Veliki hadronski sudarač: svrha, otkrića i mitovi. Veliki hadronski sudarač. Čemu služi? Zašto je stvoren sudarač?
100 metara ispod zemlje, na granici Francuske i Švicarske, nalazi se uređaj koji može otkriti tajne svemira. Ili, prema nekima, uništiti sav život na Zemlji.
U svakom slučaju, ovo je najveći stroj na svijetu, a koristi se za proučavanje najmanjih čestica u Svemiru. Ovo je Large Hadron (ne android) Collider (LHC).
Kratki opis
LHC je dio projekta kojeg vodi Europska organizacija za nuklearna istraživanja (CERN). Sudarač je dio akceleratorskog kompleksa CERN-a u blizini Ženeve u Švicarskoj i koristi se za ubrzavanje snopova protona i iona do brzina koje se približavaju brzini svjetlosti, razbijajući čestice jedne u druge i bilježeći rezultirajuće događaje. Znanstvenici se nadaju da će to pomoći da se sazna više o podrijetlu svemira i njegovom sastavu.
Što je sudarač (LHC)? To je najambiciozniji i najsnažniji akcelerator čestica napravljen do danas. Tisuće znanstvenika iz stotina zemalja surađuju i natječu se jedni s drugima u potrazi za novim otkrićima. Za prikupljanje eksperimentalnih podataka postoji 6 sekcija smještenih duž oboda sudarača.
Otkrića s njim mogu biti korisna u budućnosti, ali to nije razlog njegove izgradnje. Svrha Large Hadron Collidera je proširiti naše znanje o svemiru. S obzirom da LHC košta milijarde dolara i zahtijeva suradnju mnogih zemalja, nedostatak praktične primjene može biti iznenađujući.
Čemu služi hadronski sudarač?
U pokušaju da razumiju naš Svemir, njegovo funkcioniranje i stvarnu strukturu, znanstvenici su predložili teoriju nazvanu standardni model. Pokušava identificirati i objasniti temeljne čestice koje čine svijet onakvim kakav jest. Model kombinira elemente Einsteinove teorije relativnosti s kvantnom teorijom. Također uzima u obzir 3 od 4 temeljne sile svemira: jake i slabe nuklearne sile i elektromagnetizam. Teorija se ne tiče 4. temeljne sile - gravitacije.
Standardni model napravio je nekoliko predviđanja o svemiru koja su u skladu s raznim eksperimentima. Ali postoje i drugi aspekti toga koji zahtijevaju potvrdu. Jedna od njih je teorijska čestica nazvana Higgsov bozon.
Njegovo otkriće odgovara na pitanja o masi. Zašto ga materija ima? Znanstvenici su identificirali čestice koje nemaju masu, poput neutrina. Zašto ga neki ljudi imaju, a drugi ne? Fizičari su ponudili mnoga objašnjenja.
Najjednostavniji od njih je Higgsov mehanizam. Ova teorija tvrdi da postoji čestica i odgovarajuća sila koja objašnjava prisutnost mase. Nikad prije nije opažen, tako da bi događaji koje je stvorio LHC ili dokazali postojanje Higgsovog bozona ili pružili nove informacije.
Još jedno pitanje koje postavljaju znanstvenici vezano je uz nastanak Svemira. Tada su materija i energija bile jedno. Nakon razdvajanja, čestice materije i antimaterije su uništile jedna drugu. Da im je broj jednak, ne bi ostalo ništa.
Ali, na našu sreću, u Svemiru je bilo više materije. Znanstvenici se nadaju promatrati antimateriju tijekom rada LHC-a. To bi moglo pomoći u razumijevanju razloga razlike u količini materije i antimaterije kada je svemir nastao.
Tamna tvar
Naše trenutno razumijevanje svemira sugerira da je samo oko 4% materije koja bi trebala postojati trenutno vidljiva. Kretanje galaksija i drugih nebeskih tijela sugerira da postoji mnogo više vidljive materije.
Znanstvenici su ovu nejasnu materiju nazvali tamna tvar. Vidljiva i tamna tvar čine oko 25%. Ostale 3/4 dolazi od hipotetske tamne energije, koja pridonosi širenju svemira.
Znanstvenici se nadaju da će njihovi eksperimenti pružiti dodatne dokaze o postojanju tamne tvari i tamne energije ili potvrditi alternativnu teoriju.
Ali ovo je samo vrh ledenog brijega fizike čestica. Postoje još egzotičnije i kontroverznije stvari koje treba otkriti, čemu služi sudarač.
Veliki prasak na mikro razini
Sudarajući protone pri dovoljno velikim brzinama, LHC ih razbija na manje atomske podčestice. Vrlo su nestabilni i traju samo djelić sekunde prije nego što se raspadnu ili rekombiniraju.
Prema teoriji Velikog praska, sva se materija izvorno sastojala od njih. Kako se Svemir širio i hladio, one su se spajale u veće čestice poput protona i neutrona.
Neobične teorije
Ako teorijske čestice, antimaterija i tamna energija, nisu dovoljno egzotične, neki znanstvenici vjeruju da bi LHC mogao pružiti dokaze za postojanje drugih dimenzija. Opće je prihvaćeno da je svijet četverodimenzionalan (trodimenzionalni prostor i vrijeme). Ali fizičari sugeriraju da možda postoje druge dimenzije koje ljudi ne mogu uočiti. Na primjer, jedna verzija teorije struna zahtijeva najmanje 11 dimenzija.
