Голям адронен колайдер: цел, открития и митове. Големият адронен колайдер. За какво е? Защо е създаден колайдерът?
На 100 метра под земята, на границата на Франция и Швейцария, има устройство, което може да разкрие тайните на Вселената. Или, според някои, да унищожи целия живот на Земята.
Както и да е, това е най-голямата машина в света и се използва за изследване на най-малките частици във Вселената. Това е Големият адронен (не android) колайдер (LHC).
Кратко описание
LHC е част от проект, ръководен от Европейската организация за ядрени изследвания (CERN). Колайдерът е част от ускорителния комплекс на CERN извън Женева в Швейцария и се използва за ускоряване на лъчи от протони и йони до скорости, близки до скоростта на светлината, разбиване на частици една в друга и записване на произтичащите събития. Учените се надяват, че това ще помогне да се научи повече за произхода на Вселената и нейния състав.
Какво е колайдер (LHC)? Това е най-амбициозният и мощен ускорител на частици, създаден досега. Хиляди учени от стотици страни си сътрудничат и се състезават помежду си в търсене на нови открития. За събиране на експериментални данни има 6 секции, разположени по обиколката на колайдера.
Направените с него открития могат да бъдат полезни в бъдеще, но не това е причината за изграждането му. Целта на Големия адронен колайдер е да разшири познанията ни за Вселената. Като се има предвид, че LHC струва милиарди долари и изисква сътрудничеството на много страни, липсата на практическо приложение може да е изненадваща.
За какво е адронният колайдер?
В опит да разберат нашата Вселена, нейното функциониране и действителна структура, учените предложиха теория, наречена стандартен модел. Той се опитва да идентифицира и обясни фундаменталните частици, които правят света такъв, какъвто е. Моделът съчетава елементи от теорията на относителността на Айнщайн с квантовата теория. Той също така взема предвид 3 от 4-те фундаментални сили на Вселената: силни и слаби ядрени сили и електромагнетизъм. Теорията не засяга 4-тата фундаментална сила - гравитацията.
Стандартният модел е направил няколко прогнози за Вселената, които са в съответствие с различни експерименти. Но има и други аспекти от него, които изискват потвърждение. Една от тях е теоретична частица, наречена Хигс бозон.
Неговото откритие отговаря на въпроси за масата. Защо материята го има? Учените са идентифицирали частици, които нямат маса, като неутрино. Защо някои хора го имат, а други не? Физиците предлагат много обяснения.
Най-простият от тях е механизмът на Хигс. Тази теория гласи, че има частица и съответна сила, която обяснява наличието на маса. Никога преди това не е било наблюдавано, така че събитията, създадени от LHC, или ще докажат съществуването на бозона на Хигс, или ще предоставят нова информация.
Друг въпрос, който задават учените, е свързан с произхода на Вселената. Тогава материята и енергията бяха едно. След разделянето си частиците материя и антиматерия се унищожиха взаимно. Ако броят им беше равен, тогава нямаше да остане нищо.
Но за наше щастие във Вселената имаше повече материя. Учените се надяват да наблюдават антиматерия по време на работа на LHC. Това може да помогне да се разбере причината за разликата в количеството материя и антиматерия при възникването на Вселената.
Тъмна материя
Сегашното ни разбиране за Вселената предполага, че само около 4% от материята, която би трябвало да съществува, е видима в момента. Движението на галактиките и другите небесни тела предполага, че има много повече видима материя.
Учените нарекоха тази неясна материя тъмна материя. Наблюдаваната и тъмната материя съставляват около 25%. Другите 3/4 идват от хипотетична тъмна енергия, която допринася за разширяването на Вселената.
Учените се надяват, че техните експерименти или ще предоставят допълнителни доказателства за съществуването на тъмна материя и тъмна енергия, или ще потвърдят алтернативна теория.
Но това е само върхът на айсберга на физиката на елементарните частици. Има още по-екзотични и противоречиви неща, които трябва да бъдат разкрити, за което е колайдерът.
Голям взрив в микромащаб
Чрез сблъсък на протони при достатъчно високи скорости, LHC ги разгражда на по-малки атомни субчастици. Те са много нестабилни и издържат само част от секундата, преди да се разпаднат или рекомбинират.
Според теорията за Големия взрив цялата материя първоначално се е състояла от тях. Докато Вселената се разширява и охлажда, те се комбинират в по-големи частици като протони и неутрони.
Необичайни теории
Ако теоретичните частици, антиматерията и тъмната енергия, не са достатъчно екзотични, някои учени смятат, че LHC може да предостави доказателства за съществуването на други измерения. Общоприето е, че светът е четириизмерен (триизмерно пространство и време). Но физиците предполагат, че може да има други измерения, които хората не могат да възприемат. Например, една версия на струнната теория изисква поне 11 измерения.
