Wielki Zderzacz Hadronów: cel, odkrycia i mity. Wielki Zderzacz Hadronów. Po co to jest? Po co powstał zderzacz?
100 metrów pod ziemią, na granicy Francji i Szwajcarii, znajduje się urządzenie, które może odkryć tajemnice wszechświata. Lub, według niektórych, zniszczyć całe życie na Ziemi.
W każdym razie jest to największa maszyna na świecie i służy do badania najmniejszych cząstek we Wszechświecie. To jest Wielki Zderzacz Hadronów (nie Androidów) (LHC).
Krótki opis
LHC jest częścią projektu kierowanego przez Europejską Organizację Badań Jądrowych (CERN). Zderzacz jest częścią kompleksu akceleratorów CERN pod Genewą w Szwajcarii i służy do przyspieszania wiązek protonów i jonów do prędkości bliskich prędkości światła, rozbijania cząstek o siebie i rejestrowania powstałych zdarzeń. Naukowcy mają nadzieję, że pomoże to dowiedzieć się więcej o pochodzeniu Wszechświata i jego składzie.
Co to jest zderzacz (LHC)? Jest to najambitniejszy i najpotężniejszy akcelerator cząstek, jaki kiedykolwiek zbudowano. Tysiące naukowców z setek krajów współpracuje i konkuruje ze sobą w poszukiwaniu nowych odkryć. Aby zebrać dane eksperymentalne, na obwodzie zderzacza rozmieszczono 6 sekcji.
Dokonane przy jego pomocy odkrycia mogą przydać się w przyszłości, ale nie to jest powodem jego budowy. Celem Wielkiego Zderzacza Hadronów jest poszerzenie naszej wiedzy o Wszechświecie. Biorąc pod uwagę, że LHC kosztuje miliardy dolarów i wymaga współpracy wielu krajów, zaskakujący może być brak praktycznego zastosowania.
Do czego służy Zderzacz Hadronów?
Próbując zrozumieć nasz Wszechświat, jego funkcjonowanie i faktyczną strukturę, naukowcy zaproponowali teorię zwaną modelem standardowym. Próbuje zidentyfikować i wyjaśnić podstawowe cząstki, które czynią świat tym, czym jest. Model łączy elementy teorii względności Einsteina z teorią kwantową. Uwzględnia także 3 z 4 podstawowych sił Wszechświata: silne i słabe siły jądrowe oraz elektromagnetyzm. Teoria nie dotyczy czwartej siły podstawowej – grawitacji.
Model Standardowy dokonał kilku przewidywań dotyczących Wszechświata, które są spójne z różnymi eksperymentami. Ale są też inne aspekty, które wymagały potwierdzenia. Jedną z nich jest cząstka teoretyczna zwana bozonem Higgsa.
Jego odkrycie odpowiada na pytania dotyczące masy. Dlaczego ma to znaczenie? Naukowcy zidentyfikowali cząstki, które nie mają masy, takie jak neutrina. Dlaczego niektórzy ludzie to mają, a inni nie? Fizycy przedstawili wiele wyjaśnień.
Najprostszym z nich jest mechanizm Higgsa. Teoria ta stwierdza, że istnieje cząstka i odpowiadająca jej siła, która wyjaśnia obecność masy. Nigdy wcześniej tego nie obserwowano, więc zdarzenia wywołane przez LHC albo udowodnią istnienie bozonu Higgsa, albo dostarczą nowych informacji.
Kolejne pytanie, które zadają naukowcy, wiąże się z pochodzeniem Wszechświata. Wtedy materia i energia były jednym. Po rozdzieleniu cząsteczki materii i antymaterii uległy wzajemnemu zniszczeniu. Gdyby ich liczba była równa, nic by nie zostało.
Ale na szczęście dla nas we Wszechświecie było więcej materii. Naukowcy mają nadzieję zaobserwować antymaterię podczas działania LHC. Może to pomóc w zrozumieniu przyczyny różnicy w ilości materii i antymaterii na początku wszechświata.
Ciemna materia
Nasza obecna wiedza o Wszechświecie sugeruje, że obecnie można zaobserwować tylko około 4% materii, która powinna istnieć. Ruch galaktyk i innych ciał niebieskich sugeruje, że widocznej materii jest znacznie więcej.
Naukowcy nazwali tę niejasną materię ciemną materią. Obserwowalna i ciemna materia stanowią około 25%. Pozostałe 3/4 pochodzi z hipotetycznej ciemnej energii, która przyczynia się do ekspansji Wszechświata.
Naukowcy mają nadzieję, że ich eksperymenty albo dostarczą dalszych dowodów na istnienie ciemnej materii i ciemnej energii, albo potwierdzą alternatywną teorię.
Ale to tylko wierzchołek góry lodowej fizyki cząstek elementarnych. Są jeszcze bardziej egzotyczne i kontrowersyjne rzeczy, które wymagają ujawnienia i do tego właśnie służy zderzacz.
Wielki Wybuch w skali mikro
Zderzając protony z wystarczająco dużą prędkością, LHC rozbija je na mniejsze cząstki atomowe. Są bardzo niestabilne i trwają tylko ułamek sekundy, zanim rozpadną się lub ponownie połączą.
Według teorii Wielkiego Wybuchu cała materia pierwotnie składała się z nich. Gdy Wszechświat rozszerzał się i ochładzał, połączyły się one w większe cząstki, takie jak protony i neutrony.
Niezwykłe teorie
Jeśli teoretyczne cząstki, antymateria i ciemna energia, nie są wystarczająco egzotyczne, niektórzy naukowcy uważają, że LHC może dostarczyć dowodów na istnienie innych wymiarów. Powszechnie przyjmuje się, że świat jest czterowymiarowy (trójwymiarowa przestrzeń i czas). Fizycy sugerują jednak, że mogą istnieć inne wymiary, których ludzie nie są w stanie dostrzec. Na przykład jedna wersja teorii strun wymaga co najmniej 11 wymiarów.
