долине Женевского озера был построен кольцевой тоннель длинной 26,7 километра, в 2000 году на нем удалось добиться энергии пучка в 209 ГэВ [64], [62], [46], [63].

В СССР в 1980-е годы был создан проект Ускорительно-накопительного комплекса (УНК) - сверхпроводящего протон-протонного коллайдера в Институте физики высоких энергий (ИФВЭ) в Протвино. Он превосходил бы по большинству параметров LEP и Тэватрон и должен был позволить разгонять пучки элементарных частиц с энергией 3 тераэлектронвольта (ТэВ). Его основное кольцо длиной 21 километр был построено под землей в 1994 году, однако из-за нехватки средств проект в 1998 году был заморожен, построенный в Протвино тоннель - законсервирован (были достроены только элементы разгонного комплекса), а главный инженер проекта Геннадий Дуров уехал на работу в США [26], [69], [54], [26], [40], [69], [27], [29]. По мнению некоторых российских ученых, если бы УНК был достроен и введен в строй, не было бы необходимости в создании более мощных коллайдеров [27], [40], [28]: высказывалось предположение, что для получения новых данных о физических основах мироустройства достаточно было преодолеть на ускорителях порог энергии в 1 ТэВ [53], [74]. Заместитель директора НИИ ядерной физики МГУ и координатор участия российских институтов в проекте создания Большого адронного коллайдера Виктор Саврин, вспоминая об УНК, утверждал: "Ну три тераэлектронвольта или семь. А там три тераэлектронвольта можно было довести до пяти потом" [40]. Впрочем, США тоже отказались от строительства собственного Сверхпроводимого суперколлайдера (SSC) в 1993 году, причем по финансовым соображениям [66], [17], [27].

Вместо строительства собственных коллайдеров физики разных стран решили объединиться в рамках международного проекта, идея создания которого зародилась еще в 1980-х годах [36], [23]. После окончания экспериментов на швейцарском LEP его оборудование было демонтировано, и на его месте начато строительство Большого адронного коллайдера (БАК, Large Hadron Collider, LHC) - самого мощного в мире кольцевого ускорителя заряженных частиц на встречных пучках, на котором будут сталкиваться пучки протонов с энергиями столкновения до 14 ТэВ и ионы свинца с энергиями столкновения до 1150 ТэВ [65], [26], [37], [64], [62], [46].

Цели эксперимента

Основной целью строительства БАК было уточнение или опровержение Стандартной модели - теоретической конструкции в физике, описывающей элементарные частицы и три из четырех фундаментальных взаимодействия: сильное, слабое и электромагнитное, за исключением гравитационного [37], [26]. Формирование Стандартной модели было завершено в 1960-1970-х годах, и все сделанные с тех пор открытия, по мнению ученых, описывались естественными расширениями этой теории [53], [58]. При этом Стандартная модель объясняла, каким образом взаимодействуют элементарные частицы, но не отвечала на вопрос, почему именно так, а не иначе [74].

  • Одной из главных задач БАК называли экспериментальное доказательство существования бозона Хиггса. Согласно Стандартной модели, бозон Хиггса фактически создает всю массу во Вселенной. Существование этой частицы было предсказано еще в 1960 году британским физиком Питером Хиггсом (Peter Higgs), однако до сооружения БАК ее не удавалось обнаружить экспериментально. При столкновении двух заряженных частиц на БАК они аннигилируются и выделяется энергия достаточная для "рождения" искомой частицы - бозона Хиггса [68], [37], [67], [36].
  • При помощи БАК физики, возможно, смогут ответить на вопрос, почему видимая материя составляет всего около 4 процентов Вселенной, в то время как остальная часть - это темная материя и "темная энергия", которые участвуют только в гравитационном взаимодействии [37], [36], [44].
  • При помощи БАК физики надеются лучше понять, что представляла из себя Вселенная в первые мгновения после Большого Взрыва [67], [31], [37], [34].
  • Ученые также рассчитывают ответить на другой важный вопрос, стоящий перед Стандартной моделью: почему в существующей Вселенной так мало антиматерии, хотя, теоретически, после Большого Взрыва антиматерии и материи должно было образоваться поровну? [67].
  • Возможно, БАК поможет доказать или опровергнуть теорию о том, что кроме привычных нам четырех измерений (пространства и времени) существуют и другие измерения, которые постулируются в "теории струн", описывающей явления, которые выходят за рамки Стандартной модели и ее более простых расширений [53], [56], [67].

Ученые отмечали, что если бы на БАК не удалось добиться открытия бозона Хиггса (в прессе его иногда называли "частицей бога" [26], [72], [36]) - это поставило бы под вопрос всю Стандартную модель, что потребовало бы полного пересмотра существующих представлений об элементарных частицах [52], [72], [68], [43], [37]. В то же время в случае подтверждения Стандартной модели некоторые области физики требовали дальнейшей экспериментальной проверки: в частности, нужно было доказать существование "гравитонов" - гипотетических частиц, отвечавших за гравитацию [52], [37], [26].

Технические особенности

БАК располагается в тоннеле, построенном для LEP. Большая его часть лежит под территорией Франции [37]. Тоннель содержит две трубы, которые почти на всей своей протяженности идут параллельно и пересекаются в местах расположения детекторов, в которых будут осуществляться столкновения адронов - частиц, состоящих из кварков (для столкновений будут использоваться ионы свинца и протоны). Разгоняться протоны начинают не в самом БАК, а во вспомогательных ускорителях. Пучки протонов "стартуют" в линейном ускорителе LINAC2, затем в ускорителе PS, после чего они попадают в кольцо супер протонного синхротрона (SPS) длинной 6,9 километра и уже после этого оказываются в одной из труб БАК, где еще в течение 20 минут им будет придана энергия до 7 ТэВ. Эксперименты с ионами свинца будут начинаться в линейном ускорителе LINAC3. Пучки удерживаются на траектории 1600 сверхпроводящими магнитами, многие из которых весят до 27 тонн. Эти магниты охлаждаются жидким гелием до сверхнизкой температуры: 1,9 градуса выше абсолютного нуля, холоднее открытого космоса [46], [71], [49], [43], [36], [34], [28], [73].

На скорости в 99,9999991 процента скорости света, совершая более 11 тысяч кругов по кольцу коллайдера в секунду, протоны будут сталкиваться в одном из четырех детекторов - наиболее сложных систем БАК [46], [39], [64], [43], [36], [71]. Детектор ATLAS предназначен для поиска новых неизвестных частиц, которые могут подсказать ученым пути поиска "новой физики", отличной от Стандартной модели. Детектор CMS предназначен для получения бозона Хиггса и исследования темной материи. Детектор ALICE предназначен для исследований материи после Большого Взрыва и поиска кварк-глюонной плазмы, а детектор LHCb будет исследовать причину превалирования материи над антиматерией и исследовать физику b-кварков [37], [72]. В будущем планируется ввести в строй еще три детектора: TOTEM, LHCf и MoEDAL [19], [74].

Для обработки результатов экспериментов на БАК будет использоваться выделенная распределенная компьютерная сеть GRID, способная передавать до 10 гигабит информации в секунду в 11 вычислительных центров по всему миру. Каждый год с детекторов будет считываться более 15 петабайт (15 тысяч терабайт) информации: суммарный поток данных четырех экспериментов может достигать 700 мегабайт в секунду [46], [64], [37], [45], [44]. В сентябре 2008 года хакерам удалось взломать веб-страницу CERN и, по их заявлениям, получить доступ к управлению коллайдером. Однако сотрудники CERN объяснили, что система управления БАК изолирована от интернета [32]. В октябре 2009 года по подозрению в сотрудничестве с террористами был арестован Адлен Ишор, который был одним из ученых работавших над экспериментом LHCb на БАК. Впрочем, как сообщило руководство CERN, Ишор не имел доступа к подземным помещениям коллайдера и не занимался ничем, что могло было заинтересовать террористов [15], [16]. В мае 2012 года Ишор был осужден на пять лет тюрьмы [4].

Стоимость и история строительства

В 1995 году стоимость создания БАК оценивалась в 2,6 миллиарда швейцарских франков без учета стоимости проведения экспериментов [36]. Планировалось, что эксперименты должны будут начаться через 10 лет - в 2005 году [64]. В 2001 году бюджет CERN был сокращен, а к стоимости строительства было добавлено 480 миллионов франков (общая стоимость проекта к тому времени составляла около 3 миллиардов франков), и это привело к тому, что пуск коллайдера был отложен до 2007 года [60]. В 2005 году при строительстве БАК погиб инженер: причиной трагедии стало падение груза с крана [55].

Запуск БАК переносился не только из-за проблем с финансированием. В 2007 году выяснилось, что поставленные Fermilab детали для сверхпроводящих магнитов не удовлетворяли конструкционным требованиям, из-за чего запуск коллайдера был перенесен на год [51].

10 сентября 2008 года в БАК был запущен первый пучок протонов [36]. Планировалось, что через несколько месяцев на коллайдере будут осуществлены первые столкновения [36], однако 19 сентября из-за дефектного соединения двух сверхпроводящих магнитов на БАК произошла авария: магниты были выведены из строя, в тоннель вылилось более 6 тонн жидкого гелия, в трубах ускорителя был нарушен вакуум. Коллайдер пришлось закрыть на ремонт. Несмотря на аварию 21 сентября 2008 года состоялась торжественная церемония введения БАК в строй. Первоначально опыты собирались возобновить уже в декабре 2008 года, однако затем дата повторного запуска была перенесена на сентябрь, а после - на середину ноября 2009 года, при этом первые столкновения планировалось провести лишь в 2010 году [26], [18], [25], [20]. Первые после аварии тестовые запуски пучков ионов свинца и протонов по части кольца БАК были произведены 23 октября 2009 года [13], [14]. 23 ноября в детекторе ATLAS были произведены первые столкновения пучков [12], а 31 марта 2010 года коллайдер заработал на полную мощность: в тот день было зарегистрировано столкновение пучков протонов на рекордной энергии в 7 ТэВ [10]. В апреле 2012 года была зафиксирована еще большая энергия столкновений протонов - 8 ТэВ [5].

В 2009 году стоимость БАК оценивалась от 3,2 до 6,4 миллиарда евро, что делало его самым дорогим научным экспериментом в истории человечества [36].

Международное сотрудничество

Отмечалось, что проект масштаба БАК не под силу создать одной стране [57]. Он создавался усилиями не только 20 государств-участников CERN: в его разработке принимали участие более 10 тысяч ученых из более чем ста стран земного шара [34], [25], [30]. С 2009 года проектом БАК руководит генеральный директор CERN Рольф-Дитер Хойер (Rolf-Dieter Heuer) [25]. В создании БАК принимает участие и Россия как член-наблюдатель CERN [26]: в 2008 году на Большом адронном коллайдере работало около 700 российских ученых, в их числе были сотрудники ИФВЭ [28], [27].

