100 metriä maan alla, Ranskan ja Sveitsin rajalla, on laite, joka voi paljastaa maailmankaikkeuden salaisuudet. Tai joidenkin mukaan tuhoaa kaiken elämän maan päällä.

Joka tapauksessa tämä on maailman suurin kone, ja sitä käytetään universumin pienimpien hiukkasten tutkimiseen. Tämä on Large Hadron (ei Android) Collider (LHC).

Lyhyt kuvaus

LHC on osa Euroopan ydintutkimusjärjestön (CERN) johtamaa hanketta. Törmäyskone on osa Sveitsin Geneven ulkopuolella sijaitsevaa CERN-kiihdytinkompleksia, ja sitä käytetään kiihdyttämään protoni- ja ionisäteitä valonnopeutta lähestyviin nopeuksiin, törmäämään hiukkasia keskenään ja tallentamaan syntyneet tapahtumat. Tutkijat toivovat, että tämä auttaa oppimaan lisää maailmankaikkeuden alkuperästä ja sen koostumuksesta.

Mikä on törmäyskone (LHC)? Se on kunnianhimoisin ja tehokkain tähän mennessä rakennettu hiukkaskiihdytin. Tuhannet tutkijat sadoista maista tekevät yhteistyötä ja kilpailevat keskenään etsiessään uusia löytöjä. Kokeellisten tietojen keräämistä varten tarjotaan 6 osaa, jotka sijaitsevat törmäimen kehällä.

Sen avulla tehdyt löydöt voivat olla hyödyllisiä tulevaisuudessa, mutta tämä ei ole syy sen rakentamiseen. Large Hadron Colliderin tavoitteena on laajentaa tietoamme maailmankaikkeudesta. Koska LHC maksaa miljardeja dollareita ja vaatii useiden maiden yhteistyötä, käytännön soveltamisen puute voi olla odottamatonta.

Mihin Hadron Collider on tarkoitettu?

Yrittääkseen ymmärtää maailmankaikkeuttamme, sen toimintaa ja todellista rakennetta tutkijat ovat ehdottaneet teoriaa, jota kutsutaan standardimalliksi. Se yrittää tunnistaa ja selittää perushiukkasia, jotka tekevät maailmasta sellaisen kuin se on. Mallissa yhdistyvät Einsteinin suhteellisuusteorian elementit kvanttiteoria. Se ottaa huomioon myös kolme maailmankaikkeuden neljästä päävoimasta: vahvat ja heikot ydinvoimat ja sähkömagnetismi. Teoria ei koske neljättä perusvoimaa - painovoimaa.

Standardimalli on tehnyt useita ennusteita maailmankaikkeudesta, jotka ovat yhdenmukaisia ​​erilaisten kokeiden kanssa. Mutta siinä on muitakin puolia, jotka vaativat vahvistusta. Yksi niistä on teoreettinen hiukkanen, jota kutsutaan Higgsin bosoniksi.

Hänen löytönsä vastaa massaa koskeviin kysymyksiin. Miksi aineella on se? Tutkijat ovat tunnistaneet hiukkasia, joilla ei ole massaa, kuten neutriinoja. Miksi joillain ihmisillä on ja toisilla ei? Fyysikot ovat tarjonneet monia selityksiä.

Yksinkertaisin niistä on Higgsin mekanismi. Tämä teoria sanoo, että on olemassa hiukkanen ja sitä vastaava voima, joka selittää massan olemassaolon. Sitä ei ollut koskaan havaittu aiemmin, joten LHC:n luomien tapahtumien olisi pitänyt joko todistaa Higgsin bosonin olemassaolo tai tarjota uutta tietoa.

Toinen tutkijoiden esittämä kysymys liittyy maailmankaikkeuden alkuperään. Silloin aine ja energia olivat yhtä. Erottamisen jälkeen aineen ja antiaineen hiukkaset tuhosivat toisensa. Jos niitä olisi yhtä monta, mitään ei jää jäljelle.

Mutta onneksi universumissa oli enemmän ainetta. Tutkijat toivovat voivansa tarkkailla antimateriaa LHC:n toiminnan aikana. Tämä voisi auttaa ymmärtämään syyn eroon aineen ja antiaineen määrässä maailmankaikkeuden alkaessa.

Pimeä aine

Nykyinen käsitys universumista viittaa siihen, että toistaiseksi vain noin 4 % aineesta, jonka pitäisi olla olemassa, voidaan havaita. Galaksien ja muiden taivaankappaleiden liike viittaa siihen, että näkyvää ainetta on paljon enemmän.

Tiedemiehet ovat kutsuneet tätä epämääräistä ainetta pimeäksi. Havaittavan ja pimeän aineen osuus on noin 25 %. Loput 3/4 tulee hypoteettisesta pimeästä energiasta, joka edistää universumin laajenemista.

Tutkijat toivovat, että heidän kokeensa joko tarjoavat lisätodisteita pimeän aineen ja pimeän energian olemassaolosta tai tukevat vaihtoehtoista teoriaa.

Mutta tämä on vain hiukkasfysiikan jäävuoren huippu. On vieläkin eksoottisempia ja kiistanalaisia ​​asioita, jotka on paljastettava, mitä varten törmäyskone on tarkoitettu.