Привържениците на тази теория се надяват, че LHC ще предостави доказателства за предложения от тях модел на Вселената. Според тях основните градивни елементи не са частици, а струни. Те могат да бъдат отворени или затворени и вибрират като китари. Разликата във вибрациите прави струните различни. Някои се проявяват под формата на електрони, докато други се реализират като неутрино.
Какво е колайдер в числа?
LHC е масивна и мощна структура. Състои се от 8 сектора, всеки от които е дъга, ограничена във всеки край от секция, наречена "вложка". Обиколката на колайдера е 27 км.
Ускорителните тръби и сблъсъчните камери са разположени на 100 метра под земята. Достъпът до тях се осигурява от обслужващ тунел с асансьори и стълби, разположени на няколко точки по обиколката на LHC. CERN също е построил надземни сгради, в които изследователите могат да събират и анализират данни, генерирани от детекторите на колайдера.
Магнитите се използват за управление на лъчи от протони, движещи се с 99,99% от скоростта на светлината. Те са огромни, тежат няколко тона. LHC има около 9600 магнита. Те се охлаждат до 1.9K (-271.25 °C). Това е под температурата на космическото пространство.
Протоните вътре в колайдера преминават през тръби със свръхвисок вакуум. Това е необходимо, за да няма частици, с които те биха могли да се сблъскат, преди да достигнат целта си. Една единствена газова молекула може да доведе до провал на експеримента.
Има 6 зони по обиколката на големия колайдер, където инженерите могат да провеждат своите експерименти. Те могат да бъдат сравнени с микроскопи с цифрова камера. Някои от тези детектори са огромни - ATLAS е устройство с дължина 45 м, височина 25 м и тегло 7 тона.
LHC използва около 150 милиона сензора, които събират данни и ги изпращат към компютърната мрежа. Според CERN количеството информация, получена по време на експерименти, е около 700 MB/s.
Очевидно такъв колайдер изисква много енергия. Годишната му консумация на енергия е около 800 GWh. Може да е много по-голям, но съоръжението не работи през зимните месеци. Според CERN цената на енергията е около 19 милиона евро.
Протонен сблъсък
Принципът зад физиката на колайдера е доста прост. Първо се пускат два лъча: един по посока на часовниковата стрелка, а вторият обратно на часовниковата стрелка. И двата потока се ускоряват до скоростта на светлината. След това се насочват един към друг и се наблюдава резултатът.
Оборудването, необходимо за постигането на тази цел, е много по-сложно. LHC е част от комплекса CERN. Преди частици да влязат в LHC, те вече преминават през поредица от стъпки.
Първо, за да произведат протони, учените трябва да отделят водородните атоми от електрони. След това частиците се изпращат до LINAC 2, който ги изстрелва в ускорителя PS Booster. Тези машини използват променливо електрическо поле за ускоряване на частици. Полетата, създадени от гигантски магнити, помагат за задържането на лъчите.
Когато лъчът достигне желаното енергийно ниво, PS Booster го насочва към SPS суперсинхротрона. Потокът се ускорява още повече и се разделя на 2808 лъча от 1,1 x 1011 протона. SPS инжектира лъчи в LHC по посока на часовниковата стрелка и обратно на часовниковата стрелка.
Вътре в Големия адронен колайдер протоните продължават да се ускоряват в продължение на 20 минути. При максимална скорост те се завъртат 11 245 пъти около LHC всяка секунда. Лъчите се събират в един от 6 детектора. В този случай се случват 600 милиона сблъсъка в секунда.
Когато 2 протона се сблъскат, те се разделят на по-малки частици, включително кварки и глуони. Кварките са много нестабилни и се разпадат за части от секундата. Детекторите събират информация, като проследяват пътя на субатомните частици и я изпращат в компютърна мрежа.
Не всички протони се сблъскват. Останалите продължават да се движат към секцията за изхвърляне на лъча, където се абсорбират от графит.
Детектори
По обиколката на колайдера има 6 секции, в които се събират данни и се провеждат експерименти. От тях 4 са основни детектори и 2 са по-малки.
Най-големият е ATLAS. Неговите размери са 46 x 25 x 25 m, засича и анализира импулса на частиците, преминаващи през ATLAS. Около него има калориметър, който измерва енергията на частиците, като ги абсорбира. Учените могат да наблюдават тяхната траектория и да екстраполират информация за тях.
Детекторът ATLAS има и мюонен спектрометър. Мюоните са отрицателно заредени частици 200 пъти по-тежки от електроните. Те са единствените, които могат да преминат през калориметъра без спиране. Спектрометърът измерва импулса на всеки мюон с помощта на сензори за заредени частици. Тези сензори могат да открият колебания в магнитното поле на ATLAS.
Компактният мюонен соленоид (CMS) е детектор с общо предназначение, който открива и измерва субчастици, освободени по време на сблъсъци. Устройството е разположено вътре в гигантски соленоиден магнит, който може да създаде магнитно поле почти 100 хиляди пъти по-голямо от магнитното поле на Земята.