Между тем, ученые одной из европейских стран едва не лишились возможности принять участие в экспериментах на БАК. В мае 2009 года министр науки Австрии Йоханнес Хан (Johannes Hahn) заявил о выходе страны из CERN с 2010 года, объяснив это тем, что членство в CERN и участие в программе создания БАК слишком затратно и не приносит ощутимой отдачи науке и университетам Австрии. Речь шла о возможной ежегодной экономии примерно 20 миллионов евро, составлявших 2,2 процента бюджета CERN и около 70 процентов средств, выделяемых на австрийским правительством на участие в международных исследовательских организациях. Окончательное решение о выходе Австрия пообещала принять осенью 2009 года [22]. Впрочем, впоследствии австрийский канцлер Вернер Файман (Werner Faymann) заявил, что его страна не собирается уходить из проекта и CERN [21].

Слухи об опасности

В прессе циркулировали слухи о том, что БАК представляет опасность для человечества, поскольку его запуск может привести к концу света. Поводом стали заявления ученых о том, что в результате столкновений в коллайдере могут образоваться микроскопические черные дыры: сразу появились мнения о том, что в них может "засосать" всю Землю, и потому БАК является настоящим "ящиком Пандоры" [39], [38], [43], [41], [37]. Также высказывались мнения о том, что обнаружение бозона Хиггса приведет к бесконтрольному росту массы во Вселенной, а эксперименты по поиску "темной материи" могут привести к появлению "страпелек" (strangelets, перевод термина на русский язык принадлежит астроному Сергею Попову [43]) - "странной материи", которая при соприкосновении с обычной материей может превратить ее в "страпельку". При этом приводилось сравнение с романом Курта Воннегута (Kurt Vonnegut) "Колыбель для кошки", где вымышленный материал "лед-девять" уничтожил жизнь на планете [59], [43]. Некоторые издания, ссылаясь на мнения отдельных ученых, заявляли также о том, что эксперименты на БАК могут привести к появлениям "чревоточин" (wormholes) во времени, через которые в наш мир из будущего могут перенестись частицы или даже живые существа [33], [48]. Впрочем, оказалось, что слова ученых были искажены и неверно интерпретированы журналистами: изначально речь шла "о микроскопических машинах времени, при помощи которых путешествовать в прошлое смогут только отдельные элементарные частицы" [47], [48].

Ученые неоднократно заявляли о том, что вероятность подобных событий ничтожно мала. Была даже собрана специальная Группа оценки безопасности БАК, которая провела анализ и выступила с отчетом о вероятности катастроф, к которым могут привести эксперименты на БАК. Как сообщили ученые, столкновения протонов на БАК будут не опаснее, чем столкновения космических лучей со скафандрами космонавтов: они имеют иногда даже большую энергию, чем та, что может быть достигнута в БАК. А что касается гипотетических черных дыр, то они "рассосутся", не долетев даже до стенок коллайдера [39], [33], [43], [38], [41], [44].

Впрочем, слухи о возможных катастрофах все равно держали общественность в напряжении. На создателей коллайдера даже подавали в суд: самые известные иски принадлежали американскому юристу и врачу Вальтеру Вагнеру (Walter Wagner) и профессору химии из Германии Отто Ресслеру (Otto Rossler). Они обвиняли CERN в том, что своим экспериментом организация подвергают опасности человечество и нарушают гарантированное Конвенцией по правам человека "право на жизнь", однако иски были отклонены [44], [39], [41], [43], [28]. Пресса сообщала, что из-за слухов о скором конце света после запуска БАК в Индии покончила с собой 16-летняя девушка [35].

В русской блогосфере появился мем "скорее бы коллайдер", который можно перевести как "скорее бы конец света, невозможно больше смотреть на это безобразие" [42]. Популярностью пользовался анекдот "У физиков есть традиция - один раз в 14 миллиардов лет собираться и запускать коллайдер" [28].

Научные результаты

Первые данные экспериментов на БАК были опубликованы в декабре 2009 года [11]. 13 декабря 2011 года специалисты CERN заявили, что в результате исследований на БАК им удалось сузить границы вероятной массы бозона Хиггса до 115,5-127 ГэВ и обнаружить признаки существования искомой частицы с массой около 126 ГэВ [8], [9]. В том же месяце было впервые объявлено об открытии в ходе экспериментов на БАК новой частицы, не являвшейся бозоном Хиггса и получившей название χb (3P) [6], [7].

4 июля 2012 года руководство CERN официально заявило об обнаружении с вероятностью 99,99995 процента новой частицы в области масс около 126 ГэВ, которая, по предположениям ученых, скорее всего и была бозоном Хиггса. Этот результат руководитель одной из двух научных коллабораций, работавших на БАК, Джо Инкандела (Joe Incandela) назвал "одним из величайших наблюдений в этой области науки за последние 30-40 лет", а сам Питер Хиггс объявил обнаружение частицы "концом целой эры в физике" [3], [2], [1].

Будущие проекты

В 2013 году CERN планирует модернизировать БАК, установив на него более мощные детекторы и увеличив общую мощность коллайдера. Проект модернизации называют Супер большим адронным коллайдером (Super Large Hadron Collider, SLHC) [31]. Также планируется строительство Международного линейного коллайдера (International Linear Collider, ILC). Его труба будет длиной в несколько десятков километров, и он должен быть дешевле БАК за счет того, что в его конструкции не требуется применять дорогостоящие сверхпроводящие магниты. Строить ILC, возможно, будут в Дубне [28], [26], [61].

Также некоторые специалисты CERN и ученые США и Японии предлагали после окончания работы БАК начать работу над новым Очень большим адронным коллайдером (Very Large Hadron Collider, VLHC) [61], [74].

Использованные материалы


[1] Chris Wickham, Robert Evans. "It's a boson:" Higgs quest bears new particle. — Reuters, 05.07.2012

[2] Lucy Christie, Marie Noelle Blessig. Physique: decouverte de la "particule de Dieu"? — Agence France-Presse, 04.07.2012

[3] Dennis Overbye. Physicists Find Elusive Particle Seen as Key to Universe. — The New York Times, 04.07.2012

[4] Adlene Hicheur condamne a cinq ans de prison, dont un avec sursis. — L'Express, 04.05.2012

[5] Particle collider escalates quest to explore universe. — Agence France-Presse, 06.04.2012

[6] Jonathan Amos. LHC reports discovery of its first new particle. — BBC News, 22.12.2011

[7] Леонид Попов. На БАК поймана первая новая частица. — Membrana, 22.12.2011

[8] Stephen Shankland. CERN physicists find hint of Higgs boson. — CNET, 13.12.2011

[9] Paul Rincon. LHC: Higgs boson 'may have been glimpsed'. — BBC News, 13.12.2011

[10] Yes, we did it! — CERN Bulletin, 31.03.2010

[11] Richard Webb. Physicists race to publish first results from LHC. — New Scientist, 21.12.2009

[12] Press Release. Two circulating beams bring first collisions in the LHC. — CERN (cern.ch), 23.11.2009

[13] Particles are back in the LHC! — CERN (cern.ch), 26.10.2009

[14] First lead ions in LHC. — LHC Injection Tests (lhc-injection-test.web.cern.ch), 26.10.2009

[15] Charles Bremner, Adam Sage. Hadron Collider physicist Adlene Hicheur charged with terrorism. — The Times, 13.10.2009

[16] Dennis Overbye. French Investigate Scientist in Formal Terrorism Inquiry. — The New York Times, 13.10.2009

[17] What's left of the Superconducting Super Collider? — The Physics Today, 06.10.2009

[18] LHC to run at 3.5 TeV for early part of 2009-2010 run rising later. — CERN (cern.ch), 06.08.2009

[19] LHC Experiments Committee. — CERN (cern.ch), 30.06.2009

[20] Large Hadron Collider restart delayed till October. — The Associated Press, 20.06.2009

[21] Austria to stay in particle physics lab after all. — Reuters, 18.05.2009

[22] Geoff Brumfiel. Austria to quit CERN. — Nature News, 08.05.2009

[23] "Ускоритель" №22 за 30 марта 1989 г. оказался насыщенным интересными публикациями. — Протвино сегодня, 02.04.2009. — №13 (116)

[24] Чтобы синтезировать 117-й элементам, физикам из Дубны придется отложить отпуск. — Газета.Ru, 11.02.2009

[25] CERN management confirms new LHC restart schedule. — CERN (cern.ch), 09.02.2009

[26] Юрий Зайцев. Инаугурация сломанного. — РИА Новости, 21.10.2008

[27] Сергей Лесков. Русский коллайдер. — Известия, 10.10.2008

[28] Сергей Лесков. Конец света, Челентано и страшный коллайдер. — Известия, 19.09.2008

[29] Виктор Бейко. Протвинский коллайдер мог быть первым. — Известия, 17.09.2008

[30] Large Hadron Collider: thirteen ways to change the world. — The Telegraph, 16.09.2008

[31] Roger Highfield. Large Hadron Collider: Scientists plan upgrade to "Super LHC". — The Telegraph, 15.09.2008

[32] Mike Harvey, Mark Henderson. Hackers claim there’s a black hole in the atom smashers’ computer network. — The Times, 13.09.2008

[33] Roger Highfield. Time travellers from the future "could be here in weeks". — The Telegraph, 11.09.2008

[34] Graham Farmalo. The Big Bang: atom-smashing could uncover truth. — The Telegraph, 11.09.2008

[35] Girl suicide "over Big Bang fear". — BBC News, 11.09.2008

[36] Paul Rincon. "Big Bang" experiment starts well. — BBC News, 10.09.2008

[37] Самый дорогой, самый большой и самый сложный. — Независимая газета, 10.09.2008

[38] "Ящик Пандоры" открывается. — Вести.Ru, 09.09.2008

[39] Richard Gray. Legal bid to stop CERN atom smasher from "destroying the world". — The Telegraph, 09.09.2008

[40] Коллайдер в Протвино мог сделать постройку БАК ненужной, заявил ученый. — РИА Новости, 08.09.2008

[41] Tim Spanton. Boffins set to cause Big Bang. — The Sun, 08.09.2008

[42] Ольга Галкина. Эта музыка будет долго. — Газета (www.gzt.ru), 23.07.2008

[43] Артем Тунцов. Коллайдер миру не убийца. — Газета.Ru, 08.06.2008

[44] Some fear debut of powerful atom-smasher. — The Associated Press, 06.06.2008

[45] Jon Brodkin. Parallel Internet: Inside the Worldwide LHC computing Grid. — The Network World, 28.04.2008

[46] LHC the guide. — CERN (cern.ch), 03.03.2008

[47] О машине времени на Большом адронном ускорителе. — Да возвеличится Россия, да сгинут наши имена... (dobroslav.livejournal.com), 15.02.2008

[48] Ученые создают машину времени. — Взгляд, 07.02.2008

[49] AB OP SPS Operation Presentation. — CERN (cern.ch), 29.11.2007

[50] Wolfgang Gruener. Fermilab: Excursions into matter, space and time. — TG Daily, 27.08.2007

[51] Bursting magnets may delay CERN collider project. — Reuters, 05.04.2007

[52] В физике элементарных частиц грядет смена теорий. — CNews, 17.10.2006

[53] Дэвид Гросс. Грядущие революции в фундаментальной физике. — Публичные лекции фонда "Династия" (elementy.ru/lib/lections), 13.05.2006