Big bang mikromittakaavassa

Törmäämällä protoneja riittävän nopealla nopeudella LHC hajottaa ne pienemmiksi atomialahiukkasiksi. Ne ovat erittäin epävakaita ja ovat olemassa vain sekunnin murto-osan ennen hajoamista tai rekombinaatiota.

Big Bang -teorian mukaan alun perin kaikki aine koostui niistä. Kun universumi laajeni ja jäähtyi, ne sulautuivat suuremmiksi hiukkasiksi, kuten protoneiksi ja neutroneiksi.

Epätavallisia teorioita

Jos teoreettiset hiukkaset, antimateria ja pimeä energia, eivät ole tarpeeksi eksoottisia, jotkut tutkijat uskovat, että LHC voisi tarjota todisteita muiden ulottuvuuksien olemassaolosta. On yleisesti hyväksyttyä, että maailma on neliulotteinen (kolmiulotteinen tila ja aika). Mutta fyysikot ehdottavat, että voi olla muita ulottuvuuksia, joita ihmiset eivät voi havaita. Esimerkiksi yksi merkkijonoteorian versio vaatii vähintään 11 ​​ulottuvuutta.

Tämän teorian kannattajat toivovat, että LHC tarjoaa todisteita heidän ehdottamasta maailmankaikkeuden mallista. Heidän mukaansa perusrakennuspalikoita eivät ole hiukkaset, vaan jouset. Ne voivat olla avoimia tai suljettuja ja värisevät kuin kitara. Värähtelyn ero tekee kieleistä erilaisia. Jotkut ilmenevät elektronien muodossa, kun taas toiset realisoituvat neutriinoina.

Mikä on törmäyskone numeroissa?

LHC on massiivinen ja voimakas rakenne. Se koostuu kahdeksasta sektorista, joista jokainen on kaari ja jota rajoittaa molemmissa päissä "lisäosaksi" kutsuttu osa. Törmäimen ympärysmitta on 27 km.

Kiihdytinputket ja törmäyskammiot sijaitsevat 100 metriä maan alla. Niihin pääsee huoltotunnelin kautta, jossa on hissit ja portaat, jotka sijaitsevat useissa kohdissa LHC:n kehällä. CERN on myös rakentanut maarakennuksia, joissa tutkijat voivat kerätä ja analysoida törmäimen ilmaisimien tuottamaa tietoa.

Magneetteja käytetään ohjaamaan protoninsäteitä, jotka liikkuvat nopeudella, joka on yhtä suuri kuin 99,99% valon nopeudesta. Ne ovat valtavia, painavat useita tonneja. LHC:ssä on noin 9 600 magneettia. Ne jäähdytetään 1,9 K (-271,25 °C) lämpötilaan. Se on alle lämpötilan ulkoavaruus.

Törmäimen sisällä olevat protonit kulkevat ultrakorkeiden tyhjiöputkien läpi. Tämä on välttämätöntä, jotta ei ole hiukkasia, joiden kanssa ne voisivat törmätä ennen tavoitteen saavuttamista. Yksi kaasumolekyyli voi aiheuttaa kokeen epäonnistumisen.

Ympyrässä iso törmäyskone on 6 aluetta, joilla insinöörit voivat suorittaa kokeitaan. Niitä voidaan verrata digitaalikameralla varustettuihin mikroskooppeihin. Jotkut näistä ilmaisimista ovat valtavia - ATLAS on 45 metriä pitkä, 25 metriä korkea ja 7 tonnia painava laite.

LHC työllistää noin 150 miljoonaa anturia, jotka keräävät tietoja ja lähettävät sen tietokoneverkkoon. CERNin mukaan kokeiden aikana saadun tiedon määrä on noin 700 MB/s.

Ilmeisesti tällainen törmäyskone vaatii paljon energiaa. Sen vuotuinen sähkönkulutus on noin 800 GWh. Se voisi olla paljon suurempi, mutta laitos on suljettu talvikuukausina. CERNin mukaan energian hinta on noin 19 miljoonaa euroa.

Protonien törmäys

Törmätimen fysiikan taustalla oleva periaate on melko yksinkertainen. Ensin käynnistetään kaksi sädettä: yksi - myötäpäivään ja toinen - vastaan. Molemmat virrat kiihdytetään valonnopeuteen. Sitten ne suunnataan toisiaan kohti ja tulos tarkkaillaan.

Tämän tavoitteen saavuttamiseen tarvittavat laitteet ovat paljon monimutkaisempia. LHC on osa CERN-kompleksia. Ennen kuin hiukkaset pääsevät LHC:hen, ne käyvät läpi useita vaiheita.

Ensinnäkin protonien tuottamiseksi tutkijoiden on irrotettava vetyatomit elektroneista. Hiukkaset lähetetään sitten LINAC 2 -laitokseen, joka syöttää ne PS Boosteriin. Nämä hiukkaskiihdytyskoneet käyttävät vaihtuvaa sähkökenttää. Jättimäisten magneettien luomat kentät auttavat pitämään säteet.

Kun säde saavuttaa halutun energiatason, PS Booster lähettää sen SPS-supersynkrotroniin. Virta kiihtyy entisestään ja jakautuu 2808 1,1 x 1011 protonin säteeksi. SPS ruiskuttaa säteet LHC:hen myötä- ja vastapäivään.

