대형 강입자 충돌기: 목적, 발견 및 신화. 대형 강입자 충돌기. 그것은 무엇을 위한 것입니까? 충돌체는 왜 만들어졌나요?
프랑스와 스위스 국경 지하 100m에 우주의 비밀을 밝힐 수 있는 장치가 있다. 또는 일부에 따르면 지구상의 모든 생명체를 파괴합니다.
어쨌든, 이것은 세계에서 가장 큰 기계이고, 우주에서 가장 작은 입자를 연구하는 데 사용됩니다. 이것은 LHC(Large Hadron Collider)입니다.
간단한 설명
LHC는 유럽원자력연구기구(CERN)가 주도하는 프로젝트의 일부입니다. 충돌기는 스위스 제네바 외곽의 CERN 가속기 단지의 일부이며 양성자와 이온 빔을 빛의 속도에 접근하는 속도로 가속하고 입자를 서로 충돌시키고 결과 이벤트를 기록하는 데 사용됩니다. 과학자들은 이것이 우주의 기원과 그 구성에 대해 더 많이 배우는 데 도움이 되기를 바랍니다.
충돌기(LHC)란 무엇입니까? 이는 현재까지 만들어진 가장 야심차고 강력한 입자 가속기입니다. 수백 개국의 수천 명의 과학자들이 새로운 발견을 찾기 위해 서로 협력하고 경쟁합니다. 실험 데이터를 수집하기 위해 충돌체 둘레를 따라 위치한 6개의 섹션이 있습니다.
그것으로 이루어진 발견은 미래에 유용할 수 있지만 그것이 그것을 건설하는 이유는 아닙니다. 대형 강입자 충돌기의 목적은 우주에 대한 지식을 확장하는 것입니다. LHC에는 수십억 달러의 비용이 들고 많은 국가의 협력이 필요하다는 점을 고려하면 실제 적용이 부족한 것은 놀라운 일이 될 수 있습니다.
하드론 충돌기는 무엇을 위한 것인가요?
우리 우주와 그 기능 및 실제 구조를 이해하기 위해 과학자들은 표준 모델이라는 이론을 제안했습니다. 세상을 있는 그대로 만드는 기본 입자를 식별하고 설명하려고 시도합니다. 이 모델은 아인슈타인의 상대성 이론의 요소와 양자 이론을 결합합니다. 또한 우주의 4가지 기본 힘 중 3가지인 강한 핵력과 약한 핵력, 전자기력을 고려합니다. 이 이론은 네 번째 기본 힘인 중력과 관련이 없습니다.
표준모델은 다양한 실험과 일치하는 우주에 대한 몇 가지 예측을 해왔습니다. 그러나 확인이 필요한 다른 측면도 있습니다. 그 중 하나가 힉스 보존(Higgs boson)이라는 이론적인 입자입니다.
그의 발견은 질량에 관한 질문에 답을 줍니다. 왜 문제가 있습니까? 과학자들은 중성미자와 같이 질량이 없는 입자를 확인했습니다. 왜 어떤 사람은 갖고 있고 어떤 사람은 갖고 있지 않습니까? 물리학자들은 많은 설명을 제시했습니다.
그 중 가장 간단한 것은 힉스 메커니즘이다. 이 이론은 질량의 존재를 설명하는 입자와 그에 상응하는 힘이 있다고 말합니다. 이전에는 한 번도 관찰된 적이 없었기 때문에 LHC에 의해 발생한 사건은 힉스 입자의 존재를 증명하거나 새로운 정보를 제공할 것입니다.
과학자들이 묻는 또 다른 질문은 우주의 기원과 관련이 있습니다. 그렇다면 물질과 에너지는 하나였습니다. 분리된 후 물질과 반물질 입자는 서로 파괴되었습니다. 숫자가 같으면 아무것도 남지 않을 것입니다.
그러나 다행스럽게도 우주에는 더 많은 물질이 있었습니다. 과학자들은 LHC 작동 중에 반물질을 관찰하기를 희망합니다. 이는 우주가 시작될 때 물질과 반물질의 양이 다른 이유를 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다.
암흑물질
우주에 대한 우리의 현재 이해는 존재해야 하는 물질의 약 4%만이 현재 관찰 가능하다는 것을 암시합니다. 은하계와 다른 천체의 움직임은 눈에 보이는 물질이 훨씬 더 많다는 것을 암시합니다.
과학자들은 이 정의되지 않은 물질을 암흑물질이라고 불렀습니다. 관측 가능한 물질과 암흑물질이 약 25%를 차지합니다. 나머지 3/4는 우주 팽창에 기여하는 가상의 암흑에너지에서 나옵니다.
과학자들은 그들의 실험이 암흑 물질과 암흑 에너지의 존재에 대한 추가 증거를 제공하거나 대안 이론을 확증할 수 있기를 바라고 있습니다.
그러나 이것은 입자 물리학의 빙산의 일각에 불과합니다. 공개해야 할 훨씬 더 이국적이고 논란의 여지가 있는 것들이 있는데, 이것이 바로 충돌기의 목적입니다.
마이크로 스케일의 빅뱅
LHC는 충분히 빠른 속도로 양성자를 충돌시킴으로써 양성자를 더 작은 원자 하위 입자로 분해합니다. 그것들은 매우 불안정하며 붕괴되거나 재결합되기 전까지 단 몇 초 동안만 지속됩니다.
빅뱅 이론에 따르면 모든 물질은 원래 그것들로 구성되어 있었습니다. 우주가 팽창하고 냉각되면서 양성자와 중성자와 같은 더 큰 입자로 결합되었습니다.
특이한 이론
이론적인 입자인 반물질과 암흑 에너지가 충분히 이국적이지 않다면 일부 과학자들은 LHC가 다른 차원의 존재에 대한 증거를 제공할 수 있다고 믿습니다. 세상은 4차원(3차원 공간과 시간)이라는 것이 일반적으로 받아들여지고 있습니다. 그러나 물리학자들은 인간이 인지할 수 없는 다른 차원이 있을 수 있다고 제안합니다. 예를 들어 끈 이론의 한 버전에는 최소 11차원이 필요합니다.