Pristaše ove teorije nadaju se da će LHC pružiti dokaze o njihovom predloženom modelu svemira. Po njihovom mišljenju, temeljni građevni blokovi nisu čestice, već strune. Mogu biti otvoreni ili zatvoreni, a vibriraju poput gitara. Razlika u vibraciji čini žice različitima. Neki se manifestiraju u obliku elektrona, dok se drugi realiziraju kao neutrini.
Što je sudarač u brojkama?
LHC je masivna i moćna struktura. Sastoji se od 8 sektora, od kojih je svaki luk, ograničen na svakom kraju dijelom koji se naziva "umetak". Opseg sudarača je 27 km.
Akceleratorske cijevi i kolizijske komore nalaze se 100 metara ispod zemlje. Pristup im je omogućen servisnim tunelom s dizalima i stepenicama koji se nalaze na nekoliko točaka duž LHC oboda. CERN je također izgradio nadzemne zgrade u kojima istraživači mogu prikupljati i analizirati podatke koje generiraju detektori sudarača.
Magneti se koriste za upravljanje snopovima protona koji se kreću brzinom od 99,99% brzine svjetlosti. Ogromni su, teški nekoliko tona. LHC ima oko 9600 magneta. Hlade se na 1,9 K (-271,25 °C). To je ispod temperature svemira.
Protoni unutar sudarača prolaze kroz cijevi ultravisokog vakuuma. To je potrebno kako ne bi bilo čestica s kojima bi se mogli sudariti prije nego što dostignu svoj cilj. Jedna molekula plina može uzrokovati neuspjeh eksperimenta.
Postoji 6 područja oko oboda velikog sudarača gdje inženjeri mogu provoditi svoje eksperimente. Mogu se usporediti s mikroskopima s digitalnom kamerom. Neki od tih detektora su ogromni - ATLAS je uređaj dugačak 45 m, visok 25 m i težak 7 tona.
LHC zapošljava oko 150 milijuna senzora koji prikupljaju podatke i šalju ih u računalnu mrežu. Prema CERN-u, količina informacija dobivenih tijekom pokusa je oko 700 MB/s.
Očito, takav sudarač zahtijeva puno energije. Njegova godišnja potrošnja energije je oko 800 GWh. Mogao bi biti puno veći, ali objekt ne radi tijekom zimskih mjeseci. Prema CERN-u, cijena energije je oko 19 milijuna eura.
Sudar protona
Princip koji stoji iza fizike sudarača prilično je jednostavan. Prvo se lansiraju dvije zrake: jedna u smjeru kazaljke na satu, a druga u suprotnom smjeru. Oba toka ubrzavaju do brzine svjetlosti. Zatim se usmjeravaju jedan prema drugom i promatra se rezultat.
Oprema potrebna za postizanje ovog cilja mnogo je složenija. LHC je dio kompleksa CERN-a. Prije nego što bilo koja čestica uđe u LHC, ona već prolazi kroz niz koraka.
Prvo, da bi proizveli protone, znanstvenici moraju odvojiti atome vodika od elektrona. Čestice se zatim šalju u LINAC 2, koji ih lansira u PS Booster akcelerator. Ovi strojevi koriste izmjenično električno polje za ubrzavanje čestica. Polja stvorena ogromnim magnetima pomažu u zadržavanju zraka.
Kada zraka dosegne željenu razinu energije, PS Booster je usmjerava na SPS supersinkrotron. Struja se još više ubrzava i dijeli se na 2808 zraka od 1,1 x 1011 protona. SPS ubrizgava zrake u LHC u smjeru kazaljke na satu i suprotno od njega.
Unutar Velikog hadronskog sudarača, protoni nastavljaju ubrzavati 20 minuta. Pri najvećoj brzini okreću se 11 245 puta oko LHC-a svake sekunde. Zrake se skupljaju na jednom od 6 detektora. U ovom slučaju dogodi se 600 milijuna sudara u sekundi.
Kada se dva protona sudare, oni se cijepaju na manje čestice, uključujući kvarkove i gluone. Kvarkovi su vrlo nestabilni i raspadaju se u djeliću sekunde. Detektori prikupljaju informacije prateći putanju subatomskih čestica i šalju ih u računalnu mrežu.
Ne sudaraju se svi protoni. Ostatak se nastavlja kretati do dijela za izbacivanje snopa, gdje ih apsorbira grafit.
Detektori
Po obodu sudarača nalazi se 6 odjeljaka u kojima se prikupljaju podaci i provode eksperimenti. Od toga su 4 glavna detektora i 2 manja.
Najveći je ATLAS. Njegove dimenzije su 46 x 25 x 25 m, detektira i analizira moment čestica koje prolaze kroz ATLAS. Oko njega je kalorimetar koji mjeri energiju čestica tako što ih apsorbira. Znanstvenici mogu promatrati njihovu putanju i ekstrapolirati informacije o njima.
Detektor ATLAS ima i mionski spektrometar. Mioni su negativno nabijene čestice 200 puta teže od elektrona. Oni su jedini sposobni proći kroz kalorimetar bez zaustavljanja. Spektrometar mjeri impuls svakog miona pomoću senzora nabijenih čestica. Ovi senzori mogu detektirati fluktuacije u ATLAS-ovom magnetskom polju.
Compact Muon Solenoid (CMS) detektor je opće namjene koji otkriva i mjeri subčestice koje se oslobađaju tijekom sudara. Uređaj se nalazi unutar golemog solenoidnog magneta koji može stvoriti magnetsko polje gotovo 100 tisuća puta veće od magnetskog polja Zemlje.
