Ilmaus "Large Hadron Collider" on juurtunut niin syvälle joukkoviestimiin, että valtava määrä ihmisiä tietää tästä laitoksesta, mukaan lukien ne, joiden toiminta ei liity mitenkään alkeishiukkasfysiikkaan ja tieteeseen yleensä.

Media ei todellakaan voinut jättää huomiotta niin laajamittaista ja kallista projektia - lähes 27 kilometriä pitkä rengasasennus, jonka hinta on kymmeniä miljardeja dollareita ja jonka kanssa työskentelee useita tuhansia tutkijoita eri puolilta maailmaa. . Merkittävän panoksen törmätimen suosioon antoi menestyksekkäästi mainostettu ns. "jumalahiukkanen" eli Higgsin bosoni, josta Peter Higgs sai Nobel palkinto fysiikassa vuonna 2013.

Ensinnäkin on huomattava, että Large Electron-positron Collider ei rakennettu tyhjästä, vaan se syntyi edeltäjänsä, Large Electron-positron Colliderin (Large Electron-positron Collider tai LEP) paikalle. Työt 27 kilometriä pitkällä tunnelilla aloitettiin vuonna 1983, johon suunniteltiin tulevaisuudessa sijoittavan kiihdytin, joka toteuttaisi elektronin ja positronien törmäyksen. Vuonna 1988 rengastunneli suljettiin, kun taas työntekijät lähestyivät tunnelia niin varovasti, että ero tunnelin kahden pään välillä oli vain 1 senttimetri.

Kiihdytin toimi vuoden 2000 loppuun asti, jolloin se saavutti huippuenergiansa 209 GeV. Sen jälkeen aloitettiin sen purkaminen. Yhdentoista työvuotensa aikana LEP on tuonut fysiikkaan useita löytöjä, mukaan lukien W- ja Z-bosonien löytäminen ja niiden lisätutkimukset. Näiden tutkimusten tulosten perusteella tehtiin johtopäätös sähkömagneettisten ja heikkojen vuorovaikutusten mekanismien samankaltaisuudesta, minkä seurauksena aloitettiin teoreettinen työ näiden vuorovaikutusten yhdistämiseksi sähköheikkoon.

Vuonna 2001 suuren hadronitörmäyttimen rakentaminen aloitettiin elektroni-positronikiihdyttimen paikalle. Uuden kiihdyttimen rakennustyöt valmistuivat vuoden 2007 lopussa. Se sijaitsi LEP:n paikalla - Ranskan ja Sveitsin rajalla, Genevejärven laaksossa (15 km Genevestä), sadan metrin syvyydessä. Elokuussa 2008 törmäimen testit aloitettiin ja LHC:n virallinen lanseeraus tapahtui 10. syyskuuta. Kuten edellisenkin kiihdytin, laitoksen rakentamista ja käyttöä johtaa Euroopan ydintutkimusjärjestö CERN.

CERN

Lyhyesti sanottuna on syytä mainita organisaatio CERN (Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire). Tämä organisaatio toimii maailman suurimpana korkean energian fysiikan laboratoriona. Se työllistää kolmetuhatta vakinaista työntekijää, ja CERN-hankkeisiin osallistuu useita tuhansia tutkijoita ja tiedemiehiä 80 maasta.

Tällä hetkellä hankkeeseen osallistuu 22 maata: Belgia, Tanska, Ranska, Saksa, Kreikka, Italia, Hollanti, Norja, Ruotsi, Sveitsi, Iso-Britannia - perustajat, Itävalta, Espanja, Portugali, Suomi, Puola, Unkari, Tšekki tasavalta, Slovakia, Bulgaria ja Romania - liittyivät. Kuitenkin, kuten edellä mainittiin, useat kymmenet maat osallistuvat jollain tavalla järjestön työhön ja erityisesti Large Hadron Collideriin.

Miten Large Hadron Collider toimii?

Mikä on Large Hadron Collider ja miten se toimii, ovat yleisiä kiinnostavia kysymyksiä. Pohditaanpa näitä kysymyksiä tarkemmin.

Collider (collider) - käännetty englannista tarkoittaa "se, joka työntää". Tällaisen asennuksen tehtävänä on hiukkasten törmäys. Hadronitörmätäjän tapauksessa hiukkasten roolia ovat hadronit - voimakkaaseen vuorovaikutukseen osallistuvat hiukkaset. Nämä ovat protoneja.

Protonien saaminen

Protonien pitkä polku on peräisin duoplasmatronista - kiihdyttimen ensimmäisestä vaiheesta, jossa vety tulee kaasun muodossa. Duoplasmatron on purkauskammio, jossa sähköpurkaus johdetaan kaasun läpi. Joten vety, joka koostuu vain yhdestä elektronista ja yhdestä protonista, menettää elektroninsa. Siten muodostuu plasma - aine, joka koostuu varautuneista hiukkasista - protoneista. Tietysti puhdasta protoniplasmaa on vaikea saada, joten edelleen muodostunut plasma, joka sisältää myös molekyyli-ionien ja elektronien pilven, suodatetaan protonipilven erottamiseksi. Magneettien vaikutuksesta protoniplasma niputetaan säteeksi.

Hiukkasten esikiihdytys

Äskettäin muodostunut protonisäde aloittaa matkansa LINAC 2 -lineaarikiihdytinässä, joka on 30 metrin rengas, johon on ripustettu peräkkäin useita onttoja sylinterimäisiä elektrodeja (johtimia). Kiihdyttimen sisällä syntyvä sähköstaattinen kenttä on asteittainen siten, että onttojen sylintereiden väliset hiukkaset kokevat aina kiihdyttävän voiman seuraavaa elektrodia kohti. Syventymättä kokonaan protonikiihtyvyyden mekanismiin tässä vaiheessa, huomaamme vain, että LINAC 2:sta poistuttaessa fyysikot saavat protoninsäteen, jonka energia on 50 MeV ja joka saavuttaa jo 31% valon nopeudesta. On huomionarvoista, että tässä tapauksessa hiukkasten massa kasvaa 5%.

Vuosiin 2019-2020 mennessä LINAC 2 on tarkoitus korvata LINAC 4:llä, joka kiihdyttää protoneja 160 MeV:iin.

On syytä huomata, että myös lyijy-ionit kiihtyvät törmätimessä, mikä mahdollistaa kvarkkigluoniplasman tutkimisen. Niitä kiihdytetään LINAC 3 -renkaassa, kuten LINAC 2:ssa. Jatkossa on suunnitteilla myös kokeita argonilla ja ksenonilla.

Seuraavaksi protonipaketit menevät protoni-synkroniseen tehostimeen (PSB). Se koostuu neljästä päällekkäisestä renkaasta, joiden halkaisija on 50 metriä ja joissa sähkömagneettiset resonaattorit sijaitsevat. Niiden luoma sähkömagneettinen kenttä on voimakas ja sen läpi kulkeva hiukkanen kiihtyy kenttäpotentiaalieron seurauksena. Joten vain 1,2 sekunnin kuluttua hiukkaset kiihtyvät PSB:ssä 91 prosenttiin valon nopeudesta ja saavuttavat 1,4 GeV:n energian, minkä jälkeen ne siirtyvät protonisynkrotroniin (PS). PS on halkaisijaltaan 628 metriä ja varustettu 27 magneetilla ohjaamaan hiukkassädettä ympyräradalle. Täällä hiukkasten protonit saavuttavat 26 GeV.

Toiseksi viimeinen kiihdyttävien protonien rengas on Superproton Synchrotron (SPS), jonka ympärysmitta on 7 kilometriä. 1317 magneetilla varustettu SPS kiihdyttää hiukkaset 450 GeV:n energiaan. Noin 20 minuutin kuluttua protonisäde tulee päärenkaaseen - Large Hadron Collider (LHC).

LHC:n hiukkasten kiihtyvyys ja törmäys

Kiihdyttimien renkaiden väliset siirtymät tapahtuvat sähkömagneettisten kenttien kautta, jotka syntyvät voimakkaita magneetteja. Päätörmäysrengas koostuu kahdesta yhdensuuntaisesta linjasta, joissa hiukkaset liikkuvat renkaan kiertoradalla vastakkaiseen suuntaan. Noin 10 000 magneettia vastaa hiukkasten ympyränmuotoisen liikeradan ylläpitämisestä ja niiden ohjaamisesta törmäyspisteisiin, joista osa painaa jopa 27 tonnia. Magneettien ylikuumenemisen välttämiseksi käytetään helium-4-piiriä, jonka läpi noin 96 tonnia ainetta virtaa -271,25 °C:n (1,9 K) lämpötilassa. Protonit saavuttavat 6,5 TeV:n (eli törmäysenergian 13 TeV) energian, kun taas niiden nopeus on 11 km/h pienempi kuin valon nopeus. Siten sekunnissa protoninsäde kulkee iso rengas törmäys 11 000 kertaa. Ennen kuin hiukkaset törmäävät, ne kiertävät renkaan ympärillä 5–24 tuntia.

Hiukkasten törmäys tapahtuu neljässä kohdassa LHC:n päärenkaassa, jossa on neljä ilmaisinta: ATLAS, CMS, ALICE ja LHCb.

Suuren hadronitörmätäjän ilmaisimet

ATLAS (Toroidaalinen LHC-laite)

on yksi Large Hadron Colliderin (LHC) kahdesta yleiskäyttöön tarkoitetusta ilmaisimesta. Hän tutkii monenlaista fysiikkaa Higgsin bosonin etsimisestä hiukkasiin, jotka voivat muodostaa pimeän aineen. Vaikka sillä on samat tieteelliset tavoitteet kuin CMS-kokeella, ATLAS käyttää erilaisia teknisiä ratkaisuja ja toinen magneettijärjestelmän rakenne.