이 이론의 지지자들은 LHC가 그들이 제안한 우주 모델에 대한 증거를 제공하기를 희망합니다. 그들의 의견으로는 기본 구성 요소는 입자가 아니라 끈입니다. 열리거나 닫힐 수 있고 기타처럼 진동할 수도 있습니다. 진동의 차이로 인해 현이 달라집니다. 일부는 전자의 형태로 나타나고 다른 일부는 중성미자로 구현됩니다.
숫자로 표현된 충돌체란 무엇입니까?
LHC는 거대하고 강력한 구조입니다. 이는 8개의 섹터로 구성되며, 각 섹터는 "삽입"이라고 불리는 섹션으로 각 끝이 경계를 이루는 호입니다. 충돌체의 둘레는 27km입니다.
가속기 튜브와 충돌실은 지하 100m에 위치해 있습니다. LHC 둘레를 따라 여러 지점에 엘리베이터와 계단이 있는 서비스 터널을 통해 접근이 가능합니다. CERN은 또한 연구원들이 충돌기의 탐지기에서 생성된 데이터를 수집하고 분석할 수 있는 지상 건물을 건설했습니다.
자석은 빛의 속도의 99.99%로 움직이는 양성자 빔을 제어하는 데 사용됩니다. 그들은 거대하고 무게는 수 톤에 이릅니다. LHC에는 약 9,600개의 자석이 있습니다. 1.9K(-271.25°C)까지 냉각됩니다. 이는 우주 공간의 온도보다 낮습니다.
충돌기 내부의 양성자는 초고진공관을 통과합니다. 이는 목표에 도달하기 전에 충돌할 수 있는 파티클이 없도록 하기 위해 필요합니다. 단일 가스 분자로 인해 실험이 실패할 수 있습니다.
엔지니어가 실험을 수행할 수 있는 대형 충돌기 주변에는 6개의 영역이 있습니다. 이는 디지털 카메라가 장착된 현미경과 비교할 수 있습니다. 이러한 감지기 중 일부는 거대합니다. ATLAS는 길이 45m, 높이 25m, 무게 7톤의 장치입니다.
LHC는 데이터를 수집하여 컴퓨터 네트워크로 전송하는 약 1억 5천만 개의 센서를 사용합니다. CERN에 따르면 실험을 통해 얻은 정보의 양은 약 700MB/s입니다.
분명히 그러한 충돌체에는 많은 에너지가 필요합니다. 연간 전력 소비량은 약 800GWh이다. 훨씬 더 클 수도 있지만 겨울철에는 시설이 열리지 않습니다. CERN에 따르면 에너지 비용은 약 1,900만 유로입니다.
양성자 충돌
충돌기 물리학의 원리는 매우 간단합니다. 먼저 두 개의 빔이 발사됩니다. 하나는 시계 방향이고 두 번째는 시계 반대 방향입니다. 두 흐름 모두 빛의 속도로 가속됩니다. 그런 다음 그들은 서로를 향하고 결과가 관찰됩니다.
이 목표를 달성하는 데 필요한 장비는 훨씬 더 복잡합니다. LHC는 CERN 단지의 일부입니다. 입자가 LHC에 들어가기 전에 이미 일련의 단계를 거칩니다.
첫째, 양성자를 생성하기 위해 과학자들은 수소 원자의 전자를 제거해야 합니다. 그런 다음 입자는 LINAC 2로 전송되어 PS Booster 가속기로 실행됩니다. 이 기계는 교류 전기장을 사용하여 입자를 가속합니다. 거대한 자석에 의해 생성된 자기장은 빔을 유지하는 데 도움이 됩니다.
빔이 원하는 에너지 수준에 도달하면 PS 부스터는 빔을 SPS 슈퍼싱크로트론으로 보냅니다. 흐름은 훨씬 더 가속되어 1.1 x 1011 양성자의 2808개 빔으로 나누어집니다. SPS는 LHC에 시계 방향과 시계 반대 방향으로 빔을 주입합니다.
대형 강입자 충돌기 내부에서는 양성자가 20분 동안 계속 가속됩니다. 최대 속도에서는 매초 LHC 주위를 11,245번 회전합니다. 빔은 6개의 감지기 중 하나에 수렴됩니다. 이 경우 초당 6억 번의 충돌이 발생합니다.
2개의 양성자가 충돌하면 쿼크와 글루온을 포함한 더 작은 입자로 쪼개집니다. 쿼크는 매우 불안정하며 몇 분의 1초 안에 붕괴됩니다. 탐지기는 원자입자의 경로를 추적하여 정보를 수집하고 이를 컴퓨터 네트워크로 전송합니다.
모든 양성자가 충돌하는 것은 아닙니다. 나머지는 계속해서 빔 방출 부분으로 이동하여 흑연에 흡수됩니다.
감지기
충돌기의 둘레를 따라 데이터가 수집되고 실험이 수행되는 6개의 섹션이 있습니다. 이 중 4개는 주 탐지기이고 2개는 더 작은 탐지기입니다.
가장 큰 것은 ATLAS입니다. 크기는 46 x 25 x 25m입니다. 추적기는 ATLAS를 통과하는 입자의 운동량을 감지하고 분석합니다. 그 주변에는 입자를 흡수하여 에너지를 측정하는 열량계가 있습니다. 과학자들은 그들의 궤적을 관찰하고 그에 대한 정보를 추정할 수 있습니다.
ATLAS 검출기에는 뮤온 분광계도 있습니다. 뮤온은 전자보다 200배 더 무거운 음전하를 띤 입자입니다. 그들은 멈추지 않고 열량계를 통과할 수 있는 유일한 존재입니다. 분광계는 하전 입자 센서를 사용하여 각 뮤온의 운동량을 측정합니다. 이 센서는 ATLAS 자기장의 변동을 감지할 수 있습니다.
Compact Muon Solenoid(CMS)는 충돌 중에 방출되는 하위 입자를 감지하고 측정하는 범용 감지기입니다. 이 장치는 지구 자기장보다 거의 10만 배 더 큰 자기장을 생성할 수 있는 거대한 솔레노이드 자석 내부에 위치해 있습니다.