ALICE detektor dizajniran je za proučavanje sudara iona željeza. Na taj se način istraživači nadaju ponovno stvoriti uvjete slične onima koji su se dogodili neposredno nakon Velikog praska. Očekuju da će se ioni transformirati u mješavinu kvarkova i gluona. Glavna komponenta ALICE je TPC kamera, koja se koristi za proučavanje i rekonstrukciju putanja čestica.
LHC se koristi za traženje dokaza o postojanju antimaterije. To čini tražeći česticu zvanu beauty quark. Niz poddetektora koji okružuje točku udara dugačak je 20 metara. Oni mogu uhvatiti vrlo nestabilne i brzo raspadajuće čestice kvarkova ljepote.
Eksperiment TOTEM provodi se u prostoru s jednim od malih detektora. Mjeri veličinu protona i svjetlinu LHC-a, pokazujući točnost stvaranja sudara.
LHC eksperiment simulira kozmičke zrake u kontroliranom okruženju. Njegov cilj je pomoći u razvoju velikih studija stvarnih kozmičkih zraka.
Na svakom mjestu detekcije nalazi se tim istraživača, koji broji od nekoliko desetaka do više od tisuću znanstvenika.
Obrada podataka
Nije iznenađujuće da takav sudarač generira ogroman tok podataka. 15.000.000 GB godišnje proizvedenih LHC detektorima predstavlja veliki izazov za istraživače. Njegovo rješenje je računalna mreža koja se sastoji od računala od kojih je svako sposobno samostalno analizirati podatak. Nakon što računalo završi analizu, šalje rezultate središnjem računalu i prima novi dio.
Znanstvenici u CERN-u odlučili su se usredotočiti na korištenje relativno jeftine opreme za izvođenje svojih izračuna. Umjesto kupnje naprednih poslužitelja i procesora, koristi se postojeći hardver koji može dobro raditi na mreži. Pomoću posebnog softvera mreža računala moći će pohraniti i analizirati podatke iz svakog eksperimenta.
Opasnost za planet?
Neki strahuju da bi tako moćan sudarač mogao predstavljati prijetnju životu na Zemlji, uključujući sudjelovanje u formiranju crnih rupa, "čudne tvari", magnetskih monopola, zračenja itd.
Znanstvenici dosljedno pobijaju takve tvrdnje. Nastanak crne rupe je nemoguć jer postoji velika razlika između protona i zvijezda. “Čudna tvar” mogla je nastati davno pod utjecajem kozmičkih zraka, a opasnost od ovih hipotetskih formacija je uvelike preuveličana.
Sudarač je iznimno siguran: od površine ga dijeli 100-metarski sloj tla, a osoblju je zabranjeno boraviti pod zemljom tijekom eksperimenata.
Povijest nastanka akceleratora, koji danas poznajemo kao Large Hadron Collider, seže u 2007. godinu. U početku je kronologija akceleratora započela s ciklotronom. Uređaj je bio mali uređaj koji je lako stao na stol. Tada se povijest akceleratora počela ubrzano razvijati. Pojavili su se sinkrofazotron i sinkrotron.
U povijesti je možda najzanimljivije razdoblje od 1956. do 1957. godine. U to vrijeme sovjetska znanost, posebice fizika, nije zaostajala za svojom inozemnom braćom. Koristeći godine iskustva, sovjetski fizičar po imenu Vladimir Veksler napravio je proboj u znanosti. Stvorio je tada najjači sinhrofazotron. Njegova radna snaga bila je 10 gigaelektronvolti (10 milijardi elektronvolti). Nakon ovog otkrića stvoreni su ozbiljni uzorci akceleratora: veliki elektron-pozitronski sudarač, švicarski akcelerator, u Njemačkoj, SAD. Svi su imali jedan zajednički cilj - proučavanje osnovnih čestica kvarkova.
Veliki hadronski sudarač nastao je prvenstveno zahvaljujući naporima talijanskog fizičara. Njegovo ime je Carlo Rubbia, dobitnik je Nobelove nagrade. Tijekom svoje karijere Rubbia je radio kao direktor u Europskoj organizaciji za nuklearna istraživanja. Odlučeno je izgraditi i pokrenuti hadronski sudarač na mjestu istraživačkog centra.
Gdje je hadronski sudarač?
Sudarač se nalazi na granici između Švicarske i Francuske. Opseg mu je 27 kilometara, pa se zato i naziva velikim. Akceleratorski prsten ide duboko od 50 do 175 metara. Sudarač ima 1232 magneta. Oni su supravodljivi, što znači da se iz njih može generirati maksimalno polje za ubrzanje, jer kod takvih magneta praktički nema potrošnje energije. Ukupna težina svakog magneta je 3,5 tona s duljinom od 14,3 metra.
Kao i svaki fizički objekt, Large Hadron Collider stvara toplinu. Stoga se mora stalno hladiti. Da bi se to postiglo, temperatura se održava na 1,7 K pomoću 12 milijuna litara tekućeg dušika. Osim toga, za hlađenje se troši 700 tisuća litara, a što je najvažnije, koristi se tlak deset puta niži od normalnog atmosferskog tlaka.
Temperatura od 1,7 K na Celzijevoj ljestvici iznosi -271 stupanj. Ta je temperatura gotovo blizu onoga što se zove minimalna moguća granica koju fizičko tijelo može imati.
Ništa manje zanimljiva nije ni unutrašnjost tunela. Postoje kabeli od niobij-titan sa supravodljivošću. Njihova duljina je 7600 kilometara. Ukupna težina kablova je 1200 tona. Unutrašnjost kabela isprepletena je od 6300 žica ukupne duljine 1,5 milijardi kilometara. Ova duljina jednaka je 10 astronomskih jedinica. Na primjer, jednako je 10 takvih jedinica.
