«Лоб в лоб» на скорости света
До какого предела можно раздробить крупицу вещества, например песчинку? Из чего состоит окружающий нас мир? Как, когда и откуда появились звёзды, планеты и всё остальное? Эти вопросы давно не дают человеку покоя. И чем глубже проникают учёные в тайны природы, тем сложнее становятся научные эксперименты.
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
‹
›
Открыть в полном размере
Наверное, каждый из нас хотя бы раз пытался разобрать игрушку, чтобы посмотреть, что у нее внутри. Подобное любопытство движет и учёными, которые стремятся выяснить устройство материи вплоть до самых элементарных кирпичиков. А чтобы проводить такие исследования, проектируют и строят специальные экспериментальные установки — ускорители.
На границе Швейцарии и Франции, глубоко под землёй, проходит огромный кольцевой тоннель.
Что это такое?
Слово «коллайдер» происходит от английского collide — сталкиваться. В коллайдере два пучка частиц летят навстречу друг другу и при столкновении энергии пучков складываются. В обычных ускорителях пучок ударяет по неподвижной мишени и энергия такого соударения гораздо меньше.
Почему коллайдер называется адронным? Среди элементарных частиц есть семейство адронов. К нему относятся протоны и нейтроны, из которых состоят ядра всех атомов, а также разнообразные мезоны. Важное свойство адронов — то, что они не являются по-настоящему элементарными частицами, а состоят из кварков, «склеенных» глюонами.
Разогнать в адронном коллайдере можно далеко не всякий адрон, а только тот, что имеет электрический заряд. Например, нейтрон — частица нейтральная, что видно из названия, и электромагнитное поле на него не действует. Поэтому главными объектами эксперимента станут протоны (ядра атомов водорода) и тяжёлые ядра свинца.
На сегодняшний день Большой адронный коллайдер — самый мощный в мире. С его помощью физики надеются получить протоны с энергией 7ТэВ (тераэлектронвольт, то есть 1012 эВ). Это значит, что при столкновении выделится суммарная энергия 14 ТэВ. Чтобы достичь такой энергии, протоны должны лететь почти со световой скоростью (если точнее, то со скоростью, которая составляет 0,999999991 от скорости света). При этом каждый протон за одну секунду пролетит по 27-километровому кольцу 11 000 раз! Пучок протонов может летать внутри коллайдера 10часов. За это время он преодолеет более 10 миллиардов километров — расстояние до планеты Нептун и обратно.
Как он устроен?
Вдоль всего тоннеля установлены сверхпроводящие магниты. Частицы разгоняются в электрическом поле, а магнитное поле направляет их по круговой траектории — иначе они врежутся в стенку. Поскольку магниты не простые, а сверхпроводящие (только они позволяют достичь требуемых величин магнитного поля), то для работы их необходимо охладить до температуры 1,9 К. Это ниже, чем температура в космическом пространстве (2,7 К). Чтобы получить космический холод в земных условиях, в охлаждающие системы коллайдера требуется залить 120 т жидкого гелия.
Два пучка движутся во встречных направлениях по двум кольцевым трубам. Ничто не должно мешать движению частиц, поэтому воздух из труб откачан до глубокого вакуума. Столкновения могут происходить только в четырёх точках, где трубы пересекаются. Столкновение двух частиц «лоб в лоб» — событие довольно редкое. Когда пересекаются два пучка по 100 миллиардов частиц в каждом, сталкиваются всего 20 частиц.
Но поскольку пучки пересекаются примерно 30 миллионов раз в секунду, ежесекундно может происходить 600 миллионов столкновений.
Зачем он нужен?
Взаимодействие и превращения известных на сегодняшний день элементарных частиц неплохо описывает теория, называемая Стандартной моделью. Но на некоторые вопросы эта теория ответить не может. Например, она не может объяснить, почему одни частицы имеют большую массу, а другие не имеют её вовсе. Есть гипотеза, что за массу отвечает особая частица — бозон Хиггса. Её-то и надеются обнаружить физики при столкновении протонных пучков с большой энергией. Возможно, что Большой адронный коллайдер поможет нам понять, что такое тёмная материя и тёмная энергия, на которые, как считают астрофизики, приходится более 95% всей материи во Вселенной.
В столкновениях пучков тяжёлых ядер физики надеются создать условия Большого взрыва — отправной точки развития Вселенной. Считается, что в первые мгновения после взрыва существовала лишь кварк-глюонная плазма.
Как увидеть невидимое?
К сожалению, в распоряжении учёных нет прибора, который мог бы напрямую зарегистрировать, например, кварк-глюонную плазму: через ничтожно короткий промежуток в 10-23 секунды она исчезнет без следа. О результатах эксперимента приходится судить по «уликам» — следам, оставленным частицами, родившимся в ходе эксперимента. Как шутят физики, это не легче, чем воссоздать облик Чеширского кота по его улыбке.
О чёрных дырах и «конце света»
С Большим адронным коллайдером связано множество мифов.
***
Энергию измеряют в разных единицах — в джоулях, калориях, киловатт-часах. В международную систему СИ входит только джоуль. Но в физике элементарных частиц для измерения энергии чаще всего используют электронвольт и его производные — КэВ, МэВ, ГэВ, ТэВ.
Электронвольт — удобная единица. Она основана на понятном представлении, что одиночный электрон ускоряется разностью потенциалов в 1 вольт и приобретает при этом определенное количество энергии. 1 эВ = 1,6.10-19Дж. В электронвольтах измеряют не только энергию, но и массу. Согласно знаменитому уравнению Эйнштейна E=mc
***
То, что вещество состоит из неделимых частиц — атомов, предположил древнегреческий ученый Демокрит (кстати, «атом» в переводе с древнегреческого означает «неделимый»). Но лишь через многие столетия физики доказали, что так оно и есть. Потом обнаружилось, что атом на самом деле разделить можно, — он состоит из электронов и ядра, а ядро — из протонов и нейтронов. Но и они, как выяснилось, не самые мелкие частицы и в свою очередь состоят из кварков. Физики считают, что кварки — предел деления материи и ничего меньше на свете нет.
Физика элементарных частиц изучает самые крошечные объекты в природе. Размер атома равен 10-10 м, размер атомного ядра — 10-14 м, размеры протона и нейтрона — 10-15 м, электроны меньше 10-18 м, а кварки меньше 10-19 м. Чтобы сравнить эти числа, представим, что диаметр протона будет равен примерно 10 см. Тогда электроны и кварки окажутся меньше 0,1 мм, а весь атом будет иметь 10 км в поперечнике.
Эксперименты на адронных коллайдерах • Физика элементарных частиц • LHC на «Элементах»
Все существующие в мире коллайдеры (ускорители на встречных пучках) можно разбить на несколько групп в соответствии с тем, какие частицы разгоняются и сталкиваются друг с другом:
- электрон-позитронные коллайдеры;
- электрон-протонные коллайдеры;
- адронные (протон-протонные, протон-антипротонные, ядерные) коллайдеры.
Эксперименты на адронных коллайдерах, к которым относится и LHC, имеют ряд особенностей, о которых полезно рассказать отдельно.
Как выглядит типичное протон-протонное столкновение
Протон — составная частица; он состоит из трех кварков (двух u-кварков с электрическим зарядом +2/3 и одного d-кварка с зарядом –1/3), которые скреплены вместе глюонным полем. Однако если протон летит со скоростью, очень близкой к скорости света, то глюонное поле в нём перестает быть просто связывающей силой, но материализуется в виде потока частиц — глюонов, — которые летят рядом с кварками. Можно считать, что быстро летящий протон состоит из перемешанных друг в друге глюонных, кварковых и даже антикварковых «облаков» — партонных плотностей.
При очень больших энергиях протон оказывается заполненным в основном глюонами, а кварков и антикварков в нём заметно меньше. Протоны и антипротоны в таких условиях выглядят практически одинаково, и поэтому нет особой разницы, что сталкивать — протоны с протонами (как на LHC) или протоны с антипротонами (как на коллайдере Тэватрон).
(Подробнее про партонные плотности в протоне)
Когда два протона сталкиваются лоб в лоб, то это вовсе не значит, что каждый партон обязательно ударяется обо что-то внутри встречного протона. Обычно всё происходит проще — один кварк из одного протона сталкивается с кем-то из встречного протона, а остальные партоны просто пролетают мимо.
Столкнувшиеся друг с другом партоны получают сильный «удар», выбивающий их из родительских протонов. Однако глюонное поле обладает важным свойством — конфайнментом, который не позволяет кваркам улететь просто так. Вместо этого происходит адронизация — энергия удара тратится на рождение многочисленных адронов. Именно из-за адронизации протон-протонное столкновение так сильно отличается от электрон-позитронного. В этом процессе партоны-«наблюдатели» уже принимают самое активное участие.
(Подробнее про конфайнмент и процесс адронизации)
Как правило, удар по партону получается в основном продольный, а не поперечный.
В результате адроны рождаются преимущественно с большими продольными и маленькими поперечными импульсами. Из-за этого типичное протон-протонное столкновение выглядит примерно так:
Здесь схематично показан процесс множественного рождения адронов. Каждый адрон отмечен отдельной стрелкой, причем длина стрелки примерно соответствует импульсу адрона. В результате адроны разлетаются не изотропно во все стороны, как как бы прижаты к оси столкновения.
Изредка происходит особенно жесткий процесс, при котором столкнувшиеся партоны получают сильный поперечный удар. Эти партоны вылетают с большим поперечным импульсом, и последствия адронизации в этом случае выглядят так:
Рожденные адроны группируются как вдоль оси столкновения, так и вокруг направления вылета жесткого партона. Поток адронов, вылетающих примерно в одинаковом направлении, называется адронной струей.
Кроме жесткого рассеяния двух партонов, существуют и другие механизмы рождения струй. Так, в столкновении двух партонов лоб в лоб может родиться очень тяжелая частица (например, Z-бозон), которая затем распадается на два кварка, а они уже порождают струи.
Собственно, изучение событий со струями — это и есть один из методов поиска тяжелых нестабильных частиц. Наблюдаются также и многоструйные события.
Кинематика протон-протонных столкновений
Поскольку партонов внутри протона много, каждый партон несет лишь небольшую долю всей энергии протона. Из-за этого полная энергия столкновения двух партонов получается заметно меньше, чем номинальная энергия протон-протонного столкновения. Например, когда на LHC два протона сталкиваются с энергией 7+7 ТэВ, происходят процессы столкновения партонов, скажем, с энергиями 1+2 ТэВ, или 0,5+0,3 ТэВ, или 0,2+0,05 ТэВ и т. д.
Все эти столкновения происходят с некоторой частотой, причем чем меньше энергия, чем чаще они происходят. Именно поэтому увеличение энергии протонов приводит к резкому увеличению сечения многих интересных процессов столкновения. Например, на протон-антипротонном коллайдере Тэватрон тоже происходят столкновения двух партонов с энергией 0,5+0,3 ТэВ, но на LHC они будут происходит на порядки чаще.
Из-за того, что распределение частиц не изотропно, а прижато к осям, кинематику частиц на адронных коллайдерах удобно описывать с помощью переменных «быстрота–угол». В таких переменных удобно выделяются разные типы процессов, происходящих в протонных столкновениях.
(Подробнее про диаграмму быстрота-угол и ее использование для анализа событий)
Трудности изучения протон-протонных столкновений
В изучении протон-протонных столкновений есть две главные трудности: одна экспериментальная и одна теоретическая.
- В каждом столкновении рождается слишком много частиц. Некоторые из них при этом вообще не попадают в детектор, а «улетают в трубу», так что разобраться в этой мешанине очень трудно.
- Теоретики умеют хорошо рассчитывать процессы с отдельными кварками или глюонами, но описать адронизацию из первых принципов пока не удается. Адронизацию приходится учитывать с помощью численного моделирования, и поэтому связь между теорией и экспериментом не столь непосредственна, как, например, в электрон-позитронных столкновениях.
Однако есть несколько приемов, позволяющих в этой ситуации всё же узнать немало нового.
Во-первых, не все рожденные частицы одинаково «интересны». Самую важную информацию несут частицы с большим поперечным импульсом, то есть струи. Углы вылета и энергия струй «помнят» то жесткое столкновение между кварками или глюонами, которое их породило. Изучая свойства струй, экспериментаторы могут нащупать более тесную связь с теорией.
Во-вторых, иногда помимо адронов рождаются и другие частицы с большой энергией — электроны, мюоны, фотоны. Эти частицы не участвуют в сильном взаимодействии, поэтому адронизации им не мешает. Отбирая события с такими частицами, можно изучать гораздо более редкие процессы, чем в исключительно адронных событиях.
(Подробнее про разнообразные методы анализа событий в адронных коллайдерах)
Не потеряли ли на Большом адронном коллайдере свидетельства наличия новой физики? / Хабр
Детектор частиц ATLAS на БАК в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве, Швейцария.
БАК, построенный внутри подземного туннеля окружностью в 27 км, является крупнейшим и мощнейшим ускорителем частиц и крупнейшей машиной в мире. Но он способен записывать лишь малую долю собираемых им данных.
В Большом адронном коллайдере протоны одновременно кружатся по часовой и против часовой стрелки, и сталкиваются друг с другом, двигаясь при этом со скоростью, составляющей 99,9999991% от скорости света. В двух точках, где по схеме должно происходить наибольшее количество столкновений, построены огромные детекторы частиц: CMS и ATLAS. После миллиардов и миллиардов столкновений, произошедших на таких огромных энергиях, БАК позволил нам продвинуться дальше в нашей охоте за фундаментальной природой Вселенной и пониманием элементарных строительных блоков материи.
В сентябре прошлого года БАК отметил 10 лет своей работы, открыв бозон Хиггса, что стало его главным достижением. Но, несмотря на эти успехи, на нём не было обнаружено никаких новых частиц, взаимодействий, распадов или новой фундаментальной физики.
А что хуже всего – большая часть данных, полученных с БАК, навсегда теряется.
Коллаборация CMS, чей детектор перед финальной сборкой можно видеть на фото, выпустила наиболее полные результаты своей работы. В них нет никаких признаков физики, выходящей за пределы Стандартной модели.
Это одна из самых непонятных загадок в физике высоких энергий, по крайней мере, для простых людей. БАК не просто утерял большую часть данных: он потерял невероятные 99,997% из них. Именно так: из каждого миллиона столкновений, происходящих на БАК, остаются записи, касающиеся только порядка 30.
Это происходит по необходимости, из-за ограничений, налагаемых законами природы, а также способностями современных технологий. Но этому решению сопутствует ощущение страха, усиливающееся из-за того факта, что кроме ожидаемого бозона Хиггса ничего более открыто не было. Страх состоит в том, что существует новая физика, ждущая, что её откроют, но мы пропустили её, выбросив все нужные данные.
Событие-кандидат на четыре мюона в детекторе ATLAS. Следы мюонов и антимюонов показаны красным, а долгоживущие мюоны проделывают более длинный путь, чем любые другие нестабильные частицы. Это интересное событие, но на каждое записанное событие приходится миллион отброшенных.
Но у нас не было выбора. Что-то всё равно пришлось бы отбрасывать. БАК работает, ускоряя протоны до скорости, близкой к световой, запуская их в противоположных направлениях и сталкивая их друг с другом. Так у ускорителей частиц получалось лучше всего работать уже несколько поколений. Согласно Эйнштейну, энергия частицы является комбинацией её массы покоя (которую вы, возможно, узнаете, как E = mc2), и энергии движения, также известной, как кинетическая. Чем быстрее вы двигаетесь – или, точнее, чем сильнее вы приближаетесь к скорости света – тем большую энергию частицы вы можете получить.
На БАК мы сталкиваем протоны на скоростях 299 792 455 м/с, всего 3 м/с не дотягивая до скорости света.
Сталкивая их на таких высоких скоростях, когда они двигаются в противоположную сторону, мы делаем возможным существование частиц, которые не могли бы появиться в иных условиях.
Внутренности БАК, где протоны летят на скоростях 299 792 455 м/с, всего 3 м/с не дотягивая до скорости света.
Причина в следующем: все частицы (и античастицы) создаваемые нами, обладают определённым количеством присущей им энергии в виде массы покоя. При столкновении двух частиц часть этой энергии должна перейти к отдельным компонентам этих частиц, в их энергию покоя и в кинетическую энергию (т.е. энергию движения).
Но если энергии будет достаточно, часть её может пойти на производство новых частиц! Вот тут уравнение E = mc2 становится интереснее: дело не только в том, что всем частицам массы m присуща энергия E, но и в том, что при достаточном количестве доступной нам энергии мы можем создать новые частицы. На БАК человечество достигло больших энергий в столкновениях, породивших новые частицы, чем любая другая лаборатория в истории.
Физики искали на БАК признаки огромного количества вариантов потенциально новой физики, от дополнительных измерений и тёмной материи до суперсимметричных частиц и микроскопических чёрных дыр. Но несмотря на все данные, собранные в этих столкновениях на высоких энергиях, свидетельств этих сценариев так и не нашли.
На каждую частицу приходится примерно 7 ТэВ энергии, то есть каждый протон получает кинетическую энергию, в 7000 раз превышающую свою энергию покоя. Однако столкновения происходят редко, а протоны не просто крохотные – они по большей части пустые. Для увеличения вероятности столкновения нужно брать больше, чем один протон за раз; протоны впрыскиваются группами.
Это означает, что на полной мощности внутри БАК во время его работы по часовой и против часовой стрелки носится множество небольших групп протонов. Длина туннелей БАК составляет примерно 26 км, и каждую группу протонов разделяет всего 7,5 м. Эти протонные лучи сжимаются перед взаимодействием в центральной точке каждого детектора.
И каждые 25 наносекунд появляется шанс на столкновение.