ALICE 검출기는 철 이온 충돌을 연구하도록 설계되었습니다. 이러한 방식으로 연구자들은 빅뱅 직후에 발생한 것과 유사한 조건을 재현하기를 희망하고 있습니다. 그들은 이온이 쿼크와 글루온의 혼합물로 변환되는 것을 볼 것으로 기대합니다. ALICE의 주요 구성 요소는 입자 궤적을 연구하고 재구성하는 데 사용되는 TPC 카메라입니다.
LHC는 반물질 존재의 증거를 찾는 데 사용됩니다. 뷰티 쿼크라고 불리는 입자를 찾아 이를 수행합니다. 충격 지점을 둘러싼 하위 감지기 열의 길이는 20m입니다. 그들은 매우 불안정하고 빠르게 붕괴하는 뷰티 쿼크 입자를 포착할 수 있습니다.
TOTEM 실험은 작은 탐지기 중 하나가 있는 영역에서 수행됩니다. 양성자의 크기와 LHC의 밝기를 측정하여 충돌 생성의 정확성을 나타냅니다.
LHC 실험은 통제된 환경에서 우주선을 시뮬레이션합니다. 그 목표는 실제 우주선에 대한 대규모 연구 개발을 돕는 것입니다.
각 탐지 현장에는 수십 명에서 천 명 이상의 과학자로 구성된 연구원 팀이 있습니다.
데이터 처리
그러한 충돌체가 엄청난 양의 데이터 스트림을 생성한다는 것은 놀라운 일이 아닙니다. LHC 감지기에 의해 매년 생성되는 15,000,000GB는 연구자들에게 큰 과제를 안겨줍니다. 그 솔루션은 각각의 컴퓨터가 독립적으로 데이터를 분석할 수 있는 컴퓨터로 구성된 컴퓨터 네트워크입니다. 컴퓨터가 분석을 완료하면 결과를 중앙 컴퓨터로 보내고 새로운 부분을 받습니다.
CERN의 과학자들은 상대적으로 저렴한 장비를 사용하여 계산을 수행하는 데 집중하기로 결정했습니다. 고급 서버와 프로세서를 구입하는 대신 네트워크에서 제대로 작동할 수 있는 기존 하드웨어를 사용합니다. 특수 소프트웨어를 사용하면 컴퓨터 네트워크가 각 실험의 데이터를 저장하고 분석할 수 있습니다.
지구에 위험이 있나요?
어떤 사람들은 그러한 강력한 충돌기가 블랙홀, "이상한 물질", 자기 독점, 방사선 등의 형성에 참여하는 것을 포함하여 지구상의 생명체에 위협을 가할 수 있다고 우려합니다.
과학자들은 그러한 주장을 일관되게 반박합니다. 양성자와 별 사이에는 큰 차이가 있기 때문에 블랙홀의 형성은 불가능합니다. "이상한 물질"은 오래 전에 우주선의 영향으로 형성되었을 수 있으며, 이러한 가설적 형성의 위험은 크게 과장되었습니다.
충돌기는 매우 안전합니다. 충돌기는 100m의 토양층으로 표면과 분리되어 있으며 실험 중에 인원이 지하에 있는 것이 금지되어 있습니다.
오늘날 우리가 대형 강입자 충돌기로 알고 있는 가속기 제작의 역사는 2007년으로 거슬러 올라갑니다. 처음에 가속기의 연대기는 사이클로트론에서 시작되었습니다. 그 장치는 테이블 위에 쉽게 들어갈 수 있는 작은 장치였다. 그러자 가속기의 역사가 급속히 발전하기 시작했습니다. 싱크로파소트론과 싱크로트론이 나타났습니다.
역사상 가장 흥미로운 시기는 아마도 1956년부터 1957년까지의 시기일 것이다. 그 당시 소련 과학, 특히 물리학은 외국 형제들보다 뒤처지지 않았습니다. 수년간의 경험을 바탕으로 Vladimir Veksler라는 소련 물리학자는 과학 분야에서 획기적인 발전을 이루었습니다. 그는 당시 가장 강력한 싱크로파소트론을 만들었습니다. 작동 전력은 10기가전자볼트(100억 전자볼트)였습니다. 이 발견 이후, 미국 독일의 스위스 가속기인 대형 전자-양전자 충돌기인 가속기의 심각한 샘플이 만들어졌습니다. 그들 모두는 쿼크의 기본 입자에 대한 연구라는 하나의 공통 목표를 가지고 있었습니다.
대형 강입자 충돌기는 주로 이탈리아 물리학자의 노력 덕분에 만들어졌습니다. 그의 이름은 노벨상 수상자 카를로 루비아(Carlo Rubbia)입니다. Rubbia는 경력 동안 유럽 핵 연구 기구(European Organization for Nuclear Research)에서 이사로 근무했습니다. 연구센터 부지에 강입자 충돌기를 구축해 발사하기로 결정됐다.
하드론 충돌기는 어디에 있나요?
충돌기는 스위스와 프랑스 국경에 위치해 있습니다. 둘레가 27㎞로 크다고 불린다. 가속 링은 50미터에서 175미터까지 깊어집니다. 충돌체에는 1232개의 자석이 있습니다. 그들은 초전도체입니다. 즉, 그러한 자석에는 실제로 에너지 소비가 없기 때문에 가속을 위한 최대 자기장이 생성될 수 있음을 의미합니다. 각 자석의 총 무게는 3.5톤이고 길이는 14.3미터입니다.
다른 물리적 물체와 마찬가지로 대형 강입자 충돌기는 열을 발생시킵니다. 그러므로 지속적으로 냉각시켜야 합니다. 이를 달성하기 위해 1,200만 리터의 액체 질소를 사용하여 온도를 1.7K로 유지합니다. 또한 냉각에는 70만 리터가 사용되며, 가장 중요한 것은 일반 대기압보다 10배 낮은 압력이 사용된다는 점입니다.
섭씨 온도 1.7K는 -271도입니다. 이 온도는 신체가 가질 수 있는 최소 한계치에 거의 가깝습니다.