Ako govorimo o njegovom geografskom položaju, možemo reći da se prstenovi sudarača nalaze između gradova Saint-Genis i Forney-Voltaire, koji se nalaze na francuskoj strani, kao i Meyrin i Vessourat - na švicarskoj strani. Mali prsten nazvan PS proteže se duž promjera obruba.
Smisao postojanja
Da biste odgovorili na pitanje "čemu služi hadronski sudarač", morate se obratiti znanstvenicima. Mnogi znanstvenici kažu da je ovo najveći izum u cjelokupnoj povijesti znanosti te da bez njega znanost kakvu danas poznajemo jednostavno nema smisla. Postojanje i pokretanje Velikog hadronskog sudarača zanimljivo je jer pri sudaru čestica u hadronskom sudaraču dolazi do eksplozije. Sve najmanje čestice raspršuju se u različitim smjerovima. Nastaju nove čestice koje mogu objasniti postojanje i značenje mnogih stvari.
Prvo što su znanstvenici pokušali pronaći u tim srušenim česticama bila je teoretski predviđena elementarna čestica fizičara Petera Higgsa, nazvana Ova nevjerojatna čestica je nositelj informacija, vjeruje se. Također se obično naziva "Božjom česticom". Njegovo bi otkriće znanstvenike približilo razumijevanju svemira. Valja napomenuti da je 2012., 4. srpnja, hadronski sudarač (njegovo lansiranje bilo djelomično uspješno) pomogao otkriti sličnu česticu. Danas ga znanstvenici pokušavaju detaljnije proučiti.
Koliko dugo...
Naravno, odmah se postavlja pitanje zašto znanstvenici toliko dugo proučavaju te čestice? Ako imate uređaj, možete ga pokrenuti i uzimati svaki put sve više podataka. Činjenica je da je rad hadronskog sudarača skup prijedlog. Jedno lansiranje košta puno novca. Primjerice, godišnja potrošnja energije iznosi 800 milijuna kWh. Ovu količinu energije troši grad s populacijom od oko 100 tisuća ljudi, prema prosječnim standardima. I to ne uključuje troškove održavanja. Drugi razlog je taj što je na hadronskom sudaraču eksplozija koja se događa pri sudaru protona povezana s primanjem velike količine podataka: računala čitaju toliko informacija da im je potrebno puno vremena za obradu. Iako je moć računala koja primaju informacije i za današnje standarde velika.
Sljedeći razlog nije manje poznat Znanstvenici koji rade sa sudaračem u ovom smjeru uvjereni su da je vidljivi spektar cijelog svemira samo 4%. Pretpostavlja se da su preostali tamna tvar i tamna energija. Pokušavaju eksperimentalno dokazati da je ta teorija točna.
Hadronski sudarač: za ili protiv
Iznesena teorija o tamnoj tvari bacila je sumnju na sigurnost hadronskog sudarača. Postavilo se pitanje: "Hadronski sudarač: za ili protiv?" Zabrinuo je mnoge znanstvenike. Svi veliki umovi svijeta dijele se u dvije kategorije. “Protivnici” su iznijeli zanimljivu teoriju da ako takva materija postoji, onda mora imati česticu nasuprot sebi. A kada se čestice sudare u akceleratoru, pojavljuje se tamni dio. Postojao je rizik da se tamni dio i dio koji vidimo sudare. Tada bi to moglo dovesti do smrti cijelog svemira. Međutim, nakon prvog lansiranja hadronskog sudarača, ova je teorija djelomično razbijena.
Sljedeća po važnosti dolazi eksplozija svemira, odnosno rođenje. Vjeruje se da je tijekom sudara moguće promatrati kako se svemir ponašao u prvim sekundama svog postojanja. Kako je izgledao nakon Velikog praska. Vjeruje se da je proces sudaranja čestica vrlo sličan onome koji se dogodio na samom početku svemira.
Još jedna jednako fantastična ideja koju znanstvenici testiraju su egzotični modeli. Čini se nevjerojatnim, ali postoji teorija koja sugerira da postoje druge dimenzije i svemiri s ljudima sličnim nama. I što je čudno, akcelerator i ovdje može pomoći.
Jednostavno rečeno, svrha akceleratora je razumjeti što je svemir, kako je nastao te dokazati ili opovrgnuti sve postojeće teorije o česticama i srodnim fenomenima. Naravno, to će trajati godinama, ali sa svakim lansiranjem pojavljuju se nova otkrića koja revolucioniraju svijet znanosti.
Činjenice o akceleratoru
Svi znaju da akcelerator ubrzava čestice do 99% brzine svjetlosti, ali malo ljudi zna da je taj postotak 99,9999991% brzine svjetlosti. Ova nevjerojatna brojka ima smisla zahvaljujući savršenom dizajnu i snažnim magnetima za ubrzanje. Treba napomenuti i neke manje poznate činjenice.
Otprilike 100 milijuna tokova podataka koji dolaze iz svakog od dva glavna detektora mogli bi ispuniti više od 100.000 CD-ROM-ova u nekoliko sekundi. Za samo mjesec dana, broj diskova bi dosegao toliku visinu da bi, kad bi se naslagali, bili dovoljni da stignu do Mjeseca. Stoga je odlučeno da se ne prikupljaju svi podaci koji dolaze s detektora, već samo oni koji će biti dopušteni za korištenje sustavu prikupljanja podataka, koji zapravo djeluje kao filter za primljene podatke. Odlučeno je zabilježiti samo 100 događaja koji su se dogodili u trenutku eksplozije. Ovi događaji bit će zabilježeni u arhivi računalnog centra Large Hadron Collider, koji se nalazi u Europskom laboratoriju za fiziku čestica, gdje se nalazi i akcelerator. Neće se snimati oni događaji koji su zabilježeni, nego oni koji su od najvećeg interesa znanstvene zajednice.