Zwolennicy tej teorii mają nadzieję, że LHC dostarczy dowodów na proponowany przez nich model Wszechświata. Ich zdaniem podstawowymi cegiełkami nie są cząstki, ale struny. Mogą być otwarte lub zamknięte i wibrować jak gitary. Różnica wibracji sprawia, że struny są inne. Niektóre manifestują się w postaci elektronów, inne zaś jako neutrina.
Co to jest zderzacz w liczbach?
LHC to masywna i potężna konstrukcja. Składa się z 8 sektorów, z których każdy jest łukiem, ograniczonym na każdym końcu sekcją zwaną „wstawką”. Obwód zderzacza wynosi 27 km.
Rury akceleratora i komory zderzeniowe znajdują się 100 metrów pod ziemią. Dostęp do nich zapewnia tunel serwisowy z windami i schodami, zlokalizowany w kilku punktach na obwodzie LHC. CERN zbudował także budynki naziemne, w których badacze mogą gromadzić i analizować dane generowane przez detektory zderzacza.
Magnesy służą do kontrolowania wiązek protonów poruszających się z prędkością 99,99% prędkości światła. Są ogromne, ważą kilka ton. LHC ma około 9600 magnesów. Schładzają się do 1,9 K (-271,25°C). To temperatura niższa od temperatury przestrzeni kosmicznej.
Protony wewnątrz zderzacza przechodzą przez lampy ultrawysokiej próżni. Jest to konieczne, aby nie było cząstek, z którymi mogłyby się zderzyć przed osiągnięciem celu. Pojedyncza cząsteczka gazu może spowodować niepowodzenie eksperymentu.
Na obwodzie dużego zderzacza znajduje się 6 obszarów, w których inżynierowie mogą przeprowadzać eksperymenty. Można je porównać do mikroskopów z aparatem cyfrowym. Niektóre z tych detektorów są ogromne – ATLAS to urządzenie o długości 45 m, wysokości 25 m i wadze 7 ton.
W LHC znajduje się około 150 milionów czujników, które zbierają dane i przesyłają je do sieci komputerowej. Według CERN ilość informacji uzyskiwanych podczas eksperymentów wynosi około 700 MB/s.
Oczywiście taki zderzacz wymaga dużo energii. Jego roczne zużycie energii wynosi około 800 GWh. Mógłby być znacznie większy, ale w miesiącach zimowych obiekt nie jest otwarty. Według CERN koszt energii wynosi około 19 milionów euro.
Zderzenie protonów
Zasada fizyki zderzacza jest dość prosta. Najpierw uruchamiane są dwie wiązki: jedna zgodnie z ruchem wskazówek zegara, druga przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Obydwa strumienie przyspieszają do prędkości światła. Następnie są one skierowane ku sobie i obserwuje się wynik.
Sprzęt potrzebny do osiągnięcia tego celu jest znacznie bardziej złożony. LHC jest częścią kompleksu CERN. Zanim jakiekolwiek cząstki dostaną się do LHC, przechodzą już przez szereg etapów.
Po pierwsze, aby wytworzyć protony, naukowcy muszą pozbawić atomy wodoru elektronów. Cząstki są następnie przesyłane do LINAC 2, który wprowadza je do akceleratora PS Booster. Maszyny te wykorzystują zmienne pole elektryczne do przyspieszania cząstek. Pola utworzone przez gigantyczne magnesy pomagają utrzymać belki.
Gdy wiązka osiągnie pożądany poziom energii, PS Booster kieruje ją do supersynchrotronu SPS. Strumień jest jeszcze bardziej przyspieszany i dzieli się na 2808 wiązek po 1,1 x 1011 protonów. SPS wprowadza wiązki do LHC zgodnie z ruchem wskazówek zegara i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.
Wewnątrz Wielkiego Zderzacza Hadronów protony nadal przyspieszają przez 20 minut. Przy maksymalnej prędkości obracają się wokół LHC 11 245 razy na sekundę. Wiązki zbiegają się na jednym z 6 detektorów. W tym przypadku na sekundę dochodzi do 600 milionów kolizji.
Kiedy 2 protony zderzają się, zostają rozbite na mniejsze cząstki, w tym kwarki i gluony. Kwarki są bardzo niestabilne i rozpadają się w ułamku sekundy. Detektory zbierają informacje śledząc ścieżkę cząstek subatomowych i wysyłają je do sieci komputerowej.
Nie wszystkie protony się zderzają. Reszta nadal przemieszcza się do sekcji wyrzutu belki, gdzie jest pochłaniana przez grafit.
Detektory
Wzdłuż obwodu zderzacza znajduje się 6 sekcji, w których zbierane są dane i przeprowadzane są eksperymenty. Spośród nich 4 to detektory główne, a 2 mniejsze.
Największy jest ATLAS. Jego wymiary to 46 x 25 x 25 m. Tracker wykrywa i analizuje pęd cząstek przechodzących przez ATLAS. Otacza go kalorymetr, który mierzy energię cząstek poprzez ich absorpcję. Naukowcy mogą obserwować ich trajektorię i ekstrapolować informacje na ich temat.
Detektor ATLAS wyposażony jest także w spektrometr mionowy. Miony to cząstki naładowane ujemnie, 200 razy cięższe od elektronów. Tylko one są w stanie przejść przez kalorymetr bez zatrzymywania się. Spektrometr mierzy pęd każdego mionu za pomocą czujników cząstek naładowanych. Czujniki te mogą wykrywać wahania pola magnetycznego ATLAS-u.
Compact Muon Solenoid (CMS) to detektor ogólnego przeznaczenia, który wykrywa i mierzy subcząstki uwalniane podczas zderzeń. Urządzenie znajduje się wewnątrz gigantycznego magnesu elektromagnetycznego, który może wytworzyć pole magnetyczne prawie 100 tysięcy razy większe niż pole magnetyczne Ziemi.
Detektor ALICE przeznaczony jest do badania zderzeń jonów żelaza. Naukowcy mają nadzieję w ten sposób odtworzyć warunki podobne do tych, które miały miejsce bezpośrednio po Wielkim Wybuchu. Oczekują, że jony przekształcą się w mieszaninę kwarków i gluonów. Głównym elementem ALICE jest kamera TPC, która służy do badania i rekonstrukcji trajektorii cząstek.