Детектор CMS в ЦЕРН – один из двух наиболее мощных детекторов из когда-либо созданных. В среднем каждые 25 наносекунд в его центре сталкиваются новые группы частиц.
Так что же делать? Рассчитывать на небольшое количество столкновений и записывать каждое из них? Это будет огромной тратой энергии и потенциальных данных.
Вместо этого мы накачиваем достаточно много протонов в каждую группу, и каждый раз при столкновении лучей мы получаем хорошие шансы на столкновение частиц. И каждый раз при таком столкновении частицы рвутся во все стороны внутри детектора, запуская сложную электронику и схемы, позволяющую нам воссоздать, что было создано, когда и в каком месте детектора. Это похоже на гигантский взрыв, и только измерив все кусочки шрапнели, вылетевшие из него, мы можем воссоздать произошедшее (и те новые вещи, что мы создали) в момент вспышки.
Событие с бозоном Хиггса в CMS на БАК. Энергия этого эффектного столкновения на 15 порядков меньше планковской, но именно точные измерения детектора позволяют нам воссоздать, что произошло в точке столкновения.
Однако, здесь возникает проблема сбора и записи всех данных. Детекторы крупные сами по себе: CMS размером 22 м, а ATLAS – 46 м. В любой момент внутри CMS возникают частицы, происходящие из трёх разных столкновений, а в ATLAS – из шести. Чтобы записать данные, необходимо сделать два шага:
- Данные нужно перенести в память детектора, ограниченную скоростью электроники. Хотя электрические сигналы перемещаются почти со скоростью света, мы можем «запомнить» только примерно одно из пятисот столкновений.
- Данные в памяти нужно записать на диск (или другой постоянный носитель), а это происходит гораздо медленнее, чем запись данных в память. Приходится решать, что хранить, а что выбросить.
Схематическая диаграмма того, как в систему поступают данные, запускают датчики, проходят анализ и отправляются на постоянное хранение. Это диаграмма для ATLAS, она немного отличается от диаграммы для CMS.
Мы используем некоторые трюки для того, чтобы гарантировать выбор событий с умом.
Мы сразу же изучаем многие факторы столкновений, чтобы определить, стоит ли изучить их тщательнее или нет: это то, что мы называем триггером. Проходя триггер, мы попадаем на следующий уровень. (Также сохраняется малая толика данных, не прошедших триггер, просто на случай появления интересного сигнала, для которого мы не подумали сделать триггер). Затем применяется второй слой фильтров и триггеров; если событие оказывается достаточно интересным для его сохранения, оно поступает в буфер, чтобы гарантировать его запись на носитель. Мы можем гарантировать, что любое отмеченное «интересным» событие сохраняется, вместе с небольшой долей неинтересных событий.
Поскольку оба этих шага необходимы, мы можем сохранить лишь 0,003% для дальнейшего анализа.
Кандидат на бозон Хиггса в детекторе ATLAS. Даже с явными признаками и идущими поперечно треками, видно наличие огромного количества других частиц; всё оттого, что протоны – частицы составные. Это так работает только потому, что Хиггс придаёт массу фундаментальным составляющим этих частиц.
Откуда нам знать, что мы сохраняем нужные части информации? Те, в которых с наибольшей вероятностью записано создание новых частиц, видно важность новых взаимодействий, наблюдается новая физика?
При столкновении протонов по большей части рождаются нормальные частицы – в том смысле, что они состоят почти полностью из верхних и нижних кварков. (Это такие частицы, как протоны, нейтроны и пионы). Большая часть столкновений проходит вскользь, то есть, большая часть частиц столкнётся с детектором по или против направления движения.
Ускорители частиц на Земле, такие, как БАК в ЦЕРН, могут разгонять их до скорости, очень близкой к световой, но всё же, не достигающей её. Протоны – составные частицы, и из-за движения со скоростью, близкой к световой, после столкновений рассеивание новых частиц идёт по или против направления движения, а не поперёк.
Поэтому на первом шаге мы пытаемся изучать следы частиц относительно высоких энергий, идущие в поперечном направлении, а не вперёд или назад по ходу движения лучей.
Мы пытаемся записать в память детектора события, у которых, по нашему мнению, есть наибольшее количество свободной энергии E для создания новых частиц наивысшей возможной массы m. Затем мы быстро сканируем то, что попало в память детектора, чтобы узнать, стоит ли записывать эти данные на диск. Если да, эти данные можно ставить в очередь на постоянное хранение.
В итоге каждую секунду можно сохранить по 1000 событий. Это число может показаться большим – но учтите, что каждую секунду сталкивается порядка 40 000 000 групп протонов.
Следы частиц, появляющиеся благодаря столкновениям с высокими энергиями – снимок с БАК 2014 года. Только одно из 30 000 подобных столкновений записано и сохранено, большая часть потеряна.
Мы думаем, что поступаем умно, выбирая и сохраняя именно то, что сохраняем, но мы не можем быть уверенными на 100%. В 2010 году дата-центр ЦЕРН достиг невероятной вехи: 10 петабайт данных. К концу 2013 года он содержал уже 100 петабайт, в 2017 была пройдена отметка в 200 петабайт.
Но при всех этих объёмах мы знаем, что выбросили – или не смогли записать — в 30 000 раз больше данных. Мы могли бы собрать сотни петабайт, но мы отказались и потеряли навсегда многие зеттабайты данных: это больше данных, чем весь интернет создаёт за год.
Общее количество данных, собранное на БАК, серьёзно опережает всё количество данных, отправленных и полученных через интернет за последние 10 лет. Но только 0,003% этих данных было записано и сохранено; всё остальное навсегда потеряно.
В высшей степени вероятно, что БАК создал новые частицы, увидел свидетельства новых взаимодействий, наблюдал и записал все признаки новой физики. Также из-за нашей неосведомлённости о предмете поисков, возможно, что мы всё это выкинули, и продолжаем так поступать. Кошмар об отсутствии физики за пределами Стандартной модели становится реальностью. Однако реальный кошмар состоит во вполне правдоподобной возможности того, что новая физика существует, мы построили идеальную машину для её поисков, нашли её, но так и не осознали этого, из-за принятых нами решений и предположений.
Реальный кошмар состоит в том, что мы обманываем себя, веря в Стандартную модель, только потому, что изучили 0,003% от имеющихся данных. Мы думаем, что приняли умное решение, сохраняя выбранные данные, но не можем быть уверены в этом. Возможно, что мы сами, не зная того, навлекли на себя этот кошмар.
Больше статей на научно-популярную тему вы сможете найти на сайте Golovanov.net. Читайте также: в чём состоит смысл жизни; почему не сработал план по искоренению мусора в Сан-Франциско; где обнаружились остатки нормальной материи во Вселенной, которые давно не могли найти; есть ли пространство и время; как ещё мы можем искать жизнь на других планетах; и серию статей по космологии “Спросите Итана”.
Напоминаю, что проект существует только благодаря поддержке читателей (банковские карты, яндекс.деньги, вебмани, биткоины, да хоть как). Спасибо всем, кто уже оказал поддержку!
Теперь поддержать проект можно и через сервис автоматической подписки Patreon!
Первый пучок протонов пройдет по кольцу Большого адронного коллайдера
МОСКВА, 10 сен – РИА Новости, Илья Ферапонтов.
Физики в среду попытаются впервые провести пучок протонов по всему 27-километровому кольцу Большого адронного коллайдера – самого мощного в мире ускорителя элементарных частиц, постройка которого обошлась более чем в 5 миллиардов долларов.
Тест на минимальной мощности и без столкновений частиц будет проведен для окончательной проверки работоспособности систем коллайдера, с помощью которого ученые рассчитывают узнать, как устроена материя, однако многие называют это событие “запуском” БАКа и ждут “конца света”.
Задолго до запуска проект стал вызывать невиданный ажиотаж в обществе и в СМИ, опираясь на некоторые экзотические теории, согласно которым в при столкновении частиц в коллайдере будут образовываться “черные дыры”. Запуск БАКа пытались запретить через суд, в конце августа Европейский суд по правам человека в Страсбурге отклонил такой иск.
Физики ЦЕРНа подготовили два подробных доклада о безопасности ускорителя, показывая, что в природе происходят столкновения на значительно более высоких, чем в коллайдере энергиях, и природа “поставила” уже миллиарды подобных экспериментов, однако конца света не произошло.
Однако в среду не будет даже и столкновений частиц, а сами протоны не будут разгоняться – они пройдут по кольцу с энергией инжекции – энергией предыдущей “ступени” ускорительного комплекса.
Официальное открытие коллайдера состоится 21 октября.
“Ничего особенного завтра там не произойдет, будет тестовый пучок, который пройдет по кругу, будет ясно, что все правильно работает. Машина колоссальная, много элементов, все должно работать слаженно”, – сказал РИА Новости во вторник член-корреспондент РАН, член рабочей группы по безопасности БАК Игорь Ткачев.
Заместитель директора Института физики высоких энергий Александр Зайцев, координатор российского участия в одном из экспериментов БАК, сказал на пресс-конференции в РИА Новости в понедельник, что запуск коллайдера “большой и длительный процесс”.
“Руководитель работ по Большому адронному коллайдеру Лин Эванс как-то сказал, что мы в нашем проекте не предусмотрели “красной кнопки”, которую можно нажать и запустить этот коллайдер”, – отметил Зайцев.
По его словам, процедура вывода ускорителя на номинальные параметры может занять длительное время, другие коллайдеры достигали своих базовых характеристик за два-три года.
Ткачев пояснил, что за секунду протоны проходят кольцо коллайдера около десяти тысяч раз. “Надо тестировать все приборы, что все правильно работает, что пучок управляем. Может быть, на тестирование уйдет весь день. Если что-то не в порядке, надо будет все поправлять, все фокусировать”, – сказал ученый.
В случае, если пучок будет “сбиваться с дороги” из-за каких-то неполадок, он может повредить удерживающие его магниты, что может привести к многомесячному ремонту.
Поэтому, по словам Ткачева, “поведение” пучка будет отслеживаться в режиме реального времени. “Если будут какие-то признаки, что пучок выходит из-под контроля, чтобы ускоритель сам не испортить, есть такая система безопасности. Через два оборота, ну это микросекунды, через два оборота пучка он будет выводиться в специальный туннель такой, и выстреливаться в блоки, сделанные из углерода”, – сказал физик.
В конце августа подобные тесты уже проводились – при проверке системы инжекции пучки протонов были пропущены по одному из восьми секторов коллайдера. В среду пучок впервые пройдет по всему кольцу – это открывает дорогу к началу экспериментов.
Путь протонов
Большой адронный коллайдер (от английского сollide – “сталкиваться”), созданный Европейской организацией ядерных исследований (ЦЕРН) при участии нескольких тысяч ученых из 85 стран, будет разгонять протоны, частицы, из которых состоят ядра атомов, принадлежащие к классу адронов, до энергии 7 тераэлектронвольт – в семь раз больше, чем самый мощный существующий коллайдер Тэватрон, находящийся в Брукхейвенской национальной лаборатории США.
Разогнанные практически до скорости света частицы будут сталкиваться “лоб в лоб” в четырех точках кольца ускорителя с суммарной энергией 14 тераэлектронвольт. Установленные в “местах встречи” детекторы будут фиксировать результаты столкновений – частицы и излучение, изучая которые физики смогут открыть тайны материи.
Идея создания коллайдера впервые возникла еще в 1984 году, а строительство началось в 2001 году. Кольцо БАКа находится в 27-километровом подземном тоннеле другого ускорителя – завершившего работу электрон-позитронного коллайдера LEP. Тоннель проложен на глубине около 100 метров на границе Швейцарии и Франции.
До того, как попасть в БАК, протоны пройдут целую цепочку ускорителей, некоторым из которых больше полувека. Из линейного ускорителя Linac2 разогнанные до 50 мегаэлектронвольт частицы попадают в PS Booster, который ускоряет их до энергии 1,4 гигаэлектронвольт и отправляет в протонный синхротрон PS с энергией 28 гигаэлектронвольт, запущенный еще в 1959 году.
Предпоследняя ступень – протонный суперсинхротрон SPS, созданный в 1976 году, который разгоняет частицы до 450 гигаэлектронвольт, после чего частицы попадают в кольцо БАКа, где они будут разгоняться до энергии 7 тераэлектронвольт, когда коллайдер выйдет на полную мощность, что произойдет, как ожидается, весной 2009 года.
В среду пучок протонов пройдет по кольцу с энергией SPS – 450 гигаэлектронвольт.
Внутри тоннеля БАКа находятся два канала для пучков протонов, окруженные магнитами (всего их 9,6 тысячи), которые фокусируют и поворачивают пучок, удерживая его в центре. Для того, чтобы удержать разогнанные до высоких скоростей протоны необходимо очень мощное магнитное поле – тем мощнее, чем “круче” нужно повернуть частицы. Именно это приводит к необходимости строить гигантские кольца.
Для создания большой электрической мощности необходима сверхпроводимость, с помощью “теплых” магнитов, такое мощное магнитное поле создать не получится. Поэтому все секторы кольца были охлаждены с помощью жидкого гелия до температуры лишь на полтора градуса выше абсолютного ноля.
Места встречи
После того, как коллайдер будет проверен и начнет штатную работу, в четырех точках его кольца пучки протонов будут сталкиваться, порождая множество частиц и излучение, которое будет фиксироваться с помощью детекторов.
Два из них – ATLAS и CMS – являются детекторами “общего назначения”, а два других – ALICE и LHCb – специализированными.
Детектор ATLAS является самым большим в истории такого рода устройством. Именно он в паре с CMS поможет ученым обнаружить следы бозона Хиггса – частицы, которая в рамках существующих теорий объясняет наличие массы у элементарных частиц. Поиск этой частицы считается одной из главный задач всего проекта.
Как пояснил в интервью РИА Новости координатор участия российских ученых в проекте БАКа Виктор Саврин, после появления в процессе столкновения протонов бозон Хиггса будет распадаться на другие частицы, в частности, он может распадаться на два гамма-кванта, сказал физик.
Детектор ALICE предназначен для фиксации результатов другого эксперимента – столкновений ядер атомов свинца, разогнанных на коллайдере. Эти столкновения, как рассчитывают ученые, помогут им узнать больше о так называемой кварк-глюонной плазме – состоянии вещества в первые мгновения после Большого взрыва.
LHCb необходим для изучения асимметрии между материи и антиматерии, путем исследования взаимодействий частиц, содержащих так называемые b-кварки. Благодаря этому эксперименту ученые надеются приблизиться к ответу на вопрос “почему в наблюдаемой Вселенной нет антиматерии”.
“Черные дыры”, “странное вещество” и машина времени
В связи с будущим началом работы ускорителя звучит множество катастрофических предсказаний. В частности, говорится о том, что в коллайдера якобы образуется черная дыра, которая поглотит Землю, появятся капли “странного вещества”, и даже возникнут “кротовые норы” в другие измерения.
В конце августа Европейский суд по правам человека в Страсбурге отклонил жалобу группы ученых и частных лиц, которые требовали запретить запуск БАКа. Истцы, самым известным из которых является немецкий ученый, специалист по теории хаоса Отто Росслер, утверждали, что эксперименты могут привести к возникновению черных дыр и привести к “концу света”.
Однако ученые заверяют, что эксперимент безопасен.
Проводились исследования, которые показывают, что частицы космических лучей имеют энергии, значительно превосходящие энергию коллайдера – природа постоянно “ставит” эксперименты, подобные экспериментам на LHC, но это не привело к катастрофе.
“В природе постоянно происходит столкновение частиц с такими же или с еще более высокими энергиями. И, например, в данный момент прямо у нас над головой каждую секунду происходит столкновение частиц с еще более высокими энергиями”, – сказал Игорь Ткачев.
Черные дыры, которые, согласно некоторым теориям, якобы могут появиться при работе коллайдера, согласно тем же теориям, будут иметь время жизни столь малое, что просто не успеют начать поглощать материю, заверяют специалисты.
NICA — машина времени во Вселенной
На портале «Научная Россия» опубликовано большое интервью «NICA — машина времени во Вселенной» с доктором физико-математических наук, первым вице-директором Объединенного института ядерных исследований, академиком Российской академии наук Григорием Владимировичем Трубниковым (избранным директором ОИЯИ).
Знаменитый Большой адронный коллайдер, построенный в ЦЕРНе близ Женевы — самая крупная экспериментальная установка в мире. Благодаря ей был открыт бозон Хиггса, изучены свойства топ-кварков, адронов и других частиц, поставлено несколько оригинальных экспериментов, посвященных физике космических лучей. Исследования и анализ данных продолжаются и сегодня.
Но есть задачи, которые даже такой технологичной машине не по плечу. Их возьмет на себя «сестра» Большого адронного коллайдера NICA — сложнейший ускорительный комплекс, названный в честь древнегреческой богини победы Ники, сооружаемый на территории Объединенного института ядерных исследований в Дубне. Ученые надеются, что ускорительный комплекс NICA позволит экспериментально восстановить то, что было сразу после Большого Взрыва, «прокрутить пленку назад» и воссоздать условия, когда загадочные кварки и глюоны свободно плавали в бурлящем первобытном «супе». Возможно ли это — воссоздать в лабораториях условия ранней Вселенной? Вице-директор Объединенного института ядерных исследований, доктор физико-математических наук, академик РАН Григорий Трубников уверен, это под силу «машине времени» по имени NICA.
Фото © Научная Россия
— Комплекс NICA — это множество уникальных частей, объединенных вместе. В какой из них мы сейчас находимся?
— Мы с вами находимся в туннеле бустера ускорительного комплекса NICA. NICA — это уникальный проект, реализуемый в Дубне на протяжении нескольких лет. Более 20 стран участвует в этом проекте. Комплекс построен по схеме классического коллайдера: несколько каскадов подготовки и ускорения пучка.