LHC:n hiukkassäteet törmäävät ATLAS-ilmaisimen keskelle ja muodostavat vastaantulevia roskia uusien hiukkasten muodossa, jotka lentävät ulos törmäyspisteestä kaikkiin suuntiin. Kuusi erilaista ilmaisualijärjestelmää, jotka on järjestetty kerroksiin törmäyskohdan ympärille, tallentavat hiukkasten reitit, liikemäärän ja energian, jolloin ne voidaan tunnistaa yksilöllisesti. Valtava magneettijärjestelmä taivuttaa varautuneiden hiukkasten reittejä, jotta niiden liikemäärä voidaan mitata.

ATLAS-ilmaisimen vuorovaikutukset luovat valtavan määrän dataa. Näiden tietojen käsittelemiseksi ATLAS käyttää kehittynyttä "laukaisujärjestelmää", joka kertoo ilmaisimelle, mitkä tapahtumat tallennetaan ja mitkä ohitetaan. Sitten analysoidaksesi rekisteröityjä törmäystapahtumia, monimutkaiset järjestelmät tiedon kerääminen ja laskeminen.

Ilmaisimen korkeus on 46 metriä ja leveys 25 metriä, ja sen massa on 7 000 tonnia. Nämä parametrit tekevät ATLASista suurimman koskaan rakennetun hiukkasilmaisimen. Se sijaitsee tunnelissa 100 metrin syvyydessä lähellä CERNin päälaitosta, lähellä Meyrinin kylää Sveitsissä. Asennus koostuu 4 pääkomponentista:

• Sisäilmaisin on lieriömäinen, sisärengas on vain muutaman senttimetrin päässä ohi kulkevan hiukkassäteen akselista ja ulkorenkaan halkaisija on 2,1 metriä ja pituus 6,2 metriä. Se koostuu kolmesta eri anturijärjestelmästä, jotka on upotettu magneettikenttään. Sisäinen ilmaisin mittaa jokaisessa protoni-protoni törmäyksessä syntyvien sähköisesti varautuneiden hiukkasten suunnan, vauhdin ja varauksen. Sisäisen ilmaisimen pääelementit ovat: pikselidetektori (Pixel Detector), puolijohdeseurantajärjestelmä (Semi-Conductor Tracker, SCT) ja siirtymäsäteilyn seurantalaite (TRT).

• Kalorimetrit mittaavat energiaa, jonka hiukkanen menettää kulkiessaan ilmaisimen läpi. Se imee törmäyksen aikana ilmaantuvat hiukkaset ja kiinnittää siten niiden energian. Kalorimetrit koostuvat "absorboivan" materiaalin kerroksista korkea tiheys- lyijy, vuorotellen "aktiivisen väliaineen" kerrosten kanssa - nestemäinen argon. Sähkömagneettiset kalorimetrit mittaavat elektronien ja fotonien energiaa, kun ne ovat vuorovaikutuksessa aineen kanssa. Hadronikalorimetrit mittaavat hadronien energiaa vuorovaikutuksessa atomiytimien kanssa. Kalorimetrit voivat pysäyttää useimmat tunnetut hiukkaset, lukuun ottamatta myoneja ja neutriinoja.

LAr (Liquid Argon Calorimeter) - ATLAS-kalorimetri

• Muonispektrometri - koostuu 4000 yksittäisestä myonikammiosta, jotka käyttävät neljää eri tekniikkaa myonien tunnistamiseen ja niiden liikemäärän mittaamiseen. Muonit kulkevat yleensä sisäisen ilmaisimen ja kalorimetrin läpi, ja siksi tarvitaan myonispektrometri.

• ATLAS-magneettijärjestelmä taivuttaa hiukkasia ilmaisinjärjestelmien eri kerrosten ympärille, mikä helpottaa hiukkasten jälkien seuraamista.

ATLAS-kokeessa (helmikuussa 2012) työskentelee yli 3 000 tutkijaa 174 laitoksesta 38 maassa.

CMS (Compact Muon Solenoid)

on Large Hadron Colliderin (LHC) yleiskäyttöinen ilmaisin. Kuten ATLAS, sillä on laaja fysiikka-ohjelma vakiomallin (mukaan lukien Higgsin bosonin) tutkimisesta pimeän aineen muodostavien hiukkasten etsimiseen. Vaikka CMS:llä on samat tieteelliset tavoitteet kuin ATLAS-kokeella, CMS käyttää erilaisia ​​teknisiä ratkaisuja ja erilaista magneettijärjestelmän suunnittelua.

CMS-ilmaisin on rakennettu valtavan solenoidimagneetin ympärille. Se on suprajohtavan kaapelin lieriömäinen kela, joka tuottaa 4 Teslan kentän, joka on noin 100 000 kertaa Maan magneettikenttä. Kenttä rajaa teräksinen "kaulus", joka on ilmaisimen massiivisin komponentti, jonka massa on 14 000 tonnia. Koko ilmaisin on 21 m pitkä, 15 m leveä ja 15 m korkea. Kokoonpano koostuu 4 pääkomponentista:

• Solenoidimagneetti on maailman suurin magneetti, joka taivuttaa törmäyspisteestä lähtevien varautuneiden hiukkasten liikerataa. Ratavääristymä mahdollistaa positiivisesti ja negatiivisesti varautuneiden hiukkasten erottamisen (koska ne taipuvat vastakkaisiin suuntiin) sekä mittaamaan liikemäärää, jonka suuruus riippuu liikeradan kaarevuudesta. Solenoidin valtavan koon ansiosta voit sijoittaa seurantalaitteen ja kalorimetrit kelan sisään.
• Silicon tracker - koostuu 75 miljoonasta yksittäisestä elektronisesta anturista, jotka on järjestetty samankeskisiin kerroksiin. Kun varautunut hiukkanen lentää jäljittimen kerrosten läpi, se siirtää osan energiasta jokaiseen kerrokseen, ja näiden hiukkasten törmäyspisteiden yhdistäminen eri kerroksiin antaa sinun määrittää sen liikeradan tarkemmin.
• Kalorimetrit - elektroniset ja hadroniset, katso ATLAS-kalorimetrit.
• Aliilmaisimet - voit havaita myoneja. Edustaa 1 400 myonikammiota, jotka on järjestetty kerroksiin kelan ulkopuolelle vuorotellen "hamutin" metallilevyjen kanssa.

CMS-kokeilu on yksi suurimmista kansainvälisistä tieteellinen tutkimus historiassa, johon osallistuu 4 300 henkilöä: hiukkasfyysikot, insinöörit ja teknikot, opiskelijat ja tukihenkilöstö 182 oppilaitoksesta, 42 maasta (helmikuu 2014).

ALICE (suuri ionitörmätinkoe)

- on raskaan ionin ilmaisin Large Hadron Colliderin (LHC) renkaissa. Se on suunniteltu tutkimaan voimakkaasti vuorovaikutteisen aineen fysiikkaa äärimmäisillä energiatiheyksillä, joissa muodostuu aineen faasi nimeltä kvarkkigluoniplasma.

Kaikki tavallinen aine nykymaailmassa koostuu atomeista. Jokainen atomi sisältää ytimen, joka koostuu protoneista ja neutroneista (paitsi vetyä, jossa ei ole neutroneja), jota ympäröi elektronipilvi. Protonit ja neutronit puolestaan ​​koostuvat kvarkeista, jotka ovat sitoutuneet yhteen muiden hiukkasten, joita kutsutaan gluoneiksi, kanssa. Kvarkeja ei ole koskaan havaittu erikseen: kvarkit, samoin kuin gluonit, näyttävät olevan pysyvästi sitoutuneita toisiinsa ja rajoittuneen yhdistelmähiukkasten, kuten protonien ja neutronien, sisään. Tätä kutsutaan sulkemiseksi.

LHC:n törmäykset aiheuttavat yli 100 000 kertaa korkeampia lämpötiloja kuin Auringon keskustassa. Törmäyskone tarjoaa törmäyksiä lyijy-ionien välillä, mikä luo uudelleen samanlaiset olosuhteet kuin välittömästi alkuräjähdyksen jälkeen. Näissä äärimmäisissä olosuhteissa protonit ja neutronit "sulavat" vapauttaen kvarkit sidoksistaan ​​gluonien kanssa. Tämä on kvarkkigluoniplasma.

ALICE-kokeessa käytetään 10 000 tonnin ALICE-ilmaisinta, joka on 26 metriä pitkä, 16 metriä korkea ja 16 metriä leveä. Laite koostuu kolmesta pääkomponenttisarjasta: seurantalaitteet, kalorimetrit ja hiukkastunnistimet. Se on myös jaettu 18 moduuliin. Ilmaisin sijaitsee tunnelissa 56 metrin syvyydessä lähellä Saint-Denis-Pouillyn kylää Ranskassa.

Kokeessa on yli 1000 tutkijaa yli 100 fysiikan instituutista 30 maassa.

LHCb (Large Hadron Collider -kauneuskoe)

Kokeessa tutkitaan pieniä eroja aineen ja antiaineen välillä tutkimalla hiukkastyyppiä, jota kutsutaan "kauneuskvarkiksi" tai "b-kvarkiksi".

Sen sijaan, että se ympäröi koko törmäyskohtaa suljetulla ilmaisimella, kuten ATLAS:lla ja CMS:llä, LHCb-kokeessa käytetään alitunnistimien sarjaa pääosin eteenpäin suuntautuvien hiukkasten havaitsemiseen – ne, jotka suuntautuivat eteenpäin törmäyksen seurauksena yhteen suuntaan. Ensimmäinen osatunnistin asennetaan lähelle törmäyspistettä ja loput peräkkäin 20 metrin etäisyydellä.

LHC:ssä syntyy suuri määrä erilaisia ​​kvarkeja ennen kuin ne hajoavat nopeasti muihin muotoihin. B-kvarkkien sieppaamiseksi LHCb:lle kehitettiin monimutkaisia ​​liikkuvan seurantailmaisimia, jotka sijaitsevat lähellä hiukkassäteen liikettä törmäimen läpi.