LHC służy do poszukiwania dowodów na istnienie antymaterii. Robi to, szukając cząstki zwanej kwarkiem pięknym. Rząd subdetektorów otaczający punkt uderzenia ma długość 20 metrów. Potrafią wychwytywać bardzo niestabilne i szybko rozpadające się cząstki kwarków pięknych.
Eksperyment TOTEM prowadzony jest na obszarze, na którym znajduje się jeden z małych detektorów. Mierzy wielkość protonów i jasność LHC, wskazując dokładność tworzenia zderzeń.
Eksperyment LHC symuluje promienie kosmiczne w kontrolowanym środowisku. Jego celem jest pomoc w rozwoju badań na dużą skalę rzeczywistych promieni kosmicznych.
W każdym miejscu detekcji pracuje zespół badaczy, liczący od kilkudziesięciu do ponad tysiąca naukowców.
Przetwarzanie danych
Nic dziwnego, że taki zderzacz generuje ogromny strumień danych. 15 000 000 GB wytwarzanych rocznie przez detektory LHC stanowi ogromne wyzwanie dla badaczy. Jej rozwiązaniem jest sieć komputerowa złożona z komputerów, z których każdy jest w stanie samodzielnie analizować fragment danych. Gdy komputer zakończy analizę, wysyła wyniki do komputera centralnego i otrzymuje nową porcję.
Naukowcy z CERN postanowili skoncentrować się na wykorzystaniu stosunkowo niedrogiego sprzętu do wykonywania obliczeń. Zamiast kupować zaawansowane serwery i procesory, wykorzystuje się istniejący sprzęt, który może dobrze działać w sieci. Dzięki specjalnemu oprogramowaniu sieć komputerów będzie mogła przechowywać i analizować dane z każdego eksperymentu.
Zagrożenie dla planety?
Niektórzy obawiają się, że tak potężny zderzacz może stanowić zagrożenie dla życia na Ziemi, w tym uczestniczyć w powstawaniu czarnych dziur, „dziwnej materii”, monopoli magnetycznych, promieniowania itp.
Naukowcy konsekwentnie obalają takie twierdzenia. Utworzenie czarnej dziury jest niemożliwe, ponieważ istnieje duża różnica między protonami i gwiazdami. „Dziwna materia” mogła już dawno powstać pod wpływem promieni kosmicznych, a niebezpieczeństwo, jakie stwarzają te hipotetyczne formacje, jest mocno przesadzone.
Zderzacz jest wyjątkowo bezpieczny: od powierzchni oddziela go 100-metrowa warstwa gleby, a personelowi nie wolno przebywać pod ziemią podczas eksperymentów.
Historia powstania akceleratora, który znamy dziś jako Wielki Zderzacz Hadronów, sięga 2007 roku. Początkowo chronologia akceleratorów rozpoczynała się od cyklotronu. Urządzenie było małym urządzeniem, które z łatwością zmieściło się na stole. Wtedy historia akceleratorów zaczęła się dynamicznie rozwijać. Pojawił się synchrofasotron i synchrotron.
Być może najciekawszym w historii okresem był okres od 1956 do 1957 roku. W tamtych czasach nauka radziecka, zwłaszcza fizyka, nie pozostawała w tyle za swoimi zagranicznymi braćmi. Korzystając z wieloletniego doświadczenia, radziecki fizyk Władimir Veksler dokonał przełomu w nauce. Stworzył najpotężniejszy wówczas synchrofasotron. Jego moc robocza wynosiła 10 gigaelektronowoltów (10 miliardów elektronowoltów). Po tym odkryciu powstały poważne próbki akceleratorów: duży zderzacz elektron-pozyton, szwajcarski akcelerator, w Niemczech, USA. Wszyscy mieli jeden wspólny cel – badanie podstawowych cząstek kwarków.
Wielki Zderzacz Hadronów powstał przede wszystkim dzięki staraniom włoskiego fizyka. Nazywa się Carlo Rubbia i jest laureatem Nagrody Nobla. W swojej karierze Rubbia pracował jako dyrektor w Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych. Podjęto decyzję o budowie i uruchomieniu zderzacza hadronów na terenie centrum badawczego.
Gdzie jest zderzacz hadronów?
Zderzacz znajduje się na granicy Szwajcarii i Francji. Jego obwód wynosi 27 kilometrów, dlatego nazywany jest dużym. Pierścień akceleratora sięga od 50 do 175 metrów. Zderzacz ma 1232 magnesy. Są nadprzewodzące, co oznacza, że można z nich wygenerować maksymalne pole przyspieszenia, ponieważ w takich magnesach praktycznie nie ma zużycia energii. Całkowita waga każdego magnesu wynosi 3,5 tony, a długość wynosi 14,3 metra.
Jak każdy obiekt fizyczny, Wielki Zderzacz Hadronów generuje ciepło. Dlatego należy go stale chłodzić. Aby to osiągnąć, temperaturę 1,7 K utrzymuje się przy użyciu 12 milionów litrów ciekłego azotu. Ponadto do chłodzenia zużywa się 700 tysięcy litrów, a co najważniejsze, stosuje się ciśnienie dziesięciokrotnie niższe niż normalne ciśnienie atmosferyczne.
Temperatura 1,7 K w skali Celsjusza wynosi -271 stopni. Temperatura ta jest prawie bliska tak zwanej minimalnej możliwej granicy, jaką może mieć ciało fizyczne.
Nie mniej interesujące jest wnętrze tunelu. Istnieją kable niobowo-tytanowe o właściwościach nadprzewodzących. Ich długość wynosi 7600 kilometrów. Łączna waga kabli wynosi 1200 ton. Wnętrze kabla stanowi splot 6300 drutów o łącznej długości 1,5 miliarda kilometrów. Długość ta jest równa 10 jednostkom astronomicznym. Na przykład równa się 10 takich jednostek.