터널 내부도 그다지 흥미롭지 않습니다. 초전도 능력을 갖춘 니오븀-티타늄 케이블이 있습니다. 길이는 7600km입니다. 케이블의 총 무게는 1200톤이다. 케이블 내부는 총 길이 15억km, 6,300개의 전선이 엮여 있다. 이 길이는 10천문단위와 같습니다. 예를 들어, 10개 단위와 같습니다.
지리적 위치에 대해 이야기하면 충돌기의 고리가 프랑스 측에 위치한 Saint-Genis와 Forney-Voltaire 도시와 스위스 측에 있는 Meyrin 및 Vessourat 도시 사이에 있다고 말할 수 있습니다. PS라고 불리는 작은 고리가 경계의 직경을 따라 이어집니다.
존재의 의미
"강입자 충돌기의 용도"라는 질문에 답하려면 과학자에게 문의해야 합니다. 많은 과학자들은 이것이 전체 과학 역사상 가장 위대한 발명이며, 이것이 없었다면 오늘날 우리가 알고 있는 과학은 아무런 의미도 없다고 말합니다. 대형 강입자 충돌기의 존재와 발사는 흥미롭습니다. 강입자 충돌기에서 입자가 충돌하면 폭발이 일어나기 때문입니다. 모든 가장 작은 입자는 서로 다른 방향으로 흩어집니다. 많은 것의 존재와 의미를 설명할 수 있는 새로운 입자가 형성됩니다.
과학자들이 충돌한 입자에서 가장 먼저 찾으려고 시도한 것은 물리학자 피터 힉스(Peter Higgs)가 이론적으로 예측한 기본 입자였습니다. 이 놀라운 입자는 정보의 전달자라고 믿어집니다. 그것은 또한 일반적으로 “신의 입자”라고도 불린다. 그것의 발견은 과학자들이 우주를 더 잘 이해할 수 있게 해줄 것입니다. 2012년 7월 4일에 강입자 충돌기(출시가 부분적으로 성공함)가 유사한 입자를 발견하는 데 도움이 되었다는 점에 유의해야 합니다. 오늘날 과학자들은 이를 더 자세히 연구하려고 노력하고 있습니다.
얼마나 오래...
물론, 다음과 같은 질문이 즉시 제기됩니다. 과학자들이 왜 그렇게 오랫동안 이러한 입자를 연구해 왔습니까? 장치가 있으면 장치를 실행하고 매번 더 많은 데이터를 가져올 수 있습니다. 사실 하드론 충돌기를 작동하는 것은 비용이 많이 드는 일입니다. 한 번의 출시에는 많은 비용이 듭니다. 예를 들어 연간 에너지 소비량은 8억kWh입니다. 평균적으로 인구 10만 명 정도의 도시에서 소비되는 에너지량입니다. 그리고 여기에는 유지 관리 비용이 포함되지 않습니다. 또 다른 이유는 하드론 충돌기에서 양성자가 충돌할 때 발생하는 폭발은 많은 양의 데이터 수신과 관련이 있기 때문입니다. 컴퓨터가 너무 많은 정보를 읽어 처리하는 데 많은 시간이 걸립니다. 정보를 받아들이는 컴퓨터의 위력은 오늘날의 기준으로도 위대하다.
다음 이유는 그다지 잘 알려져 있지 않습니다. 이 방향으로 충돌기를 사용하는 과학자들은 전체 우주의 가시 스펙트럼이 4%에 불과하다고 확신합니다. 나머지는 암흑물질과 암흑에너지로 추정된다. 그들은 이 이론이 옳다는 것을 실험적으로 증명하려고 노력하고 있습니다.
강입자 충돌기: 찬성 또는 반대
제시된 암흑 물질 이론은 강입자 충돌기의 안전성에 의문을 제기했습니다. "강입자 충돌기: 찬성인가 반대인가?"라는 질문이 생겼습니다. 그는 많은 과학자들을 걱정했습니다. 세상의 모든 위대한 마음은 두 가지 범주로 나뉩니다. "반대자들"은 그러한 물질이 존재한다면 그 물질과 반대되는 입자가 있어야 한다는 흥미로운 이론을 제시합니다. 그리고 입자가 가속기에서 충돌하면 어두운 부분이 나타납니다. 어두운 부분과 우리가 보는 부분이 충돌할 위험이 있었습니다. 그러면 이것은 전체 우주의 죽음으로 이어질 수 있습니다. 그러나 하드론 충돌기가 처음 출시된 후 이 이론은 부분적으로 깨졌습니다.
다음으로 중요한 것은 우주의 폭발, 아니 오히려 탄생입니다. 충돌하는 동안 우주가 존재한 첫 몇 초 동안 어떻게 행동했는지 관찰하는 것이 가능하다고 믿어집니다. 빅뱅 이후의 모습이 시작되었습니다. 입자 충돌 과정은 우주 초기에 발생한 과정과 매우 유사하다고 믿어집니다.
과학자들이 테스트하고 있는 또 다른 환상적인 아이디어는 이국적인 모델입니다. 믿을 수 없을 것 같지만, 우리와 비슷한 사람들이 사는 다른 차원과 우주가 있다는 이론이 있습니다. 그리고 이상하게도 가속기는 여기서도 도움이 될 수 있습니다.
간단히 말해서, 가속기의 목적은 우주가 무엇인지, 어떻게 창조되었는지 이해하고, 입자 및 관련 현상에 관한 기존의 모든 이론을 증명하거나 반증하는 것입니다. 물론, 이는 수년이 걸리겠지만, 출시될 때마다 과학 세계에 혁명을 일으키는 새로운 발견이 등장합니다.
액셀러레이터에 대한 사실
가속기가 입자를 빛 속도의 99%까지 가속한다는 것은 누구나 알고 있지만, 그 비율이 빛 속도의 99.9999991%라는 사실을 아는 사람은 많지 않습니다. 이 놀라운 수치는 완벽한 디자인과 강력한 가속 자석 덕분에 의미가 있습니다. 또한 주목해야 할 몇 가지 덜 알려진 사실도 있습니다.