5600 tonnin LHCb-detektori koostuu suorasta spektrometristä ja litteistä ilmaisimista. Se on 21 metriä pitkä, 10 metriä korkea ja 13 metriä leveä ja sijaitsee 100 metriä maan alla. Noin 700 tutkijaa 66 eri instituutista ja yliopistosta on mukana LHCb-kokeessa (lokakuu 2013).

Muita kokeita törmätäjällä

Yllä olevien kokeiden lisäksi Large Hadron Colliderissa on kaksi muuta koetta asetuksilla:

• LHCf (Large Hadron Collider eteenpäin)- tutkii hiukkassäteiden törmäyksen jälkeen eteenpäin lentäviä hiukkasia. Ne jäljittelevät kosmisia säteitä, joita tutkijat tutkivat osana koetta. Kosmiset säteet ovat luonnostaan ​​varautuneita hiukkasia ulkoavaruudesta, jotka jatkuvasti pommittavat maapallon ilmakehää. Ne törmäävät yläilmakehän ytimiin aiheuttaen hiukkaskaskadin, joka saavuttaa maanpinnan. Sen tutkiminen, kuinka LHC:n sisällä tapahtuvat törmäykset tuottavat tällaisia ​​hiukkaskaskadeja, auttaa fyysikoita tulkitsemaan ja kalibroimaan laajamittaisia ​​kosmisen säteen kokeita, jotka voivat ulottua tuhansia kilometrejä.

LHCf koostuu kahdesta ilmaisimesta, jotka sijaitsevat LHC:tä pitkin 140 metrin päässä toisistaan ​​ATLAS-törmäyspisteen molemmilla puolilla. Kumpikin ilmaisimista painaa vain 40 kiloa ja on 30 cm pitkä, 80 cm korkea ja 10 cm leveä. LHCf-kokeeseen osallistuu 30 tutkijaa 9 laitoksesta viidestä maasta (marraskuu 2012).

• TOTEM (kokonaispoikkileikkaus, elastinen sironta ja diffraktiodissosiaatio)– kokeile pisintä asennusta törmäyskoneeseen. Sen tehtävänä on tutkia itse protoneja mittaamalla tarkasti pienen kulman törmäysten tuottamat protonit. Tämä alue tunnetaan "eteenpäin"-suunnana, eikä se ole muiden LHC-kokeiden käytettävissä. TOTEM-ilmaisimet ulottuvat lähes puoli kilometriä CMS-vuorovaikutuspisteen ympärille. TOTEMilla on lähes 3 000 kg laitteita, mukaan lukien neljä ydinteleskooppia sekä 26 roomalaista pottidetektoria. Jälkimmäinen tyyppi mahdollistaa ilmaisimien sijoittamisen mahdollisimman lähelle hiukkassädettä. TOTEM-kokeeseen osallistuu noin 100 tutkijaa 16 instituutista 8 maassa (elokuu 2014).

Miksi Large Hadron Collider tarvitaan?

Suurin kansainvälinen tieteellinen installaatio tutkii monenlaisia ​​fyysisiä ongelmia:

• Huippukvarkkien tutkimus. Tämä hiukkanen ei ole vain raskain kvarkki, vaan myös raskain alkuainehiukkanen. Huippukvarkin ominaisuuksien tutkiminen on järkevää myös siksi, että se on tutkimusväline.
• Higgsin bosonin etsintä ja tutkimus. Vaikka CERN väittää, että Higgsin bosoni on jo löydetty (vuonna 2012), sen luonteesta tiedetään toistaiseksi hyvin vähän ja lisätutkimukset voisivat tuoda lisää selkeyttä sen toimintamekanismiin.

• Kvarkkigluoniplasman tutkimus. Kun lyijyytimet törmäävät suurilla nopeuksilla, se muodostuu törmäimessä. Sen tutkimus voi tuoda hyödyllisiä tuloksia sekä ydinfysiikkaan (vahvojen vuorovaikutusten teorian parantaminen) että astrofysiikkaan (universumin tutkiminen sen ensimmäisillä hetkillä).
• Etsi supersymmetriaa. Tämän tutkimuksen tarkoituksena on kumota tai todistaa "supersymmetria" - teoria, jonka mukaan kaikilla alkuainehiukkasilla on raskaampi kumppani, jota kutsutaan "superpartikkeliksi".
• Fotoni-fotoni- ja fotoni-hadron-törmäysten tutkiminen. Se parantaa tällaisten törmäysten prosessien mekanismien ymmärtämistä.
• Eksoottisten teorioiden testaus. Tämä tehtäväluokka sisältää epätavanomaisimman - "eksoottisimman", esimerkiksi rinnakkaisten universumien etsimisen luomalla mini-mustia reikiä.

Näiden tehtävien lisäksi on monia muita, joiden ratkaisulla ihmiskunta pystyy ymmärtämään luontoa ja ympäröivää maailmaa paremmalla tasolla, mikä puolestaan ​​avaa mahdollisuuksia uusien teknologioiden luomiseen.

Large Hadron Colliderin käytännön edut ja perustiede

Ensinnäkin on huomattava, että perustutkimus edistää perustieteitä. Soveltava tiede harjoittaa tämän tiedon soveltamista. Se osa yhteiskuntaa, joka ei ole tietoinen perustieteen eduista, ei useinkaan pidä Higgsin bosonin löytämistä tai kvarkkigluoniplasman luomista merkittävänä asiana. Tällaisten opintojen yhteys tavallisen ihmisen elämään ei ole ilmeinen. Harkitse lyhyt esimerkki ydinvoimalla:

Vuonna 1896 ranskalainen fyysikko Antoine Henri Becquerel löysi radioaktiivisuuden ilmiön. Pitkään uskottiin, että ihmiskunta ei pian siirtyisi teolliseen käyttöön. Vain viisi vuotta ennen kaikkien aikojen ensimmäisen ydinreaktorin käynnistämistä loistava fyysikko Ernest Rutherford, joka todella löysi atomiydin vuonna 1911, sanoi, että atomienergia ei koskaan löytäisi käyttöä. Asiantuntijat onnistuivat harkitsemaan uudelleen suhtautumistaan ​​atomin ytimen sisältämään energiaan vuonna 1939, kun saksalaiset tiedemiehet Lisa Meitner ja Otto Hahn havaitsivat, että neutroneilla säteilytettynä uraaniytimet jakautuvat kahteen osaan vapauttaen valtavan määrän energia - ydinenergia.

Ja vasta tämän viimeisen linkin jälkeen perustutkimussarjassa tuli peliin soveltava tiede, joka näiden löytöjen perusteella keksi laitteen ydinenergian tuottamiseksi - atomireaktorin. Löydön laajuutta voidaan arvioida tarkastelemalla ydinreaktoreiden sähköntuotannon osuutta. Joten esimerkiksi Ukrainassa 56 prosenttia sähköntuotannosta kohdistuu ydinvoimaloihin ja Ranskassa 76 prosenttia.

Kaikki uudet teknologiat perustuvat tiettyyn perustietoon. Tässä vielä pari lyhyttä esimerkkiä:

• Vuonna 1895 Wilhelm Konrad Roentgen huomasi, että valokuvalevy tummuu röntgensäteiden vaikutuksesta. Radiografia on nykyään yksi lääketieteen käytetyimmistä tutkimuksista, jonka avulla voit tutkia sisäelinten tilaa ja havaita tulehduksia ja turvotusta.
• Vuonna 1915 Albert Einstein ehdotti omaa. Nykyään tämä teoria otetaan huomioon GPS-satelliittien toiminnassa, jotka määrittävät kohteen sijainnin muutaman metrin tarkkuudella. GPS:ää käytetään matkapuhelinviestinnässä, kartografiassa, ajoneuvojen valvonnassa, mutta ensisijaisesti navigoinnissa. Yleistä suhteellisuusteoriaa huomioimattoman satelliitin virhe kasvaisi 10 kilometriä päivässä laukaisuhetkestä alkaen! Ja jos jalankulkija osaa käyttää mieltään ja paperikarttaa, niin matkustajakoneen lentäjät joutuvat vaikeaan tilanteeseen, koska on mahdotonta navigoida pilvien kautta.

Jos tänään LHC:ssä tehtyjen löydösten käytännön sovellusta ei ole vielä löydetty, tämä ei tarkoita sitä, että tutkijat "höpöttävät törmätimen ympärillä turhaan". Kuten tiedät, järkevä ihminen pyrkii aina saamaan mahdollisimman paljon käytännön sovellusta saatavilla olevasta tiedosta, ja siksi LHC:n tutkimusprosessissa kertynyt luontotieto löytää varmasti käyttöönsä ennemmin tai myöhemmin. Kuten edellä on jo osoitettu, perustavanlaatuisten löytöjen ja niitä käyttävien teknologioiden välinen yhteys ei toisinaan ole ollenkaan ilmeinen.

Lopuksi huomioimme niin sanotut epäsuorat löydöt, joita ei ole asetettu tutkimuksen alkuperäisiksi tavoitteiksi. Ne ovat melko yleisiä, koska perustavanlaatuiset löydöt edellyttävät yleensä uusien teknologioiden käyttöönottoa ja käyttöä. Joten optiikan kehitys sai sysäyksen avaruuden perustutkimuksesta, joka perustui tähtitieteilijöiden kaukoputken kautta tekemiin havaintoihin. CERNin tapauksessa syntyi kaikkialla läsnä oleva tekniikka - Internet, Tim Berners-Leen vuonna 1989 ehdottama projekti helpottaakseen CERN-tietojen hakua.