Naknadna obrada
Jednom snimljeni, stotine kilobajta podataka bit će obrađeni. U tu svrhu koristi se više od dvije tisuće računala smještenih u CERN-u. Zadatak ovih računala je obraditi primarne podatke i iz njih formirati bazu podataka koja će biti pogodna za daljnju analizu. Zatim će se generirani tok podataka poslati u GRID računalnu mrežu. Ova internetska mreža ujedinjuje tisuće računala smještenih u različitim institutima diljem svijeta i povezuje više od stotinu velikih centara smještenih na tri kontinenta. Svi takvi centri povezani su s CERN-om optičkim vlaknima za maksimalne brzine prijenosa podataka.
Govoreći o činjenicama, moramo spomenuti i fizičke pokazatelje strukture. Tunel akceleratora odstupio je od horizontalne ravnine za 1,4%. To je prvenstveno učinjeno kako bi se veći dio tunela akceleratora smjestio u monolitnu stijenu. Dakle, dubina postavljanja na suprotnim stranama je različita. Ako računamo sa strane jezera, koje se nalazi u blizini Ženeve, tada će dubina biti 50 metara. Suprotni dio ima dubinu od 175 metara.
Zanimljivo je da mjesečeve mijene utječu na akcelerator. Čini se kako tako udaljen objekt može utjecati na takvu udaljenost. No, primijećeno je da se za vrijeme punog Mjeseca, kada nastupi plima, kopno na području Ženeve digne za čak 25 centimetara. To utječe na duljinu sudarača. Duljina se time povećava za 1 milimetar, a energija snopa također se mijenja za 0,02%. Budući da se energija snopa mora kontrolirati do 0,002%, istraživači moraju uzeti u obzir ovaj fenomen.
Zanimljivo je i da tunel sudarača ima oblik osmerokuta, a ne kruga, kako mnogi zamišljaju. Kutovi se stvaraju kratkim dijelovima. U njima su ugrađeni detektori, kao i sustav koji kontrolira snop ubrzavajućih čestica.
Struktura
Hadron Collider, čije lansiranje uključuje puno dijelova i puno uzbuđenja među znanstvenicima, nevjerojatan je uređaj. Cijeli akcelerator sastoji se od dva prstena. Mali prsten naziva se protonski sinkrotron ili, da upotrijebimo njegove kratice, PS. Veliki prsten je super protonski sinkrotron ili SPS. Zajedno, dva prstena omogućuju dijelovima da ubrzaju do 99,9% brzine svjetlosti. Istodobno, sudarač također povećava energiju protona, povećavajući njihovu ukupnu energiju za 16 puta. Također omogućuje česticama da se sudaraju jedna s drugom približno 30 milijuna puta/s. u roku od 10 sati. Od 4 glavna detektora dobiva se najmanje 100 terabajta digitalnih podataka u sekundi. Dobivanje podataka određeno je individualnim čimbenicima. Na primjer, mogu detektirati elementarne čestice koje imaju negativan električni naboj i također imaju pola spina. Budući da su te čestice nestabilne, njihova izravna detekcija je nemoguća, moguće je detektirati samo njihovu energiju, koja će biti emitirana pod određenim kutom u odnosu na os snopa. Ova faza se naziva prva razina lansiranja. Ovu fazu nadzire više od 100 posebnih ploča za obradu podataka, koje imaju ugrađenu implementacijsku logiku. Ovaj dio posla karakterizira činjenica da se tijekom razdoblja akvizicije podataka u jednoj sekundi odabere više od 100 tisuća blokova podataka. Ti će se podaci zatim koristiti za analizu, koja se odvija pomoću mehanizma više razine.
Sustavi na sljedećoj razini, naprotiv, primaju informacije iz svih niti detektora. Softver detektora radi na mreži. Tamo će koristiti veliki broj računala za obradu sljedećih blokova podataka, prosječno vrijeme između blokova je 10 mikrosekundi. Programi će morati stvoriti oznake čestica koje odgovaraju izvornim točkama. Rezultat će biti generirani skup podataka koji se sastoji od impulsa, energije, putanje i drugih koji su nastali tijekom jednog događaja.
Dijelovi akceleratora
Cijeli akcelerator može se podijeliti u 5 glavnih dijelova:
1) Akcelerator sudarača elektron-pozitron. Dio se sastoji od oko 7 tisuća magneta sa svojstvima supravodljivosti. Uz njihovu pomoć, zraka se usmjerava kroz kružni tunel. Oni također koncentriraju zraku u jedan tok, čija se širina smanjuje na širinu jedne dlake.
2) Kompaktni mionski solenoid. Ovo je detektor opće namjene. Takav detektor služi za traženje novih pojava i, primjerice, za traženje Higgsovih čestica.
3) LHCb detektor. Značaj ovog uređaja je u potrazi za kvarkovima i njima suprotnim česticama - antikvarkovima.
4) Toroidalni instalacijski ATLAS. Ovaj detektor je dizajniran za otkrivanje miona.
5) Alisa. Ovaj detektor bilježi sudare iona olova i sudare proton-proton.