В туннеле бустера комплекса NICA. Научная Россия / Николай Малахин
Элементы внутри бустера. Научная Россия / Николай Малахин
Все начинается с источника частиц — инжекционного комплекса. Он состоит из двух независимых частей: инжектора легких ионов и инжектора тяжелых ионов. Первый существует с момента запуска синхрофазотрона. Его удалось модернизировать благодаря слаженной работе многих российских институтов — Института ядерных исследований РАН, ВНИИТФ Росатома, ИТЭВ НИЦ КИ и, конечно, Объединенного института ядерных исследований.
Второй инжекционный комплекс — новый. Он создан в содружестве с немецкой компанией BEVATECH и Центром по изучению тяжелых ионов имени Гельмгольца (GSI) — лидирующими центрами в этой области. Специалисты мегапроекта NICA с нетерпением ждут, когда комплекс заработает, а бустер сможет принять тяжелые ионы.
Вольфрамовая проволочка, покрытая тонким слоем золота, подогревается до тысячи градусов Цельсия. Золото начинает испаряться с поверхности вольфрама. И дальше это ионизированное облако ядер золота с помощью разницы потенциалов подхватывается в режим ускорения из источника в первую ускоряющую секцию линейного ускорителя.
Их энергия резко возрастает до нескольких миллионов электронвольт. Это скорость частиц, равная чуть меньше одной десятой от скорости света.
Затем ядра попадают в бустер. Английское слово booster означает быстрый разгон или быстрый ускоритель. В бустере облако ионов золота разгоняется уже до чуть больше половины скорости света, превращаясь в плотный сгусток, состоящий из нескольких миллиардов ядер. При этом его размер очень мал: длина — несколько десятков сантиметров, толщина — несколько миллиметров.Вылетая из бустера, сгусток попадает на фольгу, где ядра буквально обдираются. Это значит, что на оболочках ядер почти все электроны пропадают. Далее эти (как мы говорим) полностью ободранные или голые ядра направляются в сверхпроводящий ускоритель, который называется Нуклотрон. Это следующее кольцо, или, как мы его называем, «второй каскад коллайдера NICA». Здесь ядра разгоняются до скоростей, очень близких скорости света — несколько миллиардов электронвольт. Это еще больше сжимает ядерный сгусток. После чего он попадает в кольцо коллайдера.
В туннеле бустера ускорительного комплекса NICA. Научная Россия / Николай Малахин
Коллайдер — гораздо более грандиозное сооружение. Если длина окружности бустера — 200 метров, то периметр коллайдера — 503 метра. Бустер напоминает кольцо, а коллайдер похож на беговую дорожку стадиона из двух арок и двух прямолинейных секций. Кстати, форма коллайдера так и называется racetrack, то есть буквально с английского «беговая дорожка».
В 2016 году мы презентовали проект коллайдера правительствам стран-участниц. Тогда Россия готовилась к Чемпионату мира по футболу 2018 года, и во многих городах шла активная стройка стадионов. А мы начинали строительство собственного «научного стадиона» для исследования ранней Вселенной. На нашей «беговой дорожке» ученые будут разгонять ядра золота и других тяжелых ионов, которые состоят из как можно большего числа ядерных кирпичиков: нуклонов.
Нуклоны — это протоны и нейтроны. Тяжелое ядро (например, уран, или золото) — это массивный объект, состоящий из пары сотен протонов и нейтронов. Только представьте, сгусток из миллиардов таких нуклонов разгоняется почти до скорости света. Специалисты управляют всем этим «железом», инструментарием таким образом, что два сгустка сталкиваются и образуют в лабораторных условиях здесь, на Земле, близкие температуры и плотности ядерного вещества, которые сейчас существуют в нейтронных звездах, а когда-то были в той самой юной Вселенной. Это безумно интересно.
— С чего все началось? Расскажите об истории проекта.
— Все началось 13,7 миллиарда лет назад, когда родилась наша Вселенная. По современным представлениям мы знаем, что в очень малой точке пространства, которое представляло собой равномерное поле однородной плотности — вдруг возникла очень сильная флуктуация, то есть неоднородность поля. Предполагается, что размер этой точки пространства — 10-33 см или одна миллиардная, от одной миллиардной, от одной миллиардной и еще от одной миллионной. Именно здесь возникла неоднородность, которую физики называют «флуктуацией плотности», а астрофизики — «сингулярностью».
В точке сингулярности образовалось вещество громадной плотности, примерно 1094 г/см3. Для сравнения — плотность одного из самых тяжелых металлов — золота: всего около 20 г/см3. То есть это просто бесконечно мало и несравнимо с тем, что было в той точке сингулярности возникновения Вселенной (или как принято сейчас говорить: в точке Большого Взрыва) .
Сгусток материи размером 10-33 см и весом в десятки миллиардов галактик буквально разлетелся, распространяя во все стороны материю и антиматерию: частицы и переносчики полей, которые нам известны и активно исследуются на современных установках в различных национальных лабораториях, в Соединенных Штатах Америки, в ЦЕРНе, в Японии, в Китае, и конечно, в России. Речь идет в том числе о кварках, электронах и гамма-квантах, нейтрино и др. Считается, что именно кварки — мельчайшие кирпичики нашей материи. Причины до конца не ясны, но кварки объединились ни в пятерки и ни в десятки, а в двойки и в тройки. Те, которые сгруппировались в тройки, образовали протоны и нейтроны. После этого начали образовываться ядра. Сначала легкие — гелий, водород, литий — затем более тяжелые ядра.
Момент, когда кварки объединились в тройки и образовались протоны и нейтроны, случился примерно через 10 микросекунд после Большого взрыва. Образовалось ядерное вещество, из которого состоим, в том числе мы с вами. Кварки кластеризовались, получились протоны и нейтроны, одновременно антикварки образовали антипротоны и антинейтроны. Но ядерного вещества образовалось почему-то больше. Произошло некое нарушение симметрии. Причины этого тоже до сих пор изучаются и существует несколько теорий. Человечество ищет ответ на этот один из самых сложных вопросов.
На протяжении более чем 13 миллиардов лет тяжелые ядра группировались, кластеризовались, образуя элементы и затем сгустки материи. Образовались различные космические объекты: звезды, планеты, галактики и пр.
В XIX веке, примерно 200 лет назад, физики уже изучали явление перехода из одного агрегатного состояния в другое, назвав его фазовым переходом. Всем известно, что вода имеет три агрегатных состояния. Лед — это твердое агрегатное состояние. При температуре чуть выше нуля и нормальном давлении лед плавится, образуется жидкость. Если продолжить нагревать воду до ста градусов, вода начинает испаряться, то есть происходит фазовый переход из одного агрегатного состояния в другое.
Фотографии © Научная Россия
Любое вещество на Земле — металлы, вода, газы, все, что нас окружает, может быть в разных агрегатных состояниях и при определенных условиях претерпевают такие фазовые переходы. Более того, для большинства видов материи существуют, так называемые, критические точки — сочетание значений температуры и давления, при которых для вещества пропадает различие в свойствах агрегатных фаз.
Впервые сверхкритическое состояние вещества обнаружил Каньяр де ла Тур в 1822 году. В двух опубликованных де ла Туром статьях в Annales de Chimie et de Physique описаны его эксперименты по нагреванию спиртов в запаянных стеклянных трубках под давлением. Он наблюдал, как по мере нагревания объем жидкости увеличивался в два раза, а затем она вообще исчезала, превращаясь в некое подобие газа и становясь прозрачной, так что казалось, что трубка пуста. При охлаждении наблюдалось образование плотных непрозрачных облаков (явление, которое сейчас принято называть критической опалесценцией). В последующих работах де ла Тур сообщает о серии схожих опытов с различными веществами. Он экспериментировал с водой, спиртом, эфиром и дисульфидом углерода.
В начале XX века физик Эрнест Резерфорд и его европейские коллеги обнаружили, что материя состоит из атомов, а сам атом состоит из ядра и электронов, вращающихся вокруг него. Уже спустя 20 лет начались масштабные исследования ядерной материи. Ученые задались вопросом — а можно ли ядерное вещество получить в другом фазовом агрегатном состоянии? То есть попытались проделать то же, что делали с водой их предшественники 100 лет назад. Впоследствии теоретики оценили, что при высокой температуре и плотности ядерного вещества оно может пройти через фазовый переход, но как бы в обратную сторону. То есть ядра могут испытать «разложение» на составляющие (которые, впоследствии были обнаружены, изучены и получили названия кварки и глюоны) и образовать эдакую кашу — кварк-глюонную материю.
Вообще говоря, это и есть самый интересный процесс, ради которого, развивается релятивистская ядерная физика последних 30 лет: получить «освобожденные» кварки и исследовать, понять механизмы, за счет которых они будут объединяться.
— Когда впервые возникла идея проанализировать кварк-глюонную плазму?
— В 80-х годах ХХ века астрофизики впервые обнаружили с помощью телескопов нейтронные звезды. По сути, нейтронные звезды состоят из кварк-глюонной материи. Почему ученые так решили? Нейтронная звезда в современном понимании и экспериментальном наблюдении — это очень компактный и плотный объект с массой порядка 1-2 масс Солнца и радиусом 15-20 км. Плотность ядерного вещества в центре нейтронной звезды просто гигантская, сравнимая с той, что была на ранних этапах возникновения нашей Вселенной. Кроме того, такой объект излучает огромное количество энергии. Кто приручит нейтронную звезду здесь, на Земле в лаборатории — тот получит доступ к технологиям, которые могут дать новые источники энергии. Но для этого необходимо создать в лаборатории условия с высокой температурой и плотностью ядерного вещества.
Экспериментальное подтверждение существования нейтронных звезд стало подсказкой для физиков: нужно пробовать в лабораторных условиях на очень короткое время в очень маленьком объеме пространства (речь идет о фемтосекундах и пикометрах) получить кварк-глюонную материю и посмотреть, какие процессы она будет претерпевать при фазовых переходах обратно в ядерную (нуклонную) материю.
Фото © Научная Россия
И первый такой эксперимент был предложен примерно в конце 80-х годов прошлого века. Уже в 90-е годы в США, в национальной Брукхейвенской лаборатории, недалеко от Нью-Йорка, началось строительство огромного коллайдера периметром 4 км, на котором в начале 2000-х годов начали сталкивать ядра золота. Столкнули, но ничего не увидели. Ученые «промахнулись» по скорости. Частицы настолько быстро разогнали, что при столкновении они слишком быстро пролетали друг сквозь друга, не успевая, как мы говорим, «пожениться», то есть не успевая провзаимодействовать.
Теоретики стали рассчитывать оптимальную энергию частиц (скорость и температуру). И здесь большой вклад внесли дубненские физики. В середине 2000-х годов году наши теоретики (А. Н. Сисакян, Г. М. Зиновьев, В. Д. Тонеев) вместе со своими коллегами из государств-членов Объединенного института ядерных исследований предсказали диапазон энергий и скоростей, в котором можно ожидать наблюдения кварк-глюонной материи. На протяжении последующих нескольких лет Дубна всему миру доказывала, что именно этот диапазон энергии — наиболее подходящий для подобного эксперимента.
Представители стран-участниц института, наши партнеры в ЦЕРНе, в Европе, американские коллеги, наше профильное министерство организовали серьезную экспертную группу, которая в течение двух лет оценивала возможность постановки такого эксперимента. Заметим, что в Дубне был наработан уникальный опыт, который позволял эту идею воплотить, еще со времен академиков В.И. Векслера и А.М. Балдина. Есть передовые технологии, фантастическая научная школа ядерной физики, выдающаяся школа физиков-теоретиков, уникальные технологии сверхпроводимости и создания детекторов, инженеров и математиков. Поэтому было принято решение о строительстве в Дубне коллайдера под заданный диапазон энергий и плотности ядерного вещества (ядра золота), предсказанные 15 лет назад.
— У проекта есть конкуренты?
— С 2016-го года в мире фактически организована гонка между четырьмя проектами. Брукхейвенская национальная лаборатория снижает диапазон скорости, но подобные изменения в конструкции их ускорительного комплекса не происходят быстро — это не проще, чем построить новую установку. В ЦЕРНе тоже проводят аналогичную серию экспериментов, но не в режиме столкновения пучков. В их постановке пучок выводится из ускорителя на мишень, и он с огромной скоростью бьет в нее. Третий международный проект «FAIR» реализуют наши партнеры в Германии, в городе Дармштадт. И, конечно, наша NICA, которая очень хочет добиться первенства. Я надеюсь, что так и будет.
— Серьезные соперники.
— Да, конечно, и это хорошо и правильно. Ведь достигнутый кем-то результат должны потом и другие подтвердить. Либо друг за другом, либо одновременно. Это напоминает соперничество в спорте. Эдакая олимпиада среди самых сильных. Но выигрывают все: не только сами институты и конкретные ученые, выигрывают страны. Потому что по дороге к этому результату все тренируются, пытаются достичь наилучшей спортивной формы, наблюдают за тем, а что там у соседа, помогают друг другу, что очень важно. Как восхождение на Эверест.
Если ты взошел один, и никто этого не видел, то пойди, докажи, что ты побывал на вершине. А если несколько человек покорили гору, то это другой разговор. Гору покорили все, но кто-то один был впереди.
— Как это возможно — работать с такими мельчайшими составляющими как кварки и глюоны?
— На самом деле, почти невозможно. Они не поддаются «дрессировке» и совершенно «не приручаемые». В данном эксперименте важно найти баланс. Мы должны изучать их поведение, моделировать и прогнозировать, с одной стороны, и улучшать наши технологические возможности, с другой.
Фото © Научная Россия
Вопрос этот вы задаете не первая. Впервые он прозвучал в середине 50-х годов ХХ века и был адресован академику Андрею Михайловичу Будкеру — нашему соотечественнику и одному из основателей Академгородка, легендарному директору Института ядерной физики в Новосибирске. Андрей Михайлович первым в мире предложил схему коллайдера, построил его и столкнул частицы. И все задавали ему резонный вопрос: «Вы как вообще себе это представляете? Вот вы сталкиваете два очень маленьких пучка. Какова вероятность, что частицы одного пучка встретятся в лобовом столкновении с теми, кто им по встречке летит?»
Казалось бы, два плотно сжатых пучка летят друг к другу на больших скоростях. Конечно же, они должны столкнуться. На самом деле все совсем не так просто и очевидно. Представьте Солнечную систему: Солнце и планеты, вращающиеся вокруг него. На самом деле размер Солнца по отношению к расстоянию между ним и ближайшими планетами очень мал. Точно так же с пучками: частицы находятся относительно друг друга на огромном расстоянии. Размер пучка 10-3 метра, а размер частицы в нем 10-15 метра. Когда эти частицы летят в ускорителе расстояние между ними внутри сгустка на 5-6 порядков больше, чем их размер.
Но Будкер нашел выход. Он предложил делать пучки как можно более тонкими. А перед точкой встречи с помощью специальных электромагнитных линз сжимать их. Следовательно, вероятность столкновения, пусть и не всех частиц, увеличивается. По результатам моделирования при столкновении двух сгустков, состоящих из двух миллиардов частиц каждый, около 10 000 с высокой вероятностью столкнутся. И на самом деле, этого уже достаточно для набора статистики и экспериментального анализа. Пучки будут сталкиваться около 5000 раз в секунду — можете прикинуть, что за час можно ожидать около 36 миллионов, как мы говорим, «полезных событий». Ну а дальше дело за системой наблюдения и обработки — детектором и компьютерным кластером.
Оператор коллайдера должен контролировать около 10 тысяч параметров установки — они сгруппированы по системам и блокам оборудования (криогеника, электротехника, вакуумные системы, пучковые системы и многое другое). Всего таких систем около 50, но каждая из них выдает одновременно от нескольких десятков до нескольких сотен сигналов онлайн. Представьте летчика за штурвалом самолета — для него система контроля летательного аппарата собирает примерно 3-4 тысячи сигналов. Коллайдерный комплекс в этом смысле посложнее будет.
— С точки зрения оборудования для проекта, в чем сильна наша страна?
— Мы бы не получили одобрение международного комитета, если бы у нас, у ОИЯИ не было критического набора технологий для реализации проекта. Ключевой элемент комплекса — дубненские сверхпроводящие магниты. Каждый магнит состоит примерно из нескольких тысяч элементов — это обмотки, сигнальные кабели, контрольные и силовые, диагностика, вакуумная камера, датчики, пластины, соединения, экраны и кожухи. Конструкция магнитов доказала свою эффективность за 15-20 лет использования на других установках здесь в Дубне.
Другая критическая система для ускорителя — система охлаждения пучка. Для того, чтобы пучок сжать, одних квадрупольных линз мало. Представьте себе летящую частицу. Можно сказать, что она находится в шестимерном фазовом объеме, то есть мы оперируем, когда описываем ее движение, шестью измерениями. Три из них довольно привычны — вертикальная, горизонтальная и продольная геометрические координаты, а три других характеризуют соответствующие компоненты скорости частиц. И для того, чтобы траектории движения сжимались и пучок становился тоньше, его надо охлаждать. Передовые системы охлаждения пучков абсолютно мирового класса создаются в Новосибирске специалистами из Института ядерной физики. Именно такие системы установлены в нашем бустере и скоро будут установлены и на коллайдер. Это ключевые детали для обеспечения качества пучка и для светимости эксперимента.
Строительная площадка ускорительного комплекса NICA. Научная Россия / Николай Малахин
Многие элементы, которые вы видите перед собой, магниты, обмотки, ярмо, сердечники, вакуумные камеры и так далее — это технологии «Росатома» и «Ростеха», а также различных авиационных, конструкторских бюро, предприятий и институтов, работающих, например, в сфере конструирования и производства подводных лодок.
Часть технологий мы создаем вместе с нашими партнерами из Германии, США, учеными из ЦЕРНа. Разработка сложных приборов для установок класса мегасайенс зачастую не под силу одной стране.