[54] Серпуховской ускоритель: завершился очередной сеанс. — CNews, 14.12.2005

[55] Message from the Director-General. — CERN (cern.ch), 26.10.2005

[56] Alberto Guijosa. What is String Theory? — Alberto Guijosa Home Page (nuclecu.unam.mx/~alberto), 09.09.2004

[57] Юрий Медведев. Следствие по акту творения. — Российская газета, 29.10.2003

[58] За пределами Стандартной Модели. — Scientific.ru, 06.05.2003

[59] Frank Close. When worlds collide. — The Guardian, 14.02.2002

[60] Luciano Maiani. LHC Cost Review to Completion. — CERN (cern.ch), 16.10.2001

[61] James Glanz. Physicists Unite, Sort of, on Next Collider. — The New York Times, 10.07.2001

[62] Damian Carrington, Adrian Cho. LEP closes. — The New Scientist, 07.11.2000

[63] LEP shutdown postponed by one month. — CERN (cern.ch), 14.09.2000

[64] Peter Rodgers. CERN prepares for the LHC and beyond. — The Physics World, 01.05.2000

[65] Malcolm W. Brown. Budget Threatens Physics Project. — The New York Times, 19.05.1991

[66] The Behemoth and the Boson. — The New York Times, 21.03.1991

[67] Why the LHC. — CERN (cern.ch). — Версия от 06.04.2012

[68] Джим Уилсон. В поисках бозона Хиггса: Столкнуть и рассмотреть. — Популярная механика. — Декабрь, 2002

[69] Г. Дуров, Г. Дерновой. Протвинский Ускорительно-накопительный комплекс (УНК): Не затонувший флагман отечественной науки. — Наука и жизнь. — № 4, 1995

[70] Ann Parker. Remembering E. O. Lawrence. — Science & Technology Review. — October 2001

[71] How an accelerator works. — CERN (cern.ch). — Версия от 06.04.2012

[72] Joel Achenbach. At the Heart of All Matter. — National Geographic Magazine. — March 2008

[73] The accelerator complex. — CERN (cern.ch). — Версия от 06.04.2012

[74] Albert de Roeck. From LHC to SLHC, ILC and Beyond. — Nuclear Physics B - Proceedings Supplements. — Volume 184, November 2008, Pages 259-268

lenta.ru

LHC, БАК, адронный коллайдер - Знания по физике и не только

Большой адронный коллайдер (авт. Старощук Валерий, КИЕВ)

Ворона никогда не учила физики, но прекрасно её применяет на практике. Чтобы расколоть крепкий орешек, умная птица поднимается с ним на высоту пяти этажей и бросает на камни или асфальт. Падая с большой высоты, орех набирает скорость и разбивается от сильного удара. Вороне остаётся только собрать интересующие её кусочки.

  Атомы, из которых состоит орех, таким способом не разобьёшь, - нужна энергия намного больше. Физики придумали специальные ускорители, в которых частички вещества сначала разгоняют почти до скорости света, и только потом сталкивают друг с другом. В этом случае можно получить частички, из которых состоят все тела на земле, в том числе орех, ворона, журнал «Колосок» и мы с вами. Но даже ворона-экспериментатор  знает, что разлетающиеся кусочки ореха опасны, ведь они могут попасть в глаза.  Осколки атомов опаснее в миллионы раз! Разлетаясь на огромной скорости, они могут навредить здоровью человека и даже убить его, поэтому ускорители ученым приходится строить, глубоко под землёй. Самый мощный ускоритель в мире построен на границе Швейцарии и Франции в скалах на глубине 100 м и называется Большой адронный коллайдер, сокращенно БАК (LHC).

    Чтобы понять, зачем его сделали таким большим и так назвали, давайте сначала рассмотрим современную модель атома. Напомним,  - атом  очень маленький. На фото под микроскопом вы видите сломанный волос человека толщиной 0,08 мм. Получить такую толщину можно, если поставить в ряд примерно 250 тысяч атомов! Но мы знаем, что внутри атома находится  ядро, которое меньше самого атома примерно в 10 тысяч раз! Если ядро увеличить до размеров ореха, то в атом поместится футбольное поле! Самое удивительное, что почти вся масса атома сосредоточена в положительно заряженном ядре, а вокруг летают легкие, отрицательно заряженные электроны.

Рассмотрим ядро поближе. У всех атомов оно состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов (кроме атома Гидрогена, ядро которого состоит всего из одного протона). Изменяя количество протонов и нейтронов, мы можем получить все химические элементы таблицы Менделеева. Надо только помнить, что количество протонов определяют химические свойства атома. Например, стоит у ядра ртути забрать один протон, как это уже будет ядро золота. Но забрать или добавить протон оказалось делом сложным, и стоимость такого золота будет в раз в десять больше, чем полученного из золотой руды.

            Чтобы узнать из чего состоят протоны и нейтроны, ученые сталкивают частички друг с другом на большой скорости, и с помощью специальных датчиков ловят осколки. Как вы поняли эксперименты эти очень дорогие, и дома их не проведешь, поэтому в 1953 году 12 европейских стран подписали соглашение о создании Европейской организации по ядерным исследованиям ЦЕРН (CERN). Аббревиатура CERN произошла от фр. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (Европейский совет по ядерным исследованиям). В настоящее время число стран-членов возросло до 20. Кроме того, некоторые страны и международные организации имеют статус наблюдателя. В ЦЕРНе постоянно работают около 2500 человек, ещё около 8000 физиков и инженеров из 580 университетов и институтов из 85 стран участвуют в международных экспериментах ЦЕРНа и работают там временно, в том числе и ученые Украины.

   ЦЕРН находится на границе Швейцарии и Франции, вблизи Женевы. Территория ЦЕРНа состоит из двух основных площадок и нескольких более мелких. Большой комплекс зданий включает в себя рабочие кабинеты, лаборатории, производственные помещения, склады, залы для конференций, жилые помещения, столовые. Ускорительный комплекс расположен, как на поверхности (старые ускорители Linac, PS), так и под землёй на большой глубине до 100 метров (более современные SPS, LHC).


                Частицы разгоняют в несколько этапов. Сначала протоны или тяжелые ионы (например, атома свинца) разгоняют в линейных ускорителях Linac2, Linac3. Затем в ускорителе PS Booster их скорость становится еще больше, и они попадают в протонный суперсинхротрон (на схеме SPS, Super Proton Synchrotron). Впервые его запустили в 1971 году. Это кольцо диаметром 2 км, где частички разгоняются почти до скорости света, затем разделяются на два потока и запускаются навстречу друг другу в большое кольцо длиной 26,7км адронного коллайдера (на схеме LHC, Large Hadron Collider)!


                Всё кольцо коллайдера разделено на восемь равных секторов, на каждом из которых стоят в ряд магниты, управляющие движением пучка протонов. Под воздействием магнитного поля элементарные частицы не улетают прочь по касательной, а остаются внутри кольца.


Всего вдоль тоннеля установлено 1624 магнита. Их протяженность в общей сложности превышает 22 км, длина каждого магнита около 15 метров. Общий вес одного магнита более 27 тонн. На фото вы видите один из таких магнитов

                Для достижения требуемых величин напряженности магнитного поля магниты пришлось делать со сверхпроводящими обмотками. Их необходимо охладить до температуры 1,9 К (или -271,3 градуса по Цельсию). Это ниже, чем температура в открытом космическом пространстве (2,7 К или -270,5 градуса по Цельсию). На фото показано количество кабелей, которое пришлось бы применить, чтобы пропустить ток 12500 А (такой ток потребляют 42 тысячи лампочки на 60 Вт).  Чтобы охладить 36800 тонн конструкции и получить космический холод в земных условиях, для БАК пришлось создать мощнейшую криогенную систему, содержащую более 40000 герметичных сварных швов, и использующую 10000 тонн жидкого
азота и 130 тонн жидкого гелия. Теперь вы понимаете, почему коллайдер назвали большим!

         
      В четырех местах пучки из двух труб ускорителя пересекаются, и в этих местах происходит столкновение протонов с энергией, в 7 раз выше предыдущего рекорда, достигнутого на ускорителе Тэватрон в США. В точке столкновения протонов температура более чем в 100 тысяч раз выше, чем в центре Солнца, при том, что сверхпроводящие магниты  БАКе охлаждены до -271,3 градуса по Цельсию. Так что, можно сказать, БАК – это одновременно и самая горячая, и самая холодная машина в мире.

Столкновение двух частиц «лоб в лоб» – событие довольно редкое, так как частички очень маленькие. Когда пересекаются два пучка по 100 миллиардов частиц в каждом, сталкиваются всего 20 частиц. Но поскольку пучки пересекаются примерно 30 миллионов раз в секунду, ежесекундно может происходить 600 миллионов столкновений. Ученые всегда рады столкновениям, потому что  тогда, они могут увидеть не только из чего состоят частички, но и рождение новых частиц!

                При столкновении протонов во все стороны летят «брызги-осколки» – элементарные частицы, в среднем их рождается порядка 100 на каждое столкновение. В проекте предусмотрено, что в по тем же трубам будут ускорять не только протоны, но и ядра свинца: в этом случае при каждом столкновении ядер будет рождаться порядка 15000 новых частиц.

                Однако столкнуть две частицы «лоб в лоб» – это только половина дела. К сожалению, сегодня в распоряжении ученых нет прибора, который мог бы напрямую зарегистрировать, например, кварк-глюонную плазму (по современным представлениям нейтроны и протоны состоят из кварков, которые взаимодействуют с помощью глюонов (англ. gluon от glue — клей), которая исчезнет без следа через ничтожно короткий промежуток времени 10 в минус 23 степени секунды.

Вот так ученые представляют кварково-глюонную плазму, из которой рождаются разные частицы. О результатах эксперимента приходится судить по следам, оставленным частицами, родившимися в ходе эксперимента. Для регистрации частиц, которые образовались во время столкновения, были сконструированы специальные приборы – детекторы. Их шесть – ALICE (A Large Ion Collider Experiment), ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), CMS (Compact Muon Solenoid), LHCb (Yhe Large Hadron Collider beauty experiment), TOTEM (TOTal Elastic and diffraclive cross section Measurement) и LHCf (The Large Hadron Collider forward). На фото вы можете видеть следы полученных частиц во время столкновения в детекторе ALICE.

Чем же нам поможет такой огромный инструмент, как БАК?

Во-первых, он поможет воссоздать условия, при которых родились многие частички. Это важно, так как, зная всё о прошлом, можно лучше предсказать будущее.

Во-вторых, если обнаружат частичку бозон Хиггса, он поможет объединить все существующие теории взаимодействий в одну единую картину мироздания. Если её не обнаружат, то наши современные попытки объяснить мир с помощью Стандартной модели окажутся напрасными, и ученые начнут создавать новую теорию.

В-третьих, с помощью экспериментов на коллайдере открываются новые частицы и их свойства, о которых раньше и не думали. Например, до сих пор нет хорошего объяснения факта движения нейтрино со скоростью большей, чес скорость света из Швейцарии в Италию. В тысячах опытах теория относительности Эйнштейна подтверждалась, но не в этот раз.