Problemi prilikom pokretanja hadronskog sudarača
Unatoč činjenici da prisutnost visoke tehnologije eliminira mogućnost pogrešaka, u praksi je sve drugačije. Tijekom montaže akceleratora dolazilo je do kašnjenja i kvarova. Mora se reći da ova situacija nije bila neočekivana. Uređaj sadrži toliko nijansi i zahtijeva toliku preciznost da su znanstvenici očekivali slične rezultate. Na primjer, jedan od problema s kojima su se znanstvenici suočili tijekom lansiranja bio je kvar magneta koji je fokusirao zrake protona neposredno prije njihovog sudara. Ovu ozbiljnu nesreću uzrokovalo je uništenje dijela pričvršćivača zbog gubitka supravodljivosti magneta.
Ovaj problem se pojavio 2007. Zbog toga je lansiranje sudarača nekoliko puta odgađano, a tek u lipnju je lansiranje održano gotovo godinu dana kasnije;
Posljednje lansiranje sudarača bilo je uspješno, prikupivši mnogo terabajta podataka.
Hadron Collider, koji je pokrenut 5. travnja 2015., uspješno radi. Tijekom mjesec dana, grede će se voziti oko prstena, postupno povećavajući njihovu snagu. Ne postoji svrha studije kao takve. Energija sudara zraka će se povećati. Vrijednost će biti podignuta sa 7 TeV na 13 TeV. Takav porast će nam omogućiti da vidimo nove mogućnosti u sudarima čestica.
U 2013. i 2014. god izvršeni su ozbiljni tehnički pregledi tunela, akceleratora, detektora i druge opreme. Rezultat je bilo 18 bipolarnih magneta sa supravodljivom funkcijom. Treba napomenuti da je njihov ukupan broj 1232 komada. Međutim, preostali magneti nisu prošli nezapaženo. U ostalom su zamijenjeni sustavi zaštite hlađenja i ugrađeni poboljšani. Poboljšan je i magnetski sustav hlađenja. To im omogućuje da ostanu na niskim temperaturama uz maksimalnu snagu.
Bude li sve u redu, sljedeće lansiranje akceleratora bit će tek za tri godine. Nakon tog razdoblja planirani su planirani radovi na poboljšanju i tehničkom pregledu sudarača.
Treba napomenuti da popravci koštaju prilično peni, ne uzimajući u obzir troškove. Hadronski sudarač od 2010. godine ima cijenu od 7,5 milijardi eura. Ova brojka stavlja cijeli projekt na prvo mjesto na listi najskupljih projekata u povijesti znanosti.
Mnogi obični stanovnici planeta postavljaju sebi pitanje zašto je potreban Veliki hadronski sudarač. Većini neshvatljiva znanstvena istraživanja u koja su potrošene mnoge milijarde eura izazivaju oprez i zabrinutost.
Možda ovo uopće nije istraživanje, već prototip vremenskog stroja ili portala za teleportaciju vanzemaljskih bića koji mogu promijeniti sudbinu čovječanstva? Kruže najfantastičnije i najstrašnije glasine. U ovom ćemo članku pokušati razumjeti što je hadronski sudarač i zašto je stvoren.
Ambiciozan projekt za čovječanstvo
Veliki hadronski sudarač trenutno je najmoćniji akcelerator čestica na planetu. Nalazi se na granici Švicarske i Francuske. Točnije, ispod njega: na dubini od 100 metara nalazi se prstenasti tunel akceleratora dug gotovo 27 kilometara. Vlasnik eksperimentalne lokacije, vrijedne više od 10 milijardi dolara, je Europski centar za nuklearna istraživanja.
Ogromne količine resursa i tisuće nuklearnih fizičara zauzeti su ubrzavanjem protona i teških iona olova do brzina bliskih svjetlosnim u različitim smjerovima, a zatim ih razbijaju jedne o druge. Rezultati izravnih interakcija pomno se proučavaju.
Prijedlog za stvaranje novog akceleratora čestica došao je još 1984. godine. Već deset godina vode se razne rasprave o tome kakav će biti hadronski sudarač i zašto je potreban takav veliki istraživački projekt. Tek nakon razmatranja specifičnosti tehničkog rješenja i potrebnih instalacijskih parametara projekt je odobren. Izgradnja je započela tek 2001. godine, a za smještaj je korišten bivši akcelerator čestica - Large Electron-Positron Collider.
Zašto nam je potreban Veliki hadronski sudarač?
Međudjelovanje elementarnih čestica opisuje se na različite načine. Teorija relativnosti je u sukobu s kvantnom teorijom polja. Karika koja nedostaje u postizanju jedinstvenog pristupa strukturi elementarnih čestica je nemogućnost stvaranja teorije kvantne gravitacije. Zbog toga je potreban hadronski sudarač velike snage.
Ukupna energija sudara čestica je 14 teraelektronvolti, što ovaj uređaj čini znatno snažnijim akceleratorom od bilo kojeg postojećeg u svijetu danas. Provođenjem eksperimenata koji su dosad bili nemogući iz tehničkih razloga, znanstvenici će najvjerojatnije uspjeti dokumentirati ili opovrgnuti postojeće teorije o mikrosvijetu.
Proučavanje kvark-gluonske plazme nastale tijekom sudara olovnih jezgri omogućit će izgradnju naprednije teorije jakih interakcija, koje mogu radikalno promijeniti nuklearnu fiziku i zvjezdani prostor.
Higgsov bozon
Davne 1960. godine škotski fizičar Peter Higgs razvio je Higgsovu teoriju polja, prema kojoj su čestice koje ulaze u ovo polje podložne kvantnim efektima, koji se u fizičkom svijetu mogu promatrati kao masa objekta.
Ako tijekom eksperimenata bude moguće potvrditi teoriju škotskog nuklearnog fizičara i pronaći Higgsov bozon (kvant), onda bi ovaj događaj mogao postati nova početna točka za razvoj stanovnika Zemlje.