Между тем, страна, которая взялась за создание такой машины, должна обладать критическим пакетом технологий, чтобы этот проект был реалистичным. У детектора, например, внутри которого два пучка сталкиваются и разлетаются на миллиарды осколков, основная задача — восстановить траектории этих осколков с точностью до 10-12 метра. Пока эти возможности нужны только на подобных установках. Но уже через 5-7 лет они будут востребованы в индустрии, которая подхватит такие технологии и будет использовать для практических нужд — например, для систем спутниковой локации, для распознавания образов, для высокоточной диагностики.
Например, когда строили Большой адронный коллайдер, требования к детектору были на 3 порядка ниже — восстанавливали траекторию с точностью до нанометра. И тогда (в конце 90-х годов) это нужно было только физикам в эксперименте. А позднее, лет через 10, с появлением технологий МРТ и КТ, в медицине и конкретно в микрохирургии появилась необходимость визуализации органов с высочайшим разрешением. И благодаря тому, что появилась технология восстановления изображения с фантастической точностью от эксперимента в ядерной физике — теперь медики могут проводить операции на капиллярах и других элементах человеческих органов, размеры которых меньше одного миллиметра.
Часто можно услышать вопрос: «Вот вы строите ускорители стоимостью миллиарды долларов. Какая польза от этой экспериментальной установки для фундаментальных исследований, для народного хозяйства, для налогоплательщика?» Приведу несколько примеров.
Сейчас во всем мире примерно 50 тысяч ускорителей электронов, ионов, протонов и так далее. Из этих 50 тысяч физики-экспериментаторы используют всего 300. Около 14 тысяч используются в сельском хозяйстве для стерилизации зерна, в медицине — для создания радиофармпреператов, хирургии, стерилизации медицинского оборудования. На любом химически вредном предприятии стоит ускоритель, который чистит газы продуктов горения реакции, в металлургии для придания коррозионной стойкости металлам и сплавам, в нефтегазовой промышленности для катализаторов, полимеров и пр.
Стоимость установки, например, такой как БАК — несколько миллиардов евро. А рынок, который сегодня развивается благодаря развитию прикладных ускорителей заряженных частиц (это и сами установки, и продукция, обработанная на пучках из ускорителей) оценивается примерно в 700-800 миллиардов евро. Появились уникальные технологии и приборы, которые применяются сегодня повсеместно. Все это стало возможным исключительно благодаря физике частиц и экспериментальной ядерной физике, которая нуждалась в детекторах с большим разрешением, в магнитах, в системах автоматизации и обработки данных.
— У специалистов проекта NICA очень амбициозные планы — буквально заглянуть в самое начало зарождения Вселенной. Когда вы найдете ответ на главный вопрос, какой будет следующим?
— Первые эксперименты на коллайдере со столкновением пучков ядер мы начнем в 2023 году. Надеюсь, что до конца 2022 года все основное оборудование будет собрано, все строительные объекты — закончены, а комплекс будет введен в эксплуатацию.
Фотографии © Научная Россия
В 2023 году нас ждет самое интересное — мы запустим коллайдер и остальные системы ускорительного комплекса и начнем проведение первых экспериментов. Это долгий, очень непростой процесс настройки сотен сложнейших технологических систем. Не менее кропотливым процесс будет у физиков на детекторе — данные будут вначале верифицироваться, затем набираться в течение 2-3 лет. Например, в БАКе прежде, чем был открыт бозон Хиггса, процесс набора данных продолжался примерно четыре года. По дороге к желаемому результату мы получим много результатов неожиданных, то есть тех, которых мы даже не могли себе представить. Вспоминается одна очень красивая фраза: «А если я долечу до звезды, а там ничего? А вдруг ты долетишь и там все?».
Большой адронный коллайдер фактически подтвердил существование бозона Хиггса, а стандартная модель практически была закрыта. По существу, мы все про себя знаем. Но, открыв этот бозон и подтвердив его существование, мы поняли, что мы еще больше не знаем. Человечество получило подсказку, куда двигаться с точки зрения новой физики. При этом, по дороге к Хиггс-бозону было обнаружено большое количество экспериментальных данных, которые изначально не стояли в научной повестке, но позволили открыть и другие загадочные частицы, состоящие из 4 и 5 кварков. Для чего нужны, например, пентакварки, тетракварки, мы пока не знаем. Но через несколько лет эта сфера научной деятельности начнет развиваться стремительнее и приведет к новым открытиям.
Приведу еще один пример. Когда Фарадей открыл явление электромагнитной индукции, премьер-министр Великобритании лорд Гладстон спросил его: «А какова практическая польза ваших исследований и электричества?» «Я не знаю»,— ответил Фарадей. «Но что-то мне подсказывает, что однажды, сэр, вы обложите его налогом». И Фарадей был прав. Сегодня электроэнергетика — огромный сектор экономики.
В случае с ускорителями мы абсолютно точно получим новые технологии, инструменты и возможности. И, конечно, новые знания. Не всегда понятно сразу, что с ними делать. Но проходит какое-то время, и знания превращаются в нечто прикладное.
С помощью ускорительного комплекса NICA мы не только будем анализировать кварк-глюонную плазму. Комплекс создан таким образом, что параллельно с основной программой по столкновению пучков тяжелых ядер есть каналы, по которым пучки могут отводиться для разнообразных прикладных экспериментов. Сейчас запланирована обширная программа для радиобиологии, связанная с исследованиями на лабораторных животных. Результаты позволят медикам эффективнее бороться с онкологическими заболеваниями.
Активно развивается космическая программа для подготовки будущих длительных экспедиций на Марс и на Венеру. Среди наших основных партнеров — корпорации «Росатом» и «Роскосмос». Кстати, почти вся микроэлектронная техника на отечественных спутниках перед запуском проходит тест на радиационную стойкость здесь в Объединенном институте ядерных исследований в Лаборатории ядерных реакций имени Г. Н. Флерова.
— Почему во всем мире сейчас так активно строятся установки класса мегасайенс?
— На самом деле, это, как уже говорил, похоже на олимпиаду. Олимпиада всегда повышает престиж страны, как и глобальное «соревнование» в сфере науке и технологий, например, самый быстрый самолет или самый большой корабль, или самый технологичный космический аппарат. И, конечно, для страны престижно иметь самую лучшую физическую или астрономическую, или компьютерную установку. Зачем? Затем, что такая установка предназначена не только для научных задач, она есть локомотив, мотивирующий развитие высокотехнологического сектора экономики. Установки класса мегасайенс строятся под суперамбициозные задачи, которые не под силу одной стране. Ни одна страна мира не может себе позволить адронный коллайдер. Ей попросту не хватит ни ресурсов, ни технологий, ни людей, ни знаний. Но для ведущих стран мира очень важно иметь подобный «магнит», который притягивает технологии, молодых и амбициозных людей, стремящихся открывать новое.
Вообще для любого человека важно быть первым, особенно если речь идет о молодых, энергичных людях. Непонятно, зачем, например, первым зайти на Эверест, или опуститься на дно океана, или слетать на Луну, или разогнать частицы до самых высоких энергий. Важно не только быть первым, важен и сам результат, то, что становится доступным по пути. Чтобы опуститься на дно океана первым, ты должен первым разработать уникальные технологии, которые преодолеют высокие давления, обеспечат автономность и так далее. По сути, NICA — это и технологический драйвер для национальной индустрии, и элемент престижа, возможность для России заявить о себе как о мировом лидере в области физики. И, конечно, повод нам всем гордиться своей страной, ее научными достижениями.
Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования и Российской академии наук.
Источник: Научная Россия
Всё, что вы хотели бы знать о Большом адронном коллайдере
Большой адронный коллайдер возвращается к работе. Самый большой и мощный ускоритель в истории, про который многие думают, что он способен уничтожить планету, создав черные дыры или опасную материю, более трех лет находился на техобслуживании и модернизации. Он окончательно вернется в строй этим летом. Тогда и стартует 4-летний цикл экспериментов, уже третий в истории ускорителя. Большой адронный коллайдер разгоняет пучки протонов и направляет их навстречу друг другу. Задача попасть протоном в протон сложнее, чем сбить пулей пулю, но некоторая часть протонов все же сталкивается друг с другом. В этих столкновениях рождаются разнообразные новые частицы. Наблюдая, что именно и как часто образуется, ученые постигают законы физики элементарных частиц.
Важнейшая характеристика ускорителя — энергия столкновений. Чем больше энергия сталкивающихся частиц, тем более массивные частицы возникнут в результате удара (энергия переходит в массу по знаменитой формуле E=mc2). И новая модернизация довела энергию столкновений протонов до рекордных 13,6 тераэлектронвольта. Другая важнейшая величина — светимость ускорителя. Это количество столкновений частиц на 1 см2 сечения ускорителя в секунду. Чем выше светимость, тем больше событий зарегистрируют физики и тем больше информации получат. Модернизация помогла и здесь. Ожидается, что детекторы ATLAS и CMS во время третьего «прогона» зафиксируют больше столкновений, чем в процессе предыдущих двух вместе взятых. Число событий на детекторе LHCb вырастет втрое по сравнению с предыдущими запусками. А количество столкновений тяжелых ионов в эксперименте ALICE увеличится в 50 раз. Кроме того, в строй вступят новые детекторы FASER и [email protected], специально предназначенные для поиска явлений, не укладывающихся в Стандартную модель.
Что такое Стандартная модель?
Все на свете состоит из элементарных частиц. Любой процесс — будь то рукопожатие или ядерный взрыв — в конце концов сводится к взаимодействию между частицами. Со школьной скамьи нам знакомы частицы, составляющие атом: электроны, протоны и нейтроны. Но это только вершина айсберга. На самом деле, в природе гораздо больше частиц. На сегодня их открыто более 200. Подавляющее большинство частиц – короткоживущие. Однажды возникнув, они существуют лишь ничтожные доли секунды. Но нечего и думать разобраться в общих законах физики элементарных частиц, исследуя только частицы-долгожители вроде электрона или протона. Это все равно что пытаться постичь все тайны биосферы Земли, изучая лишь тысячелетние секвойи. Значит, физикам для экспериментов нужна «фабрика», производящая короткоживущие частицы. И такие фабрики называются ускорителями. В них стабильные частицы (обычно протоны или электроны) разгоняются и сталкиваются друг с другом либо с неподвижной мишенью. В этих столкновениях и рождаются короткоживущие частицы.
Масса рождающихся частиц зависит от энергии столкновений. Энергия же сталкивающихся частиц зависит прежде всего от их скорости. А чтобы хорошо разогнать частицу, нужен большой ускоритель. Первые действующие ускорители появились в начале 30-х годов прошлого века, после чего началась гонка за их размером, продолжавшаяся десятилетиями. Каждый новый этап в ней означал множество свежеоткрытых частиц. Со временем число новых частиц, которые обнаруживались на ускорителях и в космических лучах, стало даже несколько беспокоить физиков. Требовалось отыскать в этом хаосе систему, подобно тому, как таблица Менделеева выразила изящный закон, стоящий за сбивающим с толку разнообразием химических веществ. И эта система была найдена и проверена в промежутке с начала 60-х до конца 70-х годов прошлого столетия.
Отвлечемся пока от классификации частиц и посмотрим, какие силы действуют между ними. Уже в 30-х годах прошлого века физики знали, что есть четыре взаимодействия между элементарными частицами: электромагнитное, гравитационное, сильное и слабое. Любая сила, действующая на любой объект, сводится к какому-нибудь из этих фундаментальных взаимодействий. И без любого из них было бы невозможно существование планет, звезд и живых существ. Например, без электромагнитного взаимодействия не было бы атомов, ведь электроны не притягивались бы к ядру. Кроме того, это взаимодействие отвечает за силы трения и упругости, все химические реакции, излучение света и многие другие явления. А без гравитации не существовало бы галактик, звезд и планет. Сильное же взаимодействие удерживает протоны и нейтроны в ядре атома, несмотря на электрическое отталкивание протонов. Без него не существовало бы никаких химических элементов, кроме водорода, в том числе тех, из которых состоят наши тела. Но их не было бы и без слабого взаимодействия, поскольку только благодаря ему стали возможны ядерные реакции, создавшие всю таблицу Менделеева из первичного водорода.
При этом четыре фундаментальные силы вызывающе непохожи друг на друга. Например, электромагнитная и гравитационная действуют на любых расстояниях, а сильная и слабая — лишь на очень маленьких. Взаимодействия еще очень избирательны в том, каким частицам дозволяется в них участвовать. В электромагнитном участвуют исключительно частицы, имеющие заряд, в гравитационном — имеющие массу, в сильном — имеющие так называемый цвет, а в слабом — вообще все, кроме частиц-переносчиков других взаимодействий. Мощь этих взаимодействий тоже весьма разнообразна. Сильное взаимодействие — сообразно названию самое сильное. Именно поэтому оно пересиливает электрическое отталкивание протонов и, на наше счастье, удерживает их в ядре атома. На втором месте — электромагнитное взаимодействие, которое гораздо слабее. На третьем — слабое, которое слабее еще на несколько порядков. И замыкает список гравитационное. Оно такое маломощное, что вряд ли мы когда-нибудь сможем измерить тяготение между двумя отдельными частицами. Оно становится заметным только тогда, когда вместе собираются астрономические массы вещества. При всей их непохожести за их взаимодейтсвием скрывается симметрия и красота. Часть этой красивой гармоничной картины нам уже известна, а об остальном мы можем догадываться и… надеяться.
Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, называются адронами. Подавляющее большинство известных нам частиц, в том числе протоны и нейтроны, — это как раз адроны, так что разбираться в сути происходящего ученые начали именно с них. В начале 60-х годов прошлого века Мюррей Гелл-Манн и Юваль Неэман разглядели скрытый порядок в нагромождении известных к тому времени адронов. Получилось нечто вроде таблицы Менделеева для частиц. И вскоре выяснилось, что эта аналогия глубже, чем кажется. Место элемента в таблице Менделеева определяется тем, сколько в его атоме протонов. Удивительно, что больше сотни таких разных химических элементов получаются просто последовательным добавлением в ядро еще одного протона. Гелл-Манн и Джордж Цвейг поняли, что за закономерностями в свойствах адронов тоже стоит их внутреннее строение. Они предположили, что адроны состоят из еще более мелких частиц — кварков. Есть всего шесть видов кварков, и свойства всех адронов определяются тем, из каких именно кварков они состоят, а также тем, в каком состоянии находятся эти кварки. Адроны оказались «элементарными, но не самыми элементарными частицами». Разнообразие десятков адронов свелось к перетасовке шести кварков. Мир стал заметно проще.
Взглянув на адроны как на конструктор LEGO с деталями-кварками, теоретики собрали на кончике пера несколько новых, еще не открытых, адронов. Первые из них вскоре были успешно обнаружены, что принесло Гелл-Манну Нобелевскую премию по физике в 1969 году. Экспериментаторы до сих пор открывают новые адроны благодаря Большому адронному коллайдеру, но все они построены из тех же кварков по одним и тем же принципам. Подчеркнем, впрочем, что из кварков состоят только адроны, а не все частицы. Электроны, нейтрино и некоторые другие лептоны из кварков не состоят и в сильном взаимодействии не участвуют.
Разбираясь с адронами и кварками, теоретики построили, а экспериментаторы проверили теорию сильного взаимодействия — квантовую хромодинамику. Оказалось, сильное взаимодействие — это обмен особыми частицами (глюонами). Ученые вывели формулы, которым подчиняются глюоны и кварки. Знания о сильном взаимодействии превратились из нагромождения разрозненных фактов в стройную систему, которой физики пользуются и в наши дни.
В те же годы теоретики бились над загадками слабого взаимодействия. Стивен Вайнберг пытался построить теорию слабых сил по аналогии с теорией электромагнитных сил (квантовой электродинамикой). В результате Вайнберг не просто построил теорию слабых взаимодействий, а сделал много больше. Глубоко погрузившись в аналогии между слабой и электромагнитной силами, физик внезапно обнаружил, что эти две силы — стороны одной медали. При температурах выше 1015 (тысяча триллионов) градусов эти силы перестают отличаться друг от друга. Равно как перестают отличаться друг от друга такие разные частицы, как электрон (электрически заряженный и, значит, участвующий в электромагнитном взаимодействии) и нейтрино (сообразно названию, нейтральное). При таких температурах нейтрино и электрон можно считать одной и той же частицей. Другие частицы тоже образуют пары, которые сливаются при температуре выше пороговой. Например, u-кварк перестает отличаться от d-кварка. Эту теорию, которая объяснила слабые взаимодействия и заодно выявила их скрытое единство с электромагнитными, называют теорией электрослабых сил. Вайнберг завершил ее в 1967 году. Через год практически такую же теорию независимо построил пакистанский физик Абдус Салам, а некоторые ее аспекты ранее разработал Шелдон Глэшоу. Первые экспериментальные подтверждения новой теории появились очень быстро, так что в 1979 году все эти ученые получили Нобелевскую премию.
Маленькие гиганты
Все эти эпохальные открытия были совершены на очень небольших по нынешним меркам ускорителях. Например, важное подтверждение электрослабой теории получили на Протонном синхротроне (Proton Synchrotron) длиной всего 628 м. А одно из решающих подтверждений теории Гелл-Манна — открытие c-кварка — состоялось благодаря Синхротрону с переменным градиентом (Alternating Gradient Synchrotron) длиной 806 м. На установках, которые в десятки раз меньше БАК, творилась история. Но одно из ключевых предсказаний электрослабой теории оказалось не по зубам этим устройствам. Подобно тому, как электромагнитное взаимодействие переносится фотонами, а сильное — глюонами, у слабого взаимодействия тоже должны быть частицы-переносчики. Их две: W-бозон и Z-бозон. Вообще, W-бозонов два: положительно и отрицательно заряженные, но они являются античастицами друг друга, так что имеют одинаковую массу и другие параметры. Чем тяжелее частица, тем больше нужно энергии, чтобы она родилась, поэтому старые установки не могли достичь энергий рождения W- и Z-бозонов. Эти частицы открыли в 1983 году благодаря Протонному суперсинхротрону (Super Proton Synchrotron) длиной 7 км. Это уже было ближе к БАК с его кольцом протяженностью в 27 км.