Large Hadron Colliderin sisällä protonit jatkavat kiihtymistä 20 minuuttia. Suurimmalla nopeudella ne tekevät 11 245 kierrosta LHC:n ympäri sekunnissa. Säteet yhtyvät yhteen kuudesta ilmaisimesta. Tässä tapauksessa törmäyksiä tapahtuu 600 miljoonaa sekunnissa.

Kun 2 protonia törmäävät, ne hajoavat pienemmiksi hiukkasiksi, mukaan lukien kvarkeiksi ja gluoniksi. Kvarkit ovat erittäin epävakaita ja hajoavat sekunnin murto-osassa. Ilmaisimet keräävät tietoa seuraamalla subatomisten hiukkasten reittiä ja lähettävät sen tietokoneverkkoon.

Kaikki protonit eivät törmää. Loput jatkavat säteen pudotusosaan, jossa grafiitti imee ne.

Ilmaisimet

Törmäimen kehällä on 6 osaa, joissa kerätään tietoja ja suoritetaan kokeita. Näistä 4 ilmaisinta on perus ja 2 pienempiä.

Suurin on ATLAS. Sen mitat ovat 46 x 25 x 25 m. Tracker havaitsee ja analysoi ATLAS:n läpi kulkevien hiukkasten liikemäärän. Sitä ympäröi kalorimetri, joka mittaa hiukkasten energiaa absorboimalla niitä. Tiedemiehet voivat tarkkailla niiden lentorataa ja ekstrapoloida niistä tietoa.

ATLAS-detektorissa on myös myonispektrometri. Muonit ovat negatiivisesti varautuneita hiukkasia, jotka ovat 200 kertaa raskaampia kuin elektronit. Ne ovat ainoita, jotka pystyvät kulkemaan kalorimetrin läpi pysähtymättä. Spektrometri mittaa jokaisen myonin liikemäärän varautuneiden hiukkasten antureilla. Nämä anturit voivat havaita ATLAS-magneettikentän vaihtelut.

Compact Muon Solenoid (CMS) on yleiskäyttöinen ilmaisin, joka havaitsee ja mittaa törmäyksissä vapautuvat osahiukkaset. Laite on jättimäisen solenoidimagneetin sisällä, joka voi luoda magneettikentän, joka on lähes 100 000 kertaa suurempi kuin Maan magneettikenttä.

ALICE-ilmaisin on suunniteltu tutkimaan rautaionien törmäyksiä. Tällä tavalla tutkijat toivovat voivansa luoda uudelleen samanlaisia ​​olosuhteita kuin ne, jotka tapahtuivat välittömästi alkuräjähdyksen jälkeen. He odottavat ionien muuttuvan kvarkkien ja gluonien seokseksi. ALICE:n pääkomponentti on TPC-kamera, joka tutkii ja rekonstruoi hiukkasten liikerataa.

LHC etsii todisteita antiaineen olemassaolosta. Hän tekee tämän etsimällä hiukkasta nimeltä charmikvarkki. Törmäyskohtaa ympäröivä osailmaisimien rivi on 20 metriä pitkä. Ne voivat vangita erittäin epävakaita ja nopeasti hajoavia kauneuskvarkkihiukkasia.

TOTEM-koe suoritetaan paikassa, jossa on yksi pienistä ilmaisimista. Se mittaa protonien koon ja LHC:n kirkkauden, mikä osoittaa, kuinka tarkkoja törmäykset ovat.

LHC-koe simuloi kosmisia säteitä kontrolloidussa ympäristössä. Sen tavoitteena on auttaa kehittämään laajamittaisia ​​tutkimuksia todellisista kosmisista säteistä.

Jokaisella havaintopaikalla on tutkijaryhmä muutamasta kymmenestä yli tuhanteen tutkijaan.

Tietojenkäsittely

Ei ole yllättävää, että tällainen törmäyskone tuottaa valtavan määrän dataa. LHC-ilmaisimien vuosittain vastaanottama 15 000 000 Gt on valtava haaste tutkijoille. Sen ratkaisuna on tietokoneverkko, joka koostuu tietokoneista, joista jokainen pystyy itsenäisesti analysoimaan datan. Heti kun tietokone on suorittanut analyysin, se lähettää tulokset keskustietokoneelle ja vastaanottaa uuden erän.

CERNin tutkijat päättivät keskittyä käyttämään suhteellisen edullisia laitteita laskelmiensa suorittamiseen. Huippuluokan palvelimien ja prosessorien hankkimisen sijaan he käyttävät olemassa olevia laitteita, jotka voivat toimia hyvin verkossa. Erillisten ohjelmistojen avulla tietokoneverkko pystyy tallentamaan ja analysoimaan kunkin kokeen tiedot.

Vaara planeetalle?

Jotkut pelkäävät, että tällainen voimakas törmäyskone voisi muodostaa uhan elämälle maapallolla, mukaan lukien osallistuminen mustien aukkojen, "outoaineen", magneettisten monopolien, säteilyn jne. muodostumiseen.

Tutkijat kiistävät jatkuvasti tällaiset väitteet. Mustan aukon muodostuminen on mahdotonta, koska protonien ja tähtien välissä on iso ero. "Oudollinen aine" on voinut muodostua kauan sitten kosmisten säteiden vaikutuksesta, ja näiden hypoteettisten muodostumien vaara on suuresti liioiteltu.