Jeśli mówimy o jego położeniu geograficznym, możemy powiedzieć, że pierścienie zderzacza leżą pomiędzy miastami Saint-Genis i Forney-Voltaire, położonymi po stronie francuskiej, a także Meyrin i Vessourat - po stronie szwajcarskiej. Wzdłuż średnicy obramowania biegnie mały pierścień zwany PS.
Sens istnienia
Aby odpowiedzieć na pytanie „do czego służy zderzacz hadronów”, należy zwrócić się do naukowców. Wielu naukowców twierdzi, że jest to największy wynalazek w całej historii nauki i że bez niego nauka, jaką znamy dzisiaj, po prostu nie ma sensu. Istnienie i uruchomienie Wielkiego Zderzacza Hadronów jest interesujące, ponieważ gdy cząstki zderzają się w zderzaczu hadronów, następuje eksplozja. Wszystkie najmniejsze cząstki rozpraszają się w różnych kierunkach. Powstają nowe cząstki, które mogą wyjaśnić istnienie i znaczenie wielu rzeczy.
Pierwszą rzeczą, którą naukowcy próbowali znaleźć w tych rozbitych cząstkach, była teoretycznie przewidziana przez fizyka Petera Higgsa cząstka elementarna, zwana „Ta niesamowita cząstka jest nośnikiem informacji”, jak się uważa. Powszechnie nazywa się ją także „cząstką Boga”. Jego odkrycie przybliży naukowców do zrozumienia wszechświata. Warto zauważyć, że w 2012 roku, 4 lipca, zderzacz hadronów (jego uruchomienie zakończyło się częściowym sukcesem) pomógł odkryć podobną cząstkę. Dziś naukowcy próbują zbadać to bardziej szczegółowo.
Jak długo...
Oczywiście od razu pojawia się pytanie: dlaczego naukowcy tak długo badają te cząstki? Jeśli masz urządzenie, możesz je uruchomić i za każdym razem pobierać coraz więcej danych. Faktem jest, że eksploatacja zderzacza hadronów jest kosztowną propozycją. Jedno uruchomienie kosztuje mnóstwo pieniędzy. Na przykład roczne zużycie energii wynosi 800 milionów kWh. Taką ilość energii zużywa według przeciętnych standardów miasto liczące około 100 tys. mieszkańców. I to nie obejmuje kosztów utrzymania. Innym powodem jest to, że w Zderzaczu Hadronów eksplozja powstająca podczas zderzenia protonów wiąże się z otrzymaniem dużej ilości danych: komputery czytają tak dużo informacji, że ich przetworzenie zajmuje dużo czasu. Chociaż moc komputerów odbierających informacje jest ogromna nawet jak na dzisiejsze standardy.
Następny powód jest nie mniej znany: Naukowcy pracujący ze zderzaczem w tym kierunku są przekonani, że widmo widzialne całego Wszechświata wynosi tylko 4%. Zakłada się, że pozostałe to ciemna materia i ciemna energia. Próbują udowodnić eksperymentalnie, że ta teoria jest poprawna.
Zderzacz Hadronów: za czy przeciw
Wysuwana teoria ciemnej materii podała w wątpliwość bezpieczeństwo zderzacza hadronów. Pojawiło się pytanie: „Zderzacz Hadronów: za czy przeciw?” Martwił wielu naukowców. Wszystkie wielkie umysły świata dzielą się na dwie kategorie. „Przeciwnicy” wysuwają ciekawą teorię, że jeśli taka materia istnieje, to musi mieć przeciwną cząstkę. A kiedy cząstki zderzają się w akceleratorze, pojawia się ciemna część. Istniało ryzyko, że ciemna część zderzy się z częścią, którą widzimy. Wtedy mogłoby to doprowadzić do śmierci całego wszechświata. Jednak po pierwszym uruchomieniu zderzacza hadronów teoria ta została częściowo złamana.
Następna w kolejności jest eksplozja wszechświata, a raczej narodziny. Uważa się, że podczas zderzenia można zaobserwować, jak zachowywał się wszechświat w pierwszych sekundach swojego istnienia. Tak to wyglądało po Wielkim Wybuchu. Uważa się, że proces zderzeń cząstek jest bardzo podobny do tego, który miał miejsce na samym początku wszechświata.
Kolejnym równie fantastycznym pomysłem, który testują naukowcy, są modele egzotyczne. Wydaje się to niewiarygodne, ale istnieje teoria, która sugeruje, że istnieją inne wymiary i wszechświaty, w których żyją ludzie podobni do nas. I co dziwne, akcelerator też może tutaj pomóc.
Mówiąc najprościej, celem akceleratora jest zrozumienie, czym jest wszechświat, jak powstał oraz udowodnienie lub obalenie wszystkich istniejących teorii na temat cząstek i zjawisk z nimi związanych. Oczywiście zajmie to lata, ale z każdym uruchomieniem pojawiają się nowe odkrycia, które rewolucjonizują świat nauki.
Fakty na temat akceleratora
Wszyscy wiedzą, że akcelerator przyspiesza cząstki do 99% prędkości światła, ale niewiele osób wie, że odsetek ten wynosi 99,9999991% prędkości światła. Ta niesamowita figura ma sens dzięki doskonałej konstrukcji i potężnym magnesom przyspieszającym. Warto zwrócić także uwagę na kilka mniej znanych faktów.
Około 100 milionów strumieni danych pochodzących z każdego z dwóch głównych detektorów mogłoby w ciągu kilku sekund zapełnić ponad 100 000 płyt CD-ROM. Już za miesiąc liczba dysków osiągnie taką wysokość, że gdyby je ułożyć w stos, wystarczyłyby, aby dotrzeć do Księżyca. Dlatego zdecydowano się zbierać nie wszystkie dane, które pochodzą z detektorów, a jedynie te, które zostaną dopuszczone do wykorzystania przez system zbierania danych, który de facto pełni rolę filtru otrzymanych danych. Postanowiono zarejestrować jedynie 100 zdarzeń, które miały miejsce w momencie eksplozji. Zdarzenia te zostaną zarejestrowane w archiwum centrum komputerowego Wielkiego Zderzacza Hadronów, które mieści się w Europejskim Laboratorium Fizyki Cząstek, w którym znajduje się także akcelerator. Rejestrowane nie będą te zdarzenia, które zostały zarejestrowane, ale te, które cieszą się największym zainteresowaniem społeczności naukowej.