Теория Вайнберга, Салама и Глэшоу снова была блестяще подтверждена, но в ней оставался нерешенный вопрос. Мы упоминали, что выше некоторого порога температуры слабое взаимодействие неотличимо от электромагнитного. С точки зрения электрослабой теории в этом нет ничего удивительного: она описывает обе силы одними и теми же уравнениями. Напротив, по-настоящему трудный вопрос состоит в том, почему взаимодействия начинают различаться, когда температура опускается ниже роковой отметки? Ответ предложил Питер Хиггс в 1964 году. Его гипотеза требовала существования бозона Хиггса — третьего бозона электрослабой теории. Стандартная модель предсказала все параметры этой частицы, кроме массы. Массу, напротив, нужно было измерить в эксперименте и заложить в теорию. Бозон Хиггса десятилетиями искали на все более мощных ускорителях. Но долгожданное открытие оказалось под силу лишь БАК. О прорыве объявили в 2012 году — через 48 лет после публикации Хиггса. Оказалось, бозон Хиггса тяжелее протона более чем в 130 раз. Неудивительно, что ускорители прошлого века не справились с его поиском.
Упрощение мира
Электрослабая теория вместе с квантовой хромодинамикой составляет Стандартную модель физики элементарных частиц — главную теорию того, как устроено почти все на свете. В ней всего 24 фундаментальные частицы, не считая античастиц. Они не состоят ни из каких еще более мелких частей, то есть истинно элементарные. В этом списке — 12 частиц вещества: 6 кварков и 6 лептонов (электрон, мюон, тау-лептон и 3 вида нейтрино). Еще 12 частиц (фотон, W-бозон, Z-бозон, гравитон и 8 видов глюонов) переносят взаимодействия: электромагнитное, слабое, гравитационное и сильное соответственно. Вот к чему свелся зоопарк из двух сотен элементарных частиц, почти все из которых на поверку оказались не такими уж элементарными.
С созданием Стандартной модели мир стал удивительно изящным. Необъятный объем обрывочных фактов сменился экономным списком частиц и работающими теориями трех из четырех взаимодействий. Увы, построить удовлетворительную квантовую теорию гравитационного взаимодействия пока никому не удалось. Причем два из них — электромагнитное и слабое — даже объединились в одно. Какие бы открытия ни случились в будущем, какой бы новый, еще более глубокий порядок вещей ни был открыт, Стандартная модель не потеряет своего значения, как не теряет его таблица Менделеева или закон всемирного тяготения.
Однако физики всегда стремятся продвинуться дальше в понимании мира. Объединение электромагнитного и слабого полей породило надежды на объединение всех четырех. Вот чем должны быть по-настоящему фундаментальные силы. Конечно, для этого нужно как минимум построить квантовую теорию гравитации. И хорошо бы, чтобы из новой теории еще выводились те параметры, которые в Стандартную модель закладываются как входные, например, масса и заряд электрона и других фундаментальных частиц. Тогда ее с полным правом можно будет назвать теорией всего.
Теории, объединяющие электрослабое и сильное взаимодействия, называются теориями великого объединения. Это уже не Стандартная модель, а ее непроверенные расширения. Как их проверить? Нужно получить частицы, которые тяжелее протона в 1015 (тысячу триллионов) раз. Чтобы достичь этого за счет размера ускорителя, требуется кольцо длиной с орбиту Марса. А чтобы к трем взаимодействиям присоединилось гравитационное, возможно, понадобится и ускоритель величиной с Галактику. Пока же у современной науки есть только 27-километровый БАК. Впрочем, пренебрежение к Большому адронному коллайдеру неуместно. Это сверхуспешный проект, с помощью которого экспериментаторы подтвердили многие предсказания Стандартной модели, не поддававшиеся проверке на меньших установках. В числе этих сбывшихся прогнозов — обнаружение десятков новых частиц. Одних только адронов на Большом адронном коллайдере открыто 59 штук.
Но создатели этой установки, конечно, надеялись выйти за рамки теорий, созданных в эпоху не столь протяженных ускорителей. Получить данные, не укладывающиеся в Стандартную модель и взывающие к ее расширению, — что может быть заманчивее? Пока эта мечта не сбылась. Вообще, некоторые интригующие результаты есть, но пока не ясно, действительно ли они потребуют пересмотра теорий. Наоборот, некоторые из теоретических расширений Стандартной модели были опровергнуты. Возможно, третий запуск БАК, наконец, позволит вырваться на просторы новой физики. А по его завершении планируют превратить БАК в Большой адронный коллайдер высокой светимости (High Luminosity Large Hadron Collider или HL-LHC). Количество сталкивающихся частиц при этом резко увеличится. Это поможет «выловить» редкие экзотические процессы, если они, конечно, есть.
В планах CERN строительство Будущего кругового коллайдера (Future Circular Collider) протяженностью в 100 км, который намерены запустить в 2040 году. Нынешний рекордсмен БАК станет для этого колосса лишь вспомогательным кольцом, как в свое время для самого БАК вспомогательным кольцом стал 7-километровый Протонный суперсинхротрон.
Другие возможности для новых открытий
Впрочем, есть надежда вывести из расширений Стандартной модели следствия, которые можно проверить и без ускорителей. Например, некоторые из теорий великого объединения утверждают, что протоны со временем распадаются, просто их среднее время жизни необычайно велико. Но если взять достаточно большую массу вещества, в ней найдется несколько протонов, которые распадутся прямо сейчас. Правда, пока такие эксперименты не увенчались успехом. Не исключено, что когда-нибудь мы вообще откажемся от ускорителей в нынешнем понимании. Энергия столкновений на том же БАК велика лишь по меркам элементарных частиц. Фокус в том, чтобы сосредоточить всю эту энергию в отдельном протоне. Пока ученые не нашли лучшего способа это сделать, чем гонять многострадальный протон в электромагнитном поле по длинному туннелю. Этому подходу уже без малого 100 лет, разве что туннели становятся длиннее, поля — мощнее, а аппаратура — совершеннее. Если физики справятся с этой задачей, то теория мечты, возможно, станет теорией реальности.
Большой адронный коллайдер в цифрах
Большой адронный коллайдер находится на границе между Францией и Швейцарией, возле Женевы, в тоннеле глубиной 100 м. Длина ускорителя — почти 27 км, а максимальная энергия частиц, до которой он может их разогнать, — 7 ТэВ, что почти в 230 раз больше, чем у первого адронного коллайдера. Большой адронный коллайдер является самой крупной экспериментальной установкой в мире. В строительстве, которое длилось почти 10 лет, принимало участие более 10000 ученых и инженеров из 100 стран. Затраты на создание БАК оцениваются в 4,6 млрд. евро. Все органы управления БАК находятся в центре управления CERN. В постоянном штате примерно 1500 человек: инженерный научный персонал, который обеспечивает работу ускорительного комплекса, сотрудники, занимающиеся развитием, ремонтом и модернизацией установки и т. д. Принять участие в виртуальном туре по БАК можно по этой ссылке: https://virtual-tours.web.cern.ch/vtours/LHC/LHC.html.
Статья подготовлена по материалам сайта naked-science.ru и других сетевых ресурсов
ускорителей | CERN
Ускоритель разгоняет заряженные частицы, такие как протоны или электроны, с высокими скоростями, близкими к скорости света. Затем они разбиваются либо о цель, либо о другие частицы, циркулирующие в противоположном направлении. Изучая эти столкновения, физики могут исследовать бесконечно малый мир.
Когда частицы набирают достаточную энергию, происходит феномен, не поддающийся воображению: энергия столкновения превращается в материю в виде новых частиц, самые массивные из которых существовали в ранней Вселенной. Это явление описывается знаменитым уравнением Эйнштейна E=mc 2 , согласно которому материя представляет собой концентрированную форму энергии, и они взаимозаменяемы.
Большой адронный коллайдер — самый мощный ускоритель в мире. Он ускоряет частицы, такие как протоны, которые формируют всю известную нам материю. Разогнавшись до скорости, близкой к скорости света, они сталкиваются с другими протонами. Эти столкновения производят массивные частицы, такие как бозон Хиггса или топ-кварк. Измеряя их свойства, ученые расширяют наше понимание материи и происхождения Вселенной. Эти массивные частицы существуют лишь в мгновение ока, и их нельзя наблюдать напрямую. Почти сразу же они превращаются (или распадаются) в более легкие частицы, которые, в свою очередь, также распадаются. Частицы, выходящие из последовательных звеньев этой цепочки распада, идентифицируются в слоях детектора.
Анимация, показывающая путь частиц в ускорительном комплексе до их столкновения в БАК. (Видео: Даниэль Домингес/CERN)
Ускорители используют электромагнитные поля для ускорения и направления частиц. Радиочастотные полости усиливают потоки частиц, а магниты фокусируют лучи и изменяют их траекторию.
В круговом ускорителе частицы повторяют один и тот же круг столько, сколько необходимо, получая заряд энергии на каждом обороте. Теоретически энергию можно увеличивать снова и снова. Однако чем больше энергии у частиц, тем мощнее должны быть магнитные поля, чтобы удерживать их на круговой орбите.
Линейный ускоритель, напротив, состоит исключительно из ускоряющих структур, так как частицы не нужно отклонять, а они выигрывают только от одного прохода ускорения. В этом случае увеличение энергии означает увеличение длины ускорителя.
По мере того, как физики исследовали все более и более высокие энергии, ускорители становились все больше и больше: размер ускорителя — это компромисс между энергией, радиусом кривизны (если он круглый), осуществимостью и стоимостью.
Коллайдеры — это ускорители, которые генерируют лобовые столкновения между частицами. Благодаря этому методу энергия столкновения выше, потому что энергия двух частиц суммируется.
Большой адронный коллайдер — самый большой и мощный коллайдер в мире. Он ускоряет частицы в петле окружностью 27 километров при энергии 6,5 ТэВ (тераэлектронвольт), вызывая столкновения при энергии 13 ТэВ.
Как это работает
Ускоряющие полости
Магниты
Каковы характеристики ускорителя?
Тип частиц, энергия столкновения и светимость являются одними из важных характеристик ускорителя.
В ускорителе может циркулировать множество различных частиц при условии, что они имеют электрический заряд, чтобы их можно было ускорять электромагнитным полем. Ускорительный комплекс ЦЕРН ускоряет протоны, а также ядра ионизированных атомов (ионов), таких как ядра атомов свинца, аргона или ксенона. Таким образом, некоторые запуски LHC посвящены столкновениям ионов свинца. Установка ISOLDE ускоряет пучки экзотических ядер для ядерно-физических исследований.
Энергия частицы измеряется в электронвольтах. Один электронвольт — это энергия, полученная электроном, ускоряющимся в электрическом поле в один вольт. Когда они мчатся вокруг БАК, протоны приобретают энергию в 6,5 миллионов миллионов электронвольт, известную как 6,5 тераэлектронвольт или ТэВ. Это наивысшая энергия, достигаемая ускорителем, но с точки зрения повседневного использования это смехотворно малая энергия; примерно равна энергии английской булавки, упавшей с высоты всего в два сантиметра. Но ускоритель концентрирует эту энергию в бесконечно малом масштабе, чтобы получить очень высокие концентрации энергии, близкие к тем, которые существовали сразу после Большого взрыва.
Светимость — ключевой показатель производительности ускорителя: он показывает количество потенциальных столкновений на единицу поверхности за заданный период времени. Мгновенная светимость выражается в см -2 с -1 , а интегральная светимость, соответствующая числу столкновений, которые могут произойти за данный период, измеряется в обратных фемтобарнах. Один обратный фемтобарн соответствует 100 миллионам миллионов (потенциальных) столкновений.
Что такое светимость?
Почему 13 ТэВ?
Какие ускорители есть в ЦЕРНе?
ЦЕРН управляет комплексом из восьми ускорителей и двух замедлителей. Эти ускорители обеспечивают эксперименты или используются в качестве инжекторов, ускоряющих частицы для более крупных ускорителей. Некоторые, такие как протонный синхротрон (PS) или суперпротонный синхротрон (SPS), делают и то, и другое одновременно, подготавливая частицы для экспериментов, которые они поставляют напрямую, и вводят в более крупные ускорители.
Большой адронный коллайдер снабжается протонами с помощью цепи из четырех ускорителей, которые разгоняют частицы и делят их на сгустки.
Ускорители круглосуточно контролируются операторами из Центра управления CERN.
ускорители CERN
Ускорители тока
Линак4
PS Бустер
линейный ускоритель3
Супер протонный синхротрон
HIE-ИЗОЛЬДА
Протонный синхротрон
Антипротонный замедлитель
Будущие ускорители
Придумывание, разработка и создание ускорителя занимает несколько десятилетий. Например, бывший электрон-позитронный ускоритель LEP еще даже не начал работать, когда ученые ЦЕРН уже представляли себе замену его более мощным ускорителем. Это было в 1984 году, за двадцать четыре года до запуска БАК.
С 2010 года ученые работают над преемником БАК, БАК высокой яркости. Утвержденный Советом ЦЕРН в 2016 году, этот LHC второго поколения, как ожидается, будет запущен после 2025 года. Ученые ЦЕРН также работают над исследованиями ускорителей на период после 2040 года, таких как Future Circular Collider (FCC) или Compact Linear Collider (CLIC). Также ведется работа над альтернативными методами ускорения, например, в рамках эксперимента AWAKE.
LHC высокой яркости
Будущий круговой коллайдер
Компактный линейный коллайдер
Прошлые ускорители
Многие ускорители, разработанные несколько десятилетий назад, все еще работают. Самым старым из них является протонный синхротрон (PS), введенный в эксплуатацию в 1959 году. Другие были закрыты, а некоторые их компоненты повторно используются для новых машин в ЦЕРНе или где-либо еще. Совершите путешествие в прошлое ускорителей CERN.
Большой электрон-позитронный коллайдер
Синхроциклотрон
ЦЕРН Нейтрино в Гран-Сассо
Низкоэнергетическое антипротонное кольцо
Пересекающиеся накопительные кольца
линейный ускоритель1
Linac2
Большой адронный коллайдер: все, что вам нужно знать
Большой адронный коллайдер занимает круглый подземный туннель длиной почти 17 миль (27 километров). (Изображение предоставлено: xenotar через Getty Images)Большой адронный коллайдер (БАК) — самый большой и мощный ускоритель частиц в мире. Он расположен в европейской лаборатории физики элементарных частиц CERN в Швейцарии.
БАК перезапущен 22 апреля 2022 года после трех лет технического обслуживания и обновлений. Ожидается, что запуск 3 начнется 5 июля, через день после 10-летия открытия бозона Хиггса.
Ученые используют БАК для проверки теоретических предсказаний физики элементарных частиц, особенно тех, которые связаны со “Стандартной моделью”. Хотя Стандартная модель может объяснить почти все результаты в физике элементарных частиц, некоторые вопросы остаются без ответа, например, что такое темная материя и темная энергия? Почему материи больше, чем антиматерии? LHC призван помочь ответить на такие вопросы.
БАК может воспроизвести условия, существовавшие в течение одной миллиардной доли секунды после Большого взрыва. Колоссальный ускоритель позволяет ученым сталкивать высокоэнергетические субатомные частицы в контролируемой среде и наблюдать за взаимодействием. Один из самых значительных прорывов LHC произошел в 2012 году с открытием бозона Хиггса.
Связанный: Бозон Хиггса мог удержать нашу Вселенную от коллапса в Швейцарии.
Недавний пример произошел в январе 2022 года, когда ученые ЦЕРНа объявили о «доказательствах наличия X-частиц в кварк-глюонной плазме, образующейся на Большом адронном коллайдере». За этим техноязыком скрывается сногсшибательный факт, что ЦЕРН удалось воссоздать ситуацию, которая не происходила естественным путем через несколько микросекунд после Большого взрыва.
Когда начнется запуск 3, мы можем ожидать целую волну новых открытий, так что самое время поближе взглянуть на то, что делает БАК и весь ЦЕРН такими уникальными.
Что такое Большой адронный коллайдер?
БАК — это ускоритель частиц — устройство, которое контролируемым образом разгоняет субатомные частицы до огромных энергий, чтобы ученые могли изучать получающиеся взаимодействия, согласно информационному бюллетеню ЦЕРН БАК (открывается в новой вкладке). «Большой», что обозначает буква L, — это преуменьшение; LHC на сегодняшний день является самым большим ускорителем в мире, занимая кольцевой туннель почти 17 миль (27 километров) в окружности. Средняя буква H означает «адрон», общее название составных частиц LHC, таких как протоны, которые состоят из более мелких частиц, называемых кварками. Наконец, C означает «коллайдер» — БАК ускоряет два пучка частиц в противоположных направлениях, и все действие происходит, когда лучи сталкиваются.
Как и все физические эксперименты, БАК предназначен для проверки теоретических предсказаний — в данном случае так называемой Стандартной модели физики элементарных частиц — и проверки наличия в них пробелов. Как бы странно это ни звучало, физики жаждут найти несколько дыр в Стандартной модели, потому что некоторые вещи, такие как темная материя и темная энергия, не могут быть объяснены до тех пор, пока они этого не сделают.
Открытия и история Большого адронного коллайдера
БАК сталкивает частицы друг с другом на высоких скоростях, создавая каскад новых частиц, включая печально известный бозон Хиггса. (Изображение предоставлено: Ket4up через Getty Images)Важнейшим событием для LHC стало открытие бозона Хиггса в 2012 году. Несмотря на то, что его часто называют «частицей Бога», на самом деле он сам по себе не так уж удивителен, как можно было бы предположить из этого названия. Его огромное значение было связано с тем, что это было последнее предсказание Стандартной модели, которое еще не было доказано. Но бозон Хиггса — далеко не единственное открытие БАК.