Törmäyskone on äärimmäisen turvallinen: sen erottaa pinnasta 100 metrin kerros maaperää, eikä henkilökunnan oleskella maan alla kokeiden aikana.

Large Hadron Colliderin määritelmä on seuraava: LHC on varautunut hiukkaskiihdytin, ja se luotiin kiihdyttämään lyijyn raskaita ioneja ja protoneja sekä tutkimaan niiden törmäyksessä tapahtuvia prosesseja. Mutta miksi tämä on välttämätöntä? Aiheuttaako se mitään vaaraa? Tässä artikkelissa vastaamme näihin kysymyksiin ja yritämme ymmärtää, miksi Large Hadron Collider tarvitaan.

Mikä on BAK

Large Hadron Collider on valtava renkaan muotoinen tunneli. Se näyttää suurelta putkelta, joka hajottaa hiukkasia. LHC sijaitsee Sveitsin ja Ranskan alueella 100 metrin syvyydessä. Sen luomiseen osallistuivat tutkijat kaikkialta maailmasta.

Sen rakentamisen tarkoitus:

• Etsi Higgsin bosoni. Tämä on mekanismi, joka antaa hiukkasille massan.
• Kvarkit ovat perushiukkasia, jotka muodostavat hadronit. Siksi törmäimen nimi "hadron".

Monet ihmiset ajattelevat, että LHC on ainoa kiihdytin maailmassa. Mutta tämä on kaukana totuudesta. 1900-luvun 50-luvulta lähtien maailmassa on rakennettu yli tusina tällaista törmäyskonetta. Mutta Large Hadron Collider katsotaan suurimmaksi rakenteeksi, sen pituus on 25,5 km. Lisäksi se sisältää toisen, kooltaan pienemmän kiihdytin.

Media LHC:stä

Törmäimen luomisen alusta lähtien tiedotusvälineissä on ilmestynyt valtava määrä artikkeleita kiihdytin vaarasta ja korkeista kustannuksista. Suurin osa ihmisistä uskoo, että rahat menivät hukkaan, he eivät voi ymmärtää, miksi he käyttävät niin paljon rahaa ja vaivaa jonkinlaisen hiukkasen etsimiseen.

• Large Hadron Collider ei ole historian kallein tieteellinen projekti.
• Tämän työn päätavoite on Higgsin bosoni, jonka löytämistä varten droonitörmäyskone luotiin. Tämän löydön tulokset tuovat monia vallankumouksellisia teknologioita ihmiskunnalle. Loppujen lopuksi keksintö kännykkä sai myös negatiivisen vastaanoton.

LHC:n toimintaperiaate

Katsotaanpa kuinka Hadron Collider toimii. Se törmää hiukkassäteisiin suurilla nopeuksilla ja tarkkailee sitten niiden myöhempää vuorovaikutusta ja käyttäytymistä. Yleensä yksi hiukkassuihku kiihdytetään ensin apurenkaaseen ja sen jälkeen lähetetään päärenkaaseen.

Törmäimen sisällä hiukkaset pitävät sisällään monia vahvimmista magneeteista. Koska hiukkasten törmäys tapahtuu sekunnin murto-osassa, niiden liike tallennetaan erittäin tarkoilla instrumenteilla.

Törmätäjän työn suorittava organisaatio on CERN. Hän ilmoitti 4. heinäkuuta 2012 valtavien taloudellisten investointien ja työn jälkeen virallisesti, että Higgsin bosoni oli löydetty.

Miksi BAK tarvitaan?

Nyt sinun on ymmärrettävä, mitä LHC antaa tavalliset ihmiset miksi hadronin törmäyskonetta tarvitaan.

Higgsin bosoniin ja kvarkkien tutkimukseen liittyvät löydöt voivat johtaa tulevaisuudessa uuteen tieteen ja teknologian kehityksen aaltoon.

• Karkeasti sanottuna massa on levossa olevaa energiaa, mikä tarkoittaa, että tulevaisuudessa on mahdollisuus muuttaa aine energiaksi. Ja siksi energian kanssa ei tule ongelmia ja on mahdollisuus tähtienväliseen matkaan.
• Jatkossa kvanttigravitaation tutkimus mahdollistaa painovoiman hallinnan.
• Tämä mahdollistaa M-teorian tarkemmin tutkimisen, jonka mukaan maailmankaikkeus sisältää 11 ulottuvuutta. Tämä tutkimus mahdollistaa syvemmän ymmärryksen maailmankaikkeuden rakenteesta.

Tietoja hadronitörmätäjän kaukaa haetusta vaarasta

Yleensä ihmiset pelkäävät kaikkea uutta. Hadron Collider aiheuttaa myös huolta. Sen vaara on kaukaa haettu, ja tiedotusvälineissä syttyvät ihmiset, joilla ei ole luonnontieteellistä koulutusta.

• LHC:ssä törmäävät hadronit, eivät bosonit, kuten jotkut toimittajat kirjoittavat, pelottaen ihmisiä.
• Tällaiset laitteet ovat toimineet vuosikymmeniä eivätkä vahingoita, vaan hyödyttävät tiedettä.
• Oletuksen, että korkeaenergiset protonit törmäävät ja aiheuttavat mustia aukkoja, kumoaa painovoiman kvanttiteoria.
• Vain 3 kertaa aurinkoa raskaampi tähti voi romahtaa mustaksi aukoksi. Vuodesta lähtien aurinkokunta Jos tällaisia ​​massoja ei ole, niin mustalle aukolle ei ole paikkaa.
• Törmäimen maan alla olevan syvyyden vuoksi sen säteily ei ole vaarallista.