В Церне впервые был создан интернет, как средство обмена данными многими институтами мира. Сейчас отрабатывается новая система GRID, которая будет в миллиарды раз мощнее по скорости обмена и сохранения информации.

А еще адронный коллайдер – это хорошая школа для молодых ученых со всего мира, которая позволяет не только обмениваться знаниями, но и проверять их на практике.

Я там бував, на площі Галілея стояв, чого і вам бажаю! 🙂

phys-exp.livejournal.com

БАК – большой адронный коллайдер — ЭНЭ

Научно-образовательная конференция учащихся «Преемственность поколений. Шатура-2009»
Область знаний: «Физика»
Тема: «БАК – большой адронный коллайдер».
Автор:Киреев Александр, учащийся 10 класса МОУ Коробовской СОШ с углубленным изучением отдельных предметов.
Руководитель: Чудин Николай Васильевич, учитель физики МОУ Коробовской СОШ с углубленным изучением отдельных предметов

Введение. БАК - большой адронный коллайдер

Прочитав в прессе и увидев по ТВ информацию о БАКе (Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider, LHC) ‑ ускоритель, предназначенный для разгона элементарных частиц (в частности, протонов). Находится на территории Франции и Швейцарии и принадлежит Европейскому совету по ядерным исследованиям. (Приложение 1). Я решил изучить этот вопрос поподробнее.

Идея сооружения Большого адронного коллайдера появилась в 1984 году, однако официально была одобрена лишь десять лет спустя. Строительство Большого адронного коллайдера началось в 2001 году, после завершения работы другого ускорителя ‑ Большого электрон‑позитронного коллайдера .

Цель: Изучить информацию о БАКе
Объект исследования: БАК
Предмет исследования: изучить информацию о БАКе и выяснить цель его применения

Основная часть

Большой адронный коллайдер располагается в туннеле с длиной окружности 26,7 км (том самом, который прежде занимал Большой электрон‑позитронный коллайдер) на глубине порядка от 0,05 до 0,17 км. В целях удержания и коррекции протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита, которые будут работать при температуре 1,9 градуса по шкале Кельвина (или же минус 271,3 градуса по шкале Цельсия, что лишь немногим превышает отметку абсолютного нуля). Предполагается, что скорость разогнанных протонов составит 0,999999998 от скорости света, а количество столкновений частиц, происходящих в ускорителе каждую секунду, достигнет 800 млн.

Специалисты надеются, что с помощью ускорителя смогут получить наиболее достоверную информацию о происхождении Вселенной.

Большой адронный коллайдер ‑ самая сложная экспериментальная установка и самый высокоэнергичный ускоритель элементарных частиц в мире. По своим параметрам он превосходит протон‑антипротонный коллайдер Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (Fermi National Accelerator Laboratory, штат Иллинойс, США) и релятивистский коллайдер тяжелых ионов Брукхейвенской национальной лаборатории (Brookhaven National Laboratory, штат Нью‑Йорк, США). Общая стоимость проекта, осуществляемого при активном содействии российских специалистов из Курчатовского института (Москва), Института теоретической и экспериментальной физики им. А.И.Алиханова (Москва), Института физики высоких энергий (Протвино, Московская обл.), Института ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН (Новосибирск) и прочих научно‑исследовательских учреждений, превышает 8 млрд долларов.

11 и 24 августа 2008 года на Большом адронном коллайдере прошли успешные предварительные испытания, а на 10 сентября 2008 года намечен его запуск.

История

Большой адронный коллайдер, БАК, - ускоритель частиц, благодаря которому физики смогут проникнуть так глубоко внутрь материи, как никогда ранее. Работы на коллайдере предполагается начать в 2007 году. Постепенно, шаг за шагом, эти открытия изменили нашу повседневную жизнь, подарив нам приемники, телевизоры, компьютеры, томографию, Интернет... Однако, в самом начале XXI века перед нами стоят новые вопросы, ответы на которые мы надеемся получить с помощью ускорителя БАК. И кто знает, развитие каких новых областей человеческих знаний повлекут за собой предстоящие исследования. Пока же наши знания о Вселенной недостаточны. Физики считают, что Вселенная возникла в результате, так называемого, "Большого взрыва" материи. Вначале все было сжато в очень маленьком объеме, не более песчинки. Все частицы, из которых сегодня состоит вещество, все вокруг нас и мы в том числе еще должны были сформироваться. Спустя 15 миллиардов лет Вселенная стала такой огромной, что даже свет проходит ее насквозь за миллионы лет. Сегодня мы живем в "холодной" Вселенной, где существуют четыре, вполне определенные силы, действующие на вещество: электромагнитное, сильное, слабое и гравитационное взаимодействия. В более раннем возрасте, когда Вселенная была "горячее", возможно, эти силы проявлялись одинаково.Физики, занимающиеся частицами, надеются создать единую теоретическую основу, чтобы доказать это, и некоторые успехи уже достигнуты в этом направлении. Физики смогли объединить две силы - электромагнитного и слабого взаимодействия - в единой теории в 1970 году. Эта теория, называемая "электрослабой", была подтверждена экспериментально в ЦЕРН несколько лет спустя, и проведенные исследования были удостоены Нобелевской премии. Две другие силы - гравитационное и сильное взаимодействия - остались вне этой теории. В дальнейшем удалось электрослабую теорию объединить с теорией сильного взаимодействия, и такая объединенная теория получила название Стандартной модели. Бесспорно эта теория - одно из выдающихся достижений человеческого разума XX столетия, но она оставляет пока многие проблемы нерешенными.

Модель БАК

В июле на границе Франции и Швейцарии бул запущен Большой адронный коллайдер, создававшийся на протяжении 14 лет. Это самый большой в мире ускоритель элементарных частиц. На глубине 100 метров по кольцу диаметром 27 километров заряженные частицы будут разгоняться почти до скорости света. (Приложение 2).

Будет воссоздана модель Большого взрыва, благодаря которому и появилась наша вселенная. Протонам предстоит столкнуться с невиданной доселе энергией – 14 терраэлектронвольт – в миллион раз больше, чем при единичном термоядерном синтезе (но всего в 1000 раз больше чем при сверхвысоких энергетических ливнях, происходящих в нашей атмосфере).Сталкиваясь, они образуют миллионы осколков, которые и предстоит исследовать. Кроме того, будут проводиться эксперименты с ядрами свинца, сталкивающимися при энергии 1150 ТэВ.Ускоритель БАК обеспечит новую ступень в ряду открытий частиц, которые начались столетие назад. Тогда ученые еще только обнаружили всевозможные виды таинственных лучей: рентгеновские, катодное излучение, - и -лучи. Откуда они возникают, одинаковой ли природы их происхождение и, если да, то какова она? Теперь у нас есть ответы на эти вопросы, позволяющие гораздо лучше понять происхождение Вселенной. Ускоритель БАК окружностью 27 км будет работать при температуре на 300° ниже комнатной - это холоднее, чем температура открытого космоса.

С их помощью ученые надеются значительно продвинуться в понимании, откуда появилась материя и время (очень оптимистические предположения). В большом адронном коллайдере физики хотят поймать бозон Хиггса, именуемый также “частицей Бога”. На теоретическом обосновании ее существования строятся все современные теории происхождения вселенной. Если “частицу Бога” не найдут, все аккуратно выведенные физиками законы окажутся всего лишь неверными гипотезами (вот только признают ли это в случае отрицательного результата).

Принцип работы

Почему элементарные частицы имеют массу? Почему их массы различны?

(Приложение 3). Так ли, что явно различные силы природы в действительности только проявление одной силы? По-видимому, во Вселенной не осталось больше антивещества. Почему? Проблема происхождения массы - самая обескураживающая. Удивительно, что это всем хорошо известное понятие и так мало изучено. Ответ, может быть, кроется в рамках Стандартной модели, в положении, которое называется механизмом Хиггса. Согласно ему, все пространство заполнено "хиггсовскими" полями. Частицы приобретают свои массы посредством взаимодействия с этими полями. Частицы, сильно взаимодействующие с хиггсовскими полями, - тяжелые, те же, которые взаимодействуют слабо, - легкие. Хиггсовское поле ассоциируется, по крайней мере, с одной новой частицей - хиггсовским бозоном. Если эта частица существует, ее смогут обнаружить с помощью ускорителя БАК. Самой популярной остается идея об объединении всех сил в единой теории, названной теорией суперсимметрии или SUSY, для краткости. Предполагается, следуя этой теории, что для каждой известной частицы существует суперсимметричный партнер. Если SUSY верна, эти суперсимметричные частицы должны быть найдены с помощью ускорителя БАК. Антивещество задает новую загадку, которую нам поможет разгадать ускоритель БАК. Естественно предположить, что во время рождения Вселенной, в момент "Большого взрыва", создалось одинаковое количество вещества и антивещества, однако сегодня мы живем во Вселенной, состоящей, по всей видимости, целиком из вещества. Куда же девалось антивещество? Сначала думали, что антивещество представляет собой только совершенное отображение вещества. Таким образом, если вы заместите вещество антивеществом и посмотрите на результат в зеркало, вы не обнаружите разницы. Однако мы теперь знаем, что отображение неадекватно, и это могло привести к дисбалансу вещества и антивещества. Ускоритель БАК явится прекрасным "зеркалом" для наблюдения антивещества, которое позволит нам подвергнуть Стандартную модель самому жесточайшему испытанию. Таким образом, существует, немало вопросов, ответы на которые могут быть найдены с помощью ускорителя БАК. Но история уже показала, что выдающиеся открытия в науке часто бывают непредсказуемы. Хотя у нас есть представление о том, что мы хотим найти с помощью Большого адронного коллайдера, Природа может преподнести нам очередной сюрприз. Так или иначе, он изменит наше миропонимание.Ускоритель БАК будет работать на основе эффекта сверхпроводимости, т.е. способности определенных материалов проводить электричество без сопротивления или потери энергии, обычно при очень низких температурах. Чтобы удержать пучок частиц на его кольцевом треке, необходимы более сильные магнитные поля, чем те, которые использова- лись ранее в других ускорителях ЦЕРН. Сверхпроводимость позволяет получить такие поля, но никогда ранее не строилась такая большая "сверхпроводящая" установка. Плодотворная научно-исследовательская работа, проведенная совместно с промышленностью, показала, что сооружение такой установки реально. Первое испытание целой опытной секции ускорителя в конце 1994 года явилось значительной вехой в осуществлении проекта. Так как БАК будет ускорять два пучка, двигающихся в противоположных направлениях, то реально они будут представлять два ускорителя в одном. Для того чтобы ускоритель по возможности был компактным и экономичным, магниты также разместят в едином "два-в-одном" корпусе. Ускоритель БАК будет встроен в тот же самый туннель, в котором работал коллайдер ЛЭП. Таким образом, его сооружение будет стоить гораздо дешевле, чем строительство подобного ускорителя на вновь отведенном участке. До введения протонных пучков в БАК их будут ускорять на уже существующих, последовательно соединенных ускорителях. Практика использования ускорителей, взаимосвязанных таким способом, сделала ЦЕРН самой многопрофильной фабрикой в мире по получению пучков частиц.