Przetwarzanie końcowe
Po zarejestrowaniu przetworzone zostaną setki kilobajtów danych. W tym celu wykorzystuje się ponad dwa tysiące komputerów znajdujących się w CERN. Zadaniem tych komputerów jest przetworzenie danych pierwotnych i utworzenie z nich bazy danych, która będzie wygodna do dalszej analizy. Następnie wygenerowany przepływ danych zostanie przesłany do sieci komputerowej GRID. Ta sieć internetowa zrzesza tysiące komputerów znajdujących się w różnych instytutach na całym świecie i łączy ponad sto dużych ośrodków zlokalizowanych na trzech kontynentach. Wszystkie takie centra są połączone z CERN za pomocą światłowodów, aby zapewnić maksymalne prędkości przesyłania danych.
Mówiąc o faktach, nie sposób nie wspomnieć o wskaźnikach fizycznych konstrukcji. Tunel akceleratora jest odchylony od płaszczyzny poziomej o 1,4%. Dokonano tego przede wszystkim w celu umieszczenia większości tunelu akceleratora w monolitycznej skale. Dlatego głębokość osadzania po przeciwnych stronach jest różna. Jeśli policzymy od strony jeziora, które znajduje się w pobliżu Genewy, głębokość wyniesie 50 metrów. Przeciwna część ma głębokość 175 metrów.
Ciekawostką jest to, że fazy księżyca wpływają na akcelerator. Wydawałoby się, jak tak odległy obiekt może oddziaływać z takiej odległości. Zaobserwowano jednak, że podczas pełni księżyca, kiedy następuje przypływ, ląd w okolicach Genewy podnosi się aż o 25 centymetrów. Ma to wpływ na długość zderzacza. Długość wzrasta w ten sposób o 1 milimetr, a energia wiązki również zmienia się o 0,02%. Ponieważ energię wiązki należy kontrolować aż do 0,002%, badacze muszą wziąć to zjawisko pod uwagę.
Interesujące jest również to, że tunel zderzacza ma kształt ośmiokąta, a nie koła, jak wielu sobie wyobraża. Narożniki tworzone są przez krótkie odcinki. Zawierają zainstalowane detektory, a także system sterujący wiązką przyspieszających cząstek.
Struktura
Zderzacz Hadronów, którego uruchomienie obejmuje wiele części i budzi wiele emocji wśród naukowców, jest niesamowitym urządzeniem. Cały akcelerator składa się z dwóch pierścieni. Mały pierścień nazywany jest Synchrotronem Protonowym lub, używając jego skrótów, PS. Wielki Pierścień to synchrotron superprotonowy, w skrócie SPS. Razem dwa pierścienie pozwalają częściom przyspieszyć do 99,9% prędkości światła. Jednocześnie zderzacz zwiększa również energię protonów, zwiększając ich całkowitą energię 16 razy. Umożliwia także cząstkom zderzanie się ze sobą około 30 milionów razy na sekundę. w ciągu 10 godzin. Cztery główne detektory wytwarzają co najmniej 100 terabajtów danych cyfrowych na sekundę. Pozyskanie danych jest uwarunkowane indywidualnymi czynnikami. Mogą na przykład wykryć cząstki elementarne, które mają ujemny ładunek elektryczny, a także mają połówkowy spin. Ponieważ cząstki te są niestabilne, ich bezpośrednie wykrycie jest niemożliwe, możliwe jest jedynie wykrycie ich energii, która będzie emitowana pod pewnym kątem do osi wiązki. Ten etap nazywany jest pierwszym poziomem uruchomienia. Ten etap jest monitorowany przez ponad 100 specjalnych płytek przetwarzających dane, które mają wbudowaną logikę implementacji. Ta część pracy charakteryzuje się tym, że w okresie akwizycji danych wybieranych jest ponad 100 tysięcy bloków danych na sekundę. Dane te zostaną następnie wykorzystane do analizy, która odbywa się przy użyciu mechanizmu wyższego poziomu.
Systemy następnego poziomu natomiast otrzymują informacje ze wszystkich wątków detektorowych. Oprogramowanie detektora działa w sieci. Tam będzie wykorzystywać dużą liczbę komputerów do przetwarzania kolejnych bloków danych, średni czas pomiędzy blokami wynosi 10 mikrosekund. Programy będą musiały utworzyć znaczniki cząstek odpowiadające pierwotnym punktom. Wynikiem będzie wygenerowany zbiór danych składający się z impulsu, energii, trajektorii i innych, które powstały podczas jednego zdarzenia.
Części akceleratora
Cały akcelerator można podzielić na 5 głównych części:
1) Akcelerator zderzacza elektronów i pozytonów. Część składa się z około 7 tysięcy magnesów o właściwościach nadprzewodzących. Za ich pomocą wiązka jest kierowana przez okrągły tunel. Koncentrują także wiązkę w jeden strumień, którego szerokość zmniejsza się do szerokości jednego włosa.
2) Kompaktowy elektromagnes mionowy. Jest to detektor ogólnego przeznaczenia. Detektor taki służy do poszukiwania nowych zjawisk i np. do poszukiwania cząstek Higgsa.
3) Detektor LHCb. Znaczenie tego urządzenia polega na poszukiwaniu kwarków i ich przeciwnych cząstek – antykwarków.
4) Instalacja toroidalna ATLAS. Detektor ten przeznaczony jest do wykrywania mionów.
5) Alicja. Detektor ten rejestruje zderzenia jonów ołowiu i zderzenia proton-proton.