Согласно физическому журналу CERN Courier , БАК также обнаружил около 60 ранее неизвестных адронов, представляющих собой сложные частицы, состоящие из различных комбинаций кварков. Тем не менее, все эти новые частицы по-прежнему находятся в рамках Стандартной модели, которую БАК изо всех сил пытался выйти за пределы , к большому разочарованию многих ученых, посвятивших свою карьеру работе над альтернативными теориями.
Связанный: 10 ошеломляющих вещей, которые вы должны знать о квантовой физике
Первые дразнящие намеки на то, что прорыв может быть не за горами, появились в 2021 году, когда анализ данных БАК выявил закономерности поведения это указывало на небольшие, но определенные отклонения от Стандартной модели.
Согласно ЦЕРН, БАК открылся для работы в 2009 году, но история ЦЕРН уходит гораздо дальше. Организация была создана в 1954 по рекомендации Европейского совета по ядерным исследованиям — или Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire на французском языке, от которого он получил свое название. Между его созданием и открытием LHC ЦЕРН был ответственен за серию новаторских открытий, включая слабые нейтральные токи, легкие нейтрино и бозоны W и Z. Как только БАК снова заработает, мы можем ожидать продолжения открытий.
Запуск 3: чего ожидать
Как следует из названия, запуск 3 — это третий научный запуск БАК, который начнется 5 июля 2022 года. Он будет основан на открытиях, сделанных БАК во время запуска 1 (2009 г.)-2013) и запуск 2 (с 2015 по 2018 год) и проводить эксперименты до 2024 года.
На пороге новой физики ученые стремятся использовать новые усовершенствования БАК для исследования бозона Хиггса, исследования темной материи и, возможно, расширить наше понимание стандартной модели, ведущей теории, описывающей все известные фундаментальных сил и элементарных частиц во Вселенной.
С помощью новых обновлений ЦЕРН увеличил мощность инжекторов БАК, которые подают в коллайдер пучки ускоренных частиц. Во время предыдущего отключения в 2018 году коллайдер мог ускорять лучи до энергии 6,5 тераэлектронвольт, и это значение было увеличено до 6,8 тераэлектронвольт9.0205 согласно заявлению CERN (откроется в новой вкладке).
Для справки: один тераэлектронвольт эквивалентен 1 триллиону электронвольт (электронвольт, единица энергии, эквивалентен работе, совершаемой электроном при ускорении при потенциале в один вольт).
Для увеличения энергии пучки протонов до такого экстремального уровня, «тысячи сверхпроводящих магнитов, поля которых направляют лучи по их траектории, должны привыкнуть к гораздо более сильным токам после длительного периода бездействия в течение LS2 (откроется в новой вкладке)», — говорится в том же заявлении ЦЕРН. Приведение оборудования в соответствие с этой модернизацией — это процесс, который ЦЕРН называет «магнитным обучением» и который состоит из примерно 12 000 отдельных тестов.
С Магниты БАК «обучены», а протонные пучки стали более мощными, чем когда-либо, БАК сможет создавать столкновения при более высоких энергиях, чем когда-либо прежде, расширяя возможности того, что могут обнаружить ученые, использующие модернизированное оборудование
После завершения запуска 3 в 2024 году , ученые ЦЕРН закроют его для еще одного запланированного капитального ремонта, который будет включать в себя дополнительные обновления массивного ускорителя частиц.После завершения эти обновления позволят ученым переименовать БАК в «Большой адронный коллайдер высокой светимости», как только он снова откроется в 2028 году.0003
Как работает Большой адронный коллайдер?
Изображенный здесь компактный мюонный соленоид (CMS) может захватывать изображения частиц до 40 миллионов раз в секунду. (Изображение предоставлено xenotar через Getty Images)(открывается в новой вкладке)
Каким бы огромным он ни был, БАК не может функционировать без помощи других машин вокруг него. Согласно отчету CERN LHC, прежде чем частицы, которые обычно являются протонами, но для некоторых экспериментов гораздо более тяжелыми ионами свинца, вводятся в него, они проходят через цепочку меньших ускорителей, которые постепенно увеличивают их скорость. . Меньше — это просто относительный термин; последний шаг в цепочке инжектора, суперпротонный синхротрон, имеет окружность почти 4,3 мили (6,9км). В результате два луча движутся в противоположных направлениях вокруг БАК практически со скоростью света, согласно ЦЕРН .
Лучи удерживаются на своих круговых траекториях сильным магнитным полем, которое искривляет траекторию электрически заряженных частиц. В четырех точках обширного кольца БАК противоположные лучи собираются вместе и сталкиваются, и именно здесь происходит вся научная деятельность.
Похожие истории:
Частицы сталкиваются с такими огромными энергиями, что столкновения создают каскад новых частиц, большинство из которых чрезвычайно короткоживущие. Для ученых важно выяснить, что представляют собой все эти частицы, а это непростая задача.
Для этой цели на БАК имеется множество сложных детекторов частиц (открывается в новой вкладке), каждый из которых состоит из слоев поддетекторов, предназначенных для измерения определенных свойств частиц или поиска определенных типов частиц. Например, калориметры измеряют энергию частицы, а кривая траектории движения частицы в магнитном поле дает информацию об ее электрическом заряде и импульсе.
Две из четырех точек столкновения по окружности БАК заняты большими детекторами общего назначения. К ним относится компактный мюонный соленоид (CMS) (откроется в новой вкладке), который можно рассматривать как гигантскую 3D-камеру, делающую снимки частиц до 40 миллионов раз в секунду.
Пути частиц внутри детектора контролируются гигантским электромагнитом, называемым соленоидом. Несмотря на вес 12 500 метрических тонн, он довольно компактен, как следует из названия детектора. Это среднее слово, мюон, относится к неуловимой частице, похожей на электрон, но гораздо более массивной, что требует набора поддетекторов, обернутых вокруг соленоида.
Другой универсальный детектор БАК, ATLAS (тороидальный аппарат БАК) , имеет такое же назначение, что и CMS, но отличается конструкцией детектора, подсистем и магнитов. Он также менее компактен, чем CMS, и занимает больший объем, чем любой другой когда-либо созданный детектор частиц.
Эксперименты на Большом адронном коллайдере
Детектор ATLAS (тороидальный аппарат LHC) — один из детекторов общего назначения LHC. (Изображение предоставлено: xenotar через Getty Images)Многие из наиболее важных экспериментов LHC, включая открытие бозона Хиггса, используют детекторы общего назначения ATLAS и CMS. Но у него также есть несколько других более специализированных детекторов, которые можно использовать в определенных типах экспериментов.
Передовой детектор LHC , расположенный недалеко от точки взаимодействия ATLAS, использует частицы, выбрасываемые вперед при столкновениях, как средство имитации космических лучей в лабораторных условиях. Далее по траектории луча проходит эксперимент прямого поиска (FASER) (откроется в новой вкладке), предназначенный для поиска легких слабо взаимодействующих частиц, которые, вероятно, ускользнут от более крупных детекторов.
Третий эксперимент, оптимизированный для прямого направления, — это измерение полного упругого и дифракционного сечения (TOTEM) (открывается в новой вкладке), расположенное рядом с точкой взаимодействия CMS, которое фокусируется на физике самих протонов высокой энергии.
Помимо ATLAS и CMS, у LHC есть еще две точки взаимодействия. Один из них занят Экспериментом на большом ионном коллайдере (ALICE) (открывается в новой вкладке), специализированным детектором для физики тяжелых ионов. В последней точке взаимодействия находятся два эксперимента на самом переднем крае физики: LHCb (открывается в новой вкладке), посвященный физике экзотического «кварка красоты», и MoEDAL — детектор монополя и экзотики (открывается в новой вкладке). ) на БАК.
LHC и бозон Хиггса
Согласно CERN, когда физики выдвигают новые теории, они всегда стараются убедиться, что их можно проверить экспериментально. Это произошло в начале 1960-х, когда Питер Хиггс и другие разработали теорию, объясняющую, почему некоторые частицы-переносчики взаимодействия имеют ненулевую массу.
Теория предсказала существование ранее неизвестной частицы, получившей название бозона Хиггса. Следующим шагом было найти бозон Хиггса и таким образом подтвердить теорию. Как бы просто это ни звучало, это привело к многолетней охоте по всему миру. Конец, наконец, наступил в 2012 году, когда данные с БАК — в частности, из комбинации измерений ATLAS и CMS — вне всяких сомнений доказали, что бозон Хиггса был открыт.
Многочисленные эксперименты ЦЕРНа
Ученые все еще пытаются понять, почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии. (Изображение предоставлено: sakkmesterke через Getty Images)(открывается в новой вкладке)
Одной из ключевых загадок Вселенной является поразительная асимметрия между материей и антиматерией — почему она содержит гораздо больше первой, чем второй. Согласно теории Большого взрыва, Вселенная должна была начаться с равных количеств обоих. Однако очень рано, вероятно, в течение первой секунды, практически вся антиматерия исчезла, и осталась только нормальная материя, которую мы видим сегодня. Эта асимметрия получила техническое название «CP-нарушение», и ее изучение является одной из основных целей эксперимента LHCb на Большом адронном коллайдере.
Все адроны состоят из кварков, но LHCb предназначен для обнаружения частиц, включающих особенно редкий тип кварков, известный как «красота». Изучение CP-нарушения в частицах, содержащих красоту, является одним из наиболее многообещающих способов пролить свет на возникновение асимметрии материи и антиматерии в ранней Вселенной.
Охота за экзотическими частицами
В той же подземной пещере, что и LHCb, находится меньший инструмент под названием MoEDAL, что означает «Детектор монополя и экзотики на БАК». В то время как большинство экспериментов ЦЕРНа предназначены для изучения известных частиц, этот эксперимент направлен на обнаружение до сих пор неизвестных частиц, лежащих за пределами существующей Стандартной модели. Монополем, например, была бы намагниченная частица, состоящая только из северного полюса без южного, или наоборот. Такие частицы давно предполагались, но никогда не наблюдались.
Целью MoEDAL является поиск любых монополей, которые могут образоваться в результате столкновений внутри БАК. Он также потенциально может обнаруживать определенные «стабильные массивные частицы», которые предсказываются теориями, выходящим за рамки Стандартной модели. Если удастся найти любую из этих частиц, MoEDAL может помочь решить фундаментальные вопросы, такие как существование других измерений или природа темной материи.
Наука о климате
Помимо БАК, в ЦЕРН есть другие объекты, которые проводят не менее важные исследования. Связывание физики элементарных частиц с наукой о климате может быть неочевидным шагом, но это то, что делает один эксперимент на протонном синхротроне в ЦЕРН. Это меньший и менее сложный ускоритель, чем БАК, но он все же способен выполнять полезную работу.
Климатический эксперимент называется ОБЛАКО, что дает четкое представление о том, о чем идет речь, хотя название расшифровывается как «Космос, оставляющий наружные капли» . Земля находится под постоянной бомбардировкой космическими лучами, и было высказано предположение, что они играют роль в формировании облаков, засеивая крошечные капельки воды. Изучать в реальной атмосфере с настоящими космическими лучами непросто, поэтому ЦЕРН создает свои собственные космические лучи с помощью ускорителя. Затем их запускают в искусственную атмосферу, где их эффекты можно изучить более подробно.
Создание антиматерии
Антиматерия часто появляется в высокоэнергетических ускорителях ЦЕРН как половина пары частица-античастица. Но при обычном ходе событий античастицы не существуют долго, прежде чем они аннигилируют при столкновениях с обычными частицами.
Если вы хотите создать антивещество, которое будет существовать достаточно долго для детального изучения, вам понадобится нечто большее, чем просто ускоритель. Именно здесь вступает в действие уникальная «фабрика антивещества» ЦЕРН. Она берет античастицы, созданные в протонном синхротроне, и замедляет их до управляемых скоростей в том, что фактически является полной противоположностью ускорителя частиц: антипротонным замедлителем. Полученные «антиатомы» затем можно изучать с помощью ряда инструментов, таких как AEGIS (эксперимент с антиводородом: гравитация, интерферометрия и спектроскопия).
Один из вопросов, на который AEGIS вскоре сможет ответить, заключается в том, падает ли антивещество в гравитационном поле вниз, как обычное вещество, или вверх в противоположном направлении.
Опасен ли Большой адронный коллайдер?
БАК иногда называют физикой «высоких энергий», но это только высокие энергии на субатомном уровне. (Изображение предоставлено: mesut zengin через Getty Images) По разным причинам на протяжении многих лет люди предполагали, что эксперименты в CERN могут представлять опасность для общественности. К счастью, такие опасения беспочвенны. Возьмем, к примеру, букву N в CERN, что означает «ядерный», согласно UK Research and Innovation (UKRI). Это не имеет ничего общего с реакциями внутри ядерного оружия, которые включают обмен протонами и нейтронами внутри ядер.
Исследования ЦЕРН находятся на еще более низком уровне, чем этот, в отношении составляющих самих протонов и нейтронов. Иногда ее называют физикой «высоких энергий», но энергии считаются «высокими» только в субатомном масштабе. Частицы внутри БАК, например, обычно обладают энергией комара, согласно отчету о безопасности Группы оценки безопасности БАК .
Люди также обеспокоены тем, что БАК может создать «мини-черную дыру», но даже если это произойдет — что маловероятно — она будет невероятно крошечной и настолько нестабильной, что исчезнет за долю секунды, согласно исследованию. отчет по безопасности. отчет.
За пределами Большого адронного коллайдера
Спустя более 12 лет после ввода в эксплуатацию БАК по-прежнему остается самым большим и мощным ускорителем частиц в мире. Но он не будет держать этот рекорд вечно. Несколько стран имеют планы сделать еще один шаг вперед, в том числе круговой электронно-позитронный коллайдер в Китае и Международный линейный коллайдер в Японии.
Европейское предложение – круговой коллайдер будущего (FCC), который будет построен рядом с LHC в ЦЕРНе, но будет казаться карликовым по размеру. Несмотря на то, что он еще не одобрен с финансовой точки зрения — ориентировочная стоимость составляет 20 миллиардов фунтов стерлингов (27 миллиардов долларов США), — по данным Physics World (открывается в новой вкладке), проект хорошо проработан.
FCC будет иметь окружность 62 мили (99 км) и располагаться рядом с LHC, который он будет использовать в качестве инжектора частиц, в конечном итоге достигая энергии в семь раз большей, чем у его предшественника.
Вопросы и ответы с ученым ЦЕРН Кларой Неллист
Физик элементарных частиц и научный коммуникатор.Доктор Неллист работает над экспериментом ATLAS на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе.
Мы обсуждаем, каково это работать с крупнейшим в мире ускорителем частиц.
Как вы пришли к участию в эксперименте ATLAS?
Я начал работать с ATLAS для получения докторской степени. Я разрабатывал новые пиксельные датчики, чтобы улучшить измерение частиц, когда они проходят через наш детектор. Очень важно сделать их устойчивыми к радиационному повреждению, что является большой проблемой, когда вы размещаете датчики близко к месту столкновения частиц. С тех пор у меня была возможность работать над рядом различных проектов, таких как понимание того, как бозон Хиггса и топ-кварк взаимодействуют друг с другом. Теперь я применяю алгоритмы машинного обучения к нашим данным, чтобы искать намеки на темную материю. Одна из самых больших загадок в физике сейчас заключается в том, что составляет 85% материи в нашей Вселенной? Мы называем это темной материей, но на самом деле мы мало о ней знаем!
Каково работать с такой уникальной и мощной машиной?
Удивительно иметь возможность работать над этой невероятно сложной машиной с людьми со всего мира. Один человек не может управлять всем этим, поэтому каждая команда становится экспертом в своей конкретной части. Когда мы все работаем вместе, мы можем делать открытия о мельчайших строительных кирпичиках нашей вселенной.
Есть ли какие-нибудь интересные новые разработки, которых вы особенно ждете?
В этом году мы снова запускаем Большой адронный коллайдер, так что я очень рад увидеть, что мы можем с его помощью найти. Часть нашей работы состоит в том, чтобы максимально подробно изучить частицы, о которых мы уже знаем, чтобы проверить, соответствуют ли наши теории тому, что мы измеряем. Но мы также ищем совершенно новые частицы, которых никогда раньше не видели. Если мы найдем что-то новое, это может быть кандидат на темную материю или что-то совершенно неожиданное.
Дополнительные ресурсы
Вы можете совершить виртуальную экскурсию по Большому адронному коллайдеру с Европейским советом по ядерным исследованиям (CERN), который дает вам 360-градусный обзор коллайдера. Вы также можете просматривать состояние Большого адронного коллайдера в режиме реального времени с помощью инструмента CERN Vistar (откроется в новой вкладке). Узнайте о том, что ускорители частиц сделали для нас, в этой интересной статье (открывается в новой вкладке) от Physics World. По всему миру существует множество ускорителей частиц. Полный список примеров можно найти на этом ресурсе Института физики Боннского университета (откроется в новой вкладке), Германия.
Библиография
- Сирунян А.М. и др. «Доказательства наличия X (3872) в столкновениях Pb-Pb и исследования его быстрого образования при s N N = 5,02 ТэВ. (открывается в новой вкладке)» Physical Review Letters 128.3 (2022): 032001.
- Aaij, Roel, et al. . «Проверка универсальности лептона в распадах красивых кварков (открывается в новой вкладке)» препринт arXiv arXiv: 2103.11769 (2021 г.).
- Группа оценки безопасности LHC «Обзор безопасности столкновений LHC (откроется в новой вкладке)».