Muutama vuosi sitten minulla ei ollut aavistustakaan, mitkä hadronin törmäajat, Higgs Boson, ja miksi tuhannet tiedemiehet ympäri maailmaa työskentelevät valtavalla fyysisellä kampuksella Sveitsin ja Ranskan rajalla hautaamalla miljardeja dollareita maahan.
Sitten minulle, kuten myös monille muille planeetan asukkaille, ilmaisu Large Hadron Collider, tieto siinä valonnopeudella törmäävistä alkuainehiukkasista ja yhdestä viime aikojen suurimmista löydöistä, Higgsin bosonista, tuli tutuksi.

Ja niin minulla oli kesäkuun puolivälissä tilaisuus nähdä omin silmin, mistä niin paljon puhutaan ja mistä niin monia ristiriitaisia ​​huhuja liikkuu.
Se ei ollut vain lyhyt retki, vaan koko päivä, joka vietettiin maailman suurimmassa ydinfysiikan laboratoriossa - CERNissä. Täällä onnistuimme kommunikoimaan fyysikkojen itsensä kanssa ja näkemään paljon mielenkiintoista tällä tieteellisellä kampuksella, menemään pyhien pyhään - Suureen hadronitörmätäjään (ja loppujen lopuksi, kun se käynnistetään ja testejä suoritetaan, pääsy siihen ulkopuolelta on mahdotonta), vierailla jättimäisten magneettien tuotantolaitoksessa, Atlas-keskuksessa, jossa tutkijat analysoivat törmätimessä saatuja tietoja, vierailla salaa uusimmassa rakenteilla olevassa lineaarisessa törmätimessä ja jopa, melkein kuin tehtävässä, kävele käytännöllisesti katsoen alkuainehiukkasen piikkistä polkua päästä huipulle. Ja katso mistä kaikki alkaa...
Mutta tästä kaikesta erillisissä postauksissa. Tänään vain Large Hadron Collider.
Jos sitä voidaan kutsua yksinkertaisesti, aivoni eivät ymmärrä MITEN tällainen asia voitiin ensin keksiä ja sitten rakentaa.

2. Monta vuotta sitten tästä kuvasta tuli maailmankuulu. Monet uskovat, että tämä on Big Hadron tässä yhteydessä. Itse asiassa tämä on osa yhdestä suurimmista ilmaisimista - CMS:stä. Sen halkaisija on noin 15 metriä. Tämä ei ole suurin ilmaisin. Atlasin halkaisija on noin 22 metriä.

3. Katsotaanpa satelliittikarttasta, mikä se on yleensä ja kuinka suuri törmäyskone on.
Tämä on Geneven esikaupunkialue, hyvin lähellä Genevejärveä. Täällä sijaitsee valtava CERN-kampus, josta puhun erikseen hieman myöhemmin, ja joukko törmäimiä sijaitsee maan alla eri syvyyksissä. Kyllä kyllä. Hän ei ole yksin. Niitä on kymmenen. Suuri hadroni yksinkertaisesti kruunaa tämän rakenteen, kuvainnollisesti sanoen täydentäen törmäyslaitteiden ketjun, jonka kautta alkuainehiukkaset kiihtyvät. Puhun tästä myös erikseen, menen partikkelin kanssa Largesta (LHC) aivan ensimmäiseen, lineaariseen Linaciin.
LHC-renkaan halkaisija on lähes 27 kilometriä ja se sijaitsee hieman yli 100 metrin syvyydessä (kuvan suurin rengas).
LHC:ssä on neljä ilmaisinta - Alice, Atlas, LHCb ja CMS. Menimme alas CMS-ilmaisimen luo.

4. Näiden neljän ilmaisimen lisäksi muu maanalainen tila on tunneli, jossa on näiden sinisten segmenttien jatkuva suoli. Nämä ovat magneetteja. Jättimäiset magneetit, joissa syntyy hullu magneettikenttä, joissa alkuainehiukkaset liikkuvat valon nopeudella.
Niitä on yhteensä 1734 kappaletta.

5. Magneetin sisällä on juuri niin monimutkainen rakenne. Täällä on paljon kaikkea, mutta yksinkertaisin on sisällä kaksi onttoa putkea, joissa protonisäteet lentävät.
Neljässä paikassa (samoissa ilmaisimissa) nämä putket leikkaavat ja protonisäteet törmäävät. Niissä paikoissa, joissa ne törmäävät, protonit hajoavat erilaisiksi hiukkasiksi, jotka ilmaisimet kiinnittävät.
Tässä puhutaan lyhyesti siitä, mitä tämä hölynpöly on ja miten se toimii.

6. Joten, 14. kesäkuuta, aamulla, CERN. Tulemme huomaamattomalle aidalle, jossa on portti ja pieni rakennus alueella.
Tämä on sisäänkäynti yhteen Large Hadron Collider - CMS:n neljästä ilmaisimesta.
Tässä haluan pysähtyä hieman keskustelemaan siitä, miten ylipäänsä pääsimme tänne ja kenen ansiosta.
Ja kaiken "syy" on Andrei, CERNissä työskentelevä miehemme, jonka ansiosta vierailumme ei ollut mikään lyhyt tylsä ​​retki, vaan uskomattoman mielenkiintoinen ja täynnä valtavasti tietoa.
Andrei (hän ​​on vihreässä T-paidassa) ei koskaan vastusta vieraita ja on aina iloinen voidessaan osallistua vierailuun tässä ydinfysiikan Mekassa.
Tiedätkö mikä on mielenkiintoista? Tämä on pääsytila ​​Colliderissa ja CERNissä yleensä.
Kyllä, kaikki on magneettikortilla, mutta ... työntekijällä, jolla on passi, on pääsy 95 prosenttiin alueesta ja esineistä.
Ja vain ne, joilla on lisääntynyt säteilyvaara, tarvitsevat erityisen pääsyn - tämä on itse törmäyslaitteen sisällä.
Ja niin - ilman ongelmia työntekijät liikkuvat alueella.
Hetkeksi - miljardeja dollareita ja paljon uskomattomimpia laitteita on investoitu tänne.
Ja sitten muistan joitain hylättyjä esineitä Krimillä, jossa kaikki on leikattu pois pitkään, mutta kaikesta huolimatta kaikki on megasalaista, sitä ei voi ampua missään tapauksessa ja esine on jonkinlainen strateginen yksi.
Täällä ihmiset vain ajattelevat riittävästi päällään.

7. Tältä CMS-alue näyttää. Ei esittelyjä sinulle ulkona eikä superautoja parkkipaikalla. Mutta heillä on siihen varaa. Ei yksinkertaisesti ole tarvetta.

8. CERN, maailman johtava fysiikan tutkimuskeskus, käyttää PR:n suhteen useita eri suuntauksia. Yksi niistä on niin kutsuttu "puu".
Sen puitteissa fysiikan opettajat alkaen eri maat ja kaupungit. Ne näytetään ja kerrotaan täällä. Sitten opettajat palaavat kouluihinsa ja kertovat oppilaille näkemästään. Osa opiskelijoista alkaa tarinan innoittamana opiskelemaan fysiikkaa suurella mielenkiinnolla, sitten yliopistoon fyysisiä erikoisuuksia varten ja tulevaisuudessa ehkä jopa töihin tänne.
Mutta kun lapset ovat vielä koulussa, heillä on myös mahdollisuus vierailla CERNissä ja tietysti mennä alas Large Hadron Collideriin.
Täällä järjestetään useita kertoja kuukaudessa erityisiä "avoimien ovien päiviä" eri maiden lahjakkaille lapsille, jotka ovat rakastuneet fysiikkaan.
Heidät valitsevat juuri ne opettajat, jotka olivat tämän puun ytimessä, ja he jättävät ehdotuksia CERNin Sveitsin toimistoon.
Sattumalta sinä päivänä, kun tulimme katsomaan Large Hadron Collideriä, yksi sellaisista ryhmistä Ukrainasta tuli tänne - lapset, Pienen tiedeakatemian oppilaat, jotka olivat läpäisseet vaikean kilpailun. Yhdessä heidän kanssaan laskeuduimme 100 metrin syvyyteen, Colliderin ytimeen.

9. Kunnia merkeillämme.
Täällä työskentelevien fyysikkojen pakollisia elementtejä ovat kypärä taskulampulla ja saappaat, joissa on metallilevy varpaassa (varpaiden suojaamiseksi kuorman putoamisen yhteydessä)

10. Lahjakkaat lapset, jotka ovat intohimoisia fysiikasta. Muutamassa minuutissa heidän paikkansa toteutuu - he laskeutuvat suureen hadronitörmätäjään

11. Työntekijät pelaavat dominoa ja lepäävät ennen seuraavaa vuoroa maan alla.

12. Ohjaus- ja hallintakeskus CMS. Pääantureiden primääritiedot, jotka kuvaavat järjestelmän toimintaa, kerääntyvät tähän.
Törmätäjän toiminnan aikana täällä työskentelee 8 hengen tiimi ympäri vuorokauden.

13. On sanottava, että tällä hetkellä Large Hadron Collider on ollut pysäytettynä kahdeksi vuodeksi törmätimen korjaus- ja modernisointiohjelman suorittamiseksi.
Tosiasia on, että 4 vuotta sitten siinä tapahtui onnettomuus, jonka jälkeen törmäyskone ei toiminut täydellä teholla (puhun onnettomuudesta seuraavassa viestissä).
Vuonna 2014 päättyvän modernisoinnin jälkeen sen pitäisi toimia entistä suuremmalla kapasiteetilla.
Jos törmäyskone toimisi nyt, emme varmasti voisi käydä siellä

14. Teknisellä erikoishissillä laskeudumme yli 100 metrin syvyyteen, missä Collider sijaitsee.
Hissi on ainoa tapa pelastaa henkilökuntaa hätätilanteessa, kuten täällä ei ole portaita. Tämä on siis CMS:n turvallisin paikka.
Ohjeiden mukaan koko henkilöstön tulee hälytyksen sattuessa mennä välittömästi hissiin.
Täällä syntyy liiallista painetta, jotta savun sattuessa savu ei pääse sisälle eivätkä ihmiset myrkyty.