Problemy przy uruchomieniu Zderzacza Hadronów
Pomimo tego, że obecność wysokiej technologii eliminuje możliwość błędów, w praktyce wszystko jest inne. Podczas montażu akceleratora wystąpiły opóźnienia i awarie. Trzeba powiedzieć, że ta sytuacja nie była nieoczekiwana. Urządzenie zawiera tak wiele niuansów i wymaga takiej precyzji, że naukowcy spodziewali się podobnych wyników. Na przykład jednym z problemów, z jakimi borykali się naukowcy podczas startu, była awaria magnesu skupiającego wiązki protonów bezpośrednio przed ich zderzeniem. Przyczyną tego poważnego wypadku było zniszczenie części mocowania na skutek utraty nadprzewodnictwa przez magnes.
Problem pojawił się w 2007 roku. Z tego powodu start zderzacza był kilkakrotnie przekładany i dopiero w czerwcu nastąpił start, a prawie rok później zderzacz wystrzelono.
Ostatnie uruchomienie zderzacza zakończyło się sukcesem, zbierając wiele terabajtów danych.
Zderzacz Hadronów, który został wystrzelony 5 kwietnia 2015 r., działa pomyślnie. W ciągu miesiąca belki będą krążyć po pierścieniu, stopniowo zwiększając swoją moc. Badanie jako takie nie ma żadnego celu. Energia zderzenia wiązki zostanie zwiększona. Wartość zostanie podniesiona z 7 TeV do 13 TeV. Taki wzrost pozwoli nam dostrzec nowe możliwości w zderzeniach cząstek.
W latach 2013 i 2014 miały miejsce poważne przeglądy techniczne tuneli, akceleratorów, detektorów i innego sprzętu. W rezultacie powstało 18 magnesów bipolarnych z funkcją nadprzewodnictwa. Należy zaznaczyć, że ich łączna liczba wynosi 1232 sztuki. Jednak pozostałe magnesy nie pozostały niezauważone. W pozostałej części wymieniono systemy ochrony chłodzenia i zainstalowano ulepszone. Ulepszono także magnetyczny układ chłodzenia. Dzięki temu mogą pozostawać w niskich temperaturach przy maksymalnej mocy.
Jeśli wszystko pójdzie dobrze, kolejne uruchomienie akceleratora nastąpi dopiero za trzy lata. Po tym okresie planowane są prace mające na celu udoskonalenie i przegląd techniczny zderzacza.
Należy zauważyć, że naprawy kosztują całkiem sporo, nie biorąc pod uwagę kosztów. Cena Zderzacza Hadronów na rok 2010 wynosi 7,5 miliarda euro. Liczba ta stawia cały projekt na pierwszym miejscu na liście najdroższych projektów w historii nauki.
Wielu zwykłych mieszkańców planety zadaje sobie pytanie, po co potrzebny jest Wielki Zderzacz Hadronów. Niezrozumiałe dla większości badania naukowe, na które wydano wiele miliardów euro, budzą ostrożność i niepokój.
Może to wcale nie są badania, ale prototyp wehikułu czasu lub portal do teleportacji obcych istot, który może odmienić losy ludzkości? Krążą najbardziej fantastyczne i straszne plotki. W tym artykule postaramy się zrozumieć, czym jest zderzacz hadronów i dlaczego powstał.
Ambitny projekt dla ludzkości
Wielki Zderzacz Hadronów jest obecnie najpotężniejszym akceleratorem cząstek na planecie. Leży na granicy Szwajcarii i Francji. A dokładniej pod nim: na głębokości 100 metrów znajduje się tunel pierścieniowy akceleratora o długości prawie 27 kilometrów. Właścicielem wartego ponad 10 miliardów dolarów ośrodka doświadczalnego jest Europejskie Centrum Badań Jądrowych.
Ogromne ilości zasobów i tysiące fizyków jądrowych są zajęte przyspieszaniem protonów i ciężkich jonów ołowiu do prędkości bliskich prędkości światła w różnych kierunkach, a następnie zderzają je ze sobą. Wyniki bezpośrednich interakcji są dokładnie badane.
Propozycja stworzenia nowego akceleratora cząstek powróciła w 1984 roku. Od dziesięciu lat toczą się różne dyskusje na temat tego, jak będzie wyglądał Zderzacz Hadronów i dlaczego potrzebny jest projekt badawczy na tak dużą skalę. Dopiero po omówieniu specyfiki rozwiązania technicznego i wymaganych parametrów instalacji projekt został zatwierdzony. Budowę rozpoczęto dopiero w 2001 roku, wykorzystując do pomieszczenia dawny akcelerator cząstek – Wielki Zderzacz Elektron-Pozyton.
Po co nam Wielki Zderzacz Hadronów?
Oddziaływanie cząstek elementarnych opisywane jest na różne sposoby. Teoria względności jest sprzeczna z kwantową teorią pola. Brakującym ogniwem w osiągnięciu jednolitego podejścia do struktury cząstek elementarnych jest niemożność stworzenia teorii grawitacji kwantowej. Dlatego potrzebny jest zderzacz hadronów dużej mocy.
Całkowita energia zderzeń cząstek wynosi 14 teraelektronowoltów, co czyni urządzenie znacznie potężniejszym akceleratorem niż jakikolwiek istniejący obecnie na świecie. Przeprowadzając eksperymenty, które wcześniej były niemożliwe ze względów technicznych, naukowcy najprawdopodobniej będą w stanie udokumentować lub obalić istniejące teorie mikroświata.
Badanie plazmy kwarkowo-gluonowej powstałej podczas zderzenia jąder ołowiu umożliwi skonstruowanie bardziej zaawansowanej teorii oddziaływań silnych, które mogą radykalnie zmienić fizykę jądrową i przestrzeń gwiazdową.
bozon Higgsa
Już w 1960 roku szkocki fizyk Peter Higgs opracował teorię pola Higgsa, według której cząstki wpadające w to pole podlegają efektom kwantowym, które w świecie fizycznym można zaobserwować jako masę obiektu.
Jeśli w trakcie eksperymentów uda się potwierdzić teorię szkockiego fizyka jądrowego i znaleźć bozon Higgsa (kwant), wówczas wydarzenie to może stać się nowym punktem wyjścia dla rozwoju mieszkańców Ziemi.