- Группа по оценке безопасности LHC «Обзор приложения о безопасности столкновений LHC о странных летательных аппаратах (открывается в новой вкладке)». Июнь 2008 г.
- Гиддингс, Стивен Б. и Микеланджело Л. Мангано. «Астрофизические последствия гипотетических стабильных черных дыр ТэВного масштаба (открывается в новой вкладке)» Physical Review D 78.3 (2008): 035009.
- Аад, Джорджес и др. «Эксперимент ATLAS на большом адронном коллайдере ЦЕРН (открывается в новой вкладке)» Журнал приборостроения 3.S08003 (2008 г.).
- Димопулос, Савас и Грег Ландсберг. «Черные дыры на большом адронном коллайдере (открывается в новой вкладке)» Physical Review Letters 87.16 (2001): 161602.
Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].
Дейзи Добриевич присоединилась к Space.com в феврале 2022 года в качестве справочного автора, ранее работавшего штатным автором в нашем сестринском журнале All About Space. Прежде чем присоединиться к нам, Дейзи прошла редакционную стажировку в журнале BBC Sky at Night Magazine и работала в Национальном космическом центре в Лестере, Великобритания, где ей нравилось знакомить общественность с космической наукой. В 2021 году Дейзи защитила докторскую диссертацию по физиологии растений, а также имеет степень магистра наук об окружающей среде. В настоящее время она живет в Ноттингеме, Великобритания.0003
Новая технология ускорителя частиц обеспечивает высокие скорости на коротких дистанциях
Плазменная кильватерная камера в SLAC. Ноутбук и телефон по желанию.
Национальная ускорительная лаборатория SLAC
Ученые, работающие над экспериментом в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в США, сделали шаг вперед в разработке технологии, позволяющей значительно уменьшить размеры ускорителей частиц и, следовательно, их стоимость. Эта технология способна ускорять частицы в гораздо более коротком пространстве, чем обычные ускорители.
Одним из самых впечатляющих аспектов ускорителей частиц, используемых для исследований, особенно Большого адронного коллайдера (БАК) в ЦЕРНе, является их физический размер. Тем не менее, даже с окружностью 27 км, LHC будет меньше, чем большинство предлагаемых коллайдеров следующего поколения. Например, Международный линейный коллайдер (ILC), возможный будущий коллайдер электронов и позитронов (антиэлектронов), может иметь длину 31 км, и есть даже предложение создать круговой ускоритель с окружностью 80 км, который можно было бы построить в ЦЕРНе в качестве часть проекта Future Circular Colliders (FCC).
Размер всех этих машин определяется нашей способностью строить структуры, которые могут передавать энергию частицам, позволяя нам разгонять их до больших скоростей. Чем выше скорость, тем больше энергия при столкновении этих пучков частиц, что дает ученым больше шансов ответить на фундаментальные вопросы о Вселенной. Это связано с тем, что столкновения с более высокими энергиями могут создавать условия, подобные тем, которые существовали ближе к тому моменту, когда родилась Вселенная.
В большинстве современных ускорителей используется структура, называемая «ВЧ-резонатор», тщательно спроектированная коробка, через которую проходит пучок частиц. Полость переводит электромагнитную энергию в кинетическую энергию частиц, ускоряя их. Однако существует предел количества энергии, которую ВЧ-резонатор может передавать частицам. Это связано с тем, что, хотя он работает в вакууме, существует риск того, что усиливающиеся электромагнитные поля могут привести к молниеносным разрядам энергии.
Однако даже обычные низкоэнергетические эксперименты в таких местах, как ЦЕРН, требуют больше энергии, чем может обеспечить один ВЧ-резонатор. Текущее решение состоит в том, чтобы использовать множество ВЧ-резонаторов, расположенных по прямой линии, если это линейная машина, такая как в SLAC, или использовать один и тот же резонатор очень много раз, если он находится в круглой машине, такой как LHC. Любое решение сопряжено с трудностями и требует большой машины для установки множества необходимых деталей. Это увеличивает затраты. Любая технология, которая может увеличить ускорение с помощью более мелких деталей и без необходимости в дополнительных механизмах, сделает будущие ускорители более компактными.
Рекламное объявление Это важно, потому что ускорители частиц предназначены не только для физиков элементарных частиц. Они все чаще используются в медицине, промышленности и безопасности. Например, ускорители обеспечивают рентгеновские лучи и пучки частиц для лечения рака, для изготовления миниатюрных устройств и для сканирования всего, от чемоданов до грузовых контейнеров.
Новая технология, которая может обещать более компактные ускорители частиц, только что была описана в исследовании, проведенном в 9 годах.0363 Природа . Исследование предполагает, что если сгустки электронов проходят через короткий столб плазмы паров лития в быстрой последовательности, электрическое поле плазмы способно передавать достаточно энергии для ускорения частиц в сотни раз быстрее, чем БАК. Он способен достичь всего этого, имея длину всего 30 см.
Плазма — это состояние вещества, при котором атомы распадаются на положительно заряженные ионы и отрицательно заряженные электроны. Большая часть вещества на Солнце существует в виде плазмы, и мы можем создать такое состояние на Земле с помощью высокоэнергетических лазеров.
Электрическое поле между частицами в плазме может быть чрезвычайно сильным. В этом эксперименте пучок высокоэнергетических электронов проходит через плазму, заставляя электроны плазмы двигаться, оставляя за собой область колеблющихся электронов. Это колебание создает «волновое поле», которое затем можно использовать для ускорения второй группы замыкающих электронов, следующих сразу за первой группой. Метра плазмы было достаточно, чтобы поднять энергию электронов на 1,6 ГэВ.
Хотя предыдущие эксперименты показали еще больший прирост энергии, этот эксперимент делает интересным количество ускоренных электронов и то, насколько равномерно каждый из них получает энергию. Возможность одновременного ускорения большого количества частиц до одной и той же энергии является необходимым условием для любого практического использования технологии ускорения плазменного кильватерного поля.
Другие группы по всему миру, в том числе коллаборация AWAKE в ЦЕРНе и коллаборация ALPHA-X в Университете Стратклайда, используют различные подходы к ускорению плазменного кильватерного поля с использованием протонных пучков или лазеров для создания кильватерного поля. Уже предлагаются предварительные проекты будущих ускорителей, которые могут использовать эту технологию, но все они полагаются на то, что мы разработаем технологию, которая надежно ускоряет большое количество частиц.
Nature , 2014. DOI: 10.1038/nature13882 (О DOI).
Первоначально эта статья была опубликована на The Conversation .
Почему Большой адронный коллайдер не может вложить больше энергии в свои частицы?
Исследование CERN/FCC
Глубоко под землей в Европе находится самый мощный в мире ускоритель частиц в круглом туннеле длиной около 27 километров. Откачивая весь воздух внутри, протоны, движущиеся почти со скоростью света, циркулируют в противоположных направлениях, разгоняясь до самых высоких энергий, когда-либо созданных искусственно. В нескольких определенных точках два внутренних луча фокусируются как можно плотнее и пересекаются, при этом происходит небольшое количество протон-протонных столкновений с каждой проходящей группой протонов. И все же энергия на частицу достигает максимума около 7 ТэВ: менее 0,00001% энергии, которую мы наблюдаем у наших частиц космических лучей с самой высокой энергией. Почему мы так ограничены здесь, на Земле? Это вопрос сторонника Patreon Кена Блэкмана, который хочет знать:
Почему БАК не может создавать частицы с энергией частицы ОМГ? Какое ограничение? Почему такая огромная, невероятно мощная машина не может накачать всего 51 джоуль в одну субатомную частицу?
Когда вы смотрите на то, что мы делаем на Земле, и на то, что происходит в космосе, нет никакого сравнения.
CERN / CMS Collaboration
Каким бы сложным и сложным механизмом ни был Большой адронный коллайдер (БАК), принцип его работы на удивление прост. Протоны и вообще электрически заряженные частицы могут ускоряться электрическими и магнитными полями. Если вы приложите электрическое поле в направлении движения протона, это электрическое поле будет оказывать положительное воздействие на этот протон, заставляя его ускоряться и набирать энергию.
Если бы можно было построить ускоритель частиц бесконечной длины, и вам не нужно было бы беспокоиться о каких-либо других силах или движениях, это сразу же дало бы нам идеальный способ создавать частицы любых высоких энергий, на которые мы способны. мечтать. Приложите это электрическое поле к вашему протону, что заставит ваш протон испытывать электрическую силу, и ваш протон ускорится. Пока существует это поле, нет предела тому, сколько энергии вы можете накачать в свой протон.
Сотрудничество ILC
Ускоряющие полости, которые использует LHC, чрезвычайно эффективны и могут ускорять частицы примерно на 5 миллионов вольт на каждый метр, через который они проходят. Однако, если вы хотите накачать «всего лишь» 51 джоуль в протон, для этого потребуется полость ускорителя длиной в поразительные 60 миллиардов километров: примерно в 400 раз больше расстояния от Земли до Солнца.
Хотя это даст вам энергию около 320 квинтиллионов электрон-вольт (эВ) на частицу, или примерно в 45 миллионов раз больше энергии, чем на самом деле достигает LHC, крайне непрактично создавать однородное электрическое поле, охватывающее такое большое расстояние. . Даже строительство линейного ускорителя частиц на самом длинном непрерывном расстоянии в Соединенных Штатах, близком к 4500 км, даст вам только около 22 ТэВ на частицу: чуть лучше, чем на БАК. (И ему пришлось бы подниматься/опускаться на сотни километров выше/ниже Земли из-за кривизны нашей планеты.)
Это подчеркивает, почему ускорители частиц с наивысшей энергией, которые ускоряют протоны, почти никогда не имеют линейной конфигурации, а скорее имеют изогнутую форму.
Pcharito / Wikimedia Commons
В то время как электрические поля необходимы для того, чтобы довести ваши частицы до более высоких энергий и приблизить их на крошечные доли процента к скорости света, магнитные поля также могут ускорять заряженные частицы, сгибая их. по круговой или спиральной траектории. На практике именно это делает LHC и другие подобные ему ускорители такими эффективными: всего с несколькими ускоряющими полостями можно достичь огромных энергий, многократно используя их для ускорения одних и тех же протонов.
Настройка кажется простой. Начните с ускорения ваших протонов, прежде чем вводить их в главное кольцо БАК, где они затем столкнутся с:
- прямыми участками, где электрические поля ускоряют протоны до более высоких энергий,
- изогнутых частей, где магнитные поля изгибают их по кривым, пока они не достигнут следующей прямой части,
и повторяйте это до тех пор, пока не получите столько энергии, сколько хотите.
ЦЕРН
Почему же вы не можете достичь сколь угодно высоких энергий, используя эту процедуру? На самом деле есть две причины: та, которая останавливает нас на практике, и та, которая останавливает нас в принципе.
На практике, чем выше энергия вашей частицы, тем сильнее должно быть магнитное поле, чтобы искривить ее. Тот же принцип применим и к вождению автомобиля: если вы хотите пройти очень крутой поворот, вам лучше притормозить. Если вы едете слишком быстро, сила между вашими шинами и самой дорогой будет слишком велика, и ваш автомобиль соскользнет с дороги, что приведет к катастрофе. Вам нужно либо снизить скорость, построить дорогу с большим изгибом, либо (каким-то образом) увеличить трение между шинами вашего автомобиля и самой дорогой.
В физике элементарных частиц та же история, за исключением того, что ваш изогнутый туннель — это изогнутая дорога, энергия вашей частицы — это скорость, а магнитное поле — это трение.
Гетти
Это означает, что на практике энергия вашей частицы изначально ограничена размером построенного вами ускорителя (в частности, радиусом его кривизны) и силой магнитов, которые изгибают частицы внутри. Если вы хотите увеличить энергию своей частицы, вы можете либо построить ускоритель большего размера, либо увеличить силу своих магнитов, но оба эти способа сопряжены с большими практическими (и финансовыми) проблемами; новый ускоритель частиц на переднем крае энергетики теперь является инвестицией один раз на поколение.
Даже если бы вы могли заниматься этим в свое удовольствие, вы все равно были бы в принципе ограничены другим явлением: синхротронным излучением. Когда вы прикладываете магнитное поле к движущейся заряженной частице, она испускает особый тип излучения, известный как циклотронное (для частиц с низкой энергией) или синхротронное (для частиц с высокой энергией) излучение. Хотя у этого есть свои собственные практические применения, например, в приложениях, впервые разработанных в усовершенствованном источнике фотонов в Аргоннской лаборатории, это фундаментально еще больше ограничивает скорости частиц, искривленных магнитным полем.
Chung-Li Dong, Jinghua Guo, Yang-Yuan Chen и Chang Ching-Lin, «Мягкие рентгеновские спектроскопические исследования устройств на основе наноматериалов»
Ограничения синхротронного излучения объясняют, почему для достижения самых высоких энергий мы ускоряем протоны вместо электронов. Вы можете подумать, что электроны лучше подходят для достижения более высоких энергий; в конце концов, у них такой же электрический заряд, как у протона, но их масса составляет всего 1/1836, а это означает, что та же электрическая сила может ускорить их почти в 2000 раз больше. Величина ускорения, которое испытывает частица, для данного электрического поля зависит от отношения заряда к массе рассматриваемой частицы.
Но скорость излучения энергии из-за этого эффекта зависит от отношения заряда к массе в четвертой степени , что ограничивает энергию, которую вы можете получить очень быстро. Если бы LHC работал с электронами, а не с протонами, он смог бы достичь энергий около 0,1 ТэВ на частицу, что соответствует ограничениям, с которыми фактически столкнулся предшественник LHC, Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP).
Максимилиан Брис (ЦЕРН)
Чтобы выйти за пределы синхротронного излучения, вы должны построить более крупный ускоритель частиц; создание более сильного магнита ничего вам не даст. Хотя многие люди пытаются построить коллайдер частиц следующего поколения, используя как более сильные электромагниты, так и больший радиус кольца, максимальные энергии, о которых мечтают люди, по-прежнему составляют всего около 100 ТэВ на одно столкновение: все еще более чем в миллион раз ниже, чем сама Вселенная может произвести.
Та же самая физика, которая принципиально ограничивает энергии, которые частицы достигают на Земле, все еще существует в космосе, но Вселенная предоставляет нам условия, которых никогда не достигнет ни одна земная лаборатория. Сильнейшие магнитные поля, созданные на Земле, например, в Национальной лаборатории сильных магнитных полей, могут достигать 100 Тл: чуть более чем в миллион раз сильнее, чем магнитное поле Земли. Для сравнения, сильнейшие нейтронные звезды, известные как магнетары, могут генерировать магнитные поля до 100 миллиардов Тл!
ESO/Luís Calçada
Естественные космические лаборатории ускоряют не только протоны и электроны, но и атомные ядра. Космические лучи с самой высокой энергией, которые мы когда-либо измеряли очень точно, — это не просто протоны, а скорее тяжелые ядра, такие как железо, которое более чем в 50 раз массивнее протона. Единственным космическим лучом с самой высокой энергией из всех, известным в просторечии как частица «Боже мой», вероятно, было тяжелое железное ядро, ускоренное в экстремальных астрофизических условиях: вокруг нейтронной звезды или даже черной дыры.
Электрические поля, которые мы можем генерировать на Земле, просто не могут сравниться с силой ускоряющих полей, обнаруженных в этих астрофизических средах, где больше массы и энергии, чем содержит вся наша Солнечная система, сжато в объем размером примерно с большой остров, как Мауи. Без тех же энергий, окружающей среды и космических масштабов в нашем распоряжении земные физики просто не могут конкурировать.
Центр космических полетов имени Годдарда НАСА/S. Wiessinger
Если бы мы могли масштабировать наши ускорители частиц, как будто стоимость и конструкция не имеют значения, мы могли бы когда-нибудь надеяться соответствовать тому, что предлагает Вселенная. С магнитами, сравнимыми с теми, что есть сегодня в БАК, ускоритель частиц, вращающийся вокруг экватора Земли, мог бы достигать энергий примерно в 1500 раз больше, чем БАК. Тот, который простирается до размера орбиты Луны , достигнет энергии почти в 100 000 раз больше, чем достигает LHC.
И если пойти еще дальше, круговой ускоритель размером с орбиту Земли, наконец, создаст протоны, энергия которых достигнет энергии частицы «Боже мой»: 51 джоуль. Если бы вы увеличили свой ускоритель частиц до размеров Солнечной системы, вы теоретически могли бы исследовать теорию струн, инфляцию и буквально воссоздать энергии на уровне Большого взрыва с возможными последствиями для Вселенной.
ЕСО/Ж.-Л. Beuzit et al./SPHERE Consortium
На данный момент, возможно, к сожалению, они останутся мечтами энтузиастов физики и сумасшедших ученых. На практике ускорители частиц на Земле, ограниченные размерами, напряженностью магнитного поля и синхротронным излучением, просто не могут конкурировать с астрофизической лабораторией, предоставляемой нашей естественной Вселенной.
Присылайте свои вопросы «Задайте Итану» на сайт startwithabang в Gmail точка com!
Что такое ускоритель частиц ЦЕРН?
Что, если бы можно было наблюдать фундаментальные строительные блоки, на которых основана Вселенная? Не проблема! Все, что вам нужно, это массивный ускоритель частиц, подземный объект, достаточно большой, чтобы пересечь границу между двумя странами, и способность ускорять частицы до точки, где они уничтожают друг друга, высвобождая энергию и массу, которые вы затем можете наблюдать с помощью серии специальных мониторов.
К счастью, такое оборудование уже существует и известно как Большой хардронный коллайдер ЦЕРН (БАК), также известный как ускоритель частиц ЦЕРН. Имея около 27 километров в окружности и расположенный глубоко под землей недалеко от Женевы, Швейцария, это самый большой ускоритель частиц в мире. И с тех пор, как ЦЕРН щелкнул выключателем, БАК пролил серьезный свет на некоторые более глубокие тайны Вселенной.