Детекторът ALICE е предназначен за изследване на сблъсъци на железни йони. По този начин изследователите се надяват да пресъздадат условия, подобни на тези, настъпили непосредствено след Големия взрив. Те очакват да видят йоните да се трансформират в смес от кварки и глуони. Основният компонент на ALICE е TPC камерата, която се използва за изследване и реконструиране на траектории на частици.
LHC се използва за търсене на доказателства за съществуването на антиматерия. Той прави това, като търси частица, наречена бюти кварк. Редът от поддетектори около точката на удара е с дължина 20 метра. Те могат да уловят много нестабилни и бързо разпадащи се частици от красиви кварки.
Експериментът TOTEM се провежда в зона с един от малките детектори. Той измерва размера на протоните и яркостта на LHC, показвайки точността на създаването на сблъсък.
Експериментът LHC симулира космически лъчи в контролирана среда. Целта му е да помогне за разработването на широкомащабни изследвания на реални космически лъчи.
На всяко място за откриване има екип от изследователи, наброяващ от няколко десетки до повече от хиляда учени.
Обработка на данни
Не е изненадващо, че такъв колайдер генерира огромен поток от данни. 15 000 000 GB, произведени годишно от LHC детектори, представляват огромно предизвикателство за изследователите. Неговото решение е компютърна мрежа, състояща се от компютри, всеки от които може самостоятелно да анализира част от данните. След като компютърът завърши анализа, той изпраща резултатите до централния компютър и получава нова порция.
Учените от CERN решиха да се съсредоточат върху използването на сравнително евтино оборудване за извършване на своите изчисления. Вместо закупуване на модерни сървъри и процесори, се използва съществуващ хардуер, който може да работи добре в мрежата. С помощта на специален софтуер мрежа от компютри ще може да съхранява и анализира данните от всеки експеримент.
Опасност за планетата?
Някои се опасяват, че такъв мощен колайдер може да представлява заплаха за живота на Земята, включително да участва в образуването на черни дупки, „странна материя“, магнитни монополи, радиация и т.н.
Учените последователно опровергават подобни твърдения. Образуването на черна дупка е невъзможно, защото има голяма разлика между протони и звезди. „Странната материя“ може да се е образувала отдавна под въздействието на космическите лъчи и опасността от тези хипотетични образувания е силно преувеличена.
Колайдерът е изключително безопасен: той е отделен от повърхността със 100-метров слой почва и на персонала е забранено да бъде под земята по време на експерименти.
Историята на създаването на ускорителя, който днес познаваме като Големия адронен колайдер, датира от 2007 г. Първоначално хронологията на ускорителите започва с циклотрона. Устройството беше малко устройство, което лесно се побираше на масата. Тогава историята на ускорителите започна да се развива бързо. Появиха се синхрофазотронът и синхротронът.
В историята може би най-интересният период е периодът от 1956 до 1957 г. В онези дни съветската наука, по-специално физиката, не изоставаше от своите чуждестранни братя. Използвайки дългогодишен опит, съветският физик на име Владимир Векслер прави пробив в науката. Той създава най-мощния синхрофазотрон по това време. Работната му мощност беше 10 гигаелектронволта (10 милиарда електронволта). След това откритие бяха създадени сериозни образци на ускорители: големият електрон-позитронен колайдер, швейцарският ускорител, в Германия, САЩ. Всички те имаха една обща цел - изследването на основните частици на кварките.
Големият адронен колайдер е създаден предимно благодарение на усилията на италиански физик. Името му е Карло Рубия, лауреат на Нобелова награда. По време на кариерата си Рубиа работи като директор в Европейската организация за ядрени изследвания. Беше решено да се изгради и пусне адронен колайдер на мястото на изследователския център.
Къде е адронният колайдер?
Колайдерът се намира на границата между Швейцария и Франция. Обиколката му е 27 километра, поради което се нарича голям. Ускорителният пръстен достига дълбочина от 50 до 175 метра. Колайдерът има 1232 магнита. Те са свръхпроводящи, което означава, че от тях може да се генерира максимално поле за ускорение, тъй като в такива магнити практически няма консумация на енергия. Общото тегло на всеки магнит е 3,5 тона с дължина 14,3 метра.
Като всеки физически обект, Големият адронен колайдер генерира топлина. Следователно трябва постоянно да се охлажда. За да се постигне това, температурата се поддържа на 1,7 K, като се използват 12 милиона литра течен азот. Освен това се използват 700 хиляди литра за охлаждане и най-важното е, че се използва налягане, което е десет пъти по-ниско от нормалното атмосферно налягане.
Температура от 1,7 K по скалата на Целзий е -271 градуса. Тази температура е почти близка до това, което се нарича минималната възможна граница, която едно физическо тяло може да има.
Вътрешността на тунела е не по-малко интересна. Има кабели от ниобий-титан със свръхпроводими способности. Тяхната дължина е 7600 километра. Общото тегло на кабелите е 1200 тона. Вътрешността на кабела е тъкан от 6300 жици с общо разстояние от 1,5 милиарда километра. Тази дължина е равна на 10 астрономически единици. Например, се равнява на 10 такива единици.