두 개의 주요 감지기 각각에서 나오는 약 1억 개의 데이터 스트림은 몇 초 만에 100,000개 이상의 CD-ROM을 채울 수 있습니다. 단 한 달 만에 원반의 수는 쌓으면 달까지 도달할 수 있을 만큼 높이에 도달할 것입니다. 따라서 탐지기에서 나오는 모든 데이터를 수집하는 것이 아니라 실제로 수신된 데이터에 대한 필터 역할을 하는 데이터 수집 시스템에서 사용이 허용되는 데이터만 수집하기로 결정했습니다. 폭발 순간에 발생한 사건만 100개만 기록하기로 했다. 이러한 사건은 가속기가 있는 유럽 입자 물리학 연구소에 위치한 대형 강입자 충돌기 컴퓨터 센터의 기록 보관소에 기록될 것입니다. 기록될 내용은 기록된 사건이 아니라 과학계에서 가장 큰 관심을 끄는 사건입니다.
후처리
일단 기록되면 수백 킬로바이트의 데이터가 처리됩니다. 이를 위해 CERN에 위치한 2,000개 이상의 컴퓨터가 사용됩니다. 이러한 컴퓨터의 임무는 기본 데이터를 처리하고 이로부터 추가 분석에 편리한 데이터베이스를 형성하는 것입니다. 다음으로 생성된 데이터 흐름은 GRID 컴퓨터 네트워크로 전송됩니다. 이 인터넷 네트워크는 전 세계 여러 기관에 위치한 수천 대의 컴퓨터를 통합하고 3개 대륙에 위치한 100개 이상의 대규모 센터를 연결합니다. 이러한 모든 센터는 최대 데이터 전송 속도를 위해 광섬유를 사용하여 CERN에 연결됩니다.
사실에 관해 말하면, 구조의 물리적 지표도 언급해야 합니다. 가속기 터널은 수평면에서 1.4% 벗어났습니다. 이는 주로 단일체 암석에 가속기 터널의 대부분을 배치하기 위해 수행되었습니다. 따라서 반대편의 배치 깊이가 다릅니다. 제네바 근처에 있는 호수 쪽에서 세면 수심은 50미터가 됩니다. 반대쪽 부분의 깊이는 175m입니다.
흥미로운 점은 달의 위상이 가속기에 영향을 미친다는 것입니다. 그렇게 먼 물체가 그렇게 멀리서 영향을 미칠 수 있는 것처럼 보입니다. 그러나 보름달이 뜰 때, 조수가 발생하면 제네바 지역의 땅이 무려 25cm나 솟아오르는 것이 관찰되었습니다. 이는 충돌체의 길이에 영향을 미칩니다. 이에 따라 길이는 1mm 증가하고 빔 에너지도 0.02% 변경됩니다. 빔 에너지를 0.002%까지 제어해야 하므로 연구자들은 이러한 현상을 고려해야 합니다.
충돌기 터널이 많은 사람들이 상상하는 것처럼 원형이 아닌 팔각형 모양을 하고 있다는 점도 흥미롭습니다. 모서리는 짧은 단면으로 생성됩니다. 여기에는 설치된 탐지기와 가속 입자 빔을 제어하는 시스템이 포함되어 있습니다.
구조
출시에 많은 부품이 필요하고 과학자들 사이에서 많은 관심을 불러일으키는 Hadron Collider는 놀라운 장치입니다. 전체 가속기는 두 개의 링으로 구성됩니다. 작은 고리는 양성자 싱크로트론(Proton Syncrotron) 또는 약어로 PS라고 불립니다. 빅 링은 슈퍼 양성자 싱크로트론(SPS)입니다. 두 개의 링을 함께 사용하면 부품이 빛 속도의 99.9%까지 가속될 수 있습니다. 동시에 충돌기는 양성자의 에너지도 증가시켜 총 에너지를 16배 증가시킵니다. 또한 입자가 초당 약 3천만 번 서로 충돌할 수 있습니다. 10시간 이내. 4개의 주요 탐지기에서 초당 최소 100테라바이트의 디지털 데이터를 얻습니다. 데이터 획득은 개별 요인에 따라 결정됩니다. 예를 들어, 음전하를 띠고 회전도 절반인 기본 입자를 감지할 수 있습니다. 이러한 입자는 불안정하기 때문에 직접적인 감지가 불가능하며, 빔 축에 대해 특정 각도로 방출되는 에너지를 감지하는 것만 가능합니다. 이 단계를 첫 번째 출시 수준이라고 합니다. 이 단계는 구현 로직이 내장된 100개 이상의 특수 데이터 처리 보드에 의해 모니터링됩니다. 이 작업 부분은 데이터 수집 기간 동안 초당 10만 개 이상의 데이터 블록이 선택된다는 사실이 특징입니다. 그런 다음 이 데이터는 더 높은 수준의 메커니즘을 사용하여 발생하는 분석에 사용됩니다.
반대로 다음 수준의 시스템은 모든 탐지 스레드로부터 정보를 받습니다. 탐지기 소프트웨어는 네트워크에서 실행됩니다. 그곳에서는 후속 데이터 블록을 처리하기 위해 많은 수의 컴퓨터를 사용하게 되며, 블록 간 평균 시간은 10마이크로초입니다. 프로그램은 원래 지점에 해당하는 입자 표시를 만들어야 합니다. 결과는 하나의 이벤트 중에 발생한 충동, 에너지, 궤적 및 기타 항목으로 구성된 생성된 데이터 세트입니다.
액셀러레이터 부품
전체 가속기는 5개의 주요 부분으로 나눌 수 있습니다.
1) 전자-양전자 충돌 가속기. 이 부품은 초전도 특성을 지닌 약 7,000개의 자석으로 구성됩니다. 그들의 도움으로 빔은 원형 터널을 통과하게 됩니다. 그들은 또한 빔을 하나의 흐름으로 집중시키며, 그 폭은 머리카락 한 가닥의 폭으로 줄어듭니다.
2) 소형 뮤온 솔레노이드. 이것은 범용 검출기입니다. 이러한 검출기는 새로운 현상을 검색하는 데 사용되며, 예를 들어 힉스 입자를 검색하는 데 사용됩니다.
3) LHCb 검출기. 이 장치의 중요성은 쿼크와 그 반대 입자인 반쿼크를 검색하는 것입니다.
4) 토로이드 설치 ATLAS. 이 검출기는 뮤온을 검출하도록 설계되었습니다.