15. Boris on huolissaan siitä, ettei siellä ole savua

16. Syvä. Täällä kaikki on viestinnän läpäisemä

17. Loputtomat kilometrit johtoja ja datakaapeleita

18. Putkia on valtava määrä. Niin sanottu kryogeniikka. Tosiasia on, että magneettien sisällä heliumia käytetään jäähdytykseen. Muiden järjestelmien jäähdytys on myös tarpeen, samoin kuin hydrauliikka.

19. Ilmaisimessa sijaitsevissa tietojenkäsittelyhuoneissa on valtava määrä palvelimia.
Ne on ryhmitelty niin sanotuiksi uskomattomiksi suorituskyvyn laukaisijoiksi.
Esimerkiksi ensimmäisen triggerin 3 millisekunnissa 40 000 000 tapahtumasta pitäisi valita noin 400 ja siirtää ne toiselle laukaisulle - korkeimmalle tasolle.

20. Kuituoptinen hulluus.
Tietokonehuoneet sijaitsevat ilmaisimen yläpuolella, as on hyvin pieni magneettikenttä, joka ei häiritse elektroniikan toimintaa.
Itse ilmaisimeen ei olisi mahdollista kerätä tietoja.

21. Globaali liipaisin. Se koostuu 200 tietokoneesta

22. Mikä Apple on? Dell!!!

23. Palvelinkaapit on lukittu turvallisesti

24. Hauska piirros yhdestä operaattorin työpaikasta.

25. Vuoden 2012 lopussa kokeen tuloksena Higgsin bosoni löydettiin Large Hadron Colliderista, ja CERNin työntekijät panivat tämän tapahtuman laajasti merkille.
Samppanjapulloja ei heitetty roskiin juhlan jälkeen, koska uskottiin, että tämä on vasta suurten asioiden alkua

26. Itse ilmaisimen lähestyessä kaikkialla on säteilyvaarasta varoittavia kylttejä

26. Kaikilla Colliderin työntekijöillä on henkilökohtaiset annosmittarit, jotka heidän tulee tuoda lukijalle ja tallentaa sijaintinsa.
Annosmittari kerää säteilyn tasoa ja, jos raja-annosta lähestyy, ilmoittaa työntekijälle ja välittää myös tiedot verkossa valvontapisteeseen varoittamalla törmäimen lähellä olevasta vaarassa olevasta henkilöstä.

27. Ilmaisimen edessä huipputason pääsyjärjestelmä.
Pääset sisään liittämällä henkilökohtaisen kortin, annosmittarin ja suorittamalla verkkokalvon skannauksen

28. Mitä teen

29. Ja tässä se on - ilmaisin. Pieni pisto sisällä on jotain poran istukan kaltaista, joka sisältää ne valtavat magneetit, jotka nyt näyttävät hyvin pieniltä. Tällä hetkellä ei ole magneetteja, koska. modernisoinnissa

30. Toimintakunnossa ilmaisin on kytketty ja näyttää yhdeltä kokonaisuudelta

31. Ilmaisimen paino on 15 tuhatta tonnia. Täällä syntyy uskomaton magneettikenttä.

32. Vertaa ilmaisimen kokoa alakerrassa työskenteleviin ihmisiin ja koneisiin

33. Kaapeli sinisen väristä- teho, punainen - tiedot

34. Mielenkiintoista on, että Big Hadron kuluttaa käytön aikana 180 megawattia sähköä tunnissa.

35. Virta-anturin huoltotyöt

36. Lukuisia antureita

37. Ja voima heille ... optinen kuitu palaa takaisin

38. Uskomattoman älykkään ihmisen ulkonäkö.

39. Puolitoista tuntia maan alla lentää kuin viisi minuuttia... Noustuaan takaisin kuolevaiseen maahan, ajattelet tahattomasti... MITEN tämä voidaan tehdä.
Ja MIKSI he tekevät sen….

Large Hadron Collider (LHC) on varattu hiukkaskiihdytin, jonka avulla fyysikot oppivat paljon enemmän aineen ominaisuuksista kuin aiemmin tiedettiin. Kiihdyttimiä käytetään korkean energian varautuneiden alkuainehiukkasten tuottamiseen. Lähes minkä tahansa kiihdyttimen toiminta perustuu varautuneiden hiukkasten vuorovaikutukseen sähkö- ja magneettikentät. Sähkökenttä vaikuttaa suoraan hiukkaseen, eli lisää sen energiaa, ja magneettikenttä, joka luo Lorentzin voiman, vain kääntää hiukkasen muuttamatta sen energiaa ja asettaa kiertoradan, jota pitkin hiukkaset liikkuvat.

Collider (englanniksi collide - "to collide") - törmäyspalkkien kiihdytin, joka on suunniteltu tutkimaan törmäystuloksia. Antaa aineen alkuainehiukkasille korkean kineettisen energian, ohjaa ne toisiaan kohti törmäyksen aikaansaamiseksi.

Miksi "iso hadron"

Suuri törmäyskone on nimetty itse asiassa sen koon vuoksi. Pääkiihdytinrenkaan pituus on 26 659 m; hadroni - johtuen siitä, että se kiihdyttää hadroneja, eli kvarkeista koostuvia raskaita hiukkasia.

LHC rakennettiin Euroopan ydintutkimusneuvoston (CERN) tutkimuskeskukseen Sveitsin ja Ranskan rajalle, lähellä Geneveä. Tähän mennessä LHC on maailman suurin koelaitos. Tämän laajan hankkeen johtaja on brittiläinen fyysikko Lyn Evans, ja rakentamiseen ja tutkimukseen on osallistunut yli 10 000 tiedemiestä ja insinööriä yli 100 maasta.

Pieni poikkeama historiaan

Viime vuosisadan 60-luvun lopulla fyysikot kehittivät niin sanotun vakiomallin. Se yhdistää kolme neljästä perustavanlaatuisia vuorovaikutuksia- vahva, heikko ja sähkömagneettinen. Gravitaatiovuorovaikutusta kuvataan edelleen yleisen suhteellisuusteorian termein. Eli nykyään perusvuorovaikutuksia kuvaa kaksi yleisesti hyväksyttyä teoriaa: yleinen suhteellisuusteoria ja standardimalli.

Uskotaan, että standardimallin on oltava osa jotain syvempää teoriaa mikromaailman rakenteesta, se osa, joka näkyy törmäyskokeissa alle noin 1 TeV:n (teraelektronivoltin) energioissa. Large Hadron Colliderin päätehtävä on saada ainakin ensimmäiset vihjeet siitä, mikä tämä syvemmälle teorialle on kyse.

Törmäimen päätehtäviin kuuluu myös Higgsin bosonin löytäminen ja vahvistaminen. Tämä löytö vahvistaisi atomihiukkasten ja standardiaineen alkuperän standardimallin. Käynnistyksen aikana törmäyskone täydellä teholla, eheys standardi malli tuhotaan. Alkuainehiukkaset, joiden ominaisuudet ymmärrämme vain osittain, eivät pysty säilyttämään rakenteellista eheyttään. Standardimallin energian yläraja on 1 TeV, jossa hiukkanen hajoaa kasvaessaan. 7 TeV:n energialla voitaisiin luoda hiukkasia, joiden massa on kymmenen kertaa suurempi kuin tällä hetkellä tiedetään.

Tekniset tiedot

Sen oletetaan törmäävän kiihdytin protonien kokonaisenergialla 14 TeV (eli 14 teraelektronivolttia tai 14 1012 elektronvolttia) massakeskipisteessä, jossa on kohtaavia hiukkasia, sekä lyijyytimiä, joiden energia on 5 GeV (5 109 elektronvolttia) ) jokaiselle törmäävälle nukleoniparille.

LHC:n valoisuus ajon ensimmäisten viikkojen aikana oli korkeintaan 1029 hiukkasta/cm²·s, mutta se jatkaa jatkuvasti nousuaan. Tavoitteena on saavuttaa 1,7 1034 hiukkasta/cm² s nimellisvaloteho, joka vastaa suuruusluokkaa BaBarin (SLAC, USA) ja Bellen (KEK, Japani) valotehoja.

Kiihdytin sijaitsee samassa tunnelissa, jossa oli aiemmin suuri elektroni-positronitörmäitin, maanalainen Ranskassa ja Sveitsissä. Tunnelin syvyys on 50-175 metriä ja tunnelin rengas on kalteva noin 1,4 % suhteessa maahan. Protonisäteiden pitämiseen, korjaamiseen ja tarkentamiseen käytetään 1624 suprajohtavaa magneettia, joiden kokonaispituus on yli 22 km. Magneetit toimivat lämpötilassa 1,9 K (−271 °C), mikä on hieman alle heliumin siirtymälämpötilan supernestetilaan.

LHC ilmaisimet

LHC:ssä on 4 pää- ja 3 lisäilmaisinta:

• ALICE (suuri ionitörmätinkoe)
• ATLAS (Toroidaalinen LHC-laite)
• CMS (Compact Muon Solenoid)
• LHCb (The Large Hadron Collider -kauneuskoe)
• TOTEM (TOTAL elastinen ja diffraktiivinen poikkileikkausmittaus)
• LHCf (The Large Hadron Collider eteenpäin)
• MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC).

Ensimmäinen on perustettu tutkimaan raskaita ionien törmäyksiä. Syntyvän ydinaineen lämpötila ja energiatiheys riittävät gluoniplasman syntymiseen. ALICE:n sisäinen seurantajärjestelmä (ITS) koostuu kuudesta sylinterimäisestä piianturikerroksesta, jotka ympäröivät törmäyspistettä ja mittaavat esiin tulevien hiukkasten ominaisuuksia ja tarkan sijainnin. Tällä tavalla raskasta kvarkkia sisältävät hiukkaset voidaan helposti havaita.