Ако говорим за географското му местоположение, можем да кажем, че пръстените на колайдера се намират между градовете Сен Жени и Форни-Волтер, разположени от френската страна, както и Мейрин и Весурат - от швейцарската страна. Малък пръстен, наречен PS, минава по диаметъра на границата.
Смисълът на съществуването
За да отговорите на въпроса „за какво е адронният колайдер“, трябва да се обърнете към учените. Много учени казват, че това е най-великото изобретение в цялата история на науката и че без него науката, каквато я познаваме днес, просто няма смисъл. Съществуването и стартирането на Големия адронен колайдер е интересно, защото когато частиците се сблъскат в адронния колайдер, възниква експлозия. Всички най-малки частици се разпръскват в различни посоки. Образуват се нови частици, които могат да обяснят съществуването и значението на много неща.
Първото нещо, което учените се опитаха да намерят в тези разбити частици, беше теоретично предсказаната елементарна частица от физика Питър Хигс, наречена Смята се, че тази удивителна частица е носител на информация. Също така често се нарича "частица на Бог". Неговото откритие ще доближи учените до разбирането на Вселената. Трябва да се отбележи, че през 2012 г., на 4 юли, адронният колайдер (стартирането му беше частично успешно) помогна за откриването на подобна частица. Днес учените се опитват да го проучат по-подробно.
Колко дълго...
Разбира се, веднага възниква въпросът: защо учените са изучавали тези частици толкова дълго? Ако имате устройство, можете да го стартирате и всеки път да взимате повече и повече данни. Факт е, че експлоатацията на адронен колайдер е скъпо предложение. Едно изстрелване струва много пари. Например годишното потребление на енергия е 800 милиона kWh. Това количество енергия се консумира от град с население от около 100 хиляди души по средни стандарти. И това не включва разходите за поддръжка. Друга причина е, че в адронния колайдер експлозията, която възниква при сблъсък на протони, е свързана с получаване на голямо количество данни: компютрите четат толкова много информация, че отнема много време за обработка. Въпреки че силата на компютрите, които получават информация, е голяма дори за днешните стандарти.
Следващата причина е не по-малко известна. Учените, работещи с колайдера в тази посока, са уверени, че видимият спектър на цялата Вселена е само 4%. Предполага се, че останалите са тъмна материя и тъмна енергия. Те се опитват да докажат експериментално, че тази теория е правилна.
Адронен колайдер: за или против
Изложената теория за тъмната материя постави под съмнение безопасността на адронния колайдер. Възникна въпросът: „Адронният колайдер: за или против?“ Той тревожи много учени. Всички велики умове на света са разделени на две категории. „Противниците“ излагат интересна теория, че ако такава материя съществува, то тя трябва да има противоположна на нея частица. И когато частиците се сблъскат в ускорителя, се появява тъмна част. Имаше риск тъмната част и тази, която виждаме, да се сблъскат. Тогава това може да доведе до смъртта на цялата вселена. След първото изстрелване на адронния колайдер обаче тази теория беше частично разбита.
На следващо място по важност идва експлозията на Вселената или по-скоро раждането. Смята се, че по време на сблъсък е възможно да се наблюдава как се е държала Вселената в първите секунди от своето съществуване. Начинът, по който изглеждаше след Големия взрив. Смята се, че процесът на сблъсъци на частици е много подобен на този, който се е случил в самото начало на Вселената.
Друга също толкова фантастична идея, която учените тестват, са екзотичните модели. Изглежда невероятно, но има теория, която предполага, че има други измерения и вселени с хора, подобни на нас. И колкото и да е странно, ускорителят може да помогне и тук.
Просто казано, целта на ускорителя е да разбере какво представлява Вселената, как е създадена и да докаже или отхвърли всички съществуващи теории за частиците и свързаните с тях явления. Разбира се, това ще отнеме години, но с всяко стартиране се появяват нови открития, които революционизират света на науката.
Факти за ускорителя
Всеки знае, че ускорителят ускорява частиците до 99% от скоростта на светлината, но малко хора знаят, че процентът е 99,9999991% от скоростта на светлината. Тази невероятна фигура има смисъл благодарение на перфектния дизайн и мощните ускоряващи магнити. Има и някои по-малко известни факти, които трябва да се отбележат.
Приблизително 100 милиона потока данни, идващи от всеки от двата основни детектора, могат да запълнят повече от 100 000 CD-ROM диска за секунди. Само за един месец броят на дисковете ще достигне такава височина, че ако бъдат подредени, ще са достатъчни, за да стигнат до Луната. Затова беше решено да се събират не всички данни, които идват от детекторите, а само тези, които ще бъдат разрешени за използване от системата за събиране на данни, която всъщност играе ролята на филтър за получените данни. Решено е да се запишат само 100 събития, настъпили в момента на експлозията. Тези събития ще бъдат записани в архива на компютърния център на Големия адронен колайдер, който се намира в Европейската лаборатория по физика на елементарните частици, където се намира и ускорителят. Това, което ще бъдат записани, няма да бъдат тези събития, които са записани, а тези, които представляват най-голям интерес за научната общност.