Opimme mitä LHC on ja mihin hadronin törmäyskone on tarkoitettu, ja ymmärsimme, että meidän ei pitäisi pelätä sitä, vaan pikemminkin odottaa löytöjä, jotka lupaavat meille suurta teknistä edistystä.

Kartta, johon on piirretty Colliderin sijainti

Lisäyhdistystä varten perustavanlaatuisia vuorovaikutuksia yhdessä teoriassa käytetään erilaisia ​​lähestymistapoja: M-teoriassa kehitetty merkkijonoteoria (braaniteoria), supergravitaatioteoria, silmukan kvanttigravitaatio jne. Joillakin niistä on sisäisiä ongelmia, eikä yhdelläkään ole kokeellista vahvistusta. Ongelmana on, että vastaavien kokeiden suorittamiseen tarvitaan energioita, joita ei voida saavuttaa nykyaikaisilla hiukkaskiihdyttimillä.

LHC mahdollistaa kokeiden suorittamisen, joita aiemmin oli mahdotonta suorittaa, ja se todennäköisesti vahvistaa tai kumoaa osan näistä teorioista. Joten 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.

Tutkimus huippukvarkeista

Rakennushistoria

27 km maanalainen tunneli, joka on suunniteltu LHC-vahvistimelle

Idea Large Hadron Collider -projektista syntyi vuonna 1984 ja se hyväksyttiin virallisesti kymmenen vuotta myöhemmin. Sen rakentaminen aloitettiin vuonna 2001, kun edellisen kiihdytin - Suuren elektroni-positronitörmäyttimen - työ oli saatu päätökseen.

Kiihdytin on tarkoitus törmätä protoneja, joiden kokonaisenergia on 14 TeV (eli 14 teraelektronivolttia tai 14 10 12 elektronivolttia) kohtaavien hiukkasten massakeskipisteessä, sekä lyijyytimiä, joiden energia on 5,5 GeV (5,5 10 voltin ytimessä). Siten LHC on maailman eniten energiaa käyttävä alkuainehiukkaskiihdytin, joka ohittaa energiassa lähimmät kilpailijansa - protoni-antiprotoni-törmäyttimen Tevatronin, joka toimii tällä hetkellä National Accelerator Laboratoryssa. Enrico Fermi (USA) ja RHIC Relativististic Heavy Ion Collider Brookhaven Laboratoryssa (USA).

Kiihdytin sijaitsee samassa tunnelissa, jossa aiemmin suuri elektroni-positronitörmäitin ​​oli käytössä. Tunneli, jonka ympärysmitta on 26,7 kilometriä, laskettiin noin sadan metrin syvyyteen maan alle Ranskassa ja Sveitsissä. Protonisäteiden hillitsemiseen ja korjaamiseen käytetään 1624 suprajohtavaa magneettia, joiden kokonaispituus on yli 22 km. Viimeinen asennettiin tunneliin 27. marraskuuta 2006 . Magneetit toimivat lämpötilassa 1,9 K (-271 °C). Erityisen kryogeenisen jäähdytysmagneettilinjan rakentaminen valmistui 19.11.2006.

Testit

Tekniset tiedot

Hiukkasten kiihdytysprosessi törmäyttimessä

LHC:ssä olevien hiukkasten nopeus törmäyssäteillä on lähellä valon nopeutta tyhjiössä. Hiukkasten kiihdytys niin suuriin nopeuksiin 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. Sen jälkeen hiukkaskiihtyvyys jatkuu SPS:ssä (Proton Super Synchrotron), jossa hiukkasenergia saavuttaa 450 GeV. Sitten säde suunnataan 26,7 kilometrin päärenkaaseen ja törmäyspisteissä ilmaisimet tallentavat tapahtumia.

Tehon kulutus

Törmäimen toiminnan aikana arvioitu energiankulutus on 180 MW. Arvioidut energiakustannukset koko Geneven kantonille. CERN ei tuota sähköä itse, vaan ainoastaan ​​valmiustilassa olevilla dieselgeneraattoreilla.

Hajautettu tietotekniikka

LHC-kiihdyttimestä ja ilmaisimista tulevien tietojen ohjaamiseksi, tallentamiseksi ja käsittelemiseksi ollaan luomassa hajautettua laskentaverkkoa LCG. L HC C laskeminen G EROON ) verkkoteknologiaa käyttämällä. Tietyissä laskentatehtävissä mukana on hajautettu laskentaprojekti [sähköposti suojattu].

Hallitsemattomat fyysiset prosessit

Jotkut asiantuntijat ja suuren yleisön edustajat ovat huolissaan siitä, että on nollasta poikkeavaa todennäköisyyttä, että törmäyttimessä tehdyt kokeet karkaavat käsistä ja kehittävät ketjureaktion, joka tietyissä olosuhteissa voi teoriassa tuhota koko planeetan. LHC:n toimintaan liittyvien katastrofiskenaarioiden kannattajien näkemys on esitetty erillisellä verkkosivulla. Näiden tunteiden vuoksi LHC tulkitaan joskus nimellä Kestää Hadron Collider ( Kestää Hadron Collider).