По мнению некоторых специалистов, существует отличная от нуля вероятность того, что процессы, сопровождающие эксперименты на ускорителе, выйдут из‑под контроля и приведут к цепной реакции, которая будет способна уничтожить всю планету. В связи с этим для ускорителя было придумано второе ‑ неофициальное ‑ наименование, имеющее прежнюю аббревиатуру: Последний адронный коллайдер (Last Hadron Collider, LHC).

По заверениям же исследователей, принимавших участие в реализации проекта, подобный вариант развития событий вряд ли представляется возможным.

Использование. Проблемы использования

Но Уолтера Вагнера и Луиса Санчо пугает не это. Ученые в своем любопытстве зашли слишком далеко. При столкновении частиц с такой энергией в ускорителе могут образоваться межвременные завихрения или Российские участники проекта говорят, что само появление подобных дыр почти невероятно. Но в любом случае их не стоит путать с астрономическими черными дырами. Со своей ничтожной массой рукотворные завихрения просуществуют меньше секунды. Узнать, была ли дыра, можно только изучив продукты распада фотонов.

По своему научному значению пуск коллайдера под Женевой намного превосходит даже полет на Луну. Над его созданием 14 лет работали ученые 40 стран. Размах исследований столь огромен, что предсказать результаты фактически невозможно. Физики уверены лишь в одном – они не изобретатели, а исследователи. То есть все то, что будет создано в ускорителе, уже существует миллиарды лет.

А вот как человечество распорядится открытиями, создаст атомную бомбу или электростанцию – вопрос даже не завтрашнего дня. Все передовые разработки созданы на теоретической базе 19 века (вот с этого и нужно начинать).

После первого пуска в июле еще год уйдет у ученых на настройку сложнейшей аппаратуры. Но уже сейчас начались международные переговоры о строительстве линейного ускорителя следующего поколения длиной пятьдесят километров. Среди пяти возможных площадок неплохие шансы имеет территория рядом с подмосковной Дубной. Правда, эти работы начнутся не раньше 2020 года. Проблемы с электричеством повлияли на систему охлаждения коллайдера. Работа останавливалась на день из-за мелких проблем с подачей напряжения на одном из узлов. В одном месте заменили транформатор, т.к. был отключен главный компрессор креогенной систем . В трубках по которым двигаются протоны, создан вакуум наподобие космического. Чтобы предотвратить протечки, инженеры отыскивают столь крохотные отверстия и трещины, что будь такое отверстие в автомобиле камере, она сдулась бы только через 10 тыс. лет.

Новый сбой произошел в работе БАК. Один из магнитов ускорителя вышел из сверхпроводящего в обычной состояние, а также произошла утечка гелия в тоннеле.

Группа хакеров взломала компьютерную систему CERN (Европейский центр ядерных исследований) организации, кодирующей проект БАК. Серьезного вреда коллайдеру однако хакеры не принесли. Кроме того, хакеры повредили один из файлов CERN. Сейчас он недоступен.

Заключение

Рабочая гипотеза: Если применять БАК, то это позволит учёным взглянуть на проблему создания истории вселенной по другому.

Метод исследования – описательный

Фантазия природы выглядит пока неограниченной, а её загадки – многоуровневыми. И эти загадки не придуманы кем-то искусственно, они настоящие, они вокруг нас. Вот ученым и хочется справиться хотя бы с кусочком вселенской головоломки, подняться её понимания.

Кому интересны частицы, которые живут мгновения, а потом снова распадаются? Эти нестабильные частицы – невидимая, но совершенно неотъемлемая часть нашего мира, заставляющая его крутиться, работать, жить. Уж так устроена природа – свойства самых разных частиц глубоко связанные друг с другом.

Изучение хиггсовского механизма натолкнет физиков на новую теорию нашего мира, более глубоко, чем стандартная модель.

За последние годы выдвинуто огромное число интересных и необычных идей относительно устройства нашего мира. Во время эксперимента эти теории можно либо опровергнуть, либо подтвердить.

Если микроскопические черные дыры смогут родиться на коллайдере, то они тут же будут, то они тут же будут распадаться и дыры просто не успеют начать поглощать.

Благодаря ему физики смогут проникнуть так глубоко внутрь материи, как никогда ранее, смоделировать большой взрыв в «лабораторных условиях».

Список литературы

wiki.laser.ru

Описание принципа работы Большого Адронного Колайдера (БАК) «для чайников»

Меня вчера попросили — «Объясни пожалуйста «на пальцах» принцип работы Большого Адронного Коллайдера.»

Объясняю «на пальцах»:

Представьте себе, что Вы нашли во время проведения археологических раскопок два артефакта (искусственно созданных объекта непонятного предназначения). Оба артефакта представляют собой металлические шары диаметром примерно по 10 сантиметров, внутри которых что-то «шуршит» («перемещается», «гудит» и т.д. Подберите самостоятельно слово, которое Вам понравится больше всего.) Любые попытки разбить оболочку результатов не дали. Попытки распила алмазными пилами, лазерным лучом, а также попытки расплавления оболочки также ни к чему не привели…

И вот Вы принимаете решение. Поставить две пушки навстречу друг другу, зарядить в них эти артефакты и одновременно выстрелить. Артефакты столкнутся в воздухе, оболочки их рассыпятся и их внутренности повыпадают на землю. Вы постараетесь собрать всё что останется после столкновения и проведете детальное исследование. Как считают современные «учёные», хороший исследователь действительно сможет восстановить не только ТОЧНОЕ состояние деталей до взрыва (невзирая на то, что далеко не всё будет найдено после столкновения), но и ПРЕДНАЗНАЧЕНИЕ данных артефактов и их ПРИНЦИП РАБОТЫ.

Вот и всё… Именно на таком принципе работает Большой Адронный Коллайдер…

Для справки:

Большой 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 тыс. учёных и инженеров из более чем 100 стран.

Большим назван 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; коллайдером (англ. collider — сталкиватель) — из-за того, что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках столкновения.

Бюджет проекта по состоянию на ноябрь 2009 года составил 6 млрд долл. — столько было инвестировано в строительство установки, которое продолжалось семь лет. Ускоритель частиц создавался под руководством ЦЕРН

www.krasnostup.com

Адронный коллайдер это ... - Физика - Каталог статей



Адронный коллайдер это ... 

Как  работает Большой Адронный Коллайдер.

Кому интерестно смотрите ниже!

Большой адро́нный колла́йдер (англ. Large Hadron Collider, LHC; сокр. БАК) — ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы. БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. Руководитель проекта — Лин Эванс. В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 000 учёных и инженеров из более чем 100 стран. Большим назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м; адронным — из-за того, что он ускоряет адроны, то есть частицы, состоящие из кварков; коллайдером (англ. collide — сталкиваться) — из-за того, что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках столкновения.


__________________________________________________________________


Детекторы и предускорители БАК


Траектория протонов p (и тяжёлых ионов свинца Pb) начинается в линейных ускорителях (в точках p и Pb, соответственно). Затем частицы попадают в бустер протонного синхротрона (PS), через него — в протонный суперсинхротрон (SPS) и, наконец, непосредственно в туннель БАК. Детекторы TOTEM и LHCf, отсутствующие на схеме, находятся рядом с детекторами CMS и ATLAS, соответственно.


__________________________________________________________________

Поставленные задачи.

В начале XX века в физике появились две основополагающие теории — общая теория относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна, которая описывает Вселенную на макроуровне, и квантовая теория поля, которая описывает Вселенную на микроуровне. Проблема в том, что эти теории несовместимы друг с другом. Например, для адекватного описания происходящего в чёрных дырах нужны обе теории, а они вступают в противоречие.Эйнштейн многие годы пытался разработать единую теорию поля, но безуспешно, поскольку игнорировал квантовую механику. В конце 1960-х 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. 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 было невозможно провести 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.



Карта с нанесённым на неё

 расположением Коллайдера

В ускорителе предполагается сталкивать 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 5,5 ГэВ (5,5×109 электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов. На начало 2010 года БАК уже несколько превзошел по энергии протонов предыдущего рекордсмена — протон-антипротонный коллайдер Тэватрон, который в настоящее время работает в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (США). В будущем, когда наладка оборудования будет завершена, БАК будет самым высокоэнергичным ускорителем элементарных частиц в мире, на порядок превосходя по энергии остальные коллайдеры, в том числе и релятивистский коллайдер тяжёлых ионов RHIC, работающий в Брукхейвенской лаборатории (США). Светимость БАК во время первого пробега составит всего 1029 частиц/см²·с. Это весьма скромная величина. Однако, после запуска БАК для экспериментальных исследований, светимость будет постепенно повышаться от начальной 5×1032 до номинальной 1,7×1034 частиц/см²·с, что по порядку величины соответствует светимостям современных B-фабрик BaBar (SLAC, США) и Belle (KEK, Япония). Выход на номинальную светимость планируется в 2010 году. 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. Россия принимает активное участие как в строительстве БАК, так и в создании всех детекторов, которые должны работать на коллайдере.


Процесс ускорения частиц в коллайдере.

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-бустер 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 направляют в главное 26,7-километровое кольцо, доводя энергию протонов до максимальных 7 ТэВ, и в точках столкновения детекторы фиксируют происходящие события. Два встречных пучка протонов при полном заполнении могут содержать 2808 сгустков каждый. На начальных этапах отладки процесса ускорения циркулируют лишь по одному сгустку в пучке длиной несколько сантиметров и небольшого поперечного размера. Затем начинают увеличивать количество сгустков. Сгустки располагаются в фиксированных позициях относительно друг друга, которые синхронно движутся вдоль кольца. Сгустки в определённой последовательности могут сталкиваться в четырёх точках кольца, где расположены детекторы частиц. 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 колоссальной скорости частиц, близкой к скорости света. Сгустки проходят полный круг ускорителя быстрее чем за 0,0001 сек, совершая, таким образом, свыше 10 000 оборотов в секунду.

 Потребление энергии.

Во время работы коллайдера расчётное потребление энергии составит 180 МВт. Предположительные энергозатраты всего CERNа на 2009 год с учётом работающего коллайдера — 1000 ГВт·ч, из которых 700 ГВт·ч придётся на долю ускорителя. Эти энергозатраты — около 10 % от суммарного годового энергопотребления кантона Женева. Сам CERN не производит энергию, имея лишь резервные дизельные генераторы.


   Вопросы безопасности Большого адронного коллайдера.

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.

Строительство.


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.

    19 ноября 2006 года закончено строительство специальной криогенной линии для охлаждения магнитов.
    27 ноября 2006 года установлен в туннеле последний сверхпроводящий магнит.

Понравилась статья? Тогда советуем ознакомиться со следующими:

ingenious.ucoz.ru

Большой адронный коллайдер - это... Что такое Большой адронный коллайдер?