Назначение:
Коллайдеры, по определению, представляют собой ускорители частиц, использующие два направленных пучка частиц. В этих приборах частицы ускоряются до очень высоких кинетических энергий, а затем заставляют сталкиваться друг с другом. Побочные продукты этих столкновений затем анализируются учеными, чтобы установить структуру субатомного мира и законы, которые им управляют.
Большой адронный коллайдер — самый мощный ускоритель частиц в мире. Кредит: ЦЕРН Целью коллайдеров является имитация высокоэнергетических столкновений для получения побочных продуктов частиц, которых в противном случае не существовало бы в природе. Более того, эти виды побочных продуктов распада частиц за очень короткий промежуток времени, и поэтому их трудно или почти невозможно изучать в нормальных условиях.
Термин адрон относится к составным частицам, состоящим из кварков, которые удерживаются вместе сильным ядерным взаимодействием, одной из четырех сил, управляющих взаимодействием частиц (другими являются слабое ядерное взаимодействие, электромагнетизм и гравитация). Самые известные адроны — это барионы — протоны и нейтроны — но также включают мезоны и нестабильные частицы, состоящие из одного кварка и одного антикварка.
Дизайн:
БАК работает за счет ускорения двух пучков «адронов» — либо протонов, либо ионов свинца — в противоположных направлениях вокруг своего круглого аппарата. Затем адроны сталкиваются после того, как они достигли очень высокого уровня энергии, и полученные частицы анализируются и изучаются. Это самый большой ускоритель высоких энергий в мире, его окружность составляет 27 км (17 миль), а глубина – от 50 до 175 м (от 164 до 574 футов).
Туннель, в котором находится коллайдер, имеет ширину 3,8 метра (12 футов) и ранее использовался для размещения Большого электронно-позитронного коллайдера (который работал между 1989 и 2000). Этот туннель содержит две смежные параллельные линии луча, которые пересекаются в четырех точках, каждая из которых содержит луч, движущийся в противоположных направлениях по кольцу. Луч управляется 1232 дипольными магнитами, а 392 квадрупольными магнитами используются для фокусировки лучей.
Сверхпроводящие квадрупольные электромагниты используются для направления лучей в четыре точки пересечения, где будут происходить взаимодействия между ускоренными протонами. Фото: Wikipedia Commons/gamsiz В общей сложности используется около 10 000 сверхпроводящих магнитов, которые поддерживаются при рабочей температуре -271,25 °C (-456,25 °F), что чуть меньше абсолютного нуля, с помощью примерно 96 тонн жидкого гелия-4. Это также делает LHC крупнейшей криогенной установкой в мире.
При проведении столкновений протонов процесс начинается с линейного ускорителя частиц (LINAC 2). После того, как LINAC 2 увеличивает энергию протонов, эти частицы вводятся в протонный синхротронный ускоритель (PSB), который разгоняет их до высоких скоростей.
Затем их вводят в протонный синхротрон (ПС), а затем в суперпротонный синхротрон (СПС), где они еще больше ускоряются перед вводом в основной ускоритель. Оказавшись там, сгустки протонов накапливаются и ускоряются до пиковой энергии в течение 20 минут. Наконец, они циркулируют в течение периода от 5 до 24 часов, в течение которых происходят столкновения в четырех точках пересечения.
Во время более коротких периодов работы в программу включаются столкновения тяжелых ионов (обычно ионов свинца). Ионы свинца сначала ускоряются линейным ускорителем LINAC 3, а ионное кольцо низкой энергии (LEIR) используется в качестве устройства для хранения и охлаждения ионов. Затем ионы дополнительно ускоряются с помощью PS и SPS перед тем, как попасть в кольцо LHC.
В то время как протоны и ионы свинца сталкиваются, семь детекторов используются для сканирования их побочных продуктов. К ним относятся эксперимент A Toroidal LHC ApparatuS (ATLAS) и компактный мюонный соленоид (CMS), которые являются детекторами общего назначения, предназначенными для обнаружения множества различных типов субатомных частиц.
Более специфические детекторы на Большом ионном коллайдере (ALICE) и на Большом адронном коллайдере (LHCb). В то время как ALICE — это детектор тяжелых ионов, изучающий сильно взаимодействующую материю при экстремальных плотностях энергии, LHCb регистрирует распад частиц и пытается отфильтровать b- и анти-b-кварки из продуктов их распада.
Далее идут три небольших и узкоспециализированных детектора – эксперимент TOTal по измерению упругого и дифракционного сечения (TOTEM), который измеряет полное сечение, упругое рассеяние и дифракционные процессы; детектор монополей и экзотики (MoEDAL), который ищет магнитные монополи или массивные (псевдо-)стабильные заряженные частицы; и Большой адронный коллайдер вперед (LHCf), который отслеживает астрочастицы (также известные как космические лучи).
История эксплуатации:
ЦЕРН, который расшифровывается как Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (или Европейский совет по ядерным исследованиям на английском языке), был основан 29 сентября 1954 года двенадцатью подписавшими его западноевропейскими странами. Основной целью совета было наблюдение за созданием лаборатории физики элементарных частиц в Женеве, где будут проводиться ядерные исследования.
Иллюстрация, показывающая побочные продукты столкновений ионов свинца, отслеживаемые детектором ATLAS. Фото: CERN Вскоре после создания лаборатория вышла за рамки этого и начала также проводить исследования в области физики высоких энергий. В него также вошли двадцать европейских государств-членов: Франция, Швейцария, Германия, Бельгия, Нидерланды, Дания, Норвегия, Швеция, Финляндия, Испания, Португалия, Греция, Италия, Великобритания, Польша, Венгрия, Чехия, Словакия. , Болгария и Израиль.
Строительство БАК было одобрено в 1995 году и изначально планировалось завершить к 2005 году. Однако перерасход средств, урезание бюджета и различные инженерные трудности отодвинули дату завершения на апрель 2007 года. Первый запуск БАК состоялся 10 сентября 2007 года. 2008 г., но первоначальные испытания были отложены на 14 месяцев из-за аварии, которая нанесла значительный ущерб многим ключевым компонентам коллайдера (таким как сверхпроводящие магниты).
20 ноября 2009 г. БАК был снова запущен в работу, и его первый запуск проходил с 2010 по 2013 гг. ТэВ на нуклон соответственно. Основная цель LHC — воссоздать условия сразу после Большого взрыва, когда происходили столкновения между высокоэнергетическими частицами.
Главные открытия:
Во время первого запуска БАК открыли частицу, которая считалась долгожданным бозоном Хиггса, о котором было объявлено 4 июля 2012 года. Эта частица, которая придает массу другим частицам, является ключевой часть Стандартной модели физики. Из-за большой массы и неуловимой природы существование этой частицы было основано исключительно на теории и ранее никогда не наблюдалось.
Открытие бозона Хиггса и продолжающаяся работа БАК также позволили исследователям исследовать физику за пределами Стандартной модели. Это включало тесты, касающиеся теории суперсимметрии. Результаты показывают, что некоторые типы распада частиц менее распространены, чем предсказывают некоторые формы суперсимметрии, но все же могут соответствовать предсказаниям других версий теории суперсимметрии.
В мае 2011 года сообщалось, что в БАК была создана кварк-глюонная плазма (теоретически самая плотная материя после черных дыр). 19 ноября 2014 года эксперимент LHCb объявил об открытии двух новых тяжелых субатомных частиц, обе из которых были барионами, состоящими из одного нижнего, одного нижнего и одного странного кварков. Коллаборация LHCb также наблюдала несколько экзотических адронов во время первого запуска, возможно, пентакварков или тетракварков.
С 2015 года БАК проводит второй запуск. В то время он был посвящен подтверждению обнаружения бозона Хиггса и дальнейшим исследованиям теории суперсимметрии и существования экзотических частиц на более высоких энергетических уровнях.
Детектор ATLAS, один из двух детекторов общего назначения на Большом адронном коллайдере (БАК). Предоставлено: CERNВ ближайшие годы на БАК запланирована серия обновлений, чтобы гарантировать, что он не пострадает от уменьшения отдачи. В 2017–2018 годах на БАК запланирована модернизация, в результате которой энергия столкновения увеличится до 14 ТэВ. Кроме того, после 2022 года детектор ATLAS должен получить модернизацию, призванную повысить вероятность обнаружения им редких процессов, известную как High Luminosity LHC.
Совместная исследовательская программа, известная как Исследовательская программа ускорителей LHC (LARP), в настоящее время проводит исследования по дальнейшему совершенствованию LHC. В первую очередь это увеличение тока пучка и модификация двух областей взаимодействия высокой светимости, а также детекторов ATLAS и CMS.
Кто знает, что обнаружит БАК до того дня, когда они наконец отключат питание? Если повезет, он прольет больше света на более глубокие загадки Вселенной, которые могут включать в себя глубинную структуру пространства и времени, пересечение квантовой механики и общей теории относительности, взаимосвязь между материей и антиматерией и существование «темной материи». ».
Мы написали много статей о ЦЕРН и БАК для Universe Today. Вот что такое бозон Хиггса? Машина шумихи сдулась после того, как данные ЦЕРН не показали новых частиц, BICEP2 снова и снова? Исследователи ставят под сомнение открытие бозона Хиггса, обнаружены две новые субатомные частицы, будет ли объявлена новая частица? Возможно, физики подтверждают возможное открытие 5-й силы природы.
Если вам нужна дополнительная информация о Большом адронном коллайдере, посетите домашнюю страницу LHC, и вот ссылка на веб-сайт CERN.
Astronomy Cast также имеет несколько эпизодов на эту тему. Послушайте, Эпизод 69: Большой адронный коллайдер и поиск бозона Хиггса и Эпизод 392: Стандартная модель — Введение.
Источники:
- Википедия – ЦЕРН
- Википедия – Большой адронный коллайдер
- ЦЕРН – Ускорительный комплекс
- ЦЕРН – Большой адронный коллайдер
Так:
Нравится Загрузка. ..
Время, эксперименты и поиск неизвестной физики
5 июля года под пригородом Женевы, Швейцария, заработает крупнейший в мире коллайдер частиц и снова начнет собирать данные. И то, что они могут найти, может полностью раскрыть физику элементарных частиц.
После почти четырехлетнего простоя, продленного из-за задержек, вызванных Covid, Большой адронный коллайдер (БАК) вот-вот начнет свой третий раунд экспериментов: кратко названный Run 3. ЦЕРН отметит запуск прямой трансляцией на 10:00 по восточному времени.
Физики возлагают большие надежды на запуск 3. Они надеются открыть новые частицы и новые механизмы, которые им никогда не удавалось увидеть. Недавние исследования в области физики раскрыли возможную пятую силу и бросили вызов Стандартной модели физики. Прогон 3 может
Что делает Большой адронный коллайдер?
БАК — коллайдер частиц. Название точно отражает то, что делает БАК: он сталкивает частицы — обычно протоны, но он также может сталкивать более крупные частицы, которые физики называют «тяжелыми ионами». Как правило, это ионы свинца, самого тяжелого нерадиоактивного элемента.
Для этого БАК сначала выпускает в свое кольцо два луча частиц, движущихся в противоположных направлениях. Они вращаются по спирали, ускоряясь и направляясь мощными электромагнитами, пока не достигают скорости, близкой к скорости света. Затем, набрав скорость, они сталкиваются лоб в лоб.
Эксперимент ALICE в ЦЕРНе, посвященный большим ионам. Рональд Патрик/Getty Images News/Getty Images
Эти столкновения заставляют внутренности движущихся частиц — более мелкие частицы, которые работают как их строительные блоки — выбрасываться. Некоторые врезаются друг в друга. А в высокоэнергетических, высокотемпературных и экстремальных условиях при столкновении из деревянных конструкций могут выскочить всевозможные странные частицы.
Ученые изучают оставленный мусор. Их очень сложные детекторы могут пробираться сквозь обломки и находить следы, следы и отпечатки пальцев, которые оставляют после себя все эти частицы.
Назначение Большого адронного коллайдера
Сталкивание частиц друг с другом звучит как грубый способ узнать о них: это немного похоже на столкновение сложных электронных устройств в надежде узнать, как они работают, из искореженных компонентов, которые остались позади. Но это лучший способ, с помощью которого физики могут заглянуть в квантовый мир в масштабах, в миллионы раз меньших, чем даже атомы.
Но в этих столкновениях многие из этих частиц являются фантомами, едва взаимодействующими с миром или длящимися доли секунды. Как правило, они остаются незамеченными, даже если вы смотрите на них очень мощными детекторами. Но ученые могут найти контрольные сигнатуры этих частиц в высокоэнергетическом супе, который на мгновение появляется внутри коллайдера частиц, такого как LHC.
Модернизация БАК после отключения увеличила его энергию, что дало ему еще больше возможностей для открытия этого субатомного мира.
Размер большого адронного коллайдера
БАК — гигант. Он расположен в круглом туннеле, 27 километров (17 миль) в окружности и 4 метра (13 футов) в ширину, погребенном на несколько этажей под землей. Этот туннель ведет от штаб-квартиры ЦЕРН в пригороде Женевы под возвышающимися горами Юра вдоль волнистой франко-швейцарской границы и снова возвращается.
LHC такой большой, потому что с большей окружностью, через которую проходит пучок частиц, скорость частиц может приближаться к скорости света и, следовательно, нести более высокие энергии. При более высоких энергиях физики могут видеть больше частиц при столкновении лучей.
Каким бы огромным ни был БАК, ученые не боятся мечтать о большем. Если некоторые ученые добьются своего, у LHC будет будущий преемник — так называемый Future Circular Collider — окружность которого почти в четыре раза больше.
Вычислительная сеть для БАК, отвечающая за обработку петабайтов информации, полученной в ходе экспериментов. FABRICE COFFRINI/AFP/Getty Images
Открытия на Большом адронном коллайдере
Возможно, самым громким открытием БАК до сих пор был бозон Хиггса. Согласно физике элементарных частиц, эта призрачная частица является продуктом чего-то, известного как поле Хиггса, которое придает массу определенным частицам, бозонам W и Z. Эти частицы управляют слабой ядерной силой, управляющей некоторыми формами радиоактивности.
Обнаружив бозон Хиггса, физики элементарных частиц смогли подтвердить, что большая часть их теории о том, как работает Вселенная в крошечных масштабах, верна. Но бозон Хиггса крайне нестабилен, и его наблюдение должно учитывать тот факт, что он почти мгновенно распадется на части.
Бозон Хиггса был впервые предложен еще в 1960-х годах, и с тех пор ученые искали его десятилетиями, пока он не был наконец обнаружен в 2012 году на БАК. На самом деле, поиски бозона Хиггса были одной из причин, по которой LHC был построен в первую очередь. У более ранних коллайдеров частиц не было энергии, необходимой для ее обнаружения.
Несмотря на то, что ученые обнаружили бозон Хиггса, они плохо понимают его свойства. Это входит в их список желаний.
Какие новые эксперименты на Большом адронном коллайдере?
Нет *новых* экспериментов как таковых, но они основаны на существующих в поисках неизвестной физики.
LHC — это не просто один большой эксперимент. На самом деле он проводит несколько экспериментов. Каждый ищет разные частицы или исследует разные физические явления. У каждого есть свой детектор, расположенный где-то вдоль контура ускорителя. Каждый из них поддерживается сотнями ученых по всему миру.
Четыре больших. ATLAS и CMS — это эксперименты «общего назначения», в которых рассматривается широкий спектр частиц, проходящих через соответствующие детекторы. Эти два эксперимента обнаружили бозон Хиггса.
Иллюстрации детекторов CMS и ATLAS. All About Space Magazine/Future/Getty Images
ЭЛИС надеется изучить причудливую фазу материи, известную как «кварк-глюонная плазма», где атомы буквально тают, превращаясь в супергорячий суп. Космологи считают, что кварк-глюонная плазма доминировала во Вселенной на короткое время в начале ее истории.
LHCb (сокращение от «LHC beauty») нацелен на изучение одной конкретной частицы, называемой кварком красоты. Ученые считают, что кварк красоты может рассказать им больше о различиях между материей и ее деструктивным близнецом с противоположным зарядом: антиматерией. Когда материя и антиматерия соприкасаются, они уничтожают друг друга. Большой взрыв должен был создать материю и антиматерию в равных количествах, но, похоже, он создал избыточную материю — материю, которая нас окружает. Этот дисбаланс не имеет объяснения.
Есть несколько небольших экспериментов, многие из которых рассматривают другие конкретные частицы или другие элементы физики.
Что надеются найти ученые ЦЕРНа?
Вот уже несколько десятилетий физика элементарных частиц живет и умирает благодаря так называемой Стандартной модели. Это схема, в которой аккуратно показаны основные частицы Вселенной — их 17 — и то, как они взаимодействуют друг с другом. Он управляет тремя из четырех фундаментальных сил Вселенной: сильной ядерной силой, которая удерживает частицы вместе внутри ядра атома; слабое ядерное взаимодействие, управляющее некоторыми формами радиоактивности; и электромагнетизм.
На протяжении десятилетий физика элементарных частиц почти всегда подчинялась предсказаниям Стандартной модели — почти.
Физики элементарных частиц все чаще приходят к выводу, что Стандартная модель — это еще не все. Есть несколько курьезов, которые Стандартная модель не удовлетворяет. Например, модель не отвечает четвертой фундаментальной силе: гравитации. Он также не дал (пока) удовлетворительного виновника темной материи, которая более чем в пять раз больше, чем «нормальная» материя.
Некоторые из этих оставшихся без ответа вопросов заставили ученых подозревать, что где-то там скрывается пятая фундаментальная сила. Одна идея состоит в том, что эта пятая сила каким-то образом связана с темной энергией, таинственной формой энергии, которая, кажется, заставляет вселенную ускоряться.