Toinen on suunniteltu tutkimaan protonien välisiä törmäyksiä. ATLAS on 44 metriä pitkä, 25 metriä halkaisijaltaan ja painaa noin 7000 tonnia. Protonisäteet törmäävät tunnelin keskellä, suurin ja monimutkaisin laatuaan koskaan rakennettu anturi. Anturi tallentaa kaiken, mitä tapahtuu protonien törmäyksen aikana ja sen jälkeen. Projektin tavoitteena on havaita hiukkasia, joita ei ole aiemmin rekisteröity ja joita ei ole havaittu universumissamme.

CMS on yksi LHC:n kahdesta valtavasta yleismaailmallisesta hiukkasilmaisimesta. CMS:n toimintaa tukee noin 3600 tutkijaa 183 laboratoriosta ja yliopistosta 38 maassa (kuvassa CMS-laite).

Sisempi kerros on piipohjainen seurantalaite. Tracker on maailman suurin piianturi. Siinä on 205 m2 piiantureita (noin tenniskentän pinta-ala) ja se sisältää 76 miljoonaa kanavaa. Seurantalaitteen avulla voit mitata varautuneiden hiukkasten jälkiä sähkömagneettisessa kentässä.

Toisella tasolla on sähkömagneettinen kalorimetri. Hadron-kalorimetri, seuraavalla tasolla, mittaa kussakin tapauksessa tuotettujen yksittäisten hadronien energiaa.

Large Hadron Colliderin CMS:n seuraava kerros on valtava magneetti. Suuri solenoidimagneetti on 13 metriä pitkä ja halkaisijaltaan 6 metriä. Se koostuu jäähdytetyistä niobiumista ja titaanista valmistetuista keloista. Tämä valtava solenoidimagneetti toimii täydellä voimalla maksimoidakseen solenoidimagneettihiukkasten käyttöiän.

Viides kerros on myon-ilmaisimet ja paluujousi. CMS on suunniteltu tutkimaan erilaisia ​​fysiikan tyyppejä, joita LHC:n energisissä törmäyksissä saattaa esiintyä. Osa tästä tutkimuksesta on vahvistaa tai parantaa standardimallin parametrien mittauksia, kun taas monet muut etsivät uutta fysiikkaa.

Voit puhua Large Hadron Colliderista pitkään. Toivomme, että artikkelimme auttoi ymmärtämään, mitä LHC on ja miksi tutkijat tarvitsevat sitä.

Missä Large Hadron Collider sijaitsee?

Vuonna 2008 CERN (European Council for Nuclear Research) sai päätökseen supervoimakkaan hiukkaskiihdyttimen, nimeltään Large Hadron Collider, rakentamisen. Englanniksi: LHC - Large Hadron Collider. CERN on kansainvälinen hallitustenvälinen tiedejärjestö, joka perustettiin vuonna 1955. Itse asiassa tämä on maailman tärkein laboratorio korkeiden energioiden, hiukkasfysiikan ja aurinkoenergia. Järjestön jäseniä on noin 20 maata.

Miksi Large Hadron Collider tarvitaan?

Geneven läheisyyteen, 27 kilometriä (26 659 m) pyöreään betonitunneliin, on muodostettu suprajohtavien magneettien rengas protonien nopeuttamiseksi. Oletetaan, että kiihdytin ei auta vain tunkeutumaan aineen mikrorakenteen salaisuuksiin, vaan myös etenemään etsimään vastausta kysymykseen uusista energialähteistä aineen syvyyksissä.

Tätä tarkoitusta varten luotiin neljä hiukkasilmaisinta samanaikaisesti itse kiihdytin rakentamisen kanssa (kustannus yli 2 miljardia dollaria). Näistä kaksi on suuria universaaleja (CMS ja ATLAS) ja kaksi erikoistuneempia. Myös ilmaisimien kokonaishinta lähestyy kahta miljardia dollaria. Yli 150 laitosta 50 maasta, mukaan lukien Venäjän ja Valko-Venäjän, osallistui jokaiseen suuriin CMS- ja ATLAS-hankkeisiin.

Higgsin bosonin metsästys

Kuinka hadronin törmäyksen kiihdytin toimii? Collider on suurin törmäyssäteillä toimiva protonikiihdytin. Kiihdytyksen seurauksena kunkin säteen energia laboratoriojärjestelmässä on 7 teraelektronivolttia (TeV), eli 7x1012 elektronivolttia. Kun protonit törmäävät, muodostuu monia uusia hiukkasia, jotka tunnistimet rekisteröivät. Sekundaaristen hiukkasten analysoinnin jälkeen saadut tiedot auttavat vastaamaan peruskysymyksiin, jotka koskevat mikromaailman fysiikan ja astrofysiikan tutkijoita. Yksi tärkeimmistä kysymyksistä on Higgsin bosonin kokeellinen havaitseminen.

Nyt "kuuluisa" Higgsin bosoni on hypoteettinen hiukkanen, joka on yksi niin sanotun perushiukkasten klassisen mallin pääkomponenteista. Se on nimetty brittiläisen teoreetikon Peter Higgsin mukaan, joka ennusti sen olemassaolon vuonna 1964. Higgsin bosonien, jotka ovat Higgsin kentän kvantteja, katsotaan olevan relevantteja fysiikan peruskysymyksissä. Erityisesti käsitteeseen alkuainehiukkasten massojen alkuperästä.

2.-4. heinäkuuta 2012 törmätäjällä suoritetut kokeet paljastivat tietyn hiukkasen, joka voidaan korreloida Higgsin bosonin kanssa. Lisäksi tiedot vahvistettiin mittauksen aikana sekä ATLAS- että CMS-järjestelmällä. Edelleen keskustellaan siitä, onko pahamaineinen Higgsin bosoni todella löydetty vai onko se eri hiukkanen. Tosiasia on, että löydetty bosoni on raskain aiemmin tallennetuista. Peruskysymyksen ratkaisemiseen kutsuttiin maailman johtavat fyysikot: Gerald Guralnik, Karl Hagen, Francois Engler ja itse Peter Higgs, joka teoriassa perusteli hänen mukaansa nimetyn bosonin olemassaoloa jo vuonna 1964. Aineiston analysoinnin jälkeen tutkimukseen osallistuneet uskovat, että Higgsin bosoni on todellakin löydetty.

Monet fyysikot toivoivat, että Higgsin bosonin tutkimus paljastaisi "poikkeavuuksia", jotka johtaisivat puhumiseen niin kutsutusta "uudesta fysiikasta". Vuoden 2014 loppuun mennessä oli kuitenkin käsitelty lähes koko LHC:n kokeiden tuloksena kolmen edellisen vuoden aikana kertynyt data, eikä kiinnostavia poikkeamia (yksittäisiä tapauksia lukuun ottamatta) paljastunut. Itse asiassa kävi ilmi, että pahamaineisen Higgsin bosonin kahden fotonin hajoaminen oli tutkijoiden mukaan "liian tavallista". Keväälle 2015 suunnitellut kokeet voivat kuitenkin yllättää tiedemaailman uusilla löydöillä.

Ei ainuttakaan bosonia

Higgsin bosonin etsiminen ei ole jättimäisen projektin päämäärä sinänsä. On myös tärkeää, että tutkijat etsivät uudentyyppisiä hiukkasia, jotka mahdollistavat luonnon yhtenäisen vuorovaikutuksen arvioinnin universumin olemassaolon varhaisessa vaiheessa. Nyt tiedemiehet erottavat neljä luonnon perusvuorovaikutusta: vahva, sähkömagneettinen, heikko ja gravitaatio. Teoria viittaa siihen, että universumin alkuvaiheessa on saattanut olla yksi vuorovaikutus. Jos uusia hiukkasia löydetään, tämä versio vahvistetaan.

Fyysikot ovat myös huolissaan hiukkasmassan salaperäisestä alkuperästä. Miksi hiukkasilla ylipäätään on massaa? Ja miksi heillä on sellaisia ​​massoja eikä muita? Muuten, tässä tarkoitamme aina kaavaa E=mc². Jokaisella aineellisella esineellä on energiaa. Kysymys kuuluu, kuinka se vapautuu. Miten luoda teknologioita, jotka mahdollistaisivat sen vapauttamisen aineesta mahdollisimman tehokkaasti? Nykyään tämä on tärkein energiakysymys.

Toisin sanoen Large Hadron Collider -projekti auttaa tutkijoita löytämään vastauksia peruskysymyksiin ja laajentamaan tietoa mikrokosmuksesta ja siten maailmankaikkeuden alkuperästä ja kehityksestä.

Valko-Venäjän ja Venäjän tutkijoiden ja insinöörien panos LHC:n luomiseen

Rakennusvaiheessa eurooppalaiset kumppanit CERN:stä lähestyivät ryhmää valkovenäläisiä tutkijoita, joilla oli vakavaa kokemusta tällä alalla, jotta he osallistuisivat LHC:n ilmaisimien luomiseen hankkeen alusta alkaen. Valko-Venäjän tutkijat puolestaan ​​kutsuivat Dubnan tiedekaupungin Ydintutkimusinstituutin kollegoita ja muita yhteistyöhön. Venäjän instituutiot. Asiantuntijat yhtenä tiiminä aloittivat niin sanotun CMS-ilmaisimen - "Compact Muon Solenoid" -työn. Se koostuu monista monimutkaisista osajärjestelmistä, joista jokainen on suunniteltu suorittamaan tiettyjä tehtäviä, ja yhdessä ne tarjoavat kaikkien LHC:n protonitörmäysten aikana syntyneiden hiukkasten energioiden ja emissiokulmien tunnistamisen ja tarkan mittauksen.