Координаты: 46°14′00″ с. ш. 6°03′00″ в. д. / 46.233333° с. ш. 6.05° в. д. (G) (O)46.233333, 6.05

Большой 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 научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (ЦЕРН), на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы. БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. Руководитель проекта — Линдон Эванс. В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 тыс. учёных и инженеров из более чем 100 стран[1].

Большим назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м[2]; адронным — из-за того, что он ускоряет адроны, то есть тяжёлые частицы, состоящие из кварков; коллайдером (англ. collider — сталкиватель) — из-за того, что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках столкновения[3].

Детекторы и предускорители БАК
Траектория протонов p (и тяжёлых ионов свинца Pb) начинается в линейных ускорителях (в точках p и Pb, соответственно). Затем частицы попадают в бустер протонного синхротрона (PS), через него — в протонный суперсинхротрон (SPS) и, наконец, непосредственно в туннель БАК. Детекторы TOTEM и LHCf, отсутствующие на схеме, находятся рядом с детекторами CMS и ATLAS соответственно

Поставленные задачи[4][5]

Современное состояние в физике элементарных частиц

Карта с нанесённым на неё расположением Коллайдера

В конце 1960-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

Как сказано выше, СМ не может считаться окончательной теорией элементарных частиц. Она должна быть частью некоторой более глубокой теории строения микромира, той частью, которая видна в экспериментах на коллайдерах при энергиях ниже примерно 1 ТэВ. Такие теории коллективно называют «Новая физика» или «За пределами Стандартной модели». Главная задача Большого адронного коллайдера — получить хотя бы первые намеки на то, что это за более глубокая теория[6].

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

Топ-кварк — самый тяжёлый кварк и, более того, это самая тяжёлая из открытых пока элементарных частиц. Согласно последним результатам Тэватрона[7], 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

Диаграммы Фейнмана, показывающие возможные варианты рождения W- и Z-бозонов, которые в совокупности образуют нейтральный бозон Хиггса

Одной 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[8]. Сам бозон нестабилен и имеет большу́ю массу (более 120 ГэВ/c²). На самом деле, физиков интересует не столько сам бозон Хиггса, сколько хиггсовский механизм нарушения симметрии электрослабого взаимодействия.

Изучение кварк-глюонной плазмы

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

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

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[9]. Также рассматривается особый класс реакций — непосредственное взаимодействие двух фотонов, которые могут столкнуться как со встречным протоном, порождая типичные фотон-адронные столкновения, так и друг с другом.

В режиме ядерных столкновений, из-за большого электрического заряда ядра, влияние электромагнитных процессов имеет ещё большее значение.

Проверка экзотических теорий

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.

Другое

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).

Технические характеристики

Подземный зал, в котором смонтирован детектор ATLAS (октябрь 2004 года) Регистрация частиц, образовавшихся после столкновения в детекторе CMS

В ускорителе предполагается сталкивать 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. На начало 2010 года БАК уже несколько превзошел по энергии протонов предыдущего рекордсмена — протон-антипротонный коллайдер Тэватрон, который до конца 2011 года работал в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (США). Несмотря на то, что наладка оборудования растягивается на годы и ещё не завершена, БАК уже стал самым высокоэнергичным ускорителем элементарных частиц в мире, на порядок превосходя по энергии остальные коллайдеры, в том числе и релятивистский коллайдер тяжёлых ионов RHIC, работающий в Брукхейвенской лаборатории (США).

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 (англ.) (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.

Российские учёные принимали активное участие как в строительстве самого БАК, так и в создании всех работающих на нём детекторов[10].

Детекторы

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.

Детектор CMS

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[11].

С работой БАК связан также седьмой, совсем незначительный в плане бюджета и сложности, детектор (эксперимент) MoEDAL[12], 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.

Процесс ускорения частиц в коллайдере

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-бустер 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[13] направляют в главное 26,7-километровое кольцо, доводя энергию протонов до максимальных 7 ТэВ, и в точках столкновения детекторы фиксируют происходящие события. Два встречных пучка протонов при полном заполнении могут содержать 2808 сгустков каждый. На начальных этапах отладки процесса ускорения циркулируют лишь по одному сгустку в пучке длиной несколько сантиметров и небольшого поперечного размера. Затем начинают увеличивать количество сгустков. Сгустки располагаются в фиксированных позициях относительно друг друга, которые синхронно движутся вдоль кольца. Сгустки в определённой последовательности могут сталкиваться в четырёх точках кольца, где расположены детекторы частиц[14].

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[15].

Сгустки проходят полный круг ускорителя быстрее, чем за 0,0001 сек, совершая, таким образом, свыше 10 тыс. оборотов в секунду[16].

Потребление энергии

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 суммарного годового энергопотребления кантона Женева. Сам ЦЕРН не производит энергию, имея лишь резервные дизельные генераторы.

Вопросы безопасности

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[17].

Строительство и эксплуатация

27-километровый подземный тоннель, предназначенный для размещения ускорителя БАК

Строительство

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.

  • 19 ноября 2006 года закончено строительство специальной криогенной линии для охлаждения магнитов.
  • 27 ноября 2006 года в туннеле был установлен последний сверхпроводящий магнит.

Испытания и эксплуатация

2008 год
Детектор ATLAS, ноябрь 2006 года
  • 11 августа успешно завершена первая часть предварительных испытаний[18]. Во время испытаний пучок заряженных частиц прошёл чуть более трёх километров по одному из колец БАК.
  • 10 сентября был произведён официальный запуск коллайдера[19][20]. Запущенные пучки протонов успешно прошли весь периметр коллайдера по и против часовой стрелки[21].
  • 12 сентября команде БАК удалось запустить и непрерывно удерживать циркулирующий пучок. На этом задача по установлению циркулирующего пучка завершилась, и физики приступили к подробным тестам магнитной системы[22].
  • 19 сентября в ходе тестов магнитной системы сектора 3-4 (34) произошла авария, в результате которого БАК вышел из строя[23]. 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. Ремонт коллайдера занял остаток 2008 и б́ольшую часть 2009 годов.
  • 21 октября состоялась торжественная церемония официального открытия (инаугурация) БАК[24].
2009 год
  • 20 ноября, впервые после аварии 19 сентября 2008 года, пучок протонов успешно прошёл по всему кольцу коллайдера[25].
  • 29-30 ноября учёные довели энергию каждого из пучков протонов до значения 1180 ГэВ. Таким образом, БАК стал самым мощным ускорителем протонов в мире[26].
  • 9 декабря состоялись столкновения пучков протонов на достигнутой в конце ноября рекордной энергии — 2,36 ТэВ (= 2 × 1180 ГэВ)[27].
2010 год
  • 30 марта энергия пучка протонов доведена до 3,5 ТэВ, состоялись столкновения протонов с суммарной энергией 7 ТэВ[28]. Начался первый длительный сеанс научной работы БАК.
  • 4 ноября закончились эксперименты в 2010 году в режиме протон-протонных столкновений[29]. Коллайдер переведен в режим столкновения тяжёлых ионов (ионов свинца)[30][31]. Первые тестовые запуски ионных сгустков начались во второй половине дня[32].
  • 7 ноября начались и продолжались один месяц столкновения ядер с полной энергией 5,74 ТэВ[32].
2011 год
  • 22 апреля на БАК установлен мировой рекорд пиковой светимости для адронных коллайдеров — 4,67·1032 см−2·сек−1. Предыдущий рекорд был установлен ускорителем Тэватрон в 2010 году, тогда светимость составила 4,02·1032см−2·сек−1[33].
  • 17 июня светимость, набранная ATLAS и CMS за 2010—2011 годы, превысила 1 фбн−1[34][35].
  • В результате обработки данных эксперимента OPERA сообщается о возможном превышении мюонными нейтрино скорости света[36] (впоследствии выяснилось, что причиной ошибочного предположения о сверхсветовой скорости стал технический дефект)[37].
  • 15 ноября начата трёхнедельная программа столкновений ионов свинца.
2012 год
  • 16 марта протоны впервые разогнаны до энергии 4 ТэВ[38].
  • 4 июля коллаборации ATLAS и CMS объявили о нахождении бозона массой 125,3 ± 0,6 ГэВ. Характеристики этой частицы довольно точно соответствуют предсказанному ранее бозону Хиггса. Является ли эта частица бозоном Хиггса, остаётся под вопросом[39].
  • В сентябре были проведены пробные протон-ионные столкновения[40].
  • 15 ноября 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[41][42].
  • 17 декабря успешно завершён первый этап протонных столкновений[43][44].
Планы

В начале 2013 года планируется проведение серии протон-ионных столкновений[43][40].

В феврале 2013 года коллайдер будет остановлен для модернизации до конца 2014 года. Планируется увеличить энергию столкновения протонов с нынешних 7 ТэВ до 13 ТэВ и установить дополнительное оборудование на детекторах ALICE, ATLAS, CMS, LHCb. В 2015 году эксперименты будут продолжены. [43][45]

Планы развития

После того, как БАК выйдет на проектную энергию и светимость, планируется провести модернизацию каскада предварительных ускорителей, в первую очередь SPS, что позволит заметно повысить светимость коллайдера (проект Super-LHC)[46].

Также обсуждается возможность проведения столкновений протонов и электронов (проект LHeC)[47]. 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.

В планах на очень отдалённую перспективу обсуждается демонтаж БАК и использование освободившегося тоннеля и инфраструктуры для коллайдера нового поколения. Это могло бы повысить энергию на пучок протонов до 16ТэВ[48].

Распределённые вычисления

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 путем моделирования движения протонов в магнитном поле) задействован проект распределённых вычислений [email protected] Также рассматривалась возможность использования проекта [email protected] 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 [email protected] 2.0 (Test4Theory) производится моделирование столкновений пучков протонов с целью сопоставления полученных модельных и экспериментальных данных.

Научные результаты

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[49]:

  • открыт новый бозон с массой 125,3 ± 0,6 ГэВ, скорее всего являющийся бозоном Хиггса[50][51];
  • 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[52];
  • обнаружены необычные корреляции протонов, вылетающих в существенно разных направлениях[53];
  • получены ограничения на возможные контактные взаимодействия кварков[54];
  • получены более веские, по сравнению с предыдущими экспериментами[55], признаки возникновения кварк-глюонной плазмы в ядерных столкновениях[56];
  • исследованы события рождения адронных струй;
  • подтверждено существование топ-кварка, ранее наблюдавшегося только на Тэватроне;
  • обнаружено два новых канала распада Bs-мезонов[57][58], получены оценки вероятностей сверхредких распадов B- и Bs-мезонов на мюон-антимюонные пары[59][60][61];
  • открыты новые, теоретически предсказанные частицы [62], [63], и [64];
  • получены первые данные протон-ионных столкновений на рекордной энергии[40], обнаружены угловые корреляции, ранее наблюдавшиеся в протон-протонных столкновениях[65][66];
  • объявлено о наблюдении частицы Y(4140), ранее наблюдавшейся лишь на Тэватроне в 2009 г[41].

Также, были предприняты попытки обнаружить следующие гипотетические объекты[67]:

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)[73].