5) 앨리스. 이 검출기는 납 이온 충돌과 양성자-양성자 충돌을 포착합니다.
Hadron Collider를 시작할 때 발생하는 문제
첨단 기술의 존재로 인해 오류 가능성이 제거된다는 사실에도 불구하고 실제로는 모든 것이 다릅니다. 가속기 조립 중에 지연 및 오류가 발생했습니다. 이런 상황은 예상치 못한 일이 아니었다고 말해야 한다. 이 장치에는 매우 많은 뉘앙스가 포함되어 있으며 과학자들이 비슷한 결과를 기대했던 만큼 정밀도가 필요합니다. 예를 들어, 발사 중에 과학자들이 직면한 문제 중 하나는 충돌 직전에 양성자 빔을 집중시키는 자석의 고장이었습니다. 이번 대형사고는 자석에 의한 초전도 손실로 인해 체결부품 일부가 파손되면서 발생했다.
이 문제는 2007년에 발생했습니다. 이로 인해 충돌기 출시가 여러 차례 연기되었고 거의 1년 후인 6월에야 충돌기가 출시되었습니다.
최근 충돌기 출시는 성공적이었으며 수 테라바이트의 데이터를 수집했습니다.
2015년 4월 5일 발사된 하드론 충돌기(Hadron Collider)가 성공적으로 작동하고 있습니다. 한 달 동안 빔은 링 주위를 돌며 점차적으로 그 힘을 증가시킵니다. 연구 자체의 목적은 없습니다. 빔 충돌 에너지가 증가합니다. 값이 7 TeV에서 13 TeV로 증가합니다. 이러한 증가를 통해 우리는 입자 충돌의 새로운 가능성을 볼 수 있습니다.
2013년과 2014년 터널, 가속기, 탐지기 및 기타 장비에 대한 심각한 기술 검사가 이루어졌습니다. 그 결과 초전도 기능을 갖춘 18개의 양극 자석이 탄생했습니다. 총 개수는 1232개입니다. 그러나 나머지 자석은 눈에 띄지 않았습니다. 나머지 부분에서는 냉각 보호 시스템을 교체하고 개선된 시스템을 설치했습니다. 자기 냉각 시스템도 개선되었습니다. 이를 통해 최대 전력으로 저온을 유지할 수 있습니다.
모든 것이 순조롭게 진행된다면 다음 가속기 출시는 3년 안에 이뤄질 것입니다. 이 기간이 지나면 충돌기를 개선하고 기술적으로 검사하기 위한 계획된 작업이 계획됩니다.
비용을 고려하지 않고 수리 비용이 꽤 든다는 점에 유의해야합니다. 하드론 충돌기(Hadron Collider)의 가격은 2010년 현재 75억 유로에 달합니다. 이 수치는 전체 프로젝트를 과학 역사상 가장 비용이 많이 드는 프로젝트 목록에서 1위에 올려 놓았습니다.
행성의 많은 일반 주민들은 왜 대형 강입자 충돌기가 필요한지 스스로에게 묻습니다. 수십억 유로가 지출된 대부분의 사람들이 이해할 수 없는 과학 연구는 주의와 우려를 불러일으킵니다.
어쩌면 이것은 전혀 연구가 아니라 타임머신의 프로토 타입이거나 인류의 운명을 바꿀 수 있는 외계 생물의 순간 이동을 위한 포털일까요? 가장 환상적이고 끔찍한 소문이 돌고 있습니다. 이 기사에서 우리는 하드론 충돌기가 무엇인지, 그리고 그것이 왜 만들어졌는지를 이해하려고 노력할 것입니다.
인류를 위한 야심찬 프로젝트
대형 강입자 충돌기는 현재 지구상에서 가장 강력한 입자 가속기입니다. 스위스와 프랑스 국경에 위치하고 있습니다. 보다 정확하게는 그 아래에 100m 깊이에 거의 27km 길이의 가속기 링 터널이 있습니다. 100억 달러 이상의 가치가 있는 실험장의 소유자는 유럽 원자력 연구 센터입니다.
엄청난 양의 자원과 수천 명의 핵물리학자들이 양성자와 무거운 납 이온을 서로 다른 방향으로 빛의 속도에 가깝게 가속한 다음 서로 충돌시키느라 분주합니다. 직접적인 상호 작용의 결과를 주의 깊게 연구했습니다.
새로운 입자 가속기를 만들자는 제안은 1984년에 나왔습니다. 강입자 충돌기가 어떤 모습일지, 왜 이런 대규모 연구 프로젝트가 필요한지에 대해 지난 10년 동안 다양한 논의가 있어왔습니다. 기술 솔루션의 세부 사항과 필요한 설치 매개변수를 논의한 후에야 프로젝트가 승인되었습니다. 건설은 2001년에 시작되어 이전 입자 가속기인 대형 전자-양전자 충돌기(Large Electron-Positron Collider)를 사용하여 수용되었습니다.
대형 강입자 충돌기가 필요한 이유는 무엇입니까?
기본 입자의 상호 작용은 다양한 방식으로 설명됩니다. 상대성이론은 양자장 이론과 충돌한다. 소립자의 구조에 대한 통일된 접근 방식을 달성하는 데 있어서 누락된 연결고리는 양자 중력 이론을 만드는 것이 불가능하다는 것입니다. 이것이 바로 고전력 하드론 충돌기가 필요한 이유입니다.
입자 충돌의 총 에너지는 14테라전자볼트이므로 이 장치는 오늘날 세상에 존재하는 어떤 가속기보다 훨씬 더 강력한 가속기가 됩니다. 이전에는 기술적 이유로 불가능했던 실험을 수행함으로써 과학자들은 미시세계에 대한 기존 이론을 문서화하거나 반박할 수 있을 가능성이 높습니다.
납 핵의 충돌 중에 형성된 쿼크-글루온 플라즈마를 연구하면 핵 물리학과 항성 공간을 근본적으로 변화시킬 수 있는 강력한 상호 작용에 대한 보다 발전된 이론을 구축하는 것이 가능해집니다.