Последваща обработка
Веднъж записани, стотици килобайти данни ще бъдат обработени. За целта се използват повече от две хиляди компютъра, разположени в ЦЕРН. Задачата на тези компютри е да обработват първични данни и да формират от тях база данни, която ще бъде удобна за по-нататъшен анализ. След това генерираният поток от данни ще бъде изпратен към компютърната мрежа GRID. Тази интернет мрежа обединява хиляди компютри, разположени в различни институти по света и свързва повече от сто големи центъра, разположени на три континента. Всички подобни центрове са свързани с CERN чрез оптични влакна за максимални скорости на трансфер на данни.
Говорейки за факти, трябва да споменем и физическите показатели на конструкцията. Тунелът на ускорителя е отклонен с 1,4% от хоризонталната равнина. Това беше направено предимно с цел по-голямата част от тунела на ускорителя да се постави в монолитна скала. По този начин дълбочината на поставяне на противоположните страни е различна. Ако броим от страната на езерото, което се намира близо до Женева, тогава дълбочината ще бъде 50 метра. Отсрещната част е с дълбочина 175 метра.
Интересното е, че лунните фази влияят на ускорителя. Изглежда как толкова отдалечен обект може да повлияе на такова разстояние. Забелязано е обаче, че по време на пълнолуние, когато настъпва прилив, земята в района на Женева се издига с цели 25 сантиметра. Това се отразява на дължината на колайдера. По този начин дължината се увеличава с 1 милиметър, а енергията на лъча също се променя с 0,02%. Тъй като енергията на лъча трябва да се контролира до 0,002%, изследователите трябва да вземат предвид това явление.
Интересно е също, че тунелът на колайдера има формата на осмоъгълник, а не на кръг, както мнозина си представят. Ъглите са създадени от къси секции. Те съдържат инсталирани детектори, както и система, която контролира лъча на ускоряващите се частици.
Структура
Адронният колайдер, чието стартиране включва много части и много вълнение сред учените, е невероятно устройство. Целият ускорител се състои от два пръстена. Малкият пръстен се нарича протонен синхротрон или, за да използваме неговите съкращения, PS. Големият пръстен е супер протонен синхротрон или SPS. Заедно двата пръстена позволяват на частите да се ускорят до 99,9% от скоростта на светлината. В същото време колайдерът увеличава и енергията на протоните, увеличавайки общата им енергия 16 пъти. Освен това позволява на частиците да се сблъскват една с друга приблизително 30 милиона пъти/сек. в рамките на 10 часа. От 4-те основни детектора се получават поне 100 терабайта цифрови данни в секунда. Получаването на данни се определя от индивидуални фактори. Например, те могат да открият елементарни частици, които имат отрицателен електрически заряд и също имат половин спин. Тъй като тези частици са нестабилни, тяхното директно откриване е невъзможно; възможно е да се открие само тяхната енергия, която ще бъде излъчена под определен ъгъл спрямо оста на лъча. Този етап се нарича първо ниво на стартиране. Този етап се следи от повече от 100 специални платки за обработка на данни, които имат вградена логика за изпълнение. Тази част от работата се характеризира с факта, че по време на периода на събиране на данни се избират повече от 100 хиляди блока данни в секунда. След това тези данни ще бъдат използвани за анализ, който се извършва чрез механизъм на по-високо ниво.
Системите на следващото ниво, напротив, получават информация от всички нишки на детектора. Софтуерът на детектора работи в мрежа. Там ще използва голям брой компютри за обработка на последващи блокове от данни, като средното време между блоковете е 10 микросекунди. Програмите ще трябва да създават маркировки за частици, съответстващи на оригиналните точки. Резултатът ще бъде генериран набор от данни, състоящ се от импулс, енергия, траектория и други, възникнали по време на едно събитие.
Части за ускорител
Целият ускорител може да бъде разделен на 5 основни части:
1) Ускорител на електрон-позитронен колайдер. Частта се състои от около 7 хиляди магнита със свръхпроводящи свойства. С тяхна помощ лъчът се насочва през кръгъл тунел. Те също така концентрират лъча в един поток, чиято ширина се намалява до ширината на една коса.
2) Компактен мюонен соленоид. Това е детектор с общо предназначение. Такъв детектор се използва за търсене на нови явления и например за търсене на частици на Хигс.
3) LHCb детектор. Значението на това устройство е да търси кварки и техните противоположни частици - антикварки.
4) Тороидална инсталация ATLAS. Този детектор е предназначен за откриване на мюони.
5) Алис. Този детектор улавя сблъсъци на оловни йони и протон-протонни сблъсъци.