A odkryta kontrola grawitacji wielokrotnie przekroczy wszelkie widoczne perspektywy rozwoju postępu technologicznego. Co więcej, zaawansowanych naukowców bardziej interesuje nie obecność samego bozonu Higgsa, ale proces łamania symetrii elektrosłabej.
Jak on pracuje
Aby cząstki doświadczalne osiągnęły prędkość nie do pomyślenia dla powierzchni, prawie równą w próżni, należy je stopniowo przyspieszać, każdorazowo zwiększając energię.
Akceleratory liniowe najpierw wtryskują jony ołowiu i protony, które następnie poddawane są stopniowemu przyspieszaniu. Cząsteczki wchodzą do synchrotronu protonowego poprzez wzmacniacz, gdzie otrzymują ładunek o wartości 28 GeV.
W kolejnym etapie cząstki wchodzą do supersynchrotronu, gdzie ich energia ładunku zostaje zwiększona do 450 GeV. Po dotarciu do takich wskaźników cząstki wpadają do głównego wielokilometrowego pierścienia, gdzie w specjalnie zlokalizowanych miejscach zderzenia detektory szczegółowo rejestrują moment uderzenia.
Oprócz detektorów mogących rejestrować wszystkie procesy podczas zderzenia, zastosowano 1625 magnesów nadprzewodzących, które utrzymują wiązki protonów w akceleratorze. Ich łączna długość przekracza 22 kilometry. Specjalnie zaprojektowany, aby osiągnąć temperaturę -271 °C. Koszt każdego takiego magnesu szacuje się na milion euro.
Cel uświęca środki
Do przeprowadzenia tak ambitnych eksperymentów zbudowano najpotężniejszy zderzacz hadronów. Wielu naukowców z nieukrywanym zachwytem mówi ludzkości, dlaczego potrzebny jest wielomiliardowy projekt naukowy. To prawda, że w przypadku nowych odkryć naukowych najprawdopodobniej zostaną one wiarygodnie sklasyfikowane.
Można nawet powiedzieć na pewno. Potwierdza to cała historia cywilizacji. Kiedy wynaleziono koło, ludzkość opanowała metalurgię - witajcie, pistolety i karabiny!
Wszystkie najnowocześniejsze osiągnięcia stają się dziś własnością kompleksów wojskowo-przemysłowych krajów rozwiniętych, ale nie całej ludzkości. Kiedy naukowcy nauczyli się dzielić atom, co było pierwsze? Jednak reaktory jądrowe dostarczające energię elektryczną po setkach tysięcy zgonów w Japonii. Mieszkańcy Hiroszimy byli wyraźnie przeciwni postępowi naukowemu, który odebrał im i ich dzieciom jutro.
Rozwój techniczny wygląda jak kpina z ludzi, bo ludzie w nim wkrótce staną się najsłabszym ogniwem. Zgodnie z teorią ewolucji system rozwija się i wzmacnia, pozbywając się swoich słabych punktów. Już wkrótce może się okazać, że w świecie udoskonalanej technologii nie będzie już dla nas miejsca. Dlatego pytanie „po co teraz potrzebny jest Wielki Zderzacz Hadronów” wcale nie jest czczą ciekawością, bo wynika ze strachu o los całej ludzkości.
Pytania, na które nie ma odpowiedzi
Po co nam duży zderzacz hadronów, skoro miliony ludzi na planecie umierają z głodu i nieuleczalnych, a czasem uleczalnych chorób? Czy pomoże pokonać to zło? Po co ludzkości zderzacz hadronów, który mimo całego rozwoju technologii od stu lat nie jest w stanie nauczyć się skutecznej walki z rakiem? A może po prostu bardziej opłaca się świadczyć drogie usługi medyczne, niż szukać sposobu na wyleczenie? Biorąc pod uwagę obecny porządek świata i rozwój etyczny, tylko garstka przedstawicieli rodzaju ludzkiego naprawdę potrzebuje dużego zderzacza hadronów. Dlaczego potrzebuje tego cała populacja planety, tocząc nieustanną walkę o prawo do życia w świecie wolnym od ataków na czyjeś życie i zdrowie? Historia o tym milczy...
Obawy kolegów naukowych
Są też inni przedstawiciele środowiska naukowego, którzy wyrazili poważne obawy co do bezpieczeństwa projektu. Istnieje duże prawdopodobieństwo, że świat naukowy w swoich eksperymentach, ze względu na swoją ograniczoną wiedzę, może stracić kontrolę nad procesami, które nawet nie są odpowiednio zbadane.
Takie podejście przypomina eksperymenty laboratoryjne młodych chemików – wymieszaj wszystko i zobacz, co się stanie. Ostatni przykład mógłby zakończyć się eksplozją w laboratorium. A co jeśli taki „sukces” przydarzy się Zderzaczowi Hadronów?
Po co Ziemianom niepotrzebne ryzyko, zwłaszcza, że eksperymentatorzy nie mogą z całkowitą pewnością stwierdzić, że procesy zderzeń cząstek, prowadzące do powstania temperatur 100 tysięcy razy wyższych niż temperatura naszej gwiazdy, nie spowodują reakcji łańcuchowej całej substancji planety?! Albo po prostu nazwą coś, co może śmiertelnie zrujnować wakacje w górach Szwajcarii lub na Riwierze Francuskiej…
Dyktatura informacyjna
Po co potrzebny jest Wielki Zderzacz Hadronów, skoro ludzkość nie jest w stanie rozwiązać mniej złożonych problemów? Próba zagłuszenia alternatywnej opinii jedynie potwierdza możliwość nieprzewidywalności przebiegu wydarzeń.
Prawdopodobnie tam, gdzie po raz pierwszy pojawił się człowiek, ta podwójna cecha była w nim nieodłączna - jednocześnie czynić dobro i szkodzić sobie. Być może odkrycia, jakie przyniesie Zderzacz Hadronów, dadzą nam odpowiedź? O tym, dlaczego potrzebny był ten ryzykowny eksperyment, zadecydują nasi potomkowie.