Valko-venäläiset asiantuntijat osallistuivat myös ATLAS-ilmaisimen luomiseen. Tämä on 20 m korkea asennus, joka pystyy mittaamaan hiukkasten liikeradat suurella tarkkuudella: jopa 0,01 mm. Ilmaisimen sisällä olevat herkät anturit sisältävät noin 10 miljardia transistoria. ATLAS-kokeen ensisijaisena tavoitteena on havaita Higgsin bosoni ja tutkia sen ominaisuuksia.

Tiedemiehemme ovat liioittelematta osallistuneet merkittävästi CMS- ja ATLAS-ilmaisimien luomiseen. Jotkut tärkeät komponentit valmistettiin Minskin koneenrakennustehtaalla. Lokakuun vallankumous (MZOR). Erityisesti CMS-kokeen päätyhadronikalorimetrit. Lisäksi tehdas tuotti erittäin monimutkaisia ​​elementtejä ATLAS-ilmaisimen magneettinen järjestelmä. Nämä ovat suurikokoisia tuotteita, jotka vaativat erikoisteknologian metallinkäsittelyyn ja erittäin tarkkaan käsittelyyn. CERNin teknikkojen mukaan tilaukset toteutettiin loistavasti.

"Yksilöiden panosta historiaan" ei myöskään pidä aliarvioida. Esimerkiksi Roman Stefanovich, Ph.D. insinööri, vastaa erittäin tarkasta mekaniikasta CMS-projektissa. He jopa vitsailevat, että ilman sitä CMS:ää ei olisi rakennettu. Mutta vakavasti otettaessa voidaan todeta varsin varmasti: ilman sitä ei olisi noudatettu vaaditun laadun kokoonpano- ja käyttöönottoaikatauluja. Toinen elektroniikkainsinöörimme Vladimir Chekhovsky, läpäistyään melko vaikean kilpailun, tekee tänään virheenkorjausta CMS-ilmaisimen ja sen myonkammioiden elektroniikasta.

Tutkijamme ovat mukana sekä ilmaisimien lanseerauksessa että laboratorioosassa, niiden käytössä, ylläpidossa ja päivityksessä. Dubnan tutkijat ja heidän valkovenäläiset kollegansa ovat oikeutetusti ottaneet paikkansa kansainvälisessä fysiikan yhteisössä CERN, joka pyrkii hankkimaan uutta tietoa aineen syvistä ominaisuuksista ja rakenteesta.

Video

Arvostelu kanavalta yksinkertainen tiede, joka osoittaa selvästi kaasupolkimen toimintaperiaatteen:

Huanal Galileon arvostelu:

Huanal Galileon arvostelu:

Hadron Collider -laukaisu 2015:

Lyhennetty LHC (Large Hadron Collider, lyhennetty LHC) on törmäyssäteiden varautunut hiukkaskiihdytin, joka on suunniteltu kiihdyttämään protoneja ja raskaita ioneja (lyijy-ioneja) ja tutkimaan niiden törmäystuloksia. Törmäyskone rakennettiin CERNissä (European Council for Nuclear Research), joka sijaitsee lähellä Geneveä, Sveitsin ja Ranskan rajalla. LHC on maailman suurin koelaitos. Yli 10 000 tutkijaa ja insinööriä yli 100 maasta on osallistunut ja osallistuu rakentamiseen ja tutkimukseen.

Se on nimetty suureksi koonsa vuoksi: kaasupolkimen päärenkaan pituus on 26 659 m; hadroni - johtuen siitä, että se kiihdyttää hadroneja, eli kvarkista koostuvia raskaita hiukkasia; törmäyskone (englanniksi collider - collider) - johtuu siitä, että hiukkassäteet kiihtyvät vastakkaisiin suuntiin ja törmäävät erityisissä törmäyspisteissä.

Tekniset tiedot

Kiihdytin on tarkoitus törmätä protoneja, joiden kokonaisenergia on 14 TeV (eli 14 teraelektronivolttia tai 14 1012 elektronvolttia) massakeskipisteessä sattuvien hiukkasten järjestelmässä sekä lyijyytimiä, joiden energia on 5 GeV (5 109 elektronvolttia). ) jokaiselle törmäävälle nukleoniparille. Vuoden 2010 alussa LHC oli jo jonkin verran ohittanut protonienergian edellisen mestarin - protoni-antiprotoni-törmäyttimen Tevatronin, joka työskenteli vuoden 2011 loppuun asti National Accelerator Laboratoryssa. Enrico Fermi (USA). Huolimatta siitä, että laitteiden säätö kestää vuosia eikä sitä ole vielä saatu päätökseen, LHC:stä on jo tullut maailman energiaisimman hiukkaskiihdytin, joka ohittaa energialtaan muut törmäajat, mukaan lukien RHIC-relativistisen raskaan ionin törmätäjän. toimii Brookhaven Laboratoryssa (USA).

LHC:n kirkkaus ajon ensimmäisten viikkojen aikana oli korkeintaan 1029 hiukkasta/cm 2 s, mutta se jatkaa kasvuaan jatkuvasti. Tavoitteena on saavuttaa nimellisluminositeetti 1,7·1034 hiukkasta/cm 2 s, joka on samaa suuruusluokkaa kuin BaBarin (SLAC, USA) ja Bellen (englanti) (KEK, Japani) luminositeetti.

Kiihdytin sijaitsee samassa tunnelissa, jossa aiemmin suuri elektroni-positronitörmäitin ​​oli käytössä. Tunneli, jonka ympärysmitta oli 26,7 kilometriä, laskettiin maan alle Ranskassa ja Sveitsissä. Tunnelin syvyys on 50-175 metriä ja tunnelin rengas on kalteva noin 1,4 % suhteessa maahan. Protonisäteiden pitämiseen, korjaamiseen ja tarkentamiseen käytetään 1624 suprajohtavaa magneettia, joiden kokonaispituus on yli 22 km. Magneetit toimivat lämpötilassa 1,9 K (-271 °C), mikä on hieman heliumin supernesteen lämpötilaa alempi.

LHC ilmaisimet

LHC:ssä on 4 pää- ja 3 lisäilmaisinta:

• ALICE (suuri ionitörmätinkoe)
• ATLAS (Toroidaalinen LHC-laite)
• CMS (Compact Muon Solenoid)
• LHCb (The Large Hadron Collider -kauneuskoe)
• TOTEM (TOTAL elastinen ja diffraktiivinen poikkileikkausmittaus)
• LHCf (The Large Hadron Collider eteenpäin)
• MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC).

ATLAS, CMS, ALICE, LHCb ovat suuria ilmaisimia, jotka sijaitsevat säteen törmäyspisteiden ympärillä. TOTEM- ja LHCf-ilmaisimet ovat apu-ilmaisimia, jotka sijaitsevat useiden kymmenien metrien etäisyydellä CMS- ja ATLAS-ilmaisimien käyttämistä säteen leikkauspisteistä, ja niitä käytetään yhdessä pääilmaisimien kanssa.

ATLAS- ja CMS-ilmaisimet ovat yleiskäyttöisiä ilmaisimia, jotka on suunniteltu etsimään Higgsin bosonia ja "epästandardista fysiikkaa", erityisesti pimeää ainetta, ALICE - tutkimaan kvarkki-gluoniplasmaa raskaissa lyijy-ionien törmäyksissä, LHCb - tutkimaan fysiikkaa b-kvarkeista, mikä auttaa ymmärtämään paremmin aineen ja antiaineen välisiä eroja, TOTEM on suunniteltu tutkimaan hiukkasten sirontaa pienissä kulmissa, kuten tapahtuu lähietäisyyksillä ilman törmäyksiä (ns. ei-törmäytyvät hiukkaset, eteenpäin hiukkaset), jonka avulla voit mitata tarkemmin protonien kokoa sekä hallita törmäimen kirkkautta, ja lopuksi LHCf - kosmisten säteiden tutkimukseen, joka on mallinnettu samoilla törmäämättömillä hiukkasilla.

Seitsemäs ilmaisin (koe) MoEDAL, joka on suunniteltu etsimään hitaasti liikkuvia raskaita hiukkasia, liittyy myös LHC:n toimintaan.

Törmäimen toiminnan aikana törmäykset tapahtuvat samanaikaisesti kaikissa neljässä säteiden leikkauspisteessä, riippumatta kiihdytettyjen hiukkasten tyypistä (protonit tai ytimet). Samaan aikaan kaikki ilmaisimet keräävät tilastoja samanaikaisesti.

Hiukkasten kiihtyvyys törmäyksessä

LHC:ssä olevien hiukkasten nopeus törmäyssäteillä on lähellä valon nopeutta tyhjiössä. Hiukkasten kiihdytys niin suuriin energioihin saavutetaan useissa vaiheissa. Ensimmäisessä vaiheessa matalaenergiaiset Linac 2- ja Linac 3 -lineaarikiihdyttimet ruiskuttavat protoneja ja lyijy-ioneja lisäkiihdytystä varten. Sitten hiukkaset menevät PS-vahvistimeen ja sitten itse PS:ään (protonisynkrotroniin) hankkien 28 GeV:n energiaa. Tällä energialla ne liikkuvat jo nopeudella, joka on lähellä valoa. Sen jälkeen hiukkaskiihtyvyys jatkuu SPS:ssä (Proton Super Synchrotron), jossa hiukkasenergia saavuttaa 450 GeV. Sitten protoninippu lähetetään 26,7 kilometrin päärenkaaseen nostaen protonien energian enintään 7 TeV:iin, ja törmäyspisteissä ilmaisimet tallentavat tapahtuvat tapahtumat. Kaksi törmäävää protonisädettä voi täysin täytettynä sisältää 2808 kimppua. Kiihdytysprosessin virheenkorjauksen alkuvaiheessa vain yksi nippu kiertää useita senttejä pitkässä ja poikittaiskooltaan pienikokoisessa nipussa. Sitten he alkavat lisätä hyytymien määrää. Klusterit sijaitsevat kiinteissä asennoissa toisiinsa nähden, jotka liikkuvat synkronisesti kehää pitkin. Tietyssä järjestyksessä olevat klusterit voivat törmätä neljässä renkaan kohdassa, joissa hiukkasilmaisimet sijaitsevat.