A otkrivene kontrole gravitacije višestruko će premašiti sve vidljive izglede za razvoj tehnološkog napretka. Štoviše, napredne znanstvenike više ne zanima prisutnost samog Higgsovog bozona, već proces razbijanja elektroslabe simetrije.
Kako radi
Kako bi eksperimentalne čestice postigle brzinu nezamislivu za površinu, gotovo jednaku u vakuumu, one se postupno ubrzavaju, svaki put povećavajući energiju.
Linearni akceleratori najprije ubrizgavaju ione olova i protone, koji se zatim podvrgavaju postupnom ubrzavanju. Čestice kroz booster ulaze u protonski sinkrotron, gdje dobivaju naboj od 28 GeV.
U sljedećoj fazi čestice ulaze u super-sinkrotron, gdje im se energija naboja povećava na 450 GeV. Dostigavši takve pokazatelje, čestice padaju u glavni višekilometarski prsten, gdje na posebno lociranim mjestima sudara detektori detaljno bilježe trenutak udara.
Uz detektore koji mogu zabilježiti sve procese tijekom sudara, koristi se 1625 supravodljivih magneta koji drže hrpe protona u akceleratoru. Njihova ukupna dužina prelazi 22 kilometra. Posebno dizajniran za postizanje temperature od −271 °C. Cijena svakog takvog magneta procjenjuje se na milijun eura.
Cilj opravdava sredstva
Za izvođenje takvih ambicioznih eksperimenata izgrađen je najjači hadronski sudarač. Mnogi znanstvenici s neskrivenim oduševljenjem govore čovječanstvu zašto je potreban znanstveni projekt vrijedan više milijardi dolara. Istina, u slučaju novih znanstvenih otkrića, najvjerojatnije će biti pouzdano klasificirana.
Možete čak i reći sigurno. To potvrđuje cjelokupna povijest civilizacije. Kad je izumljen kotač, čovječanstvo je ovladalo metalurgijom - halo, oružje i puške!
Sva najmodernija dostignuća danas postaju vlasništvo vojno-industrijskih kompleksa razvijenih zemalja, ali ne i cijelog čovječanstva. Kad su znanstvenici naučili razdvojiti atom, što je bilo prvo? Nuklearni reaktori koji daju električnu energiju, međutim, nakon stotina tisuća smrti u Japanu. Stanovnici Hirošime bili su jasno protiv znanstvenog napretka, koji je njima i njihovoj djeci oduzeo sutrašnjicu.
Tehnički razvoj izgleda kao ruganje ljudima, jer će se ljudi u njemu ubrzo pretvoriti u najslabiju kariku. Prema teoriji evolucije, sustav se razvija i jača, rješavajući se svojih slabih točaka. Moglo bi se uskoro pokazati da više nećemo imati mjesta u svijetu unapređenja tehnologije. Stoga pitanje "zašto je baš sada potreban Veliki hadronski sudarač" zapravo nije pusta znatiželja, jer je uzrokovano strahom za sudbinu cijelog čovječanstva.
Pitanja na koja nema odgovora
Zašto nam treba veliki hadronski sudarač ako milijuni ljudi na planeti umiru od gladi i neizlječivih, a ponekad i izlječivih bolesti? Hoće li on pomoći nadvladati ovo zlo? Zašto čovječanstvu treba hadronski sudarač, koji usprkos svom razvoju tehnologije već stotinjak godina nije uspio naučiti kako se uspješno boriti protiv raka? Ili je možda jednostavno isplativije pružati skupe medicinske usluge nego pronaći način za liječenje? S obzirom na trenutni svjetski poredak i etički razvoj, samo nekolicina predstavnika ljudske rase zaista treba veliki hadronski sudarač. Zašto je to potrebno cjelokupnom stanovništvu planete koje vodi neprekidnu bitku za pravo na život u svijetu bez napada na bilo čiji život i zdravlje? Povijest o tome šuti...
Zabrinutost znanstvenih kolega
Postoje i drugi predstavnici znanstvene zajednice koji su izrazili ozbiljnu zabrinutost za sigurnost projekta. Postoji velika vjerojatnost da znanstveni svijet u svojim eksperimentima, zbog svog ograničenog znanja, može izgubiti kontrolu nad procesima koji nisu niti dobro proučeni.
Ovakav pristup podsjeća na laboratorijske pokuse mladih kemičara – pomiješajte sve i pogledajte što će se dogoditi. Posljednji primjer mogao bi završiti eksplozijom u laboratoriju. Što ako takav "uspjeh" zadesi hadronski sudarač?
Zašto Zemljani trebaju neopravdani rizik, pogotovo jer eksperimentatori ne mogu s potpunim povjerenjem reći da procesi sudara čestica, koji dovode do stvaranja temperatura 100 tisuća puta viših od temperature naše zvijezde, neće izazvati lančanu reakciju cijele tvari planeta?! Ili će jednostavno nazvati nešto što može fatalno pokvariti odmor u planinama Švicarske ili Francuske rivijere...
Informacijska diktatura
Zašto je potreban Veliki hadronski sudarač kada čovječanstvo ne može riješiti manje složene probleme? Pokušaj potiskivanja alternativnog mišljenja samo potvrđuje mogućnost nepredvidivosti razvoja događaja.
Vjerojatno, tamo gdje se čovjek prvi put pojavio, bila mu je svojstvena ova dvojna osobina - činiti dobro i štetiti sebi u isto vrijeme. Možda će nam otkrića koja će nam dati hadronski sudarač dati odgovor? Zašto je bio potreban ovaj riskantan eksperiment, odlučit će naši potomci.