Проблеми при пускането на адронния колайдер
Въпреки факта, че наличието на високи технологии елиминира възможността за грешки, на практика всичко е различно. По време на сглобяването на ускорителя възникнаха забавяния и повреди. Трябва да се каже, че тази ситуация не беше неочаквана. Устройството съдържа толкова много нюанси и изисква такава прецизност, че учените очакваха подобни резултати. Например, един от проблемите, пред които са изправени учените по време на изстрелването, е повредата на магнита, който фокусира протонните лъчи непосредствено преди техния сблъсък. Тази сериозна авария е причинена от разрушаване на част от закрепването поради загуба на свръхпроводимост от магнита.
Този проблем възникна през 2007 г. Поради това стартирането на колайдера беше отложено няколко пъти и едва през юни стартирането се състоя почти година по-късно;
Последното изстрелване на колайдера беше успешно, събра много терабайти данни.
Адронният колайдер, който стартира на 5 април 2015 г., работи успешно. В продължение на един месец лъчите ще се движат около ринга, като постепенно се увеличава мощността им. Няма цел за изследването като такова. Енергията на сблъсъка на лъча ще бъде увеличена. Стойността ще бъде повишена от 7 TeV на 13 TeV. Такова увеличение ще ни позволи да видим нови възможности в сблъсъците на частици.
През 2013 и 2014г извършени са сериозни технически прегледи на тунели, ускорители, детектори и друго оборудване. Резултатът беше 18 биполярни магнита със свръхпроводяща функция. Трябва да се отбележи, че общият им брой е 1232 броя. Въпреки това, останалите магнити не останаха незабелязани. В останалите системите за защита на охлаждането са подменени и са монтирани подобрени. Магнитната система за охлаждане също е подобрена. Това им позволява да останат при ниски температури с максимална мощност.
Ако всичко върви добре, следващият старт на ускорителя ще се състои едва след три години. След този период се планира планирана работа за подобряване и технически преглед на колайдера.
Трябва да се отбележи, че ремонтът струва доста стотинка, без да се вземат предвид разходите. Адронният колайдер от 2010 г. има цена от 7,5 милиарда евро. Тази цифра поставя целия проект на първо място в списъка на най-скъпите проекти в историята на науката.
Много обикновени жители на планетата си задават въпроса защо е необходим Големият адронен колайдер. Научните изследвания, непонятни за повечето, за които са похарчени много милиарди евро, предизвикват предпазливост и безпокойство.
Може би това изобщо не е изследване, а прототип на машина на времето или портал за телепортиране на извънземни същества, които могат да променят съдбата на човечеството? Носят се най-фантастичните и ужасни слухове. В тази статия ще се опитаме да разберем какво е адронен колайдер и защо е създаден.
Амбициозен проект за човечеството
Големият адронен колайдер в момента е най-мощният ускорител на частици на планетата. Намира се на границата между Швейцария и Франция. По-точно под него: на дълбочина 100 метра се намира пръстенов тунел на ускорителя с дължина почти 27 километра. Собственик на експерименталната площадка, струваща над 10 милиарда долара, е Европейският център за ядрени изследвания.
Огромни количества ресурси и хиляди ядрени физици са заети да ускоряват протони и тежки оловни йони до скорости, близки до светлинни, в различни посоки и след това да ги разбиват един в друг. Резултатите от директните взаимодействия са внимателно проучени.
Предложението за създаване на нов ускорител на частици дойде през 1984 г. В продължение на десет години се водят различни дискусии за това какъв ще бъде адронният колайдер и защо е необходим такъв мащабен изследователски проект. Едва след обсъждане на спецификата на техническото решение и необходимите монтажни параметри проектът беше одобрен. Изграждането му започва едва през 2001 г., като за него се използва бившият ускорител на частици - Големият електрон-позитронен колайдер.
Защо се нуждаем от Голям адронен колайдер?
Взаимодействието на елементарните частици се описва по различни начини. Теорията на относителността противоречи на квантовата теория на полето. Липсващото звено за постигане на единен подход към структурата на елементарните частици е невъзможността да се създаде теория за квантовата гравитация. Ето защо е необходим адронен колайдер с висока мощност.
Общата енергия на сблъсъци на частици е 14 тераелектронволта, което прави устройството значително по-мощен ускорител от всеки съществуващ в света днес. Чрез провеждането на експерименти, които досега бяха невъзможни по технически причини, учените най-вероятно ще могат да документират или опровергаят съществуващите теории за микросвета.
Изследването на кварк-глюонната плазма, образувана по време на сблъсъка на оловни ядра, ще позволи да се изгради по-напреднала теория за силни взаимодействия, която може радикално да промени ядрената физика и звездното пространство.
Хигс бозон
Още през 1960 г. шотландският физик Питър Хигс разработи теорията на полето на Хигс, според която частиците, влизащи в това поле, са обект на квантови ефекти, които във физическия свят могат да се наблюдават като маса на обект.