Z pewnością prawie każdy mieszkaniec Ziemi przynajmniej raz słyszał o Wielkim Zderzaczu Hadronów. Ale pomimo tego, że wielu o tym słyszało, niewiele osób rozumie, czym jest zderzacz hadronów, jaki jest jego cel, jaka jest istota zderzacza hadronów. W naszym dzisiejszym artykule odpowiemy na te pytania.
Co to jest zderzacz hadronów
Zasadniczo zderzacz hadronów jest złożonym akceleratorem cząstek. Z jego pomocą fizycy potrafią przyspieszać protony i ciężkie jony. Początkowo zderzacz hadronów stworzono po to, by potwierdzić istnienie nieuchwytnej cząstki elementarnej, którą fizycy czasami żartobliwie nazywają „cząstką Boga”. I tak, istnienie tej cząstki potwierdzono eksperymentalnie za pomocą zderzacza, a jej odkrywca Peter Higgs sam otrzymał za to Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2013 roku.
Oczywiście sprawa nie ograniczała się do samego bozonu Higgsa, poza nim fizycy odkryli także inne cząstki elementarne. Teraz znasz odpowiedź na pytanie, po co potrzebny jest zderzacz hadronów.
Co to jest Wielki Zderzacz Hadronów?
Przede wszystkim należy zaznaczyć, że Wielki Zderzacz Hadronów nie pojawił się znikąd, ale pojawił się jako ewolucja swojego poprzednika – Wielkiego Zderzacza Elektronowo-Pozytonowego, czyli 27-kilometrowego podziemnego tunelu, którego budowę rozpoczęto w 1983 r. W 1988 roku tunel pierścieniowy zamknięto, a co ciekawe, budowniczowie podeszli do sprawy bardzo ostrożnie, do tego stopnia, że różnica między dwoma końcami tunelu wynosi zaledwie 1 centymetr.
Tak wygląda obwód zderzacza hadronów.
Zderzacz elektron-pozyton działał do 2000 roku i podczas jego funkcjonowania w fizyce dokonano przy jego pomocy szeregu odkryć, w tym odkrycia bozonów W i Z oraz ich dalszych badań.
Od 2001 roku na miejscu zderzacza elektron-pozyton rozpoczęto budowę zderzacza hadronów, którą zakończono w 2007 roku.
Gdzie znajduje się Zderzacz Hadronów?
Wielki Zderzacz Hadronów położony jest na granicy Szwajcarii i Francji, w dolinie Jeziora Genewskiego, zaledwie 15 km od samej Genewy. Znajduje się na głębokości 100 metrów.
Lokalizacja Zderzacza Hadronów.
W 2008 roku rozpoczęły się jego pierwsze badania pod patronatem CERN, Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych, która jest obecnie największym laboratorium na świecie w dziedzinie fizyki wysokich energii.
Do czego służy Zderzacz Hadronów?
Dzięki temu gigantycznemu akceleratorowi cząstek fizycy mogą wnikać w materię głębiej niż kiedykolwiek wcześniej. Wszystko to pomaga zarówno potwierdzać stare hipotezy naukowe, jak i tworzyć nowe, ciekawe teorie. Szczegółowe badanie fizyki cząstek elementarnych pomaga nam zbliżyć się w poszukiwaniu odpowiedzi na pytania dotyczące struktury Wszechświata i jego powstania.
Głębokie zanurzenie się w mikroświecie pozwala nam odkryć nowe, rewolucyjne teorie czasoprzestrzeni, a kto wie, może uda nam się nawet zgłębić tajemnicę czasu, tego czwartego wymiaru naszego świata.
Jak działa Zderzacz Hadronów?
Opiszmy teraz jak faktycznie działa Wielki Zderzacz Hadronów. Nazwa mówi o zasadzie jego działania, gdyż samo słowo „collider” jest tłumaczone z angielskiego jako „ten, który zderza się”. Jego głównym zadaniem jest uporządkowanie zderzeń cząstek elementarnych. Co więcej, cząstki w zderzaczu lecą (i zderzają się) z prędkościami bliskimi prędkości światła. Wyniki zderzeń cząstek rejestrują cztery główne duże detektory: ATLAS, CMS, ALICE i LHCb oraz wiele detektorów pomocniczych.
Zasada działania zderzacza hadronów jest opisana bardziej szczegółowo w tym ciekawym filmie.
Niebezpieczeństwa związane ze zderzaczem hadronów
Ogólnie rzecz biorąc, ludzie zwykle boją się rzeczy, których nie rozumieją. To właśnie ilustruje podejście do Zderzacza Hadronów i różnych obaw z nim związanych. Najbardziej radykalny z nich stwierdził, że w przypadku ewentualnej eksplozji zderzacza hadronów nie dużo, nie mało, ale cała ludzkość może zginąć wraz z planetą Ziemią, która zostanie wchłonięta przez tę powstałą po wybuch. Oczywiście już pierwsze eksperymenty pokazały, że takie lęki to nic innego jak horror dla dzieci.
Jednak pewne poważne obawy dotyczące działania zderzacza wyraził niedawno zmarły angielski naukowiec Stephen Hawking. Co więcej, obawy Hawkinga dotyczą nie tyle samego zderzacza, ile uzyskanego za jego pomocą bozonu Higgsa. Zdaniem naukowca bozon ten jest materiałem wyjątkowo niestabilnym i w wyniku pewnego splotu okoliczności może doprowadzić do zaniku próżni i całkowitego zaniku takich pojęć, jak przestrzeń i czas. Ale nie wszystko jest takie straszne, bo według Hawkinga, żeby coś takiego mogło nastąpić, potrzebny jest zderzacz wielkości całej planety.
Pisząc artykuł, starałem się, aby był on jak najbardziej interesujący, użyteczny i wysokiej jakości. Będę wdzięczny za wszelkie uwagi i konstruktywną krytykę w formie komentarzy do artykułu. Możesz także napisać swoje życzenie/pytanie/sugestię na mój e-mail. [e-mail chroniony] lub na Facebooku, z poważaniem autor.