LHC:n kaikkien hadronikimpun kineettinen energia, kun se on täysin täytetty, on verrattavissa suihkukoneen kineettiseen energiaan, vaikka kaikkien hiukkasten massa ei ylitä nanogrammaa eikä niitä edes näe paljaalla silmällä. Tällainen energia saavutetaan johtuen hiukkasten nopeudesta, joka on lähellä valonnopeutta.

Kimput käyvät kaasupolkimen täyden ympyrän läpi nopeammin kuin 0,0001 sekuntia tehden siten yli 10 tuhatta kierrosta sekunnissa

LHC:n tavoitteet ja tavoitteet

Large Hadron Colliderin päätehtävänä on selvittää maailmamme rakenne alle 10–19 metrin etäisyyksiltä "tutkimalla" sitä hiukkasilla, joiden energia on useita TeV. Tähän mennessä on jo kertynyt paljon epäsuoraa näyttöä siitä, että tässä mittakaavassa fyysikkojen pitäisi avata tietty "uusi todellisuuskerros", jonka tutkiminen antaa vastauksia moniin perusfysiikan kysymyksiin. Mitä tämä todellisuuskerros tarkalleen ottaen tulee olemaan, ei tiedetä etukäteen. Teoreetikot ovat tietysti jo ehdottaneet satoja erilaisia ​​ilmiöitä, joita voitaisiin havaita useiden TeV:n törmäysenergioissa, mutta se on koe, joka näyttää, mitä luonnossa todella tapahtuu.

Etsi uutta fysiikkaa Vakiomallia ei voida pitää alkeishiukkasten lopullisena teoriana. Sen täytyy olla osa jotain syvempää teoriaa mikromaailman rakenteesta, se osa, joka näkyy törmäyskokeissa alle 1 TeV:n energioissa. Tällaisia ​​teorioita kutsutaan yhteisesti "uudeksi fysiikaksi" tai "standardin mallin ulkopuolelle". Large Hadron Colliderin päätehtävä on saada ainakin ensimmäiset vihjeet siitä, mikä tämä syvemmälle teorialle on kyse. Perusvuorovaikutusten yhdistämiseksi edelleen yhteen teoriaan käytetään erilaisia ​​lähestymistapoja: M-teoriassa kehitetty merkkijonoteoria (braaniteoria), supergravitaatioteoria, silmukan kvanttigravitaatio jne. Joillakin niistä on sisäisiä ongelmia, eikä missään ole. kokeellinen vahvistus. Ongelmana on, että vastaavien kokeiden suorittamiseen tarvitaan energioita, joita ei voida saavuttaa nykyaikaisilla hiukkaskiihdyttimillä. LHC mahdollistaa kokeet, jotka olivat aiemmin mahdottomia, ja todennäköisesti vahvistaa tai kumoaa osan näistä teorioista. Siten on olemassa useita fyysisiä teorioita, joiden mitat ovat suurempia kuin neljä ja jotka viittaavat "supersymmetrian" olemassaoloon - esimerkiksi merkkijonoteoria, jota kutsutaan joskus supermerkkijonoteoriaksi juuri siksi, että ilman supersymmetriaa se menettää. fyysinen merkitys . Supersymmetrian olemassaolon vahvistaminen olisi siten epäsuora vahvistus näiden teorioiden totuudelle. Huippukvarkkien tutkiminen Huippukvarkki on raskain kvarkki ja lisäksi raskain tähän mennessä löydetty alkuainehiukkanen. Tevatronin uusimpien tulosten mukaan sen massa on 173,1 ± 1,3 GeV/c 2 . Suuren massansa vuoksi huippukvarkkia on toistaiseksi havaittu vain yhdessä kiihdyttimessä, Tevatronissa, muilta kiihdyttimiltä yksinkertaisesti puuttui energia sen tuottamiseen. Lisäksi huippukvarkit kiinnostavat fyysikoita ei pelkästään sinänsä, vaan myös "työvälineenä" Higgsin bosonin tutkimisessa. Yksi tärkeimmistä kanavista Higgsin bosonin tuotantoon LHC:ssä on assosiatiivinen tuotanto yhdessä huippukvarkki-antikvarkkiparin kanssa. Jotta tällaiset tapahtumat voidaan luotettavasti erottaa taustasta, on ensin tutkittava itse huippukvarkkien ominaisuuksia. Sähköheikon symmetrian mekanismin tutkiminen Yksi projektin päätavoitteista on todistaa kokeellisesti skotlantilaisen fyysikon Peter Higgsin vuonna 1964 Standardimallin puitteissa ennustaman Higgsin bosonin olemassaolo. Higgsin bosoni on niin sanotun Higgsin kentän kvantti, jonka läpi kulkiessaan hiukkaset kokevat vastustusta, jota edustamme massan korjauksina. Itse bosoni on epävakaa ja sillä on suuri massa (yli 120 GeV/c2). Itse asiassa fyysikot eivät ole niinkään kiinnostuneita itse Higgsin bosonista, vaan Higgsin mekanismista sähköheikon vuorovaikutuksen symmetrian rikkomisessa. Kvarkki-gluoniplasman tutkimus Odotetaan, että noin kuukausi vuodessa vietetään kiihdyttimessä ydintörmäystilassa. Tämän kuukauden aikana törmäyskone kiihtyy ja törmää ilmaisimissa, ei protoneja, vaan lyijyytimiä. Kahden ytimen joustamattomassa törmäyksessä ultrarelativistisilla nopeuksilla muodostuu lyhyen aikaa tiheä ja erittäin kuuma ydinainepala, joka sitten hajoaa. Tässä tapauksessa tapahtuvien ilmiöiden (aineen siirtyminen kvarkkigluoniplasman tilaan ja sen jäähtyminen) ymmärtäminen on välttämätöntä vahvemman teorian rakentamiseksi vahvoista vuorovaikutuksista, josta on hyötyä sekä ydinfysiikassa että astrofysiikassa. Supersymmetrian etsintä LHC:n kokeiden ensimmäinen merkittävä tieteellinen saavutus voi olla "supersymmetrian" - teorian, jonka mukaan kaikilla alkuainehiukkasilla on paljon raskaampi kumppani tai "superpartikkeli" - todiste tai kumoaminen. Fotoni-hadronin ja fotoni-fotoni törmäysten tutkiminen Hiukkasten sähkömagneettista vuorovaikutusta kuvataan (joissakin tapauksissa virtuaalisten) fotonien vaihdoksena. Toisin sanoen fotonit ovat sähkömagneettisen kentän kantajia. Protonit ovat sähköisesti varattuja ja niitä ympäröi sähköstaattinen kenttä, ja tätä kenttää voidaan pitää virtuaalisten fotonien pilvenä. Mikä tahansa protoni, erityisesti relativistinen protoni, sisältää virtuaalihiukkasten pilven olennaisena osana. Kun protonit törmäävät toisiinsa, kutakin protonia ympäröivät virtuaalihiukkaset ovat myös vuorovaikutuksessa. Matemaattisesti hiukkasten vuorovaikutuksen prosessia kuvataan pitkällä sarjalla korjauksia, joista jokainen kuvaa vuorovaikutusta tietyn tyyppisten virtuaalihiukkasten avulla (katso: Feynman-kaaviot). Siten protonien törmäystä tutkittaessa tutkitaan epäsuorasti myös aineen vuorovaikutusta korkeaenergisten fotonien kanssa, mikä on erittäin kiinnostavaa teoreettisen fysiikan kannalta. Tarkastellaan myös erityistä reaktioiden luokkaa - kahden fotonin suoraa vuorovaikutusta, jotka voivat törmätä sekä vastaantulevan protonin kanssa, jolloin syntyy tyypillisiä fotoni-hadron-törmäyksiä, että keskenään. Ydintörmäystilassa ytimen suuren sähkövarauksen vuoksi sähkömagneettisten prosessien vaikutus on vielä tärkeämpi. Eksoottisten teorioiden testaaminen Teoreetikot 1900-luvun lopulla esittivät valtavan määrän epätavallisia ideoita maailman rakenteesta, joita kutsutaan yhteisesti "eksoottisiksi malleiksi". Näitä ovat teoriat, joissa on voimakas painovoima luokkaa 1 TeV, mallit, joissa on suuri määrä tilaulottuvuuksia, preonimallit, joissa kvarkit ja leptonit koostuvat itse hiukkasista, malleja, joissa on uudenlaisia ​​vuorovaikutuksia. Tosiasia on, että kertyneet kokeelliset tiedot eivät vieläkään riitä yhden teorian luomiseen. Ja kaikki nämä teoriat itsessään ovat yhteensopivia saatavilla olevien kokeellisten tietojen kanssa. Koska nämä teoriat voivat tehdä erityisiä ennusteita LHC:lle, kokeilijat aikovat testata ennusteita ja etsiä tiedoistaan ​​tiettyjen teorioiden jälkiä. On odotettavissa, että kiihdyttimellä saadut tulokset voivat rajoittaa teoreetikkojen mielikuvitusta ja sulkea osan ehdotetuista rakenteista. Muu Odottaa löytöä fyysisiä ilmiöitä vakiomallin ulkopuolella. Suunnitelmissa on tutkia W- ja Z-bosonien ominaisuuksia, ydinvuorovaikutuksia superkorkeilla energioilla, raskaiden kvarkkien (b ja t) muodostumis- ja hajoamisprosesseja.