Tältä osin mainitaan useimmiten teoreettinen mahdollisuus mikroskooppisten mustien reikien ilmaantumiselle törmäimessä sekä teoreettinen mahdollisuus antimateriaalihyytymien ja magneettisten monopolien muodostumiseen, jota seuraa ympäröivän aineen sieppausketjureaktio.

Näitä teoreettisia mahdollisuuksia pohti erityinen CERN-ryhmä, joka laati vastaavan raportin, jossa kaikki tällaiset pelot tunnustetaan perusteettomiksi. Englantilainen teoreettinen fyysikko Adrian Kent julkaisi tieteellisen artikkelin, jossa kritisoitiin CERNin hyväksymiä turvallisuusstandardeja, koska odotettu vahinko, eli tapahtuman todennäköisyyden tulo uhrien lukumäärällä, on hänen mielestään mahdoton hyväksyä. Suurin ylempi arvio katastrofaalisen skenaarion todennäköisyydestä LHC:ssä on kuitenkin 10 -31 .

Pääasiallisina perusteluina katastrofaalisten skenaarioiden perusteettomuuden puolesta viitataan siihen, että Maata, Kuuta ja muita planeettoja pommittavat jatkuvasti kosmisten hiukkasten virrat, joilla on paljon korkeampi energia. Mainitaan myös aiemmin käyttöön otettujen kiihdyttimien onnistunut toiminta, mukaan lukien Brookhavenissa sijaitseva Relativistic Heavy Ion Collider RHIC. CERNin asiantuntijat eivät kiellä mikroskooppisten mustien aukkojen muodostumisen mahdollisuutta, mutta todetaan, että kolmiulotteisessa avaruudessamme sellaiset esineet voivat ilmaantua vain energioissa, jotka ovat 16 suuruusluokkaa suurempia kuin säteiden energia LHC:ssä. Hypoteettisesti mikroskooppisia mustia aukkoja voi esiintyä LHC:n kokeissa sellaisten teorioiden ennusteissa, joilla on ylimääräisiä avaruudellisia ulottuvuuksia. Tällaisilla teorioilla ei vielä ole kokeellista näyttöä. Vaikka mustia aukkoja syntyykin LHC:n hiukkasten törmäyksissä, niiden odotetaan olevan erittäin epävakaita Hawking-säteilyn vuoksi ja haihtuvan lähes välittömästi tavallisina hiukkasina.

21. maaliskuuta 2008 Walter Wagner nosti kanteen Havaijin (USA) liittovaltion piirioikeuteen. Walter L. Wagner) ja Luis Sancho (eng. Luis Sancho), jossa he, syyttäen CERNiä maailmanlopun järjestämisestä, vaativat törmäimen laukaisun kieltämistä, kunnes sen turvallisuus on taattu.

Vertailu luonnollisiin nopeuksiin ja energioihin

Kiihdytin on suunniteltu törmäämään sellaisiin hiukkasiin kuin hadronit ja atomiytimet. On kuitenkin olemassa luonnollisia hiukkasten lähteitä, joiden nopeus ja energia ovat paljon suuremmat kuin törmäyttimessä (katso: Zevatron). Tällaisia ​​luonnollisia hiukkasia löytyy kosmisista säteistä. Maapallon pinta on osittain suojattu näiltä säteiltä, ​​mutta ilmakehän läpi kulkevien kosmisten säteiden hiukkaset törmäävät ilman atomien ja molekyylien kanssa. Näiden luonnollisten törmäysten seurauksena maapallon ilmakehään syntyy monia pysyviä ja epävakaita hiukkasia. Seurauksena luonnollinen säteilytausta. Sama asia (alkuainehiukkasten ja atomien törmäys) tapahtuu myös LHC:ssä, mutta pienemmillä nopeuksilla ja energioilla ja paljon pienempiä määriä.

mikroskooppisia mustia aukkoja

Jos alkuainehiukkasten törmäyksessä voidaan syntyä mustia aukkoja, ne myös hajoavat alkuainehiukkasiksi CPT-invarianssin periaatteen mukaisesti, joka on yksi kvanttimekaniikan perusperiaatteista.

Lisäksi, jos hypoteesi stabiilien mustien mikroaukkojen olemassaolosta olisi oikea, niin niitä muodostuisi suuria määriä kosmisten alkuainehiukkasten pommituksen seurauksena. Mutta suurimmalla osalla avaruudesta saapuvista korkeaenergisista alkuainehiukkasista on sähkövaraus, joten jotkut mustat aukot olisivat sähköisesti varautuneita. Maan magneettikenttä vangitsisi nämä varautuneet mustat aukot, ja jos ne olisivat todella vaarallisia, ne olisivat tuhonneet Maan kauan sitten. Schwimmer-mekanismi, joka tekee mustista aukoista sähköisesti neutraaleja, on hyvin samanlainen kuin Hawking-efekti, eikä se voi toimia, jos Hawking-efekti ei toimi.