Zasigurno je gotovo svaka osoba na Zemlji barem jednom čula za Large Hadron Collider. No, unatoč tome što su mnogi čuli za njega, malo ljudi razumije što je hadronski sudarač, koja mu je svrha, koja je bit hadronskog sudarača. U našem današnjem članku odgovorit ćemo na ova pitanja.
Što je hadronski sudarač
U biti, hadronski sudarač je složen akcelerator čestica. Uz njegovu pomoć fizičari uspijevaju ubrzati protone i teške ione. U početku je hadronski sudarač stvoren kako bi se potvrdilo postojanje nedokučive elementarne čestice, koju fizičari ponekad u šali nazivaju "Božjom česticom". I da, postojanje ove čestice potvrđeno je eksperimentalno pomoću sudarača, a sam njezin pronalazač Peter Higgs za to je 2013. dobio Nobelovu nagradu za fiziku.
Naravno, stvar nije bila ograničena samo na Higgsov bozon, osim njega, fizičari su pronašli i neke druge elementarne čestice. Sada znate odgovor na pitanje zašto je potreban hadronski sudarač.
Što je Veliki hadronski sudarač?
Prije svega treba napomenuti da se Veliki hadronski sudarač nije pojavio niotkuda, već se pojavio kao evolucija svog prethodnika - Velikog elektron-pozitronskog sudarača, koji je 27 kilometara dug podzemni tunel čija je izgradnja započela 1983. godine. Godine 1988. prstenasti tunel je zatvoren, a zanimljivo je da su graditelji tom pitanju pristupili vrlo pažljivo, tako da je razlika između dva kraja tunela samo 1 centimetar.
Ovako izgleda krug hadronskog sudarača.
Elektron-pozitronski sudarač radio je do 2000. godine i tijekom njegovog djelovanja u fizici je uz njegovu pomoć došlo do niza otkrića, uključujući otkriće W i Z bozona i njihova daljnja istraživanja.
Od 2001. godine započela je izgradnja hadronskog sudarača na mjestu elektron-pozitronskog sudarača koji je dovršen 2007. godine.
Gdje se nalazi hadronski sudarač?
Veliki hadronski sudarač nalazi se na granici Švicarske i Francuske, u dolini Ženevskog jezera, samo 15 km od same Ženeve. I nalazi se na dubini od 100 metara.
Lokacija hadronskog sudarača.
Godine 2008. započela su njegova prva testiranja pod pokroviteljstvom CERN-a, Europske organizacije za nuklearna istraživanja, koja je trenutno najveći laboratorij na svijetu u području fizike visokih energija.
Čemu služi hadronski sudarač?
S ovim ogromnim akceleratorom čestica fizičari mogu prodrijeti dublje u materiju nego ikad prije. Sve to pomaže kako potvrditi stare znanstvene hipoteze tako i stvoriti nove zanimljive teorije. Detaljno proučavanje fizike elementarnih čestica pomaže nam da se približimo u potrazi za odgovorima na pitanja o strukturi Svemira i kako je nastao.
Duboko poniranje u mikrosvijet omogućuje nam otkrivanje novih revolucionarnih prostorno-vremenskih teorija, a tko zna, možda i uspijemo proniknuti u tajnu vremena, ove četvrte dimenzije našeg svijeta.
Kako radi hadronski sudarač?
Opišimo sada kako zapravo radi Veliki hadronski sudarač. Naziv govori o principima njegovog rada, budući da je sama riječ "collider" s engleskog prevedena kao "onaj koji se sudara". Njegov glavni zadatak je organizirati sudar elementarnih čestica. Štoviše, čestice u sudaraču lete (i sudaraju se) brzinama bliskim brzini svjetlosti. Rezultate sudara čestica bilježe četiri glavna velika detektora: ATLAS, CMS, ALICE i LHCb te mnogi pomoćni detektori.
Princip rada hadronskog sudarača je detaljnije opisan u ovom zanimljivom videu.
Opasnosti hadronskog sudarača
Općenito, ljudi su skloni bojati se stvari koje ne razumiju. To je upravo ono što ilustrira odnos prema hadronskom sudaraču i raznim zabrinutostima povezanim s njim. Najradikalniji od njih izrazili su da bi u slučaju moguće eksplozije hadronskog sudarača moglo umrijeti ne puno, ne malo, nego cijelo čovječanstvo, zajedno s planetom Zemljom koju bi progutao onaj nastao nakon eksplozija. Naravno, već prvi eksperimenti pokazali su da su takvi strahovi ništa više od dječje horor priče.
No neke ozbiljne zabrinutosti oko rada sudarača izrazio je nedavno preminuli engleski znanstvenik Stephen Hawking. Štoviše, Hawkingova zabrinutost povezana je ne toliko sa samim sudaračem, koliko s Higgsovim bozonom dobivenim uz njegovu pomoć. Prema riječima znanstvenika, ovaj bozon je izuzetno nestabilan materijal i, kao rezultat određenog spleta okolnosti, može dovesti do raspada vakuuma i potpunog nestanka pojmova kao što su prostor i vrijeme. No nije sve tako strašno jer prema Hawkingu, da bi se ovako nešto dogodilo potreban je sudarač veličine cijelog planeta.
Prilikom pisanja članka nastojao sam ga učiniti što zanimljivijim, korisnijim i kvalitetnijim. Bio bih zahvalan na svakoj povratnoj informaciji i konstruktivnoj kritici u obliku komentara na članak. Svoju želju/pitanje/prijedlog možete napisati i na moj email. [e-mail zaštićen] ili na Facebooku, s poštovanjem autor.