힉스 보존
1960년에 스코틀랜드의 물리학자 피터 힉스(Peter Higgs)는 힉스 장 이론을 개발했는데, 이에 따르면 이 장에 들어가는 입자는 양자 효과를 받으며, 이는 물리적 세계에서 물체의 질량으로 관찰될 수 있습니다.
실험 중에 스코틀랜드 핵 물리학자의 이론을 확인하고 힉스 보손(양자)을 찾을 수 있다면 이 사건은 지구 주민들의 발전을 위한 새로운 출발점이 될 수 있습니다.
그리고 발견된 중력 제어는 기술 진보의 발전에 대한 모든 눈에 보이는 전망을 여러 번 능가할 것입니다. 더욱이, 진보된 과학자들은 힉스 보손 자체의 존재가 아니라 약한 전기약성 대칭을 깨뜨리는 과정에 더 관심이 있습니다.
그는 어떻게 일합니까?
실험 입자가 표면에서는 상상할 수 없는 속도, 즉 진공 상태와 거의 동일한 속도에 도달하기 위해 에너지가 증가할 때마다 점차적으로 가속됩니다.
선형 가속기는 먼저 납 이온과 양성자를 주입한 후 단계적으로 가속합니다. 입자는 부스터를 통해 양성자 싱크로트론으로 들어가고, 그곳에서 28 GeV의 전하를 받습니다.
다음 단계에서 입자는 슈퍼 싱크로트론으로 들어가고, 그곳에서 전하 에너지가 450 GeV로 증가합니다. 이러한 지표에 도달하면 입자는 특별히 위치한 충돌 지점에서 감지기가 충돌 순간을 자세히 기록하는 주요 수 킬로미터 링으로 떨어집니다.
충돌 중 모든 과정을 기록할 수 있는 탐지기 외에도 1625개의 초전도 자석이 가속기의 양성자 다발을 고정하는 데 사용됩니다. 총 길이는 22km를 초과합니다. -271 °C의 온도를 달성하도록 특별히 설계되었습니다. 각 자석의 비용은 백만 유로로 추산됩니다.
목적은 수단을 정당화한다
이러한 야심찬 실험을 수행하기 위해 가장 강력한 하드론 충돌기가 제작되었습니다. 많은 과학자들은 수십억 달러 규모의 과학 프로젝트가 필요한 이유를 변장하지 않은 기쁨으로 인류에게 말합니다. 사실, 새로운 과학적 발견의 경우에는 확실하게 분류될 가능성이 높습니다.
확실히 말할 수도 있습니다. 이것은 문명의 전체 역사에 의해 확인됩니다. 바퀴가 발명되었을 때 인류는 야금술을 마스터했습니다. 안녕, 총과 소총!
오늘날 가장 현대적인 모든 발전은 선진국의 군공업 단지의 재산이 되고 있지만 모든 인류의 재산은 아닙니다. 과학자들이 원자를 분리하는 방법을 배웠을 때 가장 먼저 나온 것은 무엇입니까? 그러나 일본에서는 수십만 명이 사망한 후 원자로에서 전기를 공급하고 있습니다. 히로시마 주민들은 그들과 그들의 자녀들의 미래를 앗아가는 과학적 진보에 분명히 반대했습니다.
기술 개발은 사람들을 조롱하는 것처럼 보입니다. 그 안에 있는 사람들은 곧 가장 약한 고리로 변할 것이기 때문입니다. 진화론에 따르면 시스템은 약점을 제거하면서 발전하고 강해집니다. 기술 향상의 세계에는 더 이상 자리가 남지 않을 것이라는 사실이 곧 밝혀질 수도 있습니다. 그러므로 “지금 당장 대형 강입자 충돌기가 왜 필요한가”라는 질문은 사실 헛된 호기심이 아닙니다. 왜냐하면 그것은 모든 인류의 운명에 대한 두려움에서 비롯되기 때문입니다.
답변되지 않은 질문
지구상의 수백만 명이 굶주림과 불치병, 때로는 치료가 가능한 질병으로 죽어가고 있는데 왜 대형 강입자 충돌기가 필요한가요? 그는 이 악을 극복하는 데 도움을 줄 것인가? 모든 기술 발전에도 불구하고 수백 년 동안 암과 성공적으로 싸우는 방법을 배울 수 없었던 강입자 충돌기가 인류에게 필요한 이유는 무엇입니까? 아니면 치료 방법을 찾는 것보다 값비싼 의료 서비스를 제공하는 것이 단순히 더 수익성이 높을까요? 현재의 세계 질서와 윤리적 발전을 고려할 때 인류를 대표하는 소수만이 실제로 대형 강입자 충돌기를 필요로 합니다. 누구의 생명과 건강도 침해받지 않는 세상에서 살 권리를 위해 끊임없이 투쟁하면서 지구 전체 인구가 이를 필요로 하는 이유는 무엇입니까? 역사는 이에 대해 침묵하고 있다...
과학자 동료들의 우려
프로젝트의 안전에 대해 심각한 우려를 표명한 다른 과학계 대표도 있습니다. 제한된 지식으로 인해 실험에서 과학계는 제대로 연구되지 않은 프로세스에 대한 통제력을 상실할 가능성이 높습니다.
이 접근 방식은 젊은 화학자의 실험실 실험을 연상시킵니다. 모든 것을 혼합하고 무슨 일이 일어나는지 확인하십시오. 마지막 예는 실험실 폭발로 끝날 수 있습니다. 그러한 "성공"이 강입자 충돌기에 닥치면 어떻게 될까요?
특히 실험자들이 입자 충돌 과정이 우리 별의 온도보다 10만 배 더 높은 온도를 형성하는 과정이 전체 물질의 연쇄 반응을 일으키지 않을 것이라는 완전한 확신을 가지고 말할 수 없기 때문에 지구인에게 부당한 위험이 필요한 이유는 무엇입니까? 행성의?! 아니면 스위스 산이나 프랑스 리비에라에서의 휴가를 치명적으로 망칠 수 있는 것을 간단히 부를 수도 있습니다...
정보 독재
인류가 덜 복잡한 문제를 해결할 수 없는데 왜 대형 강입자 충돌기가 필요한가요? 대안적인 의견을 억누르려는 시도는 사건의 진행 과정을 예측할 수 없을 가능성을 확인할 뿐입니다.