Ако по време на експериментите е възможно да се потвърди теорията на шотландския ядрен физик и да се открие бозонът на Хигс (квант), тогава това събитие може да се превърне в нова отправна точка за развитието на жителите на Земята.
И откритите контроли на гравитацията многократно ще надхвърлят всички видими перспективи за развитие на технологичния прогрес. Освен това напредналите учени се интересуват повече не от наличието на самия бозон на Хигс, а от процеса на нарушаване на електрослабата симетрия.
Как работи той
За да могат експерименталните частици да достигнат немислима за повърхността скорост, почти равна във вакуум, те се ускоряват постепенно, като всеки път се увеличава енергията.
Линейните ускорители първо инжектират оловни йони и протони, които след това се подлагат на стъпаловидно ускорение. Чрез бустера частиците влизат в протонния синхротрон, където получават заряд от 28 GeV.
На следващия етап частиците влизат в суперсинхротрона, където енергията на заряда им се повишава до 450 GeV. Достигнали такива показатели, частиците попадат в основния многокилометров пръстен, където на специално разположени места за сблъсък детекторите записват подробно момента на удара.
В допълнение към детекторите, способни да записват всички процеси по време на сблъсък, 1625 свръхпроводящи магнита се използват за задържане на протонни снопове в ускорителя. Общата им дължина надхвърля 22 километра. Специално за постигане поддържа температура от −271 °C. Цената на всеки такъв магнит се оценява на един милион евро.
Целта оправдава средствата
За извършването на такива амбициозни експерименти е построен най-мощният адронен колайдер. Много учени разказват на човечеството с нескрита наслада защо е необходим научен проект за милиарди долари. Вярно е, че в случай на нови научни открития най-вероятно те ще бъдат надеждно класифицирани.
Можете дори да кажете със сигурност. Това се потвърждава от цялата история на цивилизацията. Когато колелото е изобретено, човечеството овладява металургията - здравейте, оръжия и оръжия!
Всички най-модерни разработки днес стават собственост на военно-промишлените комплекси на развитите страни, но не и на цялото човечество. Когато учените се научиха да разделят атома, какво беше първо? Ядрени реактори, осигуряващи електричество, обаче, след стотици хиляди смъртни случаи в Япония. Жителите на Хирошима явно бяха против научния прогрес, който отне утрешния ден от тях и децата им.
Техническото развитие изглежда като подигравка с хората, защото хората в него скоро ще се превърнат в най-слабото звено. Според теорията на еволюцията системата се развива и укрепва, като се освобождава от слабите си места. Скоро може да се окаже, че няма да ни остане място в света на подобряващите се технологии. Следователно въпросът „защо е нужен Големият адронен колайдер точно сега“ всъщност не е празно любопитство, защото е породен от страх за съдбата на цялото човечество.
Въпроси, на които не се отговаря
Защо се нуждаем от голям адронен колайдер, ако милиони на планетата умират от глад и нелечими, а понякога и лечими болести? Ще помогне ли той да преодолее това зло? Защо човечеството се нуждае от адронен колайдер, който въпреки цялото развитие на технологиите не успя да се научи как да се бори успешно с рака в продължение на сто години? Или може би е просто по-изгодно да се предоставят скъпи медицински услуги, отколкото да се намери начин за излекуване? Предвид сегашния световен ред и етично развитие, само шепа представители на човешката раса наистина се нуждаят от голям адронен колайдер. Защо се нуждае от това цялото население на планетата, което води непрестанна битка за правото да живее в свят, свободен от атаки срещу живота и здравето на никого? Историята мълчи за това...
Притесненията на колегите учени
Има и други представители на научната общност, които изразиха сериозни опасения за безопасността на проекта. Има голяма вероятност научният свят, в своите експерименти, поради ограничените си познания, да загуби контрол върху процеси, които дори не са добре проучени.
Този подход напомня на лабораторни експерименти на млади химици - смесете всичко и вижте какво ще се случи. Последният пример може да завърши с лабораторна експлозия. Ами ако такъв „успех“ сполети адронния колайдер?
Защо земляните се нуждаят от неоправдан риск, особено след като експериментаторите не могат да кажат с пълна увереност, че процесите на сблъсъци на частици, водещи до образуването на температури 100 хиляди пъти по-високи от температурата на нашата звезда, няма да предизвикат верижна реакция на цялото вещество на планетата?! Или просто ще нарекат нещо, способно фатално да провали почивката в планините на Швейцария или Френската Ривиера...
Информационна диктатура
Защо е нужен Големият адронен колайдер, когато човечеството не може да реши по-малко сложни проблеми? Опитът за потискане на алтернативно мнение само потвърждава възможността за непредсказуемостта на хода на събитията.
Вероятно там, където за първи път се е появил човекът, му е била присъща тази двойна черта - да прави добро и да си вреди едновременно. Може би откритията, които адронният колайдер ще ни даде, ще ни дадат отговора? Защо е нужен този рискован експеримент ще решат нашите потомци.