Lisäksi kaikki mustat aukot, varautuneet tai sähköisesti neutraalit, vangittaisiin valkoisten kääpiöiden ja neutronitähdet (jotka, kuten maata, pommitetaan kosmisen säteilyn) ja tuhoavat ne. Tämän seurauksena valkoisten kääpiöiden ja neutronitähtien elinikä olisi paljon lyhyempi kuin todellisuudessa havaittiin. Lisäksi tuhoutuvat valkoiset kääpiöt ja neutronitähdet lähettäisivät lisäsäteilyä, jota ei todellisuudessa havaita.

Lopuksi teoriat, joissa on ylimääräisiä avaruudellisia ulottuvuuksia, jotka ennustavat mikroskooppisten mustien aukkojen syntymistä, eivät ole ristiriidassa kokeellisten tietojen kanssa vain, jos ylimääräisiä ulottuvuuksia on vähintään kolme. Mutta niin monien ylimääräisten ulottuvuuksien vuoksi täytyy kulua miljardeja vuosia ennen kuin musta aukko aiheuttaa merkittävää haittaa maapallolle.

Strapelki

Eduard Boos, fysiikan ja matemaattisten tieteiden tohtori Moskovan valtionyliopiston ydinfysiikan tutkimuslaitoksesta, on vastakkaisia ​​näkemyksiä ja kiistää makroskooppisten mustien aukkojen esiintymisen LHC:ssä ja siten "madonreikien" ja aikamatkailun.

Huomautuksia

1. Lopullinen opas LHC:hen (englanniksi), s. 30.
2. LHC: keskeiset tosiasiat. "Ison tieteen elementit". Haettu 15. syyskuuta 2008.
3. Tevatron Electroweak -työryhmä, ylin alaryhmä
4. LHC-synkronointitesti onnistui
5. Toinen ruiskutusjärjestelmän testi oli ajoittainen, mutta tavoite saavutettiin. "Ison tieteen elementit" (24. elokuuta 2008). Haettu 6. syyskuuta 2008.
6. LHC:n virstanpylväspäivä alkaa nopeasti
7. Ensimmäinen säde LHC:tä kiihdyttävässä tieteessä.
8. Tehtävä suoritettu LHC-tiimille. physicsworld.com. Haettu 12. syyskuuta 2008.
9. LHC:ssä laukaistaan ​​vakaa kiertosäde. "Ison tieteen elementit" (12. syyskuuta 2008). Haettu 12. syyskuuta 2008.
10. Tapaus Suuressa Hadron Colliderissa viivyttää kokeita määräämättömäksi ajaksi. "Elements of Big Science" (19. syyskuuta 2008). Haettu 21. syyskuuta 2008.
11. Large Hadron Collider jatkaa toimintaansa vasta keväällä – CERN. RIA Novosti (23. syyskuuta 2008). Haettu 25. syyskuuta 2008.
12. http://press.web.cern.ch/Press/PressReleases/Releases2008/PR14.08E.html
13. https://edms.cern.ch/file/973073/1/Report_on_080919_incident_at_LHC__2_.pdf
14. https://lhc2008.web.cern.ch/LHC2008/inauguration/index.html
15. Vaurioituneiden magneettien korjaaminen on laajempaa kuin aiemmin on ajateltu. "Ison tieteen elementit" (09.11.2008). Haettu 12. marraskuuta 2008.
16. Aikataulu vuodelle 2009. "Ison tieteen elementit" (18. tammikuuta 2009). Haettu 18. tammikuuta 2009.
17. CERNin lehdistötiedote
18. Large Hadron Colliderin työsuunnitelma vuosille 2009-2010 on hyväksytty. "Elements of Big Science" (6. helmikuuta 2009). Haettu 5. huhtikuuta 2009.
19. LHC-kokeet.
20. Pandoran lipas aukeaa. Vesti.ru (9. syyskuuta 2008). Haettu 12. syyskuuta 2008.
21. Vaaran mahdollisuus hiukkastörmätinkokeissa
22. Dimopoulos S., Landsberg G. Black Holes at the Large Hadron Collider Phys. Rev. Lett. 87 (2001)
23. Blaizot J.-P. et ai. Tutkimus potentiaalisesti vaarallisista tapahtumista raskaiden ionien törmäysten aikana LHC:ssä.
24. Katsaus LHC-törmäysten turvallisuudesta LHC-turvallisuusarviointiryhmä
25. Kriittinen katsaus kiihdyttimien riskeihin. Proza.ru (23. toukokuuta 2008). Haettu 17. syyskuuta 2008.
26. Mikä on LHC:n katastrofin todennäköisyys?
27. Tuomiopäivä
28. Pyydämme tuomaria pelastamaan maailman ja ehkä paljon muuta
29. Selitys miksi LHC on turvallinen
30. http://environmental-impact.web.cern.ch/environmental-impact/Objects/LHCSafety/LSAGSummaryReport2008-es.pdf (espanja)
31. http://environmental-impact.web.cern.ch/environmental-impact/Objects/LHCSafety/LSAGSummaryReport2008-de.pdf (saksa)
32. http://environmental-impact.web.cern.ch/environmental-impact/Objects/LHCSafety/LSAGSummaryReport2008-fr.pdf (fr)
33. H. Heiselberg. Seulonta kvarkkipisaroissa // Physical Review D. - 1993. - T. 48. - No. 3. - S. 1418-1423. DOI:10.1103/PhysRevD.48.1418
34. M. Alford, K. Rajagopal, S. Reddy, A. Steiner. Outojen tähtikuorten ja outojen stabiilisuus // American Physical Society. Physical Review D. - 2006. - T. 73, 114016.