Финансирование проекта

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. 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. — столько было инвестировано в строительство установки, которое продолжалось семь лет. Ускоритель частиц создавался под руководством ЦЕРН. В проекте задействовано 700 специалистов из России. Общая стоимость заказов, которые получили российские предприятия, по некоторым оценкам достигает 120 млн долл.[76]

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.

В искусстве

В этом разделе не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
Эта отметка установлена 18 ноября 2012.
  • В книге фантаста Макса Острогина «Большая Красная Кнопка» рассказывается о наступлении апокалипсиса после включения на полную мощность Коллайдера
  • В ЦЕРН есть филк-группа Les Horribles Cernettes, аббревиатура которой совпадает с аббревиатурой БАК (LHC). Первая песня этого коллектива «Collider» была посвящена парню, который забыл о своей девушке, будучи увлечён созданием коллайдера.[77]
  • В в четвёртом сезоне научно-фантастического телесериала «Лексс» главные герои оказываются на Земле. Обнаруживается, что Земля относится к планетам «типа 13» на последней стадии развития. Планеты типа 13 всегда уничтожают себя сами, в результате войн или неудачного опыта по определению массы бозона Хиггса на сверхмощном ускорителе элементарных частиц.
  • В шестой серии тринадцатого сезона мультсериала «Южный парк» с помощью магнита из Большого адронного коллайдера была достигнута сверхсветовая скорость на конкурсе Дерби соснового леса (Pinewood Derby).
  • В фильме «Ангелы и демоны» антивещество из Большого адронного коллайдера было украдено, и похитители хотели взорвать с помощью него Ватикан.
  • В фильме «Конец света» (производство Би-би-си) последним из четырёх наиболее вероятных сценариев апокалипсиса являлся взрыв при запуске новейшего ускорителя элементарных частиц, повлекший за собой образование чёрной дыры.
  • В 13 серии 1 сезона научно-фантастического сериала «Одиссея 5» главные герои попадают в ЦЕРН, где местные учёные и сотрудники уверяют, что БАК полностью безопасен, основываясь на предварительных расчётах. Однако, как выяснилось позже, одна из форм киберразума взломала и проникла в главный компьютер ЦЕРН и подделала общие расчёты. Выяснив это, основываясь на новых верных расчетах, учёные выясняют, что появляется большая вероятность появления страпелек в коллайдере, что неизбежно приведёт к концу света.
  • В научно-популярном сериале «Жизнь после людей» через 5-10 лет после исчезновения людей коллайдер будет затоплен грунтовыми водами, а через 125 лет окончательно разрушится из-за коррозии. Остатки коллайдера станут кольцевым озером. Никакой опасности от коллайдера не будет, поскольку уже в первые дни после исчезновения людей отключится электроснабжение.[источник не указан 496 дней]
  • В фильме «Бросок кобры» с помощью БАКа заряжают боеголовки.[источник не указан 467 дней]
  • В сериале «Корабль» показываются катастрофические события после взрыва.
  • В визуальной новелле и аниме «Steins;Gate» несколько раз упоминался БАК.
  • В мультсериале «Футурама» профессор Фарнсворт покупает коллайдер в «Икее». Через некоторое время он заявляет: «Суперколлайдер супервзорвался».
  • В книге Джо Холдемана «Бесконечный мир» описывается в том числе процесс создания гигантского ускорителя, запуск которого должен привести к большому взрыву, который породит новую вселенную, уничтожив при этом существующую.
  • В компьютерной игре «Эврика!» одной из целей является возвращение БАКа на Землю.
  • В 2009 году Николай Полисский вместе с Никола-Ленивецкими промыслами сделал в центральном пространстве Музея современного искусства Люксембурга MUDAM инсталляцию из дерева и лозы, названную им «Большой адронный коллайдер»[78].
  • Адронный коллайдер можно построить в игре «Rise of Nations».
  • БАК упоминался в первой серии пятого сезона сериала Во все тяжкие.
Научно-популярные фильмы
  • «BBC: Машина Большого Взрыва» (англ. The Big Bang Machine) — научно-популярный фильм, Би-би-си, 2008 год.
  • «BBC. Horizon: Охота за бозоном Хиггса — спецвыпуск» / (англ. The Hunt for the Higgs — A Horizon Special) — научно-популярный фильм, 2012 год.
  • «Наука 2.0. Точка взаимодействия. ЦЕРН» — научно-популярный фильм, ВГТРК, 2012 год.

См. также

Примечания

Ссылки

Публикации и статьи
  Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН)
Большой адронный коллайдер
Большой электрон-позитронный коллайдер
LEP Список экспериментов на LEP · Aleph  · Delphi  · L3  · Opal  · LEP5  · LEP6
Протонный суперсинхротрон
SPS Список экспериментов на SPS  · CNGS  · NA48  · NA49  · NA58/COMPASS · NA60  · NA61/SHINE  · NA62  · UA1  · UA2
Протонный синхротрон
PS AD  · Бустер протонного синхротрона  · AIDA  · DIRAC  · ELENA  · ISOLDE  · ISOLTRAP  · MISTRAL  · WITCH
Линейные ускорители CTF3  · LINAC  · LINAC 2  · LINAC 3  · LINAC 4
Другие ускорители и эксперименты BEBC  · CAST  · CLOUD  · ISR  · LEAR  · LEIR  · n-TOF  · OSQAR  · PS210
Related [email protected]  · Вопросы безопасности Большого адронного коллайдера

dik.academic.ru

Большой адронный коллайдер бак большой адронный коллайдер



Большой адронный коллайдер

БАК

Большой адронный коллайдер

(англ. Large Hadron Collider, LHC) - ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, построенный в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (фр. Conseil Europйen pour la Recherche Nuclйaire, CERN).

Большой адронный коллайдер

построен с целью разгона частиц (протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца))и их столкновения для моделирования в уменьшенной версии "Большого взрыва" в результате которого предположительно возникла вселенная.

Слово коллайдер происходит от глагола collide — «сталкиваться, соударяться». БАК отличается от обычных ускорителей частиц именно тем, что они в нём будут сталкиваться.

Большим он называется потому, что это самый большой на данный момент ускоритель, построенный людьми; длина его окружности равна 27 километрам.



с какой стати его там и тут называют андронным.

Адроны — это элементарные частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, к которым относятся и ядерные силы. Их название происходит от греческого hadros — «толстый, большой».

Целью проекта LHC прежде всего является открытие бозона Хиггса — важнейшей из экспериментально не найденных частиц Стандартной Модели (СМ) — а также поиск явлений физики вне рамок СМ. Также большое внимание планируется уделить исследованиям свойств W и Z-бозонов, ядерным взаимодействиям при сверхвысоких энергиях, процессам рождения и распадов тяжёлых кварков (b и t).

В этой связи наиболее часто упоминается теоретическая возможность появления в коллайдере микроскопических черных дыр, а также теоретическая возможность образования сгустков антиматерии и магнитных монополей с последующей цепной реакцией захвата окружающей материи.

Почему тела имеют массу?

Ответить на этот вопрос Европейский Совет по ядерным исследованиям (ЦЕРН) планировал после запуска Коллайдера.



Учёные выдвигают гипотезу о том, что масса обычных частиц создается невидимым распространенным повсюду полем виртуальных частиц Хиггса. При столкновении частиц высоких энергий образуются бозоны Хиггса, и, возможно, благодаря механизму Хиггса появляется масса. На Коллайдере планировали пробовать найти микрочерные дыры, магнитные монополи, а также исследовать вероятность того, что любая известная фундаментальная частица обладает невидимым сверхсимметричным двойником.

Устройство LHC

С точки зрения научной задачи сам ускоритель выполняет только полдела — он лишь сталкивает частицы. Изучением результатов столкновения занимаются детекторы элементарных частиц — специальные многослойные установки, собранные вокруг точек столкновения. Иногда ускорителем называют тандем «ускоритель + детекторы»; в этом случае, если надо подчеркнуть, что речь идет именно об ускорителе, а не о детекторах, часто говорят «ускорительное кольцо».

Далее пойдёт речь именно об устройстве ускорительного кольца LHC.



LHC — циклический (то есть кольцевой) коллайдер; пучки протонов или ядер свинца циркулируют в нём непрерывно, совершая свыше 10 тысяч оборотов в секунду и сталкиваясь на каждом круге со встречным пучком.



На рисунке показана схема расположения основных элементов ускорительного кольца LHC.



Благодаря магнитному полю поворотных магнитов сгустки протонов не улетают прочь по касательной, а постоянно поворачиваются, оставаясь внутри ускорительного кольца.

Эти магниты формируют орбиту, вдоль которой движутся протоны. Кроме того, специальные фокусирующие магниты сдерживают поперечные колебания протонов относительно «идеальной» орбиты, не давая им задевать стенки довольно узкой (диаметром несколько сантиметров) вакуумной трубы.

Внутри ускорителя идут рядом друг с другом две вакуумные трубы, по которым циркулируют два встречных протонных пучка, каждый в своем направлении.



В точке 4 расположена ускорительная секция. Именно здесь протонные пучки при разгоне получают с каждым оборотом дополнительную энергию.

В точке 6 находится система сброса пучка. Здесь установлены быстрые магниты, которые в случае необходимости уводят пучки по специальному каналу прочь от ускорителя.

В точках 3 и 7 установлены системы чистки пучка; кроме того, эти места зарезервированы для возможных будущих экспериментов.

Протонные пучки попадают в LHC из предварительного ускорителя SPS. Линии передачи пучка (Tl2 и Tl8), соединяющие два этих кольцевых ускорителя вместе со специальными магнитами на каждом из них, составляют вместе инжекционный комплекс коллайдера LHC (от слова «инжекция» — впрыскивание пучка).

Поскольку на SPS пучок крутится только в одну сторону, инжекционный комплекс состоит из двух линий и имеет несимметричный вид. В ускорительное кольцо SPS протоны попадают из источника через цепочку еще меньших ускорителей.

Магнитная система LHC

Как и любое тело, сгусток элементарных частиц, предоставленный сам себе, будет двигаться прямолинейно и равномерно. Для того чтобы удерживать его на круговой траектории внутри ускорителя (а также поддерживать от падения вниз под действием силы тяжести), требуется постоянно воздействовать на пучок магнитным полем.

На LHC для управления пучками используется несколько тысяч магнитов разного назначения. Именно они являются самой важной (и самой дорогой) частью ускорителя.

Траекторией пучков управляют поворотные магниты, которые слегка разворачивают пролетающий сквозь них пучок и удерживают его внутри кольцевой вакуумной трубы.

Имеются также фокусирующие магниты, не дающие пучку расплыться, и разнообразные корректирующие магниты. В точках инжекции и сброса пучка установлены специальные быстрые магниты.

Инжекционный комплекс

Инжекционный комплекс — это сложное инженерное сооружение, работоспособность которого зависит не только от правильной настройки магнитной системы, но и от точной синхронизации ритма работы SPS и LHC.