Със сигурност почти всеки човек на Земята поне веднъж е чувал за Големия адронен колайдер. Но въпреки факта, че мнозина са чували за това, малко хора разбират какво е адронен колайдер, каква е неговата цел, каква е същността на адронния колайдер. В днешната ни статия ще отговорим на тези въпроси.
Какво е адронен колайдер
По същество адронният колайдер е сложен ускорител на частици. С негова помощ физиците успяват да ускорят протони и тежки йони. Първоначално адронният колайдер е създаден, за да потвърди съществуването на неуловимата елементарна частица, която физиците понякога шеговито наричат „Божията частица“. И да, съществуването на тази частица беше потвърдено експериментално с помощта на колайдер, а самият откривател Питър Хигс получи Нобелова награда за физика през 2013 г.
Разбира се, въпросът не се ограничаваше само до бозона на Хигс; освен него физиците откриха и някои други елементарни частици. Сега знаете отговора на въпроса защо е необходим адронен колайдер.
Какво представлява Големият адронен колайдер?
На първо място, трябва да се отбележи, че Големият адронен колайдер не се е появил от нищото, а се е появил като еволюция на своя предшественик - Големият електронно-позитронен колайдер, който представлява 27-километров подземен тунел, чието строителство започна през 1983г. През 1988 г. околовръстният тунел е затворен, а интересното е, че строителите са подходили много внимателно, дотолкова, че разликата между двата края на тунела е само 1 сантиметър.
Ето как изглежда веригата на адронния колайдер.
Електронно-позитронният колайдер работи до 2000 г. и по време на неговата работа във физиката с негова помощ бяха направени редица открития, включително откриването на W и Z бозоните и тяхното по-нататъшно изследване.
От 2001 г. на мястото на електрон-позитронния колайдер започна изграждането на адронен колайдер, който беше завършен през 2007 г.
Къде се намира адронният колайдер?
Големият адронен колайдер се намира на границата между Швейцария и Франция, в долината на Женевското езеро, само на 15 км от самата Женева. И се намира на дълбочина 100 метра.
Местоположение на адронния колайдер.
През 2008 г. започнаха първите му тестове под патронажа на CERN, Европейската организация за ядрени изследвания, която в момента е най-голямата лаборатория в света в областта на физиката на високите енергии.
За какво е адронният колайдер?
С този гигантски ускорител на частици физиците могат да проникнат по-дълбоко в материята от всякога. Всичко това помага както за потвърждаване на стари научни хипотези, така и за създаване на нови интересни теории. Подробното изследване на физиката на елементарните частици ни помага да се приближим в търсенето на отговори на въпроси за структурата на Вселената и как е възникнала.
Дълбокото потапяне в микросвета ни позволява да открием нови революционни теории за пространство-времето и кой знае, може би дори ще успеем да проникнем в тайната на времето, това четвърто измерение на нашия свят.
Как работи адронният колайдер?
Сега нека опишем как всъщност работи Големият адронен колайдер. Името говори за принципите на неговата работа, тъй като самата дума „collider“ се превежда от английски като „този, който се сблъсква“. Основната му задача е да организира сблъсък на елементарни частици. Освен това частиците в колайдера летят (и се сблъскват) със скорости, близки до скоростта на светлината. Резултатите от сблъсъци на частици се записват от четири основни големи детектора: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb и много спомагателни детектори.
Принципът на работа на адронния колайдер е описан по-подробно в това интересно видео.
Опасностите от адронния колайдер
Като цяло хората са склонни да се страхуват от неща, които не разбират. Точно това илюстрира отношението към адронния колайдер и различните опасения, свързани с него. Най-радикалните от тях изразиха, че при евентуална експлозия на адронния колайдер може да загине не много, не малко, а цялото човечество, заедно с планетата Земя, която ще бъде погълната от образуваната след експлозията. Разбира се, още първите експерименти показаха, че подобни страхове не са нищо повече от детска история на ужасите.
Но някои сериозни опасения относно работата на колайдера бяха изразени от наскоро починалия английски учен Стивън Хокинг. Освен това опасенията на Хокинг са свързани не толкова със самия колайдер, колкото с бозона на Хигс, получен с негова помощ. Според учения този бозон е изключително нестабилен материал и в резултат на определена комбинация от обстоятелства може да доведе до разпадането на вакуума и пълното изчезване на такива понятия като пространство и време. Но не всичко е толкова страшно, защото според Хокинг, за да се случи нещо подобно, е необходим колайдер с размерите на цяла планета.
При писането на статията се опитах да я направя възможно най-интересна, полезна и качествена. Ще бъда благодарен за всякаква обратна връзка и градивна критика под формата на коментари към статията. Можете също така да напишете вашето желание/въпрос/предложение на имейла ми. [имейл защитен]или във фейсбук, искрено авторът.