Uusien ongelmien havaitsemisen vuoksi LHC:n uudelleenkäynnistyksen määräaikoja on lykätty jo useita kertoja. Erityisesti heinäkuun puolivälissä 2009 törmätimessä havaittiin vuotoja ja vuotoja jäähdytysjärjestelmässä sektoreilla 8-1 ja 2-3, minkä vuoksi törmäimen laukaisua lykättiin jälleen.

Kuten CERN ilmoitti, protonisäteet alkavat kiertää 27 kilometrin renkaan ympärillä jälleen marraskuun puolivälissä, ja hiukkasten törmäykset alkavat muutaman viikon kuluttua.

CERNin asiantuntijat aikovat ensin suorittaa törmäykset kiihdytin edellisen vaiheen energialla - 450 gigaelektronivolttia sädettä kohti, ja vasta sitten he tuovat energian puoleen suunnittelusta - jopa 3,5 teraelektronivolttia sädettä kohti.

Fyysikot kuitenkin huomauttavat, että tällä energialla voidaan saavuttaa törmäimen luomisen tavoite - Higgsin bosonin, hiukkasen, joka vastaa kaikkien muiden alkuainehiukkasten massasta, havaitseminen.

LHC toimii tässä tilassa vuoden 2010 loppuun asti, minkä jälkeen se suljetaan valmistautuakseen siirtymään 7 teraelektronivoltin energiaan sädettä kohden.

Toukokuussa 2009 Dan Brownin samannimiseen kirjaan perustuva seikkailuelokuva "Angels and Demons" julkaistiin maailmanlaajuisesti.

CERNillä on keskeinen rooli tämän teoksen juonessa, ja useita elokuvan kohtauksia kuvattiin CERNin tiloissa. Koska elokuva sisältää fiktioelementtejä, mukaan lukien kuvauksen siitä, mitä ja miten CERNissä tutkitaan, CERNin johto piti hyödyllisenä ennaltaehkäistä niitä kysymyksiä, jotka väistämättä heräävät esille monien elokuvan katsojien keskuudessa. Tätä tarkoitusta varten avattiin erityinen verkkosivusto Angels and Demons – tarinan taustalla oleva tiede. Se kertoo saavutettavalla tavalla siitä fyysisiä ilmiöitä, jotka on kudottu elokuvan juoneeseen (ensinkin nämä ovat antiaineen vastaanotto, varastointi ja ominaisuudet).

Juonen kehitys alkaa kahdella näennäisesti toisiinsa liittymättömällä, mutta kuitenkin elokuvan avaintapahtumalla: nykyisen paavin kuolemalla ja suurella hadronitörmäyttimellä tehtyjen kokeiden valmistumisesta. Testien tuloksena tutkijat saavat antimateriaa, joka on vahvuudeltaan verrattavissa useimpiin. voimakas ase. Salainen yhteisö Illuminati päättää käyttää tätä keksintöä omiin tarkoituksiinsa - tuhotakseen Vatikaanin, maailman katolisuuden keskuksen, joka on nyt vain jäänyt ilman päätä.

Materiaali on laadittu RIA Novostin ja avoimien lähteiden tietojen pohjalta

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 kaikkialta maailmasta. Törmästimen suosioon vaikutti merkittävästi menestyksekkäästi mainostettu ns. "Jumalahiukkanen" eli Higgsin bosoni, josta Peter Higgs sai fysiikan Nobelin palkinnon 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 pääteltiin, että sähkömagneettisten ja heikkoja vuorovaikutuksia, minkä seurauksena aloitettiin teoreettinen työ näiden vuorovaikutusten yhdistämiseksi sähköheikoiksi.

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, Slovakia, Bulgaria ja Romania. 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. Protonisäde kulkee siis törmätimen suuren renkaan läpi 11 000 kertaa sekunnissa. 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 ATLASilla on samat tieteelliset tavoitteet kuin CMS-kokeella, ATLAS käyttää erilaisia ​​teknisiä ratkaisuja ja erilaista magneettijärjestelmän suunnittelua.

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 suuren tiheyden "absorboivan" materiaalin - lyijyn - kerroksista, jotka vuorottelevat "aktiivisen väliaineen" - nestemäisen argonin - kerrosten kanssa. 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 fysiikan ohjelma, joka ulottuu opiskelusta standardi malli(mukaan lukien Higgsin bosoni) etsimään hiukkasia, jotka voisivat muodostaa pimeää ainetta. 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. Liikeradan vääristymä 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 sisällä olevien ytimien kanssa yläilmakehän 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 mikä tahansa alkuainehiukkanen hänellä on raskaampi kumppani nimeltä "superpartikkeli".
• Fotoni-fotoni- ja fotoni-hadron-törmäysten tutkiminen. Se parantaa tällaisten törmäysten prosessien mekanismien ymmärtämistä.
• Eksoottisten teorioiden testaaminen. 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. Mieti lyhyt esimerkki ydinvoimasta:

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 säteilytetyt uraaniytimet jaetaan kahteen osaan vapauttaen valtavan määrän energiaa - ydinenergiaa.

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.