Инжекция (то есть «впрыскивание») протонов в LHC происходит не непрерывно, а импульсами. Во время работы LHC линии передачи пустуют, а в предварительном ускорителе SPS накапливается очередная порция протонов. В конце каждого цикла работы LHC высокоэнергетический пучок сбрасывается, и коллайдер подготавливается к приему новой порции электронов. В течение нескольких минут следует серия импульсных включений и выключений быстрых магнитов на концах линии передачи протонов, в ходе которых протонные сгустки переводятся из SPS в LHC и один за другим выстраиваются на свои «позиции» в пучке, не мешая уже циркулирующим сгусткам.

Перед тем как попасть в SPS, протоны проходят через несколько ускорителей меньшего размера.

Вначале с помощью ионизации протоны добываются из газообразного водорода, затем их разгоняют до энергии 50 МэВ в линейном ускорителе и впрыскивают в бустер PSB. Там протоны разгоняются до энергии 1,4 ГэВ, переводятся в протонный синхротрон PS, ускоряются до 25 ГэВ и только после этого попадают в SPS. В нём они разгоняются до 450 ГэВ и инжектируются в LHC. Похожую последовательность ускорителей проходят и ядра свинца, правда в их случае есть специфика, связанная с нагревом и атомизацией свинцового образца и ионизацией атомов.

Ускорительная секция

Протоны впрыскиваются в LHC на энергии 0,45 ТэВ и ускоряются до 7 ТэВ уже внутри основного ускорительного кольца. Этот разгон происходит во время пролета протонов сквозь несколько резонаторов, установленных в точке 4.

Резонатор

представляет собой полую металлическую камеру сложной формы , внутри которой возбуждается стоячая электромагнитная волна с частотой колебаний примерно 400 МГц. Эффективное и однородное ускорение всего пучка переменным полем оказывается возможным благодаря тому, что весь пучок разбит на отдельные сгустки, следующие на строго определенном расстоянии друг за другом. Когда сгусток протонов пролетает сквозь резонатор, электромагнитное колебание находится как раз в такой фазе, чтобы электрическое поле вдоль оси пучка подталкивало протоны вперед.

Фаза колебания поля в резонаторе настроена так, что в момент пролета частиц электрическое поле не максимально, а нарастает. Так делается для того, чтобы автоматически выравнивать энергию ускоряемых частиц. Если какой-то протон случайно оказался более энергичным, чем соседи, он вырывается вперед и на следующем круге приходит в ускоряющую камеру с небольшим опережением. Из-за этого он получает чуть меньше добавочной энергии, чем остальные протоны. И наоборот, если протон случайно потерял немного энергии и оказался в хвосте своего сгустка, то при следующем пролете через ускорительную секцию он получил побольше энергии.

Это свойство сгустка частиц называется автофазировкой

Ускорение протонов с энергии инжекции 0,45 ТэВ до 7 ТэВ происходит довольно медленно, примерно за 20 минут. Скорость этого процесса ограничена вовсе не мощностью ускорительной секции, а скоростью усиления магнитного поля в поворотных магнитах — ведь оно должно расти синхронно с энергией частиц для того, чтобы удерживать их в вакуумной трубе неизменного радиуса.

Колебания электромагнитного поля в резонаторе порождают сильные токи, текущие по поверхности камеры. Для того чтобы избежать тепловых потерь энергии, резонаторы на LHC тоже работают в сверхпроводящем состоянии при температуре 4,5 К (–268,7°C). Впрочем, внутренняя поверхность резонатора не идеальна и неизбежно содержит маленькие дефекты, на которых выделяется тепло. Но поскольку резонаторы сделаны из меди, это тепло быстро отводится.

Система сброса пучка

Протонный пучок на полной энергии и интенсивности обладает большой разрушительной силой (представьте себе энергию летящего реактивного самолета, сфокусированную в поперечнике меньше миллиметра). В норме пучок циркулирует внутри вакуумной камеры и не задевает аппаратуру. Однако если в управляющей магнитной системе произойдет сбой или траектория пучка слишком сильно отклонится от расчетной, пучок станет опасен, и его нужно будет быстро сбросить. Кроме того, сброс ослабевшего пучка надо делать каждые несколько десятков часов и при нормальной работе ускорителя.

Система сброса пучка

Всем этим занимается специальная система сброса пучка

В ней размещены специальные быстрые магниты, которые при необходимости включаются в считанные микросекунды и слегка отклоняют пучок. В результате протоны сходят с круговой орбиты, затем пучок дефокусируется, по специальному каналу уходит прочь от ускорителя и в отдельном зале безопасно поглощается массивными карбон-композитными блоками (блоки от этого сильно нагреваются, но не плавятся).

Вакуумная и криогенная техника, система контроля и безопасности

Для того чтобы протонные пучки могли свободно циркулировать в LHC, внутри ускорительной трубы создан сверхглубокий вакуум. Давление остаточных газов составляет порядка

10–13 атм.

Однако даже при таком низком давлении время от времени происходит столкновение протонов с молекулами остаточного газа, что сокращает время «жизни пучка» до нескольких дней.

Несмотря на то что вакуумная труба небольшая, радиусом примерно 5 см, она очень длинная, так что полный объем, подлежащий вакуумированию, сопоставим с крупным зданием. Кроме того, из-за многочисленных контактов и соединений, а также из-за большой площади внутренней поверхности вакуумной камеры задача по поддержанию нужного вакуума оказывается очень непростой.

Криогенная система

Еще одной важной частью инфраструктуры ускорителя является криогенная система, охлаждающая ускорительное кольцо. Она поддерживает в поворотных магнитах (а также в некоторых других элементах) температуру 1,9 К (то есть –271,25°C), при которой сверхпроводник безопасно держит нужный ток и создает требуемое магнитное поле.

Для поддержания рабочей температуры ускорителя используется уникально высокая теплопроводность сверхтекучего гелия. По гелиевому каналу на LHC можно передавать киловатты теплового потока при перепаде температур всего 0,1 К на расстоянии в километр!

Криогенная система на LHC многоступенчатая. Для охлаждения используется 12 миллионов литров жидкого азота и почти миллион литров жидкого гелия. LHC в ходе работы будет потреблять 2-3 грузовика жидкого азота и порядка 500 литров жидкого гелия в день.

В точках 3 и 7 расположены устройства для «чистки» пучка. Когда протонный пучок движется внутри вакуумной трубы, то протоны колеблются в поперечной плоскости, и некоторые из них могут отклониться от идеальной траектории довольно далеко. Такие «блуждающие» протоны (на языке физиков — «гало пучка») могут задеть стенки вакуумной трубы или аппаратуру. Даже если это будет ничтожная доля от всего протонного пучка, они могут локально нагреть или даже повредить аппаратуру.

коллиматор

Система чистки пучка механическим образом отсекает гало пучка. Для этого в непосредственную близость к пучку (на расстояние всего пару миллиметров!) придвигаются массивные блоки — «челюсти» коллиматора. Они поглощают «блуждающие» протоны, но не мешают основной части пучка. Впрочем, «отсеченные» протоны тоже небезопасны — они сильно нагревают материал коллиматора, а также порождают на нём поток частиц более низкой энергии («вторичное гало»), которое тоже приходится отсекать вторичными коллиматорами.

Светимость коллайдера

Важной «инструментальной» характеристикой коллайдера является его светимость; чем она больше, тем чаще происходят столкновения частиц из встречных пучков. Светимость зависит от количества частиц в каждом пучке и от того, насколько плотно частицы собраны, то есть насколько хорошо пучок сфокусирован в точке столкновений.

Светимость L выражается в см–2·с–1. Для того чтобы узнать, как часто будет происходить какой-то процесс на данном коллайдере, надо умножить сечение процесса на светимость коллайдера. Например, при проектной светимости LHC, равной 1034 см–2·с–1, процесс рождения хиггсовского бозона с массой 200 ГэВ, имеющий сечение 20 pb (= 2·10–35 см2), будет происходить со средней частотой один раз в пять секунд.

Часто используют также интегральную светимость (или интеграл светимости), то есть светимость, умноженную на время работы ускорителя. Ее обычно выражают в обратных пикобарнах (pb–1) или обратных фемтобарнах (fb–1; 1 fb–1 = 1000 pb–1). Например, коллайдер со светимостью 1034 см–2·с–1, проработав в течение «стандартного ускорительного года» (10 миллионов секунд, что примерно равно четырем месяцам), наберет интегральную светимость 100 fb–1. Это значит, что какой-нибудь редкий процесс с сечением 1 fb, произойдет за это время примерно 100 раз (однако из-за неидеальной эффективности детектора количество реально зарегистрированных событий будет, конечно, меньше).

КРАТКИЕ ФАКТЫ

  • СКОРОСТЬ ПРОТОНОВ: 99,9999991% от скорости света

  • ЧИСЛО ПРОТОНОВ В СГУСТКЕ: до 100 млрд (1011)

  • ЧИСЛО СГУСТКОВ: до 2808

  • ЧИСЛО ПРОХОЖДЕНИЯ ПУЧКАМИ ПРОТОНОВ ЗОН ДЕТЕКТОРОВ: до 31 млн в секунду, в 4 зонах

  • ЧИСЛО СТОЛКНОВЕНИЙ ЧАСТИЦ ПРИ ПЕРЕСЕЧЕНИИ: до 20

  • ОБЪЕМ ДАННЫХ НА ОДНО СТОЛКНОВЕНИЕ: около 1,5 МБ

  • ЧИСЛО ЧАСТИЦ ХИГГСА: 1 каждые 2,5 секунды (при полной интенсивности пучка и согласно определенным предположениям о свойствах частиц Хиггса)



Варианты развития событий

  Существует несколько вариантов того, какие результаты будут получены на LHC:
  • Будет обнаружен лишь один хиггсовский бозон со свойствами, близкими к Стандартной модели, и больше ничего.

  • Будет обнаружен лишь один хиггсовский бозон, но со свойствами, заметно отличающимися от Стандартной модели, либо не будет найдено ни бозона Хиггса, ни других новых частиц.

  • Будут обнаружены новые частицы, которых нет в Стандартной модели.



Вариант 1

самый «пессимистический».

При нём Стандартная модель (СМ) окончательно достраивается, но накопившиеся вопросы относительно происхождения Стандартной модели ответа не получают. Широко распространено мнение, что при таком развитии событий не будет выделено финансирование на международный линейный электрон-позитронный коллайдер ILC, и развитие физики элементарных частиц на время застопорится.

Вариант 2

достаточно интересный.

Во многих теориях при подходящем наборе параметров возникает картина, подобная СМ, но со слегка отличным от СМ бозоном Хиггса. Измеренные на LHC свойства бозона укажут теоретикам направления дальнейшего развития теории. Если бозон Хиггса не будет обнаружен, то это значит, что нарушение электрослабой симметрии происходит за счет какого-то необычного механизма, и развитие получат бесхиггсовские теории.

С точки зрения эксперимента это будет не самый лучший вариант, так как все эти теории будут опять плохо проверяемы.

Вариант 3

самый интересный.

При таком развитии событий будет открыт новый глубинный «пласт» устройства нашего мира, и уже теоретикам придется напрячься, чтобы понять его. В этом случае есть все шансы на бурное развитие как экспериментальной, так и теоретической ФЭЧ.

rpp.nashaucheba.ru