아마도 인간이 처음 등장했을 때 선을 행하는 동시에 자신에게 해를 끼치는 이 이중 특성이 그에게 내재되어 있었을 것입니다. 아마도 강입자 충돌기가 우리에게 줄 발견이 우리에게 답을 줄 수 있을까요? 이 위험한 실험이 왜 필요했는지는 우리 후손들이 결정할 것입니다.
확실히 지구상의 거의 모든 사람은 대형 강입자 충돌기에 대해 적어도 한 번은 들어본 적이 있을 것입니다. 그러나 많은 사람들이 그것에 대해 들었다는 사실에도 불구하고 강입자 충돌기가 무엇인지, 그 목적이 무엇인지, 강입자 충돌기의 본질이 무엇인지 이해하는 사람은 거의 없습니다. 오늘 기사에서 우리는 이러한 질문에 답할 것입니다.
하드론 충돌기 란 무엇입니까?
본질적으로 강입자 충돌기는 복잡한 입자 가속기입니다. 그것의 도움으로 물리학자들은 양성자와 중이온을 가속화할 수 있습니다. 처음에 하드론 충돌기는 물리학자들이 때때로 농담으로 "신의 입자"라고 부르는 찾기 힘든 기본 입자의 존재를 확인하기 위해 만들어졌습니다. 그리고 그렇습니다. 이 입자의 존재는 충돌기를 사용하여 실험적으로 확인되었으며, 이를 발견한 피터 힉스(Peter Higgs) 자신이 이 공로로 2013년에 노벨 물리학상을 받았습니다.
물론, 문제는 힉스 보손에만 국한되지 않고, 물리학자들은 다른 기본 입자도 발견했습니다. 이제 강입자 충돌기가 필요한 이유에 대한 답을 알게 되었습니다.
대형 강입자 충돌기란 무엇입니까?
우선, 대형 강입자 충돌기는 갑자기 나타난 것이 아니라 건설이 시작된 27km 지하 터널인 대형 전자-양전자 충돌기의 진화형으로 나타났습니다. 1983년에. 1988년에 순환 터널이 폐쇄되었는데, 흥미로운 점은 건설업자들이 이 문제에 매우 신중하게 접근하여 터널의 양쪽 끝 사이의 차이가 1cm에 불과하다는 것입니다.
이것이 하드론 충돌기 회로의 모습입니다.
전자-양전자 충돌기는 2000년까지 작동했으며 물리학에서 작동하는 동안 W 및 Z 보존의 발견과 추가 연구를 포함하여 많은 발견이 이루어졌습니다.
2007년 완성된 전자-양전자 충돌기 현장에 2001년부터 강입자 충돌기 건설이 시작됐다.
Hadron Collider는 어디에 있습니까?
대형 강입자 충돌기는 제네바 자체에서 불과 15km 떨어진 제네바 호수 계곡의 스위스와 프랑스 국경에 위치하고 있습니다. 그리고 그것은 100 미터 깊이에 위치하고 있습니다.
하드론 충돌기의 위치.
2008년에 첫 번째 테스트는 현재 고에너지 물리학 분야에서 세계 최대 규모의 실험실인 유럽 핵 연구 기구인 CERN의 후원으로 시작되었습니다.
하드론 충돌기는 무엇을 위한 것입니까?
이 거대한 입자 가속기를 사용하면 물리학자들은 이전보다 물질에 더 깊이 침투할 수 있습니다. 이 모든 것은 오래된 과학적 가설을 확인하고 새로운 흥미로운 이론을 만드는 데 도움이 됩니다. 소립자 물리학에 대한 자세한 연구는 우주의 구조와 우주의 기원에 관한 질문에 대한 답을 찾는 데 더 가까워지는 데 도움이 됩니다.
미시세계에 깊이 몰입하면 혁명적이고 새로운 시공간 이론을 발견할 수 있으며, 어쩌면 우리 세계의 4차원인 시간의 비밀을 꿰뚫어볼 수도 있을지 누가 알겠습니까?
Hadron Collider는 어떻게 작동합니까?
이제 Large Hadron Collider가 실제로 어떻게 작동하는지 설명하겠습니다. "충돌자"라는 단어 자체가 영어에서 "충돌하는 사람"으로 번역되기 때문에 이름은 작동 원리를 나타냅니다. 주요 임무는 기본 입자의 충돌을 준비하는 것입니다. 더욱이 충돌기의 입자는 빛의 속도에 가까운 속도로 날아가고 충돌합니다. 입자 충돌의 결과는 ATLAS, CMS, ALICE 및 LHCb의 네 가지 주요 대형 감지기와 많은 보조 감지기에 의해 기록됩니다.
강입자 충돌기의 작동 원리는 이 흥미로운 비디오에서 더 자세히 설명됩니다.
하드론 충돌기의 위험성
일반적으로 사람들은 자신이 이해하지 못하는 것에 대해 두려워하는 경향이 있습니다. 이것이 바로 강입자 충돌기에 대한 태도와 이와 관련된 다양한 우려를 보여주는 것입니다. 그들 중 가장 급진적인 사람들은 하드론 충돌기가 폭발할 경우 많지도 적지도 않지만 모든 인류가 지구와 함께 죽을 수 있으며 이후에 형성된 지구에 의해 삼켜질 수 있다고 표현했습니다. 폭발. 물론 첫 번째 실험에서는 그러한 두려움이 어린이의 공포 이야기에 지나지 않는다는 것을 보여주었습니다.
그러나 최근 사망한 영국 과학자 스티븐 호킹(Stephen Hawking)은 충돌기 작동에 대한 몇 가지 심각한 우려를 표명했습니다. 더욱이 호킹의 우려는 충돌기 자체가 아니라 그 도움으로 얻은 힉스 보존과 관련이 있습니다. 과학자에 따르면, 이 보존은 매우 불안정한 물질이며 특정 상황의 조합으로 인해 진공이 붕괴되고 공간과 시간과 같은 개념이 완전히 사라질 수 있습니다. 그러나 모든 것이 그렇게 무서운 것은 아닙니다. Hawking에 따르면 이런 일이 일어나려면 행성 전체 크기의 충돌기가 필요하기 때